高坝堆石混凝土综合性能及适用性研究

陈文辉

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

为降低大体积混凝土，特别是大坝混凝土的水化热和成本需要降低水泥用量，一般而言，可以采用减少用水量或采用大粒径骨料以增加骨料用量的方法。前者，如碾压混凝土，即是采用干硬混凝土的方法，选择合适的碾压混凝土分层厚度[1]，依靠强大的机械力量使混凝土密实[2]，降低大体积混凝土由于水泥水化热的影响。在常态混凝土中，如大坝混凝土常采用四级配骨料，骨料最大粒径可达到150mm，受到拌和与振捣能力的限制，难以使用更大的骨料[4]。混凝土砌石[5]、毛石混凝土[6]、埋石混凝土[7]等方式也较为普遍用于筑坝，但这种筑坝方式需要较多的技术工人，实际工程中往往难以保证质量，再加上近年来人工费用的不断上涨，传统筑坝技术正面临越来越大的困难。

堆石混凝土(Rock-Filled Concrete，简称RFC)技术具有低碳环保、低水化热、工艺简便、造价低廉、施工速度快等特点[8]。大坝施工时首先将满足一定粒径要求的大块石直接入仓，形成有空隙的堆石体，然后在堆石体表面浇注高流动性自密实混凝土，依靠自重，填充堆石空隙，形成完整、密实、满足强度要求的混凝土。堆石混凝土可简化温控，节约人工，减少设备投入，充分利用当地块石料。堆石混凝土发展至今，已经在国内水利工程中有了大量实际应用[8- 10]。截至2018年，国内在建堆石混凝土高坝有云南省彝良县松林水库堆石混凝土重力坝最大坝高90.0m[11]，青海民和县满坪水库堆石混凝土重力坝最大坝高77.0m，均取得较好效果。由于堆石混凝土具有块石含量高、胶凝材料用量低等特点，使其在综合性能方面与常规混凝土有着较大的差异。以曲溪水库混凝土重力坝为例，根据现场材料的性能情况推荐了对专用自密实混凝土的参考配合比，研究使用当地块石料作为堆石料的C15等级堆石混凝土的力学性能、热学绝热温升性能及抗渗性能等综合性能，对工程的大坝结构设计及工程建设具有重要意义。

1 研究对象及方法

曲溪水库大坝为堆石混凝土重力坝，上游坝坡上部为垂直，下部为1∶0.2，下游坝坡取1∶0.75。最大坝高80.0m，坝长405.3m。坝体自左岸至右岸依次为左岸挡水坝段、泄洪闸中孔坝段、溢流坝坝段、右岸挡水坝段，右岸天生坝段，枢纽布置如图1所示。堆石料场距离坝址区约800m，场区基岩为中泥盆统混合岩化片岩，岩体较完整。混合岩化片岩密度2.68～2.76g/cm3，单轴饱和抗压强度51.5～82.1MPa，软化系数0.78～0.86，冻融损失率0.02～0.04，变形模量5.32～8.34GPa，属中硬～坚硬岩石。质量指标可满足堆石混凝土重力坝堆石料对原岩的技术要求。

图1 堆石混凝土重力坝枢纽布置图

堆石混凝土技术是一种新型的混凝土施工工艺和材料，它充分利用了自密实混凝土充填堆石缝隙，最终形成完整密实的混凝土。堆石混凝土具有块石含量高、胶凝材料用量低的特点，使其在综合性能方面与常规混凝土有着较大的差异[12- 13]。堆石混凝土大坝是在上游面支立模板，在模板和堆石体之间预留50cm的间距用于布置防渗层和温度钢筋，将满足一定粒径要求的块石自然堆满仓面，然后在堆石体表面浇注高流动性自密实混凝土，无需振捣仅依靠其自重将防渗层浇满的同时流动充填堆石空隙，用自密实混凝土从防渗层处开始浇筑，与堆石混凝土一体浇筑成型，堆石混凝土重力坝结构示意见如图2所示。

图2 堆石混凝土重力坝结构示意图

根据现场材料的性能情况推荐了对专用自密实混凝土的参考配合比，研究使用当地块石料作为堆石料的C15等级堆石混凝土的力学性能、热学绝热温升性能及抗渗性能等综合性能。

自密实混凝土是堆石混凝土工艺的关键技术之一，只有性能优良、价格合理的自密实混凝土才能满足堆石混凝土施工的要求。结合曲溪水库现场附近堆石料情况，C15等级堆石混凝土采用的专用自密实混凝土推荐参考配合比见表1。

