(中國電建集團貴陽勘測設計研究院，貴陽，550081)

拱壩50cm碾壓層厚度研究與實踐

居浩

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院，貴陽，550081)

通過調(diào)研國內(nèi)外碾壓設備、質(zhì)量檢測設備發(fā)展狀況，研究了提高碾壓混凝土澆筑分層厚度至50cm的可行性；依托立洲水電站開展了50cm厚層碾壓混凝土現(xiàn)場試驗，并局部應用于立洲拱壩，通過壓實度檢測、室內(nèi)試驗、混凝土取芯、壓水試驗，驗證50cm碾壓層厚的合理性和可靠性；從技術(shù)經(jīng)濟方面分析了50cm碾壓層厚的優(yōu)越性，具有良好的應用前景。

50cm碾壓層厚度 現(xiàn)場試驗 壓實度 壓水試驗

1 引言

碾壓混凝土壩是將常態(tài)混凝土壩的結(jié)構(gòu)和碾壓土石壩施工等的水泥用量少、施工工藝簡單、施工速度快和工程造價低等優(yōu)點集中于一體。該筑壩技術(shù)由美國加州大學伯克利分校的J.M.Raphael教授于1970年首次提出，除少數(shù)工程外，絕大多數(shù)工程的碾壓層厚基本是30cm。

立洲水電站位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi)，水庫總庫容1.897億m3，最大壩高128.0m，電站裝機容量355MW，具有不完全年調(diào)節(jié)性能。攔河大壩為拋物線雙曲拱壩，壩頂寬7.00m，壩底厚26.00m，厚高比0.196。筑壩材料為碾壓混凝土，混凝土量約為31.7×104m3。本工程天然的地理位置和氣候條件適宜碾壓混凝土的施工，為節(jié)約成本，提前發(fā)揮工程效益，本工程開展了50cm厚層碾壓混凝土試驗研究，以解決碾壓混凝土快速施工的瓶頸問題。

2 50cm層厚碾壓施工的可行性

2.1 碾壓設備

國內(nèi)開展厚層碾壓試驗的工程主要在貴州黃花寨、云南馬堵山、貴州沙陀。碾壓層厚研究包括：100cm、75cm、60cm、50cm。

貴州黃花寨水電站研究的碾壓混凝土層厚分別為100cm、75cm和50cm。試驗中使用的碾壓設備為日本酒井工程機械有限公司提供的SD451垂直振動碾壓機和德國寶馬公司的BW202AD。SD451碾壓設備的工作重量11t，單輪最大激振力230kN，振動頻率2600vpm，振幅1.4mm。試驗證明：經(jīng)8～10遍SD451振動碾碾壓，相對密度可以達到97%規(guī)范要求；碾壓層厚100cm，分四次攤鋪，每次27cm，經(jīng)10～12遍振動碾碾壓，相對密度可以達到97%規(guī)范要求。德國寶馬BW202AD振動碾，技術(shù)參數(shù)為離心力130/78kN，振動頻率46/50Hz，振幅0.74/0.36mm。碾壓層厚度50cm，碾壓8～12遍，相對密度為92%，證明BW202AD對于碾壓層厚50cm以上不適用。

云南紅河馬堵山水電站進行50cm、75cm和100cm碾壓層厚試驗，采用的設備為SD451，試驗不但證明了三種層厚的碾壓混凝土和碾壓設備可行，還驗證了攤鋪厚度對壓實度沒有明顯影響。

貴州沙陀四級配厚層碾壓混凝土工藝性試驗采用三一集團生產(chǎn)的YZ20C型全液壓單鋼輪振動碾，小碾振動碾激振力為280kN，大碾振動碾激振力為395kN。VC值為3s～5s的四級配碾壓混凝土拌和物經(jīng)大碾振碾6遍后表面泛漿情況良好，且相對壓實度可達到98%以上。

總結(jié)上述三個工程碾壓試驗規(guī)律：碾壓設備不成為制約50cm厚層碾壓混凝土施工的因素，采用激振力和振幅較大的碾壓設備進行50cm厚層碾壓混凝土施工是可行的，激振力較小的碾壓設備則不適合。

