塑性混凝土在二期围堰中的应用

史德亮　陈如华　刘思君

摘要 三峡工程二期围堰防渗墙采用塑性混凝土作为防渗材料。工程实践表明，从施工配合比设计到防渗墙施工实施严格控制，塑性混凝土达到了预期效果。

关键词 塑性混凝土 防渗墙 施工配合比

1、前言

三峡工程二期上下游横向土石围堰主要由风化砂，石碴混合料，块石料，过渡料等开采弃料组成，上下游围堰高度分别为82.5m和65.5m，填筑总方量589.6万m2，堰体填料80％为水下抛填施工，堰体有2～16m的淤砂层，施工难度在国内外已建水电工程中实属罕见。

针对二期围堰施工及运行特点，围堰堰体中部及基础部位设置塑性混凝土垂直防渗心墙。塑性混凝土是最近十余年发展起来的一种新型防渗材料，其主要优势在于适应变形能力强，可就地取材，克服了常规(刚性)混凝土的许多缺陷，在国内水电工程中不乏成功应用的实例。由于各地原材料性质差异和工程技术要求有别，塑性混凝土的施工工艺也不尽相同。本文着重介绍以三峡工地开采的花岗岩天然骨料和风化砂为基本原材料组成的塑性混凝土的基本特征，以及在三峡工程二期围堰中的应用实况。

2、二期围堰防渗墙结构及应用实况

2.1防渗墙结构

三峡工程二期围堰堰体及基础防渗墙由混凝土防渗心墙上接土工合成材料、下接帐幕灌浆组成复合心墙结构。其中，上游围堰深槽段为双排塑性混凝土防渗墙加隔墙方案，防渗墙中心距离6.0m、墙厚1.0m；下游围堰为低单墙结构，墙厚1.0m，深槽段墙厚为1.1m。

2.2塑性混凝土与普通混凝土的区别

工程实践中发现普通混凝土防渗墙存在不少缺陷：

(1)弹性模量高(10000MPa)，允许变形小，应力集中于墙体，易产生裂缝；

(2)墙体与周围土体沉陷差别大，与基础部位相连接困难；

(3)原材料耗费大，工程造价高；

(4)围堰施工程序复杂，特别是在拆除阶段需采用爆破技术，对主体建筑有影响；

相比而言，塑性混凝土足以弥补上述缺陷，具有“高强低弹”的特点，防渗效果好。

2.3塑性混凝土技术指标

鉴于二期围堰墙体最大高度74m，为保证强度和变形要求，设计提出防渗墙墙体材料性能指标必须满足：

(1)抗压强度户＝4.0～5.0MPa(墙高度＞30m时，R₂₈以5.0MPa控制)；

(2)抗折强度T₂₈＞1.5MPa；

(3)初始切线模量E₀＝500～700MPa(大值允许E₀＝l500MPa)；

(4)渗透系数K20＜l×10^-7cm/s；

(5)允许渗透比降J>80;

(6)浇筑时材料塌落度要求：初始20～24cm，1.5h后＞15cm；

(7)凝结时间：初始＞6.0h，终凝＜24.0h。

3、原材料基本性质

塑性混凝土按原材料性质具体分为风化砂骨料塑性混凝土(简称柔性材料)和天然骨料塑性混凝土(简称塑性混凝土)。其不同之处在于柔性材料中不含天然中、小石，仅用天然风化砂作骨料，并省去了粉煤灰组份。

大体而言，塑性混凝土主要原材料组份如下：

水泥：为葛洲坝荆门水泥厂生产425#矿渣硅酸盐水泥(矿渣掺量45％)，品种满足国标GB20089规范要求；

粉煤灰：符合部颁 级灰标准；

膨润土：湖南澧县地质福利材料厂生产的二级膨润土；

河沙：河砂细度模数F.M＝2.4～2.8，配合比按规定进行调整；

风化砂：p₅含量一般控制在16％～22％，最大允许35％。含泥量3％～10％；

小石：为5～20mm天然骨料，含泥量＜0.4％；

外加剂：木钙和引气剂DH9，配制成水溶液使用；

水：符合拌制混凝土要求。

4、施工配合比研究

4.1施工配台比设计

材料的整体性能取决于原材料之间的相关关系，设计施工配合比则是根据要求，探寻其最佳组合比例。

研究表明，塑性混凝土施工配合比的主要影响因素有以下几点：

①砂率可明显降低塑性混凝土的初始切线模量，降低模强比，增加极限应变量。

②膨润土掺量减少，初始切线模量和模强比均有明显增加，而极限应变量则随膨润土掺量减少而减少。

③塑性混凝土的变形性能随水泥中矿渣掺量的增加而有较大的改善。

防渗墙塑性混凝土施工基本配合比见表1，适用于墙高超过40m的围堰深槽段防渗墙。防渗墙柔性材料施工基本配合比见表2，适用于墙高低于40m的漫滩段围堰防渗墙。

表l   塑性混凝土防渗墙施工基本配合比表 kg/m3
材料	水泥	粉煤灰	膨润土	砂	5～20mm 小石	Mg	DH9	水
掺量	180	80	100	1341	72	0.9	0.027	282

