武都水库复杂岩溶地层中混凝土配合比设计浅析

2015-02-20娄旭峰张家俊

四川水利 2015年4期

关键词：武都泵送岩溶

石峰，娄旭峰，张家俊

(中国水电基础局有限公司，天津武清，301700)

武都水库复杂岩溶地层中混凝土配合比设计浅析

石峰，娄旭峰，张家俊

(中国水电基础局有限公司，天津武清，301700)

武都水库岩溶系统处理工程，主要包括对溶蚀带、落水洞以及溶蚀洞穴等的处理。为保证在复杂地层中混凝土的施工质量，混凝土配合比设计尤为重要，既要充分考虑泵送混凝土能满足强度需求，又要满足长距离泵送和复杂性入仓混凝土的需要。为此，本文对武都水库混凝土配合比设计作了详细阐述和分析。

武都水库岩溶系统基础处理工程配合比设计

1 工程概况

四川武都水库左右岸基础处理工程，位于四川省江油市武都镇上游约4km，是涪江上的一座具有防洪、灌溉、发电、供水、改善环境、旅游和水产养殖等综合利用效益的龙头水库，总库容5.72亿m3，枢纽主要建筑物有碾压混凝土重力坝和坝后式厂房等。

枢纽总体布置从左岸至右岸依次为：左岸非溢流坝段12段(1#～12#坝段)长293m，厂房坝段3段(13#～15#坝段)长55m，表孔底孔坝段3段(16#～18#坝段)长70m，右岸非溢流坝段12段(19#～30#坝段)长309m，总共30个坝段。基本坝剖面的上游坝坡为垂线，下游坝坡1∶0.75，泄流坝段基本剖面下游坝坡1∶0.8。

坝后式厂房位于河床左岸，装机3×50MW，平面尺寸为29.24m×50.23m(长×宽)，建基面高程为557.161m，最大高度约45m。

左右岸基础处理工程包括：灌浆平洞、帷幕灌浆、排水孔、坝基固结(接触)灌浆和断层处理、排水系统工程、岩溶系统处理等工作内容。工程设计在左右岸设有2～3层灌浆平洞，坝体内设3层廊道与灌浆平洞连接。本工程的帷幕灌浆主要在灌浆平洞、坝体廊道及地表进行施工；坝基主要采用固结和接触灌浆处理，对于断层等软弱部位采用混凝土塞表层封闭后再通过深孔固结灌浆加强地基，坝基混凝土与岩石之间采用接触灌浆处理。岩溶系统处理主要包括溶蚀带、落水洞以及溶洞洞穴等，主要通过施工支洞及灌浆平洞创造作业面，采用清、堵、灌、排、导等方式进行处理。

本合同段混凝土工程主要包括施工支洞，左、右岸灌浆平洞，交通斜井，排水洞混凝土衬砌，勘探平洞及岩溶系统混凝土回填封堵等。混凝土工程总量约为18万m3，混凝土设计强度等级为C20和C15两种。

2 存在问题及配合比设计原则

由于武都水库为我国岩溶地层发育分布区，在岩溶发育地区修建水库，严重存在溶蚀渗漏问题。通常水库渗漏问题可通过防渗帷幕灌浆方式解决，但武都水库坝址区工程地质条件十分复杂，岩溶发育强烈，坝基地质缺陷明显且处理技术难度大。按岩溶工程处理发育现状，靠帷幕灌浆仅能解决部分防渗问题，而大部分的岩溶洞穴则需靠人工或机械追踪清挖切断防渗帷幕范围后回填混凝土解决。同时，在设计坝基应力应变要求、确保防渗帷幕质量的前提下，继续优化岩溶处理设计、调整施工方案和施工工艺，具有积极的现实意义。

为此，本工程混凝土配合比设计，坚持以下几个原则：(1)建立稳定骨架所需骨料用量原则；(2)最大限度密度填充原则；(3)混凝土可泵性原则；(4)骨料离析系数最小原则；(5)最优砂率原则；(6)最佳用水量原则；(7)外加剂掺量原则。

以一定数量的粗骨料(5mm～40mm)形成密布的骨架空间网格，以相当数量的细骨料(小于5mm)最大限度地填充骨架空隙，以胶凝材料浆体最大限度地填满粗骨料和细骨料的间隙，并包裹粗、细骨料颗粒，形成均匀密实的混凝土，以满足强度和耐久性的要求。

