埋石混凝土在重力坝设计施工中的应用

钟常砝

摘要：文山州已建中小型电站数十座，其中首部拦河坝采用新型埋石混凝土建造的有十余座。由于采用新的埋石混凝土配比及施工方法，在工程建设中取得了较大的工程效益和施工效益。本文主要总结采用新型埋石混凝土建造重力坝与用纯混凝土建造重力坝在坝体设计、坝体温控、建筑造价及施工进度等方面的利弊关系。

关键词：工程设计；重力坝；埋石混凝土；造价；温控；施工进度

一、埋石混凝土重力坝与纯混凝土重力坝的区别

重力坝是依靠自重克服外力以保持稳定的一种常规坝型。采用埋石混凝土建造的重力坝与用纯混凝土建造的重力坝在体型设计方面没有较大的差别，差别在于坝体浇筑材料的使用。一般混凝土重力坝是坝体全部采用纯混凝土建造，而埋石混凝土重力坝是在坝体内部本应采用混凝土浇筑的，用一定数量的块石替换混凝土，从而减少混凝土的浇筑用量，达到节省投资的目的。埋石混凝土的埋石量一般性规定不超过25%，其施工概念是在混凝土入仓后，再把块石投放到混凝土內。本文中的埋石混凝土，恰与反之，是先把块石堆放好，再浇筑混凝土，通过振捣，让混凝土填充满块石之间的空隙。根据文山州已建成投入使用的十余座埋石混凝土重力坝的施工统计数据分析，埋石放量可达37%～45%，节省混凝土用量明显。采用埋石混凝土建造重力坝主要有三大优点：一是大坝造价显著降低；二是坝体温度应力容易控制；三是施工进度加快。

需要说明的是在重力坝的以下部位，一是大坝的迎水面1.5～2m、下游坝面1.5m，由于考虑防渗及坝面平整度要求，一般不建议使用埋石混凝土。二是坝体上开孔的取、泄水建筑物孔口周边需设置钢筋的部位；三是坝基底部2.0m及两坝肩岸坡接触带1.5m厚度范围内不建议使用埋石混凝土。

二、埋石混凝土重力坝与纯混凝土重力坝1m3浇筑材料用量造价比较

根据已建成投入使用的十余座重力坝的现场样品浇筑材料用量统计分析，样品中块石颗径400～600mm，不均匀系数15，采用较大的不均匀系数使上坝的块石堆砌体形成不连续级配，增大块石之间的空隙率，便于混凝土填充，保证浇筑的混凝土与块石之间紧密胶结。埋石混凝土使用的水泥为42.5级，块石、碎石、砂均为新鲜灰岩料加工而成，材料工地价：水泥400元/t，块石50元/m3，碎石60元/m3，砂65元/m3，两种坝型1m3坝体成品的材料用量、造价比较如下表：

序号 材料名称 埋石混凝土 混凝土 节省

1 水泥（kg） 184 307 123

2 碎石（m3） 0.5 0.84 0.34

3 砂（m3） 0.33 0.55 0.2

4 块石（m3） 0.45 —0.45

5 造价（元） 147.55 208.95 61.4

根据试验资料，块石颗径越小，混凝土的消耗量就越大。经实践验证，块石颗径400～600mm时，混凝土在块石之间的填充度最优。根据上表的统计数据，采用埋石混凝土建造重力坝与用纯混凝土建造重力坝1m3坝体成品的材料价节省61.4元，如以50m坝高测算，坝体浇筑量10万m3，单材料费就可节省投资600万元左右，故用埋石混凝土建造重力坝与用纯混凝土建造重力坝在节省工程造价方面有较大优势。

三、埋石混凝土重力坝与纯混凝土重力坝结构方面的比较

首先需要明确的一个问题是重力坝是依靠自重克服外力以保持稳定的一种挡水建筑物，自重决定坝体稳定。也就是说在坝体体型尺寸一定的情况下，自重越大，其稳定性越好。一般性C20混凝土的比重为2.4t/m3，而埋石混凝土由于加入较多的块石，新鲜、完整的灰岩块石料比重一般在2.6～2.7t/m3之间，这部分块石在混凝土内形成结核状，浇筑填充密实的埋石混凝土单方重量相对要比纯混凝土略重。故在大坝体型尺寸已定的条件下，埋石混凝土单方自重略重于纯混凝土，相应的稳定性略好。

