胶结颗粒料筑坝技术应用探究

张永利

（大同市十里河水利管理处，山西 大同 037000）

1 概述

胶结颗粒料坝是我国基于国内外实践提出的新型筑坝方式，即通过合理的结构设计和便捷的施工工艺将不受传统级配限制的砂砾料、块石、堆石等颗粒料用较少的水泥、砂浆、自密实混凝土等胶结起来进行筑坝。其特点是充分利用当地材料，根据不同的材料特性通过合理选择坝型、调整坝体结构与分区以满足筑坝的要求，在坝基适应性、坝型选择、结构分区中具有工程安全、经济合理、施工便捷、生态环保等诸多优势。

胶结颗粒料是指利用水泥、掺合料、砂浆、混凝土等胶结材料，将砂砾石或堆石胶结形成具有一定强度的材料，包括胶凝砂砾石、堆石混凝土等。胶结颗粒料坝既不同于土石坝或堆石坝，也不同于碾压混凝土坝或混凝土坝，属于从散粒材料坝到混凝土坝（碾压混凝土坝）之间的过渡坝型，包括胶凝砂砾石坝、堆石混凝土坝等，在我国水利水电工程中得到了初步应用。

王千庄水库位于浑源县城东5 km、浑河支流王千庄峪内，2014年9月1日开工建设。设计库容378万m3，最大坝高64.5 m，属小（一）型工程，河道自然纵坡25.3‰。大坝为堆石混凝土重力坝，采用C25F300W 6自密实混凝土浇筑。堆石混凝土是利用高自密实性能混凝土填注堆石体的空隙，形成完整、密实、具有设计强度的大体积混凝土。

王千庄水库工程所在地水文和地质资料少、施工和管理水平薄弱，河道纵坡陡、来水流速大，工程采用堆石混凝土坝。与土石坝相比，施工工艺和质量相对容易达到，具有一定的抗冲刷和洪水漫顶能力，可提高坝体抵御洪水风险的能力；与混凝土坝相比，具有能够充分利用当地材料、骨料，制备过程大为简化，节省工程投资。

2 堆石混凝土原材料

2.1 堆石料

堆石料应新鲜、完整、质地坚硬，粒径不小于300 mm，最大粒径不超过结构断面最小边长的1/4。堆石料最小粒径应保证堆石之间具有一定的空隙，如果粒径过小，会导致形成一些小的堆石空隙，影响高自密实性能混凝土的充填密实度，从而影响堆石混凝土的性能。对最大粒径一般以不影响结构物的均匀性为原则，同时兼顾方便搬运，对大坝主体、基础回填等大体积部位，最大粒径通常不受结构尺寸的影响。

堆石料的饱和抗压强度不低于30 MPa，为保证堆石混凝土具有更高的安全系数，堆石料的饱和抗压强度标准为堆石混凝土抗压强度等级的2倍。堆石料的含泥量不超过0.5%。

2.2 高自密实性能混凝土骨料

高自密实性能混凝土骨料除应满足普通混凝土的要求外，还应满足如下要求：

第一，粗骨料粒径小于20 mm，宜为良好的连续粒级配或2个单粒径级配。由于高自密实性能混凝土用于填充堆石空隙，其骨料粒径不宜过大，否则将影响拌合物的堆石空隙通过性。级配良好的骨料有利于提高混凝土拌合物的黏聚性，防止离析；采用2个单粒级配骨料通常比连续级配骨料更容易实现高自密实性能。

第二，粗骨料针片状颗粒含量不超过8%。针片状颗粒含量高，将使石子的孔隙率增大，从而导致所需砂浆量增大，对高自密实性能产生不良影响，并对强度和耐久性造成负面影响。

第三，对细骨料中的石粉含量无须进行控制。大量工程表明，细骨料中含有0.08 mm以下的石粉可作为惰性掺合料用于高自密实性能混凝土，能够部分或全部取代粉煤灰等矿物掺合料，掺入石粉的高自密实性能混凝土工作性能和硬化性能能够满足设计要求，并可有效降低堆石混凝土的胶凝材料用量，从而优化材料成本。

第四，细骨料选用中砂和中粗砂。细砂骨料表面积较大，会增大拌合物的需求量，对拌合物会产生不利影响；粗砂则会降低混凝土拌合物的黏聚性。

2.3 水泥

硅酸盐系列水泥均可用于高自密实性能混凝土。当高自密实性能混凝土配合比中掺入粉煤灰等矿物掺合料时，应优先选用硅酸盐、中热或低热硅酸盐水泥。因矿物掺合料需与硅酸盐水泥的水化物氢氧化钙发生二次水化反应才能发挥胶凝作用，在矿物复合型水泥中加入矿物掺合料不利于矿物掺合料的活性发挥，甚至引发混凝土强度发展较慢等问题。

高自密实性能混凝土不应使用快凝水泥，如铝酸盐、硫铝酸盐水泥等，因这类水泥配制的混凝土拌合物流动性损失很快，无法满足高自密实性能的要求。

2.4 掺合料

高自密实性能混凝土所需粉体数量较多，全部使用水泥不仅经济性差，而且会导致堆石混凝土水化热过高，因此应在确保强度的基础上，进行系统试配试验充分使用掺合料，包括活性掺合料和惰性掺合料。