2.2 檢測儀器

目前國內(nèi)外厚層碾壓試驗檢測儀器包括：

(1)國產(chǎn)HS-2002核子密度儀、MC-4核子水分密度儀—美國CPN公司制造，測試深度30cm；

(2)MC-S-24雙管分層核子密度儀—美國CPN公司制造、大型表面透過型RI密度儀—日本土埌和巖石工程技術(shù)有限公司制造(SRE)，測試深度50cm；

(3)輕便型1孔式RI密度儀—日本土埌和巖石工程技術(shù)有限公司制造(SRE)，測試深度100cm。

檢測儀器能適應50cm碾壓層厚施工。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗設備

立洲水電站50cm厚層碾壓混凝土現(xiàn)場試驗采用的壓實度檢測儀器為國產(chǎn)HS-2002核子密度儀。

限于施工條件，現(xiàn)場實際采用徐工XD121振動碾，工作質(zhì)量12.3t；工作速度0～10km/h；振動頻率45/50Hz；名義振幅0.41/0.8mm；激振力(大頻)70/140kN。

3.2 配合比

根據(jù)國內(nèi)厚層碾壓混凝土工藝試驗，結(jié)合前期大壩碾壓混凝土配合比室內(nèi)試驗和汛期大壩碾壓、變態(tài)混凝土及接縫砂漿施工配合比試驗，選定了粉煤灰摻量55%的配合比，所使用原材料為：西昌重龍山牌PO42.5水泥、攀枝花利源Ⅱ級粉煤灰、中水五局人工骨料、四川長安育才外加劑(引氣劑、減水劑)。

表1 第一層至五層碾壓混凝土配合比參數(shù)

3.3 碾壓工藝試驗

碾壓試驗分為A、B、C、D四個條帶。試驗共鋪筑碾壓混凝土五層，A、B區(qū)為50cm層厚碾壓試驗區(qū)，澆筑升程2.5m；C、D區(qū)為30cm層厚碾壓試驗區(qū)，澆筑升程1.5m。碾壓試驗采用20t自卸汽車直接進倉退鋪法兩點疊壓式卸料，人工進行集中骨料的分散，碾壓層攤鋪平倉厚度為28cm，分兩次鋪筑到位。在50cm層厚二級配條帶上作“無振2遍+有振4、5、8、10、12、14、16遍+無振2遍”，三級配條帶上作“無振2遍+有振4、6、10、12、16遍+無振2遍”碾壓遍數(shù)試驗，碾壓完10min后測試其密度。

3.4 壓實度檢測

50cm層厚碾壓遍數(shù)與混凝土壓實度、混凝土容重的參數(shù)詳見表2。

表2 XD121振動碾50cm層厚碾壓參數(shù)

現(xiàn)場試驗表明：針對50cm碾壓層厚，XD121振動碾有振碾壓6遍后，上部30cm壓實度均在98%以上，滿足設計要求；下部20cm碾壓遍數(shù)在6遍的基礎上無論增加多少遍數(shù)，其壓實度幾乎沒變化，均在93%～95%左右，不能滿足設計要求。

3.5 現(xiàn)場取樣試驗

在混凝土到達7d、28d、90d及180d齡期后，分別測試了碾壓混凝土7d、28d、90d及180d抗壓強度下，相應齡期的抗壓強度、抗凍性能、軸心抗拉強度、極限拉伸值、抗?jié)B性能、彈性模量等指標值?？箟簭姸燃翱估瓘姸戎笜藴y試結(jié)果見表3，抗凍指標見表4、軸心抗拉強度及極限拉伸值指標見表5、抗?jié)B指標見表6。

表3 碾壓混凝土強度檢測統(tǒng)計

表4 碾壓混凝土抗凍性檢測統(tǒng)計

表5 碾壓混凝土軸心抗拉強度及極限拉伸值檢測統(tǒng)計

表6 碾壓混凝土C9025F150W8抗?jié)B檢測統(tǒng)計

注：表中“√”表示在相應的壓力下，檢測試件無透水現(xiàn)象。

從上述試驗數(shù)據(jù)看，混凝土各項性能指標均滿足設計要求。

4 應用與評價

4.1 工程應用情況

根據(jù)現(xiàn)場情況，左岸正進行帷幕灌漿施工，對混凝土運輸影響較大；右岸帷幕灌漿、邊坡支護、DR2開挖施工完成，相對施工干擾較小，具有較好的交通條件和入倉條件。選擇左岸2087.90m～2091.50m高程，TR0+00.00m～TR0+81.507m樁號段作為50cm碾壓層厚實施區(qū)域，方量約1436m3。