表1 自密实混凝土配合比与基本性能

2 综合性能研究

2.1 力学性能

堆石混凝土内含有大量大粒径块石，因此无法使用常规的混凝土力学性能检测方法进行试验。根据DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》中的相关规定，通常采用150mm粒径的块石作为堆石体，制作大于3倍骨料粒径的500mm大试件进行试验，如图3所示，针对完整的堆石混凝土试件进行抗压强度、抗拉强度、静力抗压弹性模量等性能检测。相关力学性能试验成果见表2。

图3 力学性能试验

试件名称抗压强度/MPa抗压弹性模量/GPa抗拉强度/MPa150mm SCC标准试件23.521.01.62500mm SCC大试件14.527.90.92500mm RFC大试件19.138.50.88

抗压试验结果表明：自密实混凝土的抗压试验存在着试件尺寸效应的影响，例如，通过试验所得到的试件尺寸影响系数是：500mm立方体试件是150mm立方体试件抗压强度的61.7%左右。考虑到大小试件在养护上的差异，大试件的养护水平低于标准试件，所以在同等养护条件下，大试件的尺寸影响系数应高于试验所得数值。在相同的试件尺寸和同等养护条件下，堆石混凝土的抗压强度明显高于自密实混凝土，约为自密实混凝土1.3倍左右。抗压弹性模量试验表明堆石混凝土的弹模比自密实混凝土高30%以上。

抗拉试验结果表明：自密实混凝土的抗拉试验存在着试件尺寸效应的影响，试验所得到的试件尺寸影响系数为：500mm立方体试件是150mm立方体试件抗压强度的56.8%左右。在相同的试件尺寸和同等养护条件下，堆石混凝土的抗拉强度与自密实混凝土非常接近。

坝基下伏基岩主要为混合岩化片岩和云母角闪片岩，坝基置于弱分化层下带基岩上，坝址区岩体物理力学、混凝土/岩体抗剪(断)试验成果见表3。施工过程中，由于浇筑层厚的限制，会在硬化成型

表3 坝址区岩体物理力学、混凝土/岩体抗剪(断)试验成果表

表4 堆石混凝土冷缝抗剪断参数

后的大体积堆石混凝土中存在施工冷缝，从而形成堆石混凝土结构中的薄弱面，冷缝是指两层混凝土浇筑间隔时间超过了混凝土的初凝时间，从而在两层混凝土中形成的施工缝，施工过程中需要对其进行相应的处理，但它仍旧是混凝土中的薄弱环节[14]，为了研究堆石混凝土的强度及其抗渗性能，本试验模拟实际施工过程，设计并浇筑了带有施工冷缝的堆石混凝土试块，两次堆石混凝土浇筑仓面块石露出面积约50%，露出高度5～15cm，堆石混凝土冷缝直剪试验成果见表4。坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数f′为0.95，坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力0.7MPa，堆石混凝土冷缝处抗剪断摩擦系数f′为1.71，坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力1.59MPa，均大于坝体抗滑稳定计算采用坝体混凝土与坝基接触面参数，表明堆石混凝土冷缝处由于裸露块石的原因使得其具有良好的抗剪断能力。

2.2 热力学性能

工程实例证明堆石混凝土具有很低的水化热，这使得在应用堆石混凝土技术时具备了简化甚至取消温控措施的可能性，为简化大体积混凝土施工奠定了基础。堆石混凝土的热学性能取决于自密实混凝土和岩石的热学性能。C15等级堆石混凝土绝热温升试验结果如图4所示。

图4 堆石混凝土绝热温升试验实测值与指数式拟合值汇总曲线

根据自密实混凝土的绝热温升值和水泥发热速率参数m值，推求出堆石率55%的普通堆石混凝土各时刻绝热温升值以及m值，其绝热温升曲线公式为θ(τ)=14.2×(1-e-0.442τ)。由此可见，堆石率为55%的堆石混凝土最高绝热温升值为14.2℃，明显低于普通混凝土。堆石混凝土绝热温升速率明显低于自密实混凝土，且随着堆石率的增加，绝热温升速率逐渐降低。