泵送混凝土对粗骨料有特殊的要求：如φ125mm输送管要求可用卵石最大粒径为40mm，碎石为30mm；φ150mm输送管要求混凝土所用卵石最大粒径为50mm，碎石为40mm。同时，泵送混凝土对粗骨料的级配也十分敏感，主要原因是粗骨料的外形及粒径大小直接关系到粗骨料表面积及包裹物对它的附着力，从而影响细骨料和灰浆的使用量。根据实际情况和施工条件，应推荐出适合本地区的施工程序和良好的施工工艺、合适的混凝土浇筑材料及混凝土施工配合比。

混凝土配合比主要技术指标详见表1。

3 原材料性能

3.1 混凝土用水泥

水泥选用四川双马水泥股份有限公司生产的双马牌P·O32.5普通硅酸盐水泥，取样地点为双马水泥生产厂家，其物理力学性能检测结果见表2。

表1 混凝土配合比主要技术指标

表2 水泥物理力学性能

从表2可看出，以上二组双马牌P·O32.5普通硅酸盐水泥水泥3d、28d物理力学性能符合规范GB175-1999对P·O32.5水泥的要求；第二组水泥28d强度偏高。

3.2 混凝土用细骨料

细骨料为河砂，取样地点为石家中脊料场，试验前过5mm筛。其物理性能检测见表3。

表3 细骨料物理性能

从表3检测结果可看出，第一组砂为粗砂，第二组为中砂，其余各检测项目均符合规范DL/T5144-2001对细骨料的要求。

3.3 混凝土用粗骨料

混凝土用粗骨料为卵石，分三次取样，取样地点为石家中脊料场，试验前分别筛成小石(5mm～20mm)和中石(20mm～40mm)。其物理性能检测见表4。

表4 混凝土用卵石物理性能

从表4检测结果可看出,各检测项目均符合规范DL/T5144-2001对粗骨料的要求。

3.4 混凝土用粉煤灰

粉煤灰为四川绵阳市热电厂生产的粉煤灰，其性能检测见表5。

表5 粉煤灰检测结果

从表5检测结果可看出，该粉煤灰所测指标达到Ⅱ级粉煤灰的要求。

3.5 外加剂

缓凝高效泵送剂HJUNF-3A由山西黄河新型化工有限公司生产；膨胀剂为四川三三科技有限公司生产的SS-UEA普通型高效混凝土膨胀剂；早强高效泵送剂HJUNF-3B由山西黄河新型化工有限公司生产。

外加剂检测结果分别见表6、表7、表8。

表6 泵送剂检测结果

从表6检测结果可看出，该泵送剂所测指标满足规范要求。

表7 早强高效泵送剂检测结果

从表7检测结果可看出，该早强高效泵送剂所测指标满足规范要求。

表8 膨胀剂检测结果

从表8检测结果可看出，该膨胀剂以上所测指标满足规范JC476-2001的要求。

4 配合比设计

鉴于武都水库岩溶系统的复杂性，在各个部位或同个部位分别采用了不同的混凝土进行回填施工。如左岸623m高程坝基5#～6#号坝段，在先期对已清挖的部分落水洞，采用了C15混凝土回填，而在后续施工中设计增加K108堵头段的C20微膨胀混凝土。所以要求在与堵头段相关部位的落水洞、隐伏洞穴和K108溶洞发育的岩溶支洞，均采用C20微膨胀混凝土回填，堵头段之外的则采用C15混凝土回填。同时，在同个部位分别采用直接泵送入仓、直接溜槽入仓、泵送加溜槽和溜筒入仓等多种复杂的混凝土入仓方式。所以，该工程在配合比设计时根据工程需要设计了多种混凝土种类，有常态混凝土、泵送混凝土、常态微膨胀混凝土、泵送微膨胀混凝土、常态回填混凝土、泵送回填混凝土、早强泵送混凝土、早强泵送微膨胀混凝土等。

在岩溶系统施工中，模板工程量极大，立模模板、架管等使用材料较多，为了方便立模材料的周转，加快施工进度。大部分地方采用了早强混凝土回填施工，在泵送混凝土中加入了早强泵送剂的措施。

4.1 混凝土配合比基本参数选定

4.1.1 石子级配组合的确定

(1)该工程石子级配为二级配为主，极少地方采用一级配混凝土。针对二级配混凝土，主要在试验中考虑施工和易性的要求，常态混凝土宜选石子级配用为中石∶小石=60∶40，泵送混凝土宜选用石子级配为中石：小石=50∶50；

(2)喷射混凝土配合比设计。根据规范要求，混合料配合比应遵守下列规定：干法喷射水泥与砂、石重量比宜为1.0∶4.0～1.0∶4.5；湿法喷射水泥与砂、石重量比宜为1.0∶3.5～1.0∶4.0；水灰比宜为0.42～0.50，砂率宜为50%～60%。

