盧　賓

(廣東省水利水電第三工程局有限公司, 廣東 東莞　523710)

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臺(tái)山核電淡水水源工程碾壓混凝土大壩關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

盧賓

(廣東省水利水電第三工程局有限公司, 廣東 東莞523710)

碾壓混凝土筑壩技術(shù)是目前國(guó)際壩工界較為推崇的筑壩新興技術(shù)之一，具有施工速度快、工期短、投資省和溫控相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本文將在臺(tái)山核電淡水水源工程碾壓混凝土大壩施工過程中遇到的難點(diǎn)，如：無法采用開采骨料生產(chǎn)人工砂改為干法細(xì)碎天然河砂，因采用天然砂破碎后石粉含量偏少需對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)該大壩特點(diǎn)研制了懸掛外承式組合鋼模板等，作為關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，供今后類似工程參考和借鑒。

碾壓混凝土大壩； 關(guān)鍵技術(shù)； 研究與應(yīng)用

1　工程概況

臺(tái)山核電淡水水源工程是臺(tái)山核電廠的配套工程，主要任務(wù)為臺(tái)山核電廠提供淡水，年供核電淡水量900萬m3。工程屬Ⅰ等大(1)型工程，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，包括新松水庫碾壓混凝土重力壩、輸水管線和進(jìn)庫道路。碾壓混凝土重力壩壩頂總長(zhǎng)369m，共分9個(gè)壩段，最大壩高54m，壩頂寬度為7m，壩體上游為鉛直壩坡，下游壩坡坡比1∶0.78；溢流壩段總長(zhǎng)56m，共分5孔，每孔凈寬10m，堰頂高程為45.80m，堰面采用WES 曲線，堰頂不設(shè)閘門，自由溢流，采用階梯式溢流面接消力池聯(lián)合消能方式，每級(jí)臺(tái)階高90cm，寬70.2cm。

在該工程施工過程中，針對(duì)遇到的技術(shù)難題，進(jìn)行了以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究：?立軸干法河砂細(xì)碎技術(shù)；?碾壓混凝土配合比研制；?懸掛外承式組合鋼模板施工技術(shù)。

2　立軸干法河砂細(xì)碎技術(shù)

2.1技術(shù)應(yīng)用背景

由于該工程碾壓混凝土壩工程量大，對(duì)細(xì)骨料的需求量大且集中，品質(zhì)要求高，因此細(xì)骨料的供料直接影響碾壓混凝土施工的連續(xù)性和質(zhì)量。由于征地原因無法利用開采骨料生產(chǎn)人工砂，規(guī)劃的砂料場(chǎng)儲(chǔ)量雖滿足要求，但由于長(zhǎng)期受水流沖刷和自然沉積作用，級(jí)配較差，粉細(xì)顆粒流失嚴(yán)重，粗狀顆粒較多，石粉含量?jī)H為2%～3%，細(xì)度模數(shù)達(dá)到3.88。

開采河砂具有一定的特殊性，顆粒粒徑較小，大部分小于5mm，含少量礫粒，河砂屬花崗巖，其礦物組成以長(zhǎng)石和石英為主，抗壓強(qiáng)度達(dá)到100～300MPa，屬中硬、特硬級(jí)別，因此不適合采用錘式和反擊式破碎機(jī)；此外河砂需從河道開采，雖經(jīng)一段時(shí)間的脫水，但仍具有一定含水量，故超細(xì)碎圓錐破碎機(jī)也不合適。

通過借鑒普通開采骨料生產(chǎn)工藝中的末端人工砂技術(shù)，應(yīng)用于該工程，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和工程實(shí)踐，采用GSP65型立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)“石打鐵”生產(chǎn)模式，細(xì)碎處理生產(chǎn)的河砂經(jīng)過配合比試驗(yàn)可滿足工程需要。

該設(shè)備合理生產(chǎn)參數(shù)：進(jìn)料河砂的含水率控制在6%以內(nèi)，以4%～5%為最佳，進(jìn)料速度控制在30m3/h，這樣既能獲得較高的石粉含量(10%～13%)，又同時(shí)滿足常態(tài)混凝土和碾壓混凝土用砂要求，生產(chǎn)成本最為經(jīng)濟(jì)。天然河砂經(jīng)過干法細(xì)碎技術(shù)加工可滿足工程需要。

