劉 杰

(中國水利水電第十二工程局有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引 言

抽水蓄能電站的上下水庫規(guī)劃選址遵循因地制宜、綜合布置的原則,通常利用埡口筑壩或臺(tái)地筑環(huán)形壩加庫盆開挖形成水庫,采用一座或多座壩將山頂洼地或埡口封閉形成水庫。在工程所在地地質(zhì)條件良好、巖性滿足筑壩條件、庫盆需要開挖成型、技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求的前提下,選擇混凝土面板堆石壩無疑是最經(jīng)濟(jì)的。這也是國內(nèi)已建和在建的抽水蓄能電站上下水庫以混凝土面板堆石壩居多的主要原因?；炷撩姘宥咽瘔问且远咽匣蛏暗[石料分層填筑的堆石壩體作為支撐結(jié)構(gòu),并在上游設(shè)置混凝土面板、趾板與壩基帷幕等組成防滲體系的壩型。而在整個(gè)壩體中,混凝土面板又是位于堆石壩體上游面、直接承受庫水壓力的混凝土防滲結(jié)構(gòu)[1],長(zhǎng)條形薄板結(jié)構(gòu)的特殊性再加上防滲功能的重要性,注定其在整個(gè)混凝土面板堆石壩中處于舉足輕重的位置。

常規(guī)抽水蓄能電站的上下水庫庫容不大,電站投產(chǎn)運(yùn)行后如果因?yàn)閹炫铦B漏、壩體滲水造成水量損失,將會(huì)嚴(yán)重影響電站的發(fā)電量,同時(shí)增大充水和補(bǔ)水費(fèi)用,甚至危及工程安全。如何在壩體規(guī)范填筑,沉降期和沉降速率都滿足規(guī)范要求的前提下,澆筑出少縫甚至無縫的高質(zhì)量混凝土面板,是所有水電建設(shè)者努力的方向。寧海抽水蓄能電站(以下簡(jiǎn)稱“寧蓄電站”)上下水庫擋水建筑物均為混凝土面板堆石壩,本文從前期施工準(zhǔn)備到施工過程中的配合比試驗(yàn)、混凝土供應(yīng)、原材料穩(wěn)定、施工期質(zhì)控和養(yǎng)護(hù)等方面闡述,為打造高質(zhì)量混凝土面板的施工提供一定參考借鑒。

1 工程概況

寧蓄電站位于浙江省寧?？h大佳何鎮(zhèn)境內(nèi),為一等大(1)型工程,總裝機(jī)容量4×350 MW。上水庫大壩最大壩高59.8 m,壩頂長(zhǎng)度550 m,共分49塊面板,長(zhǎng)度超過90.00 m的面板10塊,單塊最大長(zhǎng)度95.54 m,面板設(shè)計(jì)寬度7.6～12.0 m、厚度40.4～56.7 cm。下水庫大壩最大壩高96.3 m,壩頂長(zhǎng)度280 m,共分25塊面板,長(zhǎng)度超過100.00 m的面板共16塊,單塊最大長(zhǎng)度158.33 m,面板設(shè)計(jì)寬度6.0～12.0 m、厚度41.5～67.6 cm。

2022年4月6日上水庫大壩填筑完成,9月26日首倉面板開始澆筑,壩體預(yù)沉降期5個(gè)月20天, 面板澆筑前累計(jì)最大沉降量為190 mm;2022年4月26日下水庫大壩填筑完成,10月12日首倉面板開始澆筑,壩體預(yù)沉降期5個(gè)月15天,面板澆筑前累計(jì)最大沉降量為226 mm,上下庫大壩在面板澆筑前3個(gè)月的月沉降變形值均小于5 mm,完全滿足壩體預(yù)沉降期宜為3～6個(gè)月,頂部壩體最大沉降速率小于5 mm/月的雙控指標(biāo)[1]。

2 配合比試驗(yàn)

配合比是影響混凝土強(qiáng)度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。寧蓄電站面板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30、設(shè)計(jì)齡期28 d、抗?jié)B等級(jí)W10、抗凍等級(jí)F100、極限拉伸值≥1.0×10-4[2]、彈性模量≥30 GPa、泊松比≥0.167。溜槽入口處的混凝土坍落度計(jì)劃按5～7 cm控制。為了在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下,進(jìn)一步提高面板混凝土的和易性和抗裂性能,寧蓄電站以工程使用混凝土原材料為基礎(chǔ),提前半年進(jìn)行面板混凝土的配合比試驗(yàn),以“普通面板混凝土”“VF補(bǔ)償收縮面板混凝土”和“VF補(bǔ)償收縮+玄武巖纖維面板混凝土”三種方案分別進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過三種配比方案的混凝土性狀比較,優(yōu)選具有防裂效果的最佳混凝土配合比。配合比試驗(yàn)技術(shù)路線流程見圖1。