4.2 鉆孔取芯檢查

4.2.1 芯樣外觀評定

碾壓混凝土強度達到28d后，現(xiàn)場采用SGZ-ⅢA地質(zhì)鉆機對30cm及50cm層厚碾壓混凝土進行了混凝土取芯。完成碾壓混凝土取芯共計16.0m(30cm取芯6m，50cm取芯10m)，取芯率99.76%。混凝土芯樣較完整，呈圓柱狀，表面觀察光滑，骨料分布均勻，結(jié)構(gòu)密實，膠結(jié)好。

4.2.2 芯樣強度檢測

測試芯樣相應齡期的混凝土抗壓強度。其檢測成果見表7。

表7 50cm層厚碾壓混凝土強度檢測統(tǒng)計

4.3 壓水試驗檢查

在碾壓混凝土齡期達到90d設計齡期后，現(xiàn)場開展了壓水試驗檢測，其檢測結(jié)果見表8。

表8 碾壓混凝土壓水試驗檢測統(tǒng)計

4.4 綜合評定

混凝土的質(zhì)量評定一般通過芯樣的外觀質(zhì)量、強度檢測及壓水試驗成果綜合評定。從現(xiàn)場取芯成果看，混凝土芯樣較完整，呈圓柱狀，表面觀察光滑，骨料分布均勻，結(jié)構(gòu)密實，膠結(jié)好；從芯樣檢測成果看，混凝土在達到設計90d齡期后抗壓強度能滿足設計要求；從壓水試驗結(jié)果看，50cm層厚碾壓混凝土透水率指標能滿足工程要求。綜上，其質(zhì)量達到了設計要求，其應用及推廣是可行的。

5 效益分析

通過室內(nèi)試驗研究及現(xiàn)場碾壓混凝土工藝試驗研究，在50cm碾壓層厚應用和實踐方面取得了一定成果，掌握了詳實的試驗資料，并局部應用于立洲拱壩主體結(jié)構(gòu)。碾壓混凝土試驗檢測指標、鉆孔取芯外觀和試驗指標、壓水試驗資料均表明：50cm層厚碾壓混凝土應用于碾壓混凝土拱壩是可行的。本研究為碾壓混凝土快速施工技術(shù)的研究和類似工程的施工組織設計提供了很好的借鑒。

5.1 技術(shù)指標

在加工系統(tǒng)、輔助設施等容量滿足供料要求條件下，碾壓層厚度增加后，沒有增加碾壓遍數(shù)，混凝土指標滿足設計要求，即單位時間壩體上升速度得到了提升。采取厚層碾壓施工工藝之后，壩體上升速度可由目前的平均10m/月提升到15m/月，對于90m以下的碾壓混凝土壩，可以在6個月內(nèi)完成壩體碾壓混凝土施工，所以壩體施工可以安排在一個枯期內(nèi)完成，如此一來，既簡化了導流程序設計，又減少了防洪度汛措施費用，降低了汛期壩面過流對壩體造成的不利影響及汛后恢復耗費的工期及費用，從工期、投資、安全角度來看，碾壓層加厚施工都具有明顯的優(yōu)越性。

就立洲拱壩而言，采用大倉面薄層碾壓、連續(xù)上升的施工工藝，碾壓層厚度取30cm，至少需要427層，即施工過程中有427道層面處理、鋪漿工序；若采用50cm碾壓層厚，層面數(shù)量可縮減至256層，層面處理時間縮短40%，節(jié)約大量人力、物力；同時層面質(zhì)量風險的總量下降40%，有利于施工單位的風險控制。

5.2 經(jīng)濟指標

5.2.1 工期與發(fā)電效益

對于混凝土方量大、大壩占直線工期的高壩，工期效益大于施工工藝增加的投入。以壩高120m碾壓混凝土壩，裝機容量600MW，混凝土方量按照60萬m3計，若全部采用碾壓混凝土層厚加大的工藝，砂石、拌合系統(tǒng)投資增加約2000萬元，水平、垂直運輸需增加約1000萬元，模板體系改造和吊裝設備改造需增加約500萬元，攤鋪設備和人工需增加約200萬元，總共需投入3700萬元?？紤]添置設備和設備改造費用能在多個工程中分攤，按照10年折舊，以10年能建3個工程計，每個工程投入約3000萬元。