2.2工程應(yīng)用

a.河砂細(xì)碎系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，每個(gè)工作班組僅配備兩名操作人員和一臺(tái)裝載機(jī)就能完成整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)作。GSP65型立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)主要工作參數(shù)：工作功率250kW，轉(zhuǎn)速1900～2100rpm，最大線速度85m/s，生產(chǎn)能力45～60m3/h。由于立軸破的破碎腔內(nèi)部形成循環(huán)氣流，能有效遏制粉塵，無需另設(shè)防塵和除塵設(shè)備。

b.對(duì)該系統(tǒng)生產(chǎn)的砂進(jìn)行取樣檢測(cè)105組，各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，且質(zhì)量穩(wěn)定，波動(dòng)范圍小，其中細(xì)度模數(shù)平均值2.63，石粉平均含量12.7%，石粉含量適中，可同時(shí)向碾壓混凝土和常態(tài)混凝土供應(yīng)，避免了常規(guī)人工砂系統(tǒng)需將碾壓混凝土用砂和常態(tài)混凝土用砂分開設(shè)置的繁瑣程序。

c.破碎機(jī)生產(chǎn)成本為70元/m3，而人工制砂成本約為90元/m3，生產(chǎn)10萬m3砂共節(jié)約成本200萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3　采用粉煤灰代砂的碾壓混凝土配合比研制

3.1研究背景

工程位于中國(guó)東南沿海山區(qū)，總體氣候條件比較惡劣，對(duì)碾壓混凝土的配合比要求較高，需適應(yīng)高溫、寒潮、晝夜溫差大、暴雨等各種惡劣天氣，另外該項(xiàng)目受征地等多方面影響無法實(shí)現(xiàn)初設(shè)階段的粗細(xì)骨料開采和生產(chǎn)規(guī)劃，特別是采用河砂細(xì)碎后的砂料仍無法達(dá)到一般碾壓混凝土所需的18%～22%的石粉含量。通過分別研究摻和外購石粉和粉煤灰來替代不足部分的石粉，以滿足設(shè)計(jì)和施工要求的大壩混凝土施工配合比。

離工程所在地較遠(yuǎn)的石料場(chǎng)在生產(chǎn)粗骨料的過程中均有多余的石粉產(chǎn)生，大部分為石料二破經(jīng)過細(xì)篩產(chǎn)生的粒徑0.5mm以下細(xì)骨料。但該細(xì)骨料整體級(jí)配較差，0.016mm以下細(xì)顆粒缺失較多。另外大部分石料場(chǎng)采用濕法生產(chǎn)骨料，石粉含水量較大，運(yùn)輸困難，且運(yùn)輸至攪拌站后還需進(jìn)行脫水處理和配備專門的配料倉輸送至攪拌機(jī)，技術(shù)復(fù)雜且成本較大。摻石粉進(jìn)行初步配合比試驗(yàn)性的結(jié)果亦表明碾壓混凝土拌和物性能較差，故該方法不予采用。

摻粉煤灰代砂指通過摻粉煤灰來替代缺失的石粉顆粒，該工程采用細(xì)碎后的河砂石粉含量尚不能滿足規(guī)范的含量要求，其級(jí)配分析表明0.016mm以下顆粒亦不足，粉煤灰的摻合主要是彌補(bǔ)不足，使其達(dá)到正常人工細(xì)骨料的級(jí)配水平。其可以和正常配合比所需粉煤灰摻合量進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加。

因此碾壓混凝土配合比試驗(yàn)除了按一般參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還需增加研究粉煤灰代砂后對(duì)其他參數(shù)的影響分析，使混凝土的物理力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)碾壓混凝土應(yīng)滿足施工工藝的要求，主要是碾壓混凝土運(yùn)輸和攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中有良好的黏聚性，即抗分離能力，以及比較容易碾壓密實(shí)和充分泛漿的性能。以下僅對(duì)粉煤灰代砂4%時(shí)三級(jí)配碾壓混凝土配合比的試驗(yàn)成果進(jìn)行敘述。

3.2碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)

a.碾壓混凝土配制強(qiáng)度。碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度和耐久性要求，并做到經(jīng)濟(jì)合理。碾壓混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1，碾壓混凝土的配制強(qiáng)度計(jì)算值見表2。

表1　碾壓混凝土設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

表2　碾壓混凝土的配制強(qiáng)度

b.碾壓混凝土中各種材料用量。根據(jù)該工程碾壓混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)、配制強(qiáng)度、原材料特性以及配合比主要參數(shù)的選擇試驗(yàn)，經(jīng)分析，每立方米碾壓混凝土試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3　碾壓混凝土施工配合比試驗(yàn)參數(shù)

c.碾壓混凝土配合比試驗(yàn)。根據(jù)碾壓混凝土試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行碾壓混凝土拌和物性能、力學(xué)性能、耐久性等試驗(yàn)。