圖1 配合比試驗(yàn)技術(shù)路線流程圖

2.1 VF防裂劑配方選定試驗(yàn)

VF防裂劑是一種以明礬石、石膏、高鋁熟料及添加劑為原料共同研磨配制而成的粉狀混凝土外加劑,是由寧蓄電站施工單位所屬科研院研制的,可以為薄壁混凝土提供補(bǔ)償收縮功能。試驗(yàn)通過不同配方的四種不同組份防裂劑性能指標(biāo)研究,最終確定摻入面板混凝土的防裂劑組份,各組份防裂劑性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 各組份防裂劑性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2.2 玄武巖纖維原材料檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)人員通過對(duì)工程行業(yè)混凝土外加劑市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),在國內(nèi)很多水利工程、工民建、鐵路和公路工程結(jié)構(gòu)混凝土和砂漿拌制過程中摻入一種短切玄武巖纖維,可以有效減少混凝土和砂漿的早期裂縫產(chǎn)生。該種纖維是以天然火山巖為原料生產(chǎn)加工而成的一種純天然綠色纖維,擁有較高的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和彈性模量,并具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、抗老化耐酸堿、耐高溫和低溫、絕熱和電絕緣、隔音等特性[3]。短切玄武巖纖維成品見圖2。

圖2 短切玄武巖纖維成品

對(duì)照合成纖維的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求,試驗(yàn)人員通過對(duì)廠家提供的短切玄武巖纖維成品的纖維直徑、纖維長(zhǎng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率、耐堿性能和單絲斷裂強(qiáng)度保留率[4-5]等進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示全部符合標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求,玄武巖纖維性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 玄武巖纖維性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2.3 其他不同材料的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)人員利用電站的混凝土原材料,又分別進(jìn)行了聚羧酸高效減水劑、萘系高效減水劑混凝土拌和物的性能比對(duì)試驗(yàn)和混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),以及4種不同石粉含量的人工砂拌和物的性能比對(duì)試驗(yàn)和混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。經(jīng)過大量的試驗(yàn)最終確定了適合寧蓄電站面板混凝土的減水劑種類和人工砂最佳石粉含量,結(jié)論如下:

(1)兩種高效減水劑作用下的混凝土拌和物抗壓強(qiáng)度和以28 d為基準(zhǔn)的強(qiáng)度增長(zhǎng)率基本相同,但萘系減水劑60 min時(shí),坍落度損失為40 mm,不符合《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》DL/T 5128-2021標(biāo)準(zhǔn)要求,建議采用聚羧酸高效減水劑。

(2)當(dāng)電站砂石料加工系統(tǒng)生產(chǎn)的人工砂石粉含量控制在14%～16%范圍內(nèi)時(shí),混凝土拌和物性能、力學(xué)性能最佳。

2.4 補(bǔ)償收縮面板混凝土配合比試驗(yàn)

在明確了面板混凝土原材料后,試驗(yàn)人員通過普通混凝土、摻VF防裂劑的補(bǔ)償收縮混凝土和VF防裂劑&玄武巖纖維雙摻抗裂混凝土等三種不同配合比設(shè)計(jì),并經(jīng)過一系列的拌和物性能指標(biāo)試驗(yàn)對(duì)比,結(jié)論如下:

(1)使用聚羧酸高效減水劑并嚴(yán)控石粉含量的人工砂作為細(xì)骨料的情況下,設(shè)計(jì)的普通混凝土配合比即可滿足設(shè)計(jì)提出的面板混凝土相關(guān)指標(biāo)要求,其中極限拉伸值為1.03×10-4。

(2)試驗(yàn)確定配方的防裂劑摻量為10%時(shí),5 、20 、35 ℃下C30W10F100混凝土最大收縮變形均小于混凝土極限拉伸變形,可有效避免混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生。

(3)選定的成品玄武巖纖維摻量在3.5 kg/m3以內(nèi)時(shí),對(duì)混凝土配合比的用水量、和易性等沒有明顯影響;摻量在1.5 kg/m3以內(nèi)時(shí),混凝土極限拉伸值無明顯變化,摻量增加到2.5 kg/m3時(shí),混凝土極限拉伸值從1.03×10-4提高到1.22×10-4,有較明顯的提高。