表2   柔性材料防渗墙施工基本配合比表  掺量/m3
材料	水泥 kg	膨润土 kg	风      化    砂			木钙 /0.1 ％	水 kg
			含泥量 ％	P5 ％	掺量 ka
掺量	260	70	6	22	1370	5	370
注：木钙为水泥用量的0.5％。

4.2生产性试验

二期围堰防渗墙施工质量受风化砂P₅含量、骨料性状及河砂细度模数影响较大。考虑到不同料场风化砂级配有差别，针对原材料检测成果，实际施工配合比对表1、表2作适当调整，随之在上游围堰右岸接头和下游围堰右岸接头段进行了生产性试验施工，并通过数学模型计算对塑性混凝土防渗墙应力与强度参数予以复核，经过综合比较分析后正式应用于围堰工程浇筑施工。

5、墙体浇筑质量监控与检测

为了保证二期围堰防渗心墙塑性混凝土的质量，施工质量控制至关重要。监理和检测单位在施工过程中层层把关，从原材料检测入手乃至塑性混凝土浇筑机口、以及防渗心墙钻孔取样，实施全过程跟踪监测。

5.1原材料检测

原材料主要包括水泥、膨润土和骨料。

(1)水泥性能指标：所用荆门425#矿渣水泥。因出厂批次不同，强度标号有一定差别。共检测44组，R₂₈＝47.4～51.8MPa，出厂水泥标号波动较大，提出控制水泥标号R₂₈＝46～48MPa方可使用。

(2)膨润土性能指标：进行矿化检测和理化检测多组。主要矿物组成为：蒙脱石80.4％、石英15.4％、方解石4.2％。主要化学成份：Si02＝58.4％，AL₂O₃＝17.22％， F_e2O3＝7.13％，GaO＝1.86％，MgO＝1.15％。主要理化指标为：塑性指数38～61，小于0.005mm粒径含量为28％～57％。检测结果表明，矿化数据尚好，理化指标波动大，在施工配合比中考虑调整。

(3)骨料：施工过程中，抽查骨料性能指标。主要是跟踪监督检查风化砂 卑值、含泥量、河砂的细度模数，并据此调整施工配合比。细骨料在前期为天然砂，由于细度模数偏小，掺入较粗的黄砂以改善级配和细度模数。后经试验论证，天然河砂改用古树岭人工砂石料系统冲洗下来的弃料。

风化砂检测125组，平均含砂量9％，P₅平均值20.3％，29组细度模数检测值变化为1.97～3.7。

5.2机口取样检测

拌和物机口取样，除施工单位自检，监理单位也进行了抽查。二期围堰上游墙共取样997组，检测结果总体情况见表3。

表3 期围堰防塑性混凝土机口取样实验总体成果表
检测项目	组数	设计指标	实    测     值			合格数	合格率
			最大值	最小值	平均值
抗压强度/MPa	483	R28≥4～5	9	5.19	5.19	460	95.2
抗折强度/MPa	391	T28＞1.5	3.93	1.27	2.08	387	99.0
初始切线模量/MPa	107	Eq=500～700 (最大值＜1500)	1568	600	1032.7	99	92.5
渗透系数/cm.s-1	16	K20＜10-7	1.3×10-7	8.8×10-8	8.8×10-8	16	100
渗透比降	16	J＞80	试验未破而告终			16	100

5.3检查孔芯样检测

防渗墙布置墙体检查孔12个，钻孔取芯检测129组，检测结果见表4：

表4   围堰防渗墙钻孔芯样质量检测结果(凝期50—250天)
检测项目	抗压强度R /MPa	抗折强度T /MPa	初始切线模量EO /MPa
抽样数量	92	12	25
最大值	13	2.65	2328
最小值	4.5	1.68	509
平均值	7	2.3	1400
合格数	86	12
合格率	93.5	100

综上所述，防渗墙施工从原材料、现场槽口取样，钻孔芯样试验和注水检查结果看，各项施工质量指标均满足设计要求。

6、二期围堰防渗墙运行效果

1998年主汛期正值施工高潮，长江遭遇洪峰，三峡坝区连续8次流量大于50000m³/s的洪峰，且两次超过61000m³/s。围堰上游水位达78m，持续时间达36天。根据施工进度安排，二期上游围堰第一道墙竣工后，第二道墙在子堰保护下开槽施工，且基坑实施限制性抽水，围堰第一道防渗墙下游形成大范围“临空面”，各种不利因素组合，使得墙体向下游变形较大。根据堰体测斜管监控资料，围堰深槽段墙体最大变形量达570mm。防渗墙虽然变形大，但无异常情况，墙体应力水平小于1.0，变形性态仍在设计的正常运行范围。汛后基坑抽水，除基岩局部裂隙少量渗漏点渗水量在201/s以内，尚无其它明显渗漏现象，防渗墙属于正常运行状态。

7、结语

(1)三峡工程二期围堰是二期工程的安全屏障，防渗墙的质量则是关键环节。建成伊始，历经1998年汛期8次洪峰的考验。各项检测结果表明，防渗墙从施工配合比设计到浇筑施工，质量得到有效控制，实现了预期目标。

(2)塑性混凝土作为一种新型材料与传统的刚性混凝土相比，适应变形大，就地取材，施工便利，具有不可比拟的优点。但在材料耐久性，均匀性等方面尚缺乏长期的监测资料，宜深入研究，便于推广应用。