?碾壓混凝土拌和物性能試驗(yàn)。拌和物性能試驗(yàn)主要對(duì)外觀、骨料包裹情況等進(jìn)行觀察，并測(cè)試VC值、含氣量、密度、凝結(jié)時(shí)間等性能?？紤]該工程的氣候、施工等因素，為保證碾壓混凝土拌和物質(zhì)量控制，出機(jī)口VC值控制在(5±2)s。碾壓混凝土拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　碾壓混凝土拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果

?硬化碾壓混凝土性能試驗(yàn)。硬化碾壓混凝土主要檢測(cè)強(qiáng)度和抗?jié)B等級(jí)兩項(xiàng)指標(biāo)。碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B等級(jí)試驗(yàn)結(jié)果見表5，試驗(yàn)結(jié)果表明，兩組碾壓混凝土配合比90d抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B等級(jí)均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)R90100，W2 的要求。

表5　碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B等級(jí)試驗(yàn)結(jié)果

3.3工程應(yīng)用

該工程施工中碾壓混凝土施工配合比主要參數(shù)：壩體混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)R90100W2，三級(jí)配碾壓混凝土，水膠比0.65，摻粉煤灰65%；出機(jī)VC值按3～7s動(dòng)態(tài)控制，以滿足倉面可碾性、液化泛漿及層間結(jié)合的設(shè)計(jì)和施工要求。

碾壓混凝土質(zhì)量控制：碾壓混凝土VC值每增減1s，用水量相應(yīng)減增約1.7 kg/m3；砂細(xì)度模數(shù)FM每增減0.2，砂率相應(yīng)增減1%；石粉含量每增減3%，粉煤灰代砂相應(yīng)減增1%。

在施工中，考慮砂中石粉含量不足的情況，為改變碾壓混凝土可碾性，保證液化泛漿和層間結(jié)合質(zhì)量，采用摻粉煤灰代砂方案，可以顯著改善碾壓混凝土性能。

在相同的設(shè)計(jì)指標(biāo)情況下，該碾壓混凝土配合比與工程前期階段初設(shè)配合比相比，完成20萬m3大壩混凝土共節(jié)約材料費(fèi)287.99萬元，減少水泥用量約2000t，極大地減少了混凝土水化熱，有效地簡(jiǎn)化了大壩溫控措施。

對(duì)碾壓混凝土出機(jī)口和倉面VC值檢測(cè)2930次，倉面碾壓混凝土壓實(shí)容重檢測(cè)3027次，全部指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，碾壓混凝土拌和物總體質(zhì)量良好，抗骨料分離、可碾性、液化泛漿性能等均滿足施工要求。碾壓混凝土抗壓、抗?jié)B檢測(cè)指標(biāo)和結(jié)果統(tǒng)計(jì)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

對(duì)大壩碾壓混凝土進(jìn)行取芯檢測(cè)，芯樣獲得率98.6%，外觀檢查芯樣的連續(xù)性、完整性、整體膠結(jié)性、骨料均勻性等普遍較好，局部少量氣孔；芯樣抗壓、抗?jié)B指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求；容重檢驗(yàn)大于設(shè)計(jì)容重2.315g/cm3。

4　懸掛外承式組合鋼模板施工技術(shù)

4.1研究背景

模板的選取直接影響工程施工進(jìn)度、施工安全以及已澆混凝土的外觀質(zhì)量，成為碾壓混凝土控制性施工工序之一。該工程地處山區(qū)，進(jìn)場(chǎng)公路狹小，經(jīng)過多個(gè)村莊，無法滿足大型車輛運(yùn)輸，而一般常規(guī)大壩懸臂模板尺寸為3m×3m，無法運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)。另外為了提高模板施工效率、縮短施工工期、降低模板成本，在綜合普通組合模板和懸臂模板特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)大壩模板進(jìn)行了改進(jìn)，采用懸掛外承式組合鋼模板。根據(jù)混凝土拌和系統(tǒng)生產(chǎn)能力和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，同時(shí)結(jié)合溢流面臺(tái)階0.9m高度要求，將大壩每個(gè)升程高度定為1.8m，即模板高度。