(3)玄武巖纖維摻量分別為1.20 kg/m3、1.35 kg/ m3、1.50 kg/ m3、2.00 kg/ m3、2.50 kg/ m3、3.00 kg/ m3、3.50 kg/ m3時(shí),C30W10F100混凝土最大收縮變形均小于混凝土極限拉伸變形,可有效避免混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生,但玄武巖纖維摻量超過2.50 kg/m3后,混凝土極限拉伸值趨于穩(wěn)定,不同纖維摻量混凝土極限拉伸值見表3。

表3 不同纖維摻量混凝土極限拉伸值

2.5 最終選定配合比

綜合以上各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),最終確定寧蓄電站面板混凝土采用VF防裂劑摻量10%,玄武巖纖維摻量為2.5 kg/m3的混凝土配合比,推薦“補(bǔ)償收縮+纖維面板”混凝土配合比見表4。

表4 推薦“補(bǔ)償收縮+纖維面板”混凝土配合比

3 混凝土供應(yīng)

對(duì)于面板混凝土施工,澆筑過程中應(yīng)減少運(yùn)輸、等待時(shí)間,避免混凝土發(fā)生分離、泌水或坍損過大等現(xiàn)象,拌制的混凝土應(yīng)盡量降低坍落度并控制在20 mm/h以內(nèi)。針對(duì)上述面板混凝土拌和物的具體要求,為了確?；炷涟韬臀锏男阅芎唾|(zhì)量,寧蓄電站在上下庫大壩一側(cè)壩頭各建了一座臨時(shí)拌和站,專門為面板施工供應(yīng)混凝土,平均水平運(yùn)輸距離僅200 m。同時(shí)考慮到混凝土攪拌車無法運(yùn)輸?shù)吞涠然炷?又對(duì)拌和站下料口進(jìn)行改裝,使拌制后的混凝土直接卸入小型自卸汽車運(yùn)至倉面,最大程度上保證了面板混凝土的低坍落度性狀,所有面板混凝土倉面坍落度均控制在30 mm以內(nèi),并且由于玄武巖纖維材料的摻入,拌制過程中在混凝土內(nèi)部分散均勻,在低坍落度情況下仍能保證倉面溜槽內(nèi)的混凝土具有很好的流動(dòng)性。

4 原材料穩(wěn)定

較好的混凝土拌制運(yùn)輸條件是混凝土拌和物質(zhì)量的保證,但要保持拌和物的性狀穩(wěn)定,優(yōu)選配合比中的各原材料的穩(wěn)定性也十分關(guān)鍵。寧蓄電站面板混凝土施工前,為了避免因原材料的差異而導(dǎo)致各倉面板混凝土拌和物的質(zhì)量波動(dòng),采取了以下措施:

(1)租賃場(chǎng)外固定灰罐,提前2個(gè)月存儲(chǔ)足量水泥降溫備用,進(jìn)場(chǎng)水泥溫度均在40℃左右。

(2)場(chǎng)內(nèi)專用灰罐存儲(chǔ)專供面板混凝土的粉煤灰。

(3)設(shè)置專門堆場(chǎng)提前儲(chǔ)存機(jī)制砂,做好場(chǎng)地防雨排水措施,嚴(yán)控人工砂細(xì)度模數(shù)在2.4～2.8之間,儲(chǔ)存的人工砂石粉含量確保在14%～16%之間。

(4)在拌和站布置專用外加劑庫一次性存儲(chǔ)夠VF防裂劑和玄武巖纖維等摻和料,并根據(jù)拌和站每一拌的混凝土方量,將摻合料等量袋裝,避免了現(xiàn)場(chǎng)二次稱量帶來的誤差。

(5)專用水箱存儲(chǔ)上下庫導(dǎo)流洞出口天然地表水,專供壩頭面板混凝土拌和站。

5 施工期質(zhì)控和養(yǎng)護(hù)