高自密实性能混凝土中宜采用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰。品质优良的粉煤灰可改善混凝土的工作性，降低拌合物流动性经时的损失率，并提高混凝土的后期强度和耐久性。Ⅲ级粉煤灰需水量比、烧失量等品质较差，不利于改善混凝土拌合物的工作性。

粒化高炉矿渣粉需水量较小，可改善混凝土的工作性，也有利于提高混凝土的后期强度及耐久性，所以适于配制高自密实性能混凝土。

在高自密实性能混凝土中使用沸石粉可以提高黏聚性、保水性；硅灰可以改善混凝土拌合物的黏聚性及流变性，并可显著提高混凝土的强度和耐久性，适宜于配制强度等级较高的高自密实性能混凝土。

高自密实性能混凝土可采用惰性掺合料（如石英粉、石灰石粉等）来增加粉体含量，并抑制水化放热量和放热速度，同时保证混凝土所需的工作性能。

2.5 外加剂

高自密实性能混凝土所用外加剂应考虑与水泥的相容性，在施工前通过实验检验二者的相容性，以保证施工质量和施工速度。

高自密实性能混凝土具有较大的流动性和良好的黏聚性，不仅要求减水率高、抗离析性好，还应具有流动性能保持时间长、不影响早期强度等特点。其自密实性能的实现主要依赖与以聚羟酸盐高分子为主要原料的高性能减水剂，通常需要根据工程所用的胶凝材料特性进行多组分复配。用于堆石混凝土的减水剂不仅具有优越的减水性能，还应有助于自密实混凝土流体化形成均匀、稳定的体系，使得不同尺度的颗粒能够悬浮其中，同时还具备持续打破絮凝而不影响胶凝材料凝结时间的特点。

由于速凝剂或促凝类外加剂加快混凝土的凝结硬化，可使混凝土拌合物在短时间内伤失流动性，致使无法实现自密实性能，故此类外加剂不适合于高自密实性能混凝土。

早强剂或早强型外加剂也会使混凝土拌合物坍落度损失加快，不利于高自密实性能混凝土，选用此类外加剂时应确保外加剂不会明显加快混凝土的凝结硬化而影响施工。

3 堆石混凝土施工过程

堆石施工宜采用挖掘机平仓，分层厚度最大不超过2.0 m；堆石体外露面所含有的粒径小于200 mm的块石数量不应超过10块/m2，且不应集中。

堆石宜采用自卸车直接运输入仓，也可采用吊车、缆车等方式入仓。入仓堆石要严格控制含泥量，入仓前对块石进行冲洗，入仓道路上应设置冲洗台，对车轮进行冲洗。

高自密实性能混凝土的运输应使用混凝土搅拌车，其拌和楼与浇筑仓水平距离小于300 m时，可以采用泵送的方式入仓。混凝土的运输应保证堆石混凝土施工的连续性。

高自密实性能混凝土浇注中原则上无需振捣，为消除混凝土表面气泡和加强流动速度，对表面外观有较高要求的部位可对模板进行敲打。采用泵送混凝土时，当因停泵时间过长，混凝土达不到要求的工作性能时，应及时清除泵及泵管内混凝土，重新配制。如停泵时间过长，采用打循环的办法防止堵泵。

高自密实性能混凝土浇注点均匀布置，间距不超过3.0 m。浇注过程遵循单向逐点的原则，每个浇注点浇满后方可移至下一点，浇注点不应重复使用。浇注时的最大自由下落高度不超过5.0 m。

堆石混凝土收仓时，高自密实性能混凝土浇注面要使适量块石高出浇注面50～150 mm，其浇注面无需进行人工整平，以加强层面结合。有防渗要求的堆石混凝土，施工水平缝应进行凿毛或冲毛处理。

堆石混凝土的雨季施工要采取有效的防雨措施，冬季施工要采取有效的保温措施；拆模后的堆石混凝土采取薄膜覆盖、洒水等养护措施，以防止混凝土终凝前失水造成早期收缩裂缝，养护时间不少于21 d。

4 堆石混凝土质量控制

堆石混凝土所使用的粗细骨料、水泥、掺合料、外加剂等原材料及中间产品，在进场或使用前严格按照规范要求的检测项目、频次和控制标准进行抽检，严禁使用不合格的产品。

高自密实性能混凝土的工作性能检测，即拌合物的坍落度、坍落扩展度、V型漏斗通过时间等，每4 h检测不小于1次，其性能指标分别为：坍落度260～280 mm，坍落扩展度650～750 mm，Ⅴ型漏斗通过时间7～25 s，自密实性能稳定性不小于1 h。

堆石混凝土的浇筑质量通过孔内电视检测、孔内声波检测、挖坑法等方法综合评价。

堆石混凝土抗压强度等级按90 d龄期高自密实性能混凝土80%保证率的150 mm立方体抗压强度来确定。其强度检验与评定采用钻孔取芯的方法，芯样直径不小于200 mm。

堆石混凝土的抗渗性采用钻孔压水试验进行检测，当透水率高于3 Lu时，需进行灌浆补强处理。

5 结语

胶结颗粒料筑坝在我国水利水电工程中尚未大面积推广。目前王千庄水库堆石混凝土工程正处于施工阶段，在施工过程中应严格要求，努力准确掌握各种原始数据，不断探索研究、总结经验，为胶结颗粒料筑坝技术的不断完善和发展提供可靠依据。