4.2模板結(jié)構(gòu)布置

a.模板結(jié)構(gòu)布置。采用懸臂結(jié)構(gòu)型式，模板面板直接承受外界一切荷載(混凝土的側(cè)壓力及施工荷載)，通過背楞傳力給三角支撐架，三角支撐架巧妙利用了結(jié)構(gòu)力學(xué)的傳力特點(diǎn)，將外力通過預(yù)埋螺桿傳給已澆混凝土，“4L”型錨筋比常規(guī)的蛇型彎鉤錨筋更加有力。

每個(gè)模板單元由面板系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、工作平臺(tái)以及其他輔助設(shè)施組成。根據(jù)使用部位分為迎水面模板、背水面模板和溢流面臺(tái)階模板。

b.迎水面模板。面板采用3.7mm厚Q235鋼板，考慮到模板輕便化以及面板制作過程中平整度要求，將面板分為三塊，每塊尺寸為620mm×3000mm，采用螺栓連接成1.8m×3m面板?，F(xiàn)場(chǎng)無需借助吊機(jī)等設(shè)備就可以人工拼裝。

圖1　模板主要組件

三角支撐系統(tǒng)為面板后的160mm×1965mm槽鋼組件、下支架組件以及斜撐共同組成整體三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，錨固系統(tǒng)主要由錨筋和錨錐構(gòu)成，錨筋為四根長(zhǎng)50cm、直徑φ14的HRB400型L筋，錨錐采用40Cr鋼加工而成經(jīng)淬火和高溫回火處理，確保錨錐與L筋連接安全可靠。迎水面模板主要組件詳見圖1，具體說明如下：①②左、右三角支架組合，由雙面槽鋼組件、三角架和斜撐組成，是模板支撐結(jié)構(gòu)，承受懸臂大模板的全部施工荷載；③上工作平臺(tái)，通過螺栓與豎向主背楞相連，可調(diào)水平、傾斜；④底作業(yè)掛籃，用于模板提升后取出前一層的爬錐、陀螺和受力螺栓，并可在此處對(duì)前一層墻面進(jìn)行修補(bǔ)；⑤⑧防滑踏板，鋪設(shè)在上工作平臺(tái)上，預(yù)留工作孔經(jīng)爬梯到達(dá)底作業(yè)安裝掛籃；⑥⑦模板面板，厚度3.7mm的Q235鋼板，標(biāo)準(zhǔn)塊尺寸為1800mm×3000mm和2300mm×3000mm(高×寬)；⑨防護(hù)欄桿，由3根φ42×2長(zhǎng)為2950mm的鋼管組成，上部設(shè)踢腳板。

c.背水面模板。背水面模板需要保持1∶0.78的坡度，因此在支撐系統(tǒng)上進(jìn)行了加強(qiáng)，其他組件和迎水面模板基本一致，詳見圖2。

圖2　背水面模板組件(單位:mm)

d.溢流臺(tái)階模板。溢流臺(tái)階模板主要組件詳見圖3，具體說明如下：①②面板，3.7mm厚Q235鋼板，每層高90cm，設(shè)計(jì)為兩層，可改裝成三層；③模板支架，模板支撐結(jié)構(gòu)，承受臺(tái)階模板的全部施工荷載；④支撐腿，用于首次模板安裝時(shí)的固定；⑤⑥⑦，加強(qiáng)鋼管，用于提高模板支架的穩(wěn)定性；錨筋，由四根長(zhǎng)50cm、HRB400直徑φ14的L筋組成。

圖3　溢流臺(tái)階模板組件(單位:mm)

4.3大壩模板的安裝

a.模板組合組裝。?將已完成澆筑的大壩墊層混凝土平臺(tái)作為模板的裝配場(chǎng)地，場(chǎng)地寬闊平整，利于模板組裝的精確性調(diào)整，減少模板轉(zhuǎn)運(yùn)； ?將方木放在裝配場(chǎng)地鋪設(shè)簡(jiǎn)易組裝平臺(tái)，平臺(tái)面積約為3.5m×3.0m，并準(zhǔn)備好各種組裝材料和組裝工具； ?按模板裝配圖紙要求組裝模板，組裝程序?yàn)椋孩偈紫葘撁姘灞趁娉纤椒旁诜侥旧希丛O(shè)計(jì)定位尺寸在面板背面安裝兩榀槽鋼組件。②單獨(dú)組裝三角支架，包括工作平臺(tái)、防護(hù)欄桿和踢腳板等。

b.首層模板安裝。在大壩墊層混凝土澆筑時(shí)與地面45°夾角預(yù)埋錨固螺桿，首層模板安裝前沿模板邊線采用砂漿找平，將組裝好的模板依次掛到找平層上成一直線，模板根部采用斜拉座和預(yù)埋錨固螺桿緊密連接，然后采用斜撐調(diào)節(jié)模板的垂直度和傾斜度，全站儀復(fù)核合格后面板涂刷脫模劑，上好定位錐和預(yù)埋錨筋，模板驗(yàn)收合格后澆筑碾壓混凝土，澆筑過程中注意避免入倉汽車或其他施工設(shè)備撞擊模板。詳見圖4。