4.1.2 混凝土最优砂率和用水量的确定

混凝土最优砂率能使其拌和物具有良好的和易性和保水性。通过试验确定，常态混凝土水灰比为0.55时为39%，水灰比每增减0.05，砂率相应增减1%；泵送混凝土水灰比为0.55时为41%，水灰比每增减0.05，砂率相应增减1%。

4.1.3 混凝土用水量的确定

混凝土用水量是在满足混凝土施工和易性要求的前提下，尽量降低每方混凝土的用水量，它主要受水泥品种、掺和料品种、外加剂的性能，砂石骨料的形状、级配和砂率等诸多因素的影响。混凝土的用水量经过试验确定。

4.1.4 外加剂掺量的确定

通过试验确定，泵送剂的掺量均为0.7%，早强泵送剂的掺量为1.4%，膨胀剂的掺量采用最小掺量10%和中间掺量11%。

4.2 混凝土施工配制强度的确定

为使施工中混凝土强度符合设计要求，在进行混凝土配合比设计时，应使混凝土配制强度有一定的富裕度。根据现行《水工混凝土配合比设计规程DL/T5330-2005》中“混凝土配制强度的确定”的有关要求，混凝土配制强度按下式计算：

fcu，o=fcu，k+tσ

式中：fcu，o——混凝土配制强度(MPa)；

fcu，k——混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值(MPa)；

t——概率系数，由给定的保证率P选定；

σ——混凝土立方体抗压强度标准差(MPa)。

根据现场混凝土施工条件和施工水平，保证率按95%考虑，标准差选用4.0。

4.2.1 泵送混凝土和常态混凝土配合比设计

混凝土水灰比选择0.50、0.55、0.60、0.65，砂率选用37%～42%，假定容重2400kg。

常态、泵送混凝土采用20%、30%、40%不同掺量的粉煤灰；微膨胀混凝土粉煤灰掺量为20%，在泵送混凝土中，膨胀剂分别以最小掺量10%和中间掺量11%来代替水泥用量，考虑到该工程泵送混凝土用量较大，其余混凝土只做10%的掺量，以这样的不同掺量来选择一个合适的配合比。

4.2.2 据泵送混凝土规范要求，应测定混凝土坍落度的损失值。所以根据泵送混凝土拌和物特征，采用不同掺量的泵送剂来检测其坍落度的损失值。

泵送混凝土经时坍落度损失值见表9。

表9 泵送混凝土经时坍落度损失值

从表9可以看出，在相同气温下混凝土外加剂掺0.7%时坍落度损失大于掺0.8%，所做试验气温为15℃，在夏天气温较高的情况下宜采用掺0.8%的混凝土，冬天气温较低益采用掺0.7%的混凝土，这样才能保证混凝土坍落度经时损失不是很大，利于泵送混凝土的施工。

4.3 试验检测结果

4.3.1 以上微膨胀混凝土配合比，所检测混凝土抗渗性能和混凝土膨胀率如表10所示。

表10 混凝土抗渗、膨胀性能检测结果

由表10可以看出，泵送微膨胀混凝土在膨胀剂掺量为11%时膨胀率满足设计要求，其余掺量为10%时能够满足设计要求。

4.3.2 混凝土推荐配合比

泵送混凝土水胶比大于0.60时，混凝土的强度下降，同时容易造成离析，造成堵管。所以水胶比选择小于0.60，胶凝材料用量不宜低于300kg/m3，砂率宜为35%～45%。

综上所述，现将推荐施工配合比分列如表11、表12和表13所示。

5 结语

武都水库复杂岩溶地层处理工程中的混凝土配合比设计，充分考虑了武都水库左右岸基础处理施工现场的具体情况，把泵送混凝土的可泵性和强度放在同一高度加以考虑，通过各系数的平衡选定，达到对泵送混凝土的性能控制。水工混凝土建设标准的提高，高质量混凝土的应用与日俱增，明确规定采用泵送混凝土的工程部位会越来越多，因此泵送混凝土配合比设计显得尤为重要。期望通过探讨混凝土配合比设计，充分认识到配合比对泵送混凝土质量的重要性。同时，在后期建设工程施工中，类似武都水库基础处理工程的复杂岩溶系统工程施工会越来越多，望在今后遇到类似的岩溶处理工程施工中得以借签，并在应用过程中积累更多的实践经验，为今后能够设计出更优秀的配合比打下坚实基础。