四、埋石混凝土重力坝的施工方法

埋石混凝土与普通混凝土的施工方法存在同异性，同性是混凝土均由拌和站拌制，混凝土运输设备运送入仓，然后平仓振捣浇筑。异性是本文中的埋石混凝土浇筑方法是先用由卸汽车将石料场开采冲洗干净的达到上坝要求的石料直接运输到坝体浇筑仓面（块石的最大粒径不大于600mm）。施工顺序是先摆放块石，再浇混凝土，以前的埋石混凝土施工顺序是先混凝土入仓，再把块石投入混凝土内。块石料的入仓采用自卸汽车后退法铺料，由于自卸汽车下料后在浇筑仓面形成一个个高低不平的堆砌体，需要对块石进行平仓。平仓方法采用挖掘机平仓，平仓时将块径较大的置于底部，块径小的置于上部，浇筑仓面的块石堆砌体厚度一般不超过800mm，一个浇筑层厚度不超过1200mm。块石平仓结束后即进行混凝土浇筑，由于浇筑仓面铺满的是块石堆砌体，一般轮胎式运输设备不易在仓面行走，故混凝土的输送设备采用混凝土输送泵运送。混凝土直接从拌和站用管道连接输送泵，管道出口置于坝面浇筑仓上，人工把持喷枪头将混凝土喷射到块石仓面上，混凝土在块石仓面上的堆积厚度500～600mm为宜。当混凝土铺到一定仓面后，即进行混凝土的振捣，浇筑方法是用插入式振捣器沿块石周边振捣，现场检验方法是振捣器定位振捣1分半钟，直至混凝土填充满块石之间的空隙不再流淌、下沉为止。采用混凝土输送泵运送混凝土，可防止轮胎式运输设备在行走过程中粘接的土、渣颗进入浇筑仓面，影响坝体质量，同时也加快了浇筑进度。

一个浇筑层施工结束后即进入混凝土养护期，由于块石的导热系数与热扩散系数均较混凝土小，故养护期4～5天左右即可施工上一层，而纯混凝土至少要7天以上才能浇筑上一层。

在进行下一个浇筑层的施工时，必须对原浇筑层面进行清扫，并用水泵冲洗干净，防止杂质留在仓面，影响上下两层的胶结。从两种坝型两个新老接触层的取样检测，用埋石混凝土建造的上下两个接触层，基本未发现有冷缝或者温度应力缝，而纯混凝土浇筑的上下两个接触层面，局部存在冷缝现象。分析原因是埋石混凝土的上一个浇筑层，由于块石的作用，仓面存在不平整现象，其局部凸起的部位恰巧被新一层混凝土填充整平，因为上下两个浇筑层之间的块石，若粘连在一起，其下部一般会出现空隙，新浇筑的混凝土一般会将该空隙填满，故未发现有冷缝的原因。从新老两个接触层面分析，采用埋石混凝土建造的要比纯混凝土建造的层间接触略好。

五、埋石混凝土重力坝与纯混凝土重力坝的温度应力控制比较

混凝土在浇筑过程中及以后会产生较大的温度应力，温度控制不好会在坝体内部及表面形成裂缝，影响坝体蓄水和大坝自身的结构安全，故在坝体设计中需要设置温控设施来解决温度应力造成的不利影响。而用埋石混凝土建造的重力坝，由于建筑材料用量及块石在堆放过程中形成的空隙关系，其产生的温度应力相对要小得多，坝体出现温度裂缝的机率也较小。