圖4　首層模板安裝(單位:mm)

c.模板拆除和提升。?在混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%后拆模，與安裝順序相反，拆除時(shí)先撬松、脫開，然后起吊。先用吊鉤吊住模板上部吊環(huán)，吊索收緊，吊鉤不得脫鉤，拆除模板壓腳螺栓及卡件、插銷，向外調(diào)整斜支撐(斜拉桿)，同時(shí)用撬棍輕輕橇動(dòng)模板，使模板離開墻體，拆除懸掛模板支撐架穿墻錨固螺栓，拔掉掛鉤座上的安全銷后，將模板逐塊拆除； ?將前期組裝好的三角支架懸掛在首層預(yù)留的錨固點(diǎn)并用螺栓固定，再將首層拆除的模板與三角支架組合成整體； ?調(diào)節(jié)模板，澆筑第二層碾壓混凝土。上層施工如此類推，并適時(shí)安裝底部工作平臺(tái)。

4.4工程應(yīng)用情況

a.該工程共計(jì)使用了近200套模板，模板安裝面積2.5萬m2，澆筑混凝土20多萬m3，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和測(cè)算，模板安裝由四名施工人員配合一臺(tái)16t吊車即可組成一個(gè)作業(yè)組，每拆除并提升一塊模板僅用時(shí)10min，施工效率快，模板的安裝和拆除不影響倉面正常備倉施工，在穩(wěn)定性、適用性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面都比懸臂模板有更進(jìn)一步的提高。拆模后混凝土線條平順，外觀平整，模板接縫少，蜂窩麻面等質(zhì)量缺陷少。

b.懸掛外承式組合鋼模板與普通鋼模板相比，可節(jié)省拉筋、減少混凝土缺陷處理和機(jī)械人員投入，共節(jié)約成本85萬元；與普通懸臂大模板(3m×3m)相比，模板用鋼量可節(jié)省30%～40%。

5　結(jié)　語

臺(tái)山核電淡水水源工程作為典型南方氣候條件下施工的碾壓混凝土大壩，有其自身的難點(diǎn)、特性，將施工過程中遇到的問題列為工程關(guān)鍵技術(shù)，通過對(duì)其進(jìn)行周密、詳盡的研究，找出這些問題的具體解決辦法。針對(duì)該工程碾壓混凝土大壩施工過程中遇到的無法采用開采骨料生產(chǎn)人工砂改為干法細(xì)碎天然河砂的技術(shù)；針對(duì)天然砂破碎后石粉含量偏少的問題采用粉煤灰代砂為主的混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化；針對(duì)大壩特點(diǎn)研制了懸掛外承式組合鋼模板等關(guān)鍵技術(shù)，供今后類似工程參考和借鑒。

[1]田育功.碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[2]DL/T 5144—2001水工混凝土施工規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[3]DL/T 5112—2009水工碾壓混凝土施工規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[4]文杰，方敦裕，周山.景洪水電站碾壓混凝土天然砂的級(jí)配改善措施[J].水力發(fā)電，2005(10)：61-63.

Research and application of key technology of roller compacted concrete dam in Taishan Nuclear Power Fresh Water Source Project

LU Bin

(Guangdong No.3 Water Conservancy and Hydro-electril No.3 Engineering Board Co., Ltd., Dongguan 523710,China)

Roller compacted concrete damming technology is one of the more popular dam construction emerging technologies in international dam technology industry currently. It has advantages of high construction speed, short construction duration, low investment, relatively simple temperature control, etc. In the paper, the problems of Taishan Nuclear Power Fresh Water Source Project during roller compacted concrete dam construction—mined aggregate cannot be used for producing artificial sand and replaced by dry method comminution river sand, mixing proportion of concrete should be optimized since stone powder content is less after natural sand breaking, hanging outside bearing composite steel template is developed aiming at characteristics of the dam, etc. are regarded as key techniques and studied. Thereby providing reference for similar projects in the future.

roller compacted concrete dam; key technology; research and application

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.011

TV642.2

A

1005- 4774(2016)08- 0041- 07