按照常規(guī)的施工工藝，碾壓混凝土30d升程10m計，碾壓施工工期約1年(不計工程防洪度汛)，采用碾壓混凝土層厚加大的新工藝后，碾壓混凝土30d升程約可達15m，碾壓工期約9個月，可節(jié)省90d以上，且工程防洪度汛方面更主動。也就是說，不計工程防洪度汛方面的效益，大壩工程占直線工期的前提下，工期將縮短三個月。按照上網(wǎng)電價0.28元/kW·h，月發(fā)電24d，每天20h計算，月發(fā)電量為2.88億kW·h，發(fā)電效益為每月8064萬元；即新工藝下效益增加2.42億元，工期效益明顯大于施工工藝增加的投入。

就立洲水電站而言，壩高120m，裝機容量355MW，大壩碾壓混凝土方量28萬m3；所有碾壓混凝土均采用50cm層厚施工，大壩可提前3個月完工。但直線工期由引水標段控制，大壩提前完工未縮減總工期，不能產(chǎn)生發(fā)電效益；而施工輔助設施容量必須加大、現(xiàn)場作業(yè)強度增加，相應增加費用，故就經(jīng)濟效益而言，碾壓混凝土50cm層厚工藝在本工程效益不明顯。

5.2.2 節(jié)約施工成本

碾壓層厚的增加，主要是工期縮短產(chǎn)生的效益，針對不同的建設主體，影響是不同的，對施工單位來說提前完成工程，可以提前撤出相應設備、人員投入到其它項目，提前獲得相應工程費用和工期獎勵(按合同約定)，現(xiàn)金流入提前，經(jīng)濟效益是明顯的；從建設單位角度出發(fā)，則應結(jié)合發(fā)電工期及效益綜合考慮，分析投入增加及提前發(fā)電效益的差值。

6 總結(jié)

(1)碾壓設備不成為制約50cm厚層碾壓混凝土施工的因素，采用激振力和振幅較大的碾壓設備進行50cm厚層碾壓混凝土施工是可行的；國內(nèi)外的檢測儀器也能滿足厚層碾壓的需求；

(2)從現(xiàn)場碾壓試驗數(shù)據(jù)看，混凝土各項性能指標均滿足設計要求；立洲拱壩選擇左岸2087.90m～2091.50m高程，TR0+00.00m～TR0+81.507m樁號段，作為50cm碾壓層厚實施區(qū)域，方量約1436m3，現(xiàn)場取芯和壓水試驗檢查結(jié)果表明，50cm層厚碾壓混凝土質(zhì)量達到了設計要求，其應用及推廣是可行的；

(3)通過技術(shù)分析，厚層碾壓施工能減少壩體混凝土層面數(shù)量，減少碾壓混凝土層面砂漿、凈漿的用量，縮短層面處理的施工時間，降低質(zhì)量風險，有利于提高壩體整體質(zhì)量，對拱壩結(jié)構(gòu)的意義亦為重大；

(4)在經(jīng)濟方面，對于混凝土方量大、大壩占直線工期的高壩，其工期及經(jīng)濟效益明顯。限于拱壩非直線工期及現(xiàn)場施工作業(yè)面等因素，50cm厚層碾壓工藝在本工程效益不明顯。故針對某一個特定工程，其是否經(jīng)濟可行，尚應根據(jù)工程特點、各種碾壓檢測設備、混凝土生產(chǎn)能力、工程總體施工進度等進行綜合分析；

(5)厚層碾壓施工技術(shù)經(jīng)歷了黃花寨、馬堵山、沙陀、雷打灘等工程試驗研究和實踐，走出了關(guān)鍵的一步。立洲拱壩在前輩研究的基礎上深入研究并局部應用于拱壩左岸壩肩，取得了可喜的成績，為后續(xù)碾壓混凝土壩的施工提供了很好的參考與借鑒。50cm厚層碾壓在立洲拱壩的成功實踐，充分表明厚層碾壓是可行的，具有推廣的空間與價值。

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