混凝土在浇筑后由于水泥的作用，自身会产生水化热，再加上外部温度的变化影响，水泥用量越多，产生的水化热就越多，以至产生的温度应力就越大。产生这种现象要先从建筑材料的使用量来分析，根据上表的试验资料，采用埋石混凝土建造的重力坝，每1m3坝体成品的水泥用量为184kg，而纯混凝土则需要307kg，在同一成品体积下，由于埋石混凝土比纯混凝土少用水泥123kg，相应由水泥产生的水化热要减少1/3左右。故在许多纯混凝土重力坝施工中，坝体内部及表面，由于温度控制措施问题，造成的温度应力缝比比皆是。而用埋石混凝土建造的重力坝，由于水泥用量减少，在同体积情况下产生的温度热效应就小，再加上块石的导热系数与热扩散系数均较混凝土小，在入仓前及浇筑后产生的热效应变化不大，故由自身产生的温度应力相对要小得多。其次从材料的浇筑关系分析，纯混凝土重力坝由于整个坝体均为等性材料，其材料的热扩散系数是均匀的，也就是说混凝土从内部到外部的热扩散相应呈直线关系，但由于受外部温度变化的影响，外部材料受阳光照射，快速升温，混凝土的热扩散加剧，而内部受外部温度影响相对表面弱，混凝土热扩散沿顺自身特性自然释放。由于在外部温度影响下，造成混凝土内外热扩散效应发生改变，不呈直线关系，故温度应力缝由此产生。埋石混凝土建造的重力坝，为什么会比纯混凝土建造的重力坝温度裂缝少，主要原因有以下几点：1、水泥用量少。2、块石在入仓堆放过程中块与块之间的搭接堆砌关系，形成较大的空隙率，这些空隙后来由混凝土填充，但由于浇筑振捣关系，或多或少会存在一些空隙，这些空隙能储存一定量的热能，不容易形成集中释放。3、块石在混凝土内形成结核，由于块石的导热系数、热扩散系数与混凝土的不一致，混凝土热扩散过程中受块石的阻碍，热扩散不形成直线关系，故形成的温度应力缝要比纯混凝土的少。由于以上因素，所以在埋石混凝土重力坝设计中温控设施要少，从而节省工程投资。

六、埋石混凝土施工进度与纯混凝土施工进度比较

首先从一个浇筑层来分析筑坝材料的进度关系，用埋石混凝土建造的重力坝，其施工顺序是先摆放块石，再浇混凝土。块石是由自卸汽车直接运送到施工工作面堆砌而成，在同厚度同仓面条件下，块石的铺满速度要比纯混凝土的浇满速度快得多，原因是大量的块石作坝体骨架，缩短了混凝土拌合、运输、浇筑时间。经过多个工程的施工实践比较，如以1000m2的浇筑仓面，1200mm厚的浇筑层计算，用埋石混凝土建造的重力坝要比纯混凝土建造的重力坝施工工期要提前3～4天（中间包括立模时间）。另外从混凝土的养护时间分析，由于埋石混凝土的水泥用量少，热效应发生的衰变周期短，再加上混凝土内部块石的强度不会随时间而改变，从试件试验数据分析，若以28天混凝土到达设计强度比较，埋石混凝土只需24～25天即可到达该强度指标。由于强度提前达标，故其后续的施工进度相应提前。经过数个工程的施工实践验证，用埋石混凝土建造的重力坝要比纯混凝土建造的重力坝施工总工期要提前2～3个月，个别工程提前完工时间可达6个以上，工期短较明显，进度效益较突出。

七、结语

用埋石混凝土建造的重力坝虽然比用纯混凝土建造的重力坝在工程造价、施工进度、温控方面有许多优于性，但埋石混凝土在施工时的质量控制却不易检测，以至个别工程到大坝蓄水后才发现坝背坡出现渗漏现象，最后采取坝体霹雳灌浆方式解决。原因是现场检验方法是振捣器定位振捣1分半钟，直至混凝土填充满块石之间的空隙不再流淌、下沉为止。该方法是由现场浇筑人员确定，当遇到块径较大的碎石，一旦堵塞混凝土填充运行通道，块石下部的空隙就不易填满，从而不能保证埋石混凝土的整体质量，也为大坝的整体质量留下隐患。

对于埋石混凝土的设计施工与使用,我们还需要进行深入的研究分析以提高埋石混凝土的作用｡