(1) 切斷約束。盡可能減小壩體與混凝土面板之間的約束,是水庫運(yùn)行工況下,確保薄板結(jié)構(gòu)不因水壓力以外的其他外力作用而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵,特別是抽水蓄能電站的上下水庫,水位變幅大、漲落頻繁,更加考驗(yàn)混凝土面板的自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而在面板混凝土施工過程中,結(jié)構(gòu)鋼筋安裝必須借助埋入壩體的插筋作為架立筋。如果在混凝土澆筑過程中,不將這些架立筋與壩體斷開連接,則各塊混凝土面板無形中就會(huì)與壩體形成若干個(gè)約束點(diǎn)。寧蓄電站面板混凝土澆筑過程中,隨著混凝土澆筑面的上升,安排專人對(duì)澆筑面上方的架立插筋點(diǎn)焊割除,并在混凝土覆蓋前由當(dāng)班質(zhì)檢員逐個(gè)檢查。插筋點(diǎn)焊割除和檢查驗(yàn)收見圖3。

圖3 插筋點(diǎn)焊割除和檢查驗(yàn)收

(2)規(guī)范振搗。面板混凝土采用的是無軌滑模施工工藝,混凝土經(jīng)壩面布置的溜槽入倉至滑模體前方,依靠溜槽左右擺動(dòng)均勻布料,然后利用軟軸振搗器振搗混凝土。寧蓄電站的所有面板混凝土澆筑塊,施工過程中安排振搗經(jīng)驗(yàn)豐富、操作責(zé)任心強(qiáng)的振搗工進(jìn)行振搗。同時(shí),為了確保不漏振、不過振,根據(jù)每倉滑模體的長(zhǎng)度不同,安排不同數(shù)量的振搗工和振搗器一字排開,在均勻鋪料結(jié)束后,通過動(dòng)作統(tǒng)一聽指揮、振搗范圍定寬度、振搗時(shí)長(zhǎng)掐表數(shù)進(jìn)行規(guī)范操作。同時(shí),側(cè)模止水部位的混凝土在下料后也由專人負(fù)責(zé)精細(xì)振搗,嚴(yán)禁觸碰止水。

(3)保養(yǎng)到位。根據(jù)前期配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)得出的混凝土變形曲線結(jié)果表明,摻用防裂劑的混凝土干縮率明顯低于普通混凝土,說明摻用防裂劑能明顯抵消或減小混凝土的收縮。但最終暴露在空氣中的混凝土仍呈收縮趨勢(shì),加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)才能充分發(fā)揮補(bǔ)償收縮混凝土的補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)。為了最大程度降低面板混凝土干縮裂縫的產(chǎn)生,寧蓄電站的面板混凝土采取了分階段養(yǎng)護(hù)措施,具體養(yǎng)護(hù)流程為:二抹結(jié)束薄膜覆蓋→初凝撤膜換布?jí)鹤　鷥刹家荒さ蜏乇Ｗo(hù),在混凝土終凝后,外界氣溫非負(fù)溫的情況下,在土工布和混凝土之間利用壩體布置的單閥單控的花灑長(zhǎng)流水養(yǎng)護(hù)。

6 結(jié) 語

寧蓄電站上下庫大壩面板混凝土,首次采用VF防裂劑&玄武巖纖維雙摻防裂配合比,并通過科學(xué)精細(xì)的施工前準(zhǔn)備、規(guī)范有效的混凝土振搗、嚴(yán)格細(xì)微的施工中質(zhì)控和階段分明的施工后養(yǎng)護(hù)。上水庫歷時(shí)77 d和下水庫歷時(shí)65 d完成共計(jì)74塊面板混凝土的施工,三個(gè)月后對(duì)面板進(jìn)行裂縫普查,上庫大壩3.15萬m2的面板僅12條裂縫,其中Ⅰ類縫1條,Ⅱ類縫11條;下庫大壩3.2萬m2面板共發(fā)現(xiàn)51條裂縫,其中Ⅰ類縫2條,Ⅱ類縫49條,且上述裂縫均屬于淺層非貫穿裂縫。裂縫控制水平在國內(nèi)抽水蓄能電站類似工程中十分突出,真正意義上打造出了高質(zhì)量的少縫面板,獲得中國水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院專家們的一致好評(píng)。

充分準(zhǔn)備是基礎(chǔ),配比選對(duì)靠技術(shù),質(zhì)控細(xì)微不含糊,保養(yǎng)到位為要?jiǎng)?wù)。相信隨著國內(nèi)防裂混凝土新材料和新技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新,再加上施工全過程的精心策劃和嚴(yán)格管控,在抽水蓄能電站甚至常規(guī)水電站的堆石壩工程中,會(huì)涌現(xiàn)出更多少縫、甚至無縫的高質(zhì)量混凝土面板。