2.3 抗渗性能

自密实混凝土自身具有卓越的抗渗性能，当其与大块堆石共同形成堆石混凝土后其抗渗性能是值得关注的重要问题。通过对大尺寸完整的堆石混凝土试件进行抗渗性能的试验研究才能够客观真实的评价堆石混凝土的抗渗性能。通过全尺寸堆石混凝土渗透系数试验和堆石混凝土切块(本体、施工热缝、施工冷缝)标准抗渗试验均证明了堆石混凝土具有优良的抗渗性能。实际工程中的钻孔压水试验结果也证明了堆石混凝土具有良好的抗渗性能，抗渗性能数据见表5。大坝混凝土的抗渗等级要求一般为W2～W12。对于普通部位和热缝处的堆石混凝土而言，其抗渗等级分别达到了W37、W32，均在W30以上，远远超出了一般水工建筑物的标准；即使是抗渗相对薄弱的冷缝处其抗渗等级也达到了W15，亦能够满足一般水工建筑物要求。这充分表明填充良好的堆石混凝土具有优良的抗渗性能。

表5 堆石混凝土切块抗渗试验数据

3 适用性评价

曲溪水库最大坝高为80m，浇筑方量约54.3万m3，当地堆石料丰富，料场距坝址约800m，运距短，开采运输方便，堆石料饱和抗压强度51.5～82.1MPa，根据堆石混凝土原材料和堆石混凝土的综合性能分析，堆石混凝土中自密实混凝土和石块之间具有良好的胶结能力，堆石混凝土中石块所形成的加强结构可有效提高其抗压强度，使其强度高于浇筑时所使用的自密实混凝土强度。坝体内部混凝土主要起到提供压重的作用，保证坝体抗滑稳定满足设计要求，对抗渗、抗冻等性能无特殊需求。采用堆石混凝土对其整体结构稳定和安全性均不会产生负面影响，并且采用堆石混凝土还能够增加压重提高坝体结构的抗滑稳定性。

曲溪水库坝体堆石混凝土性能综合试验成果表明，采用堆石混凝土筑坝方案，可以明显降低坝体混凝土开裂可能性。堆石混凝土除水泥用量少，水化热温升低，块石用量大，密实度高(密度一般均超过2.5t/m3)的优点以外，还具有体积稳定性好，层间抗剪能力强等优点，非常适合应用于重力式结构。在施工过程中，堆石混凝土除混凝土拌合与运输设备需要规模小，极大简化温控措施等优点以外，堆石混凝土施工进度主要由堆石入仓速度确定，在施工道路条件相对较好的工程中，能够充分发挥堆石混凝土施工速度快的优势，必要时，可以加速施工，加快施工工期，有利于加快施工进度，降低导流风险，降低工程总造价，具有明显的技术和经济优势。

堆石混凝土水泥用量少，水化热温升低，块石用量大，可极大简化温控措施，降低工程投资，与碾压混凝土比较，采用堆石混凝土可节省投资约4100万元，技术经济效益明显。经综合分析，堆石混凝土技术适用于曲溪水库工程。

4 结论

结合曲溪水库当地堆石料情况，采用150mm粒径的块石作为堆石体，制作大于3倍骨料粒径的500mm大试件进行试验，对其进行抗压强度、抗拉强度、静力抗压弹性模量等性能检测，主要结论如下：

(1)在相同的试件尺寸和同等养护条件下，堆石混凝土的抗压强度约为自密实混凝土1.3倍左右，明显高于自密实混凝土，抗拉强度与自密实混凝土非常接近，且由于裸露块石的原因使得堆石混凝土冷缝处具有良好的抗剪断能力。

(2)堆石混凝土综合性能成果表明，堆石混凝土强度、弹模等基本力学性能与普通大体积混凝土相近，抗渗性能优良，水化热温升远低于常态混凝土，可以显著降低回填混凝土开裂可能性。采用堆石混凝土作为坝体材料的堆石混凝土坝体内部温度和应力满足大坝结构设计要求。

(3)堆石混凝土具有优良的抗渗性能，对于普通部位和热缝处的堆石混凝土而言，其抗渗等级均在W30以上，即使是在冷缝处其抗渗等级也达到了W15，满足一般水工建筑物要求。

(4)从建筑材料、施工进度等方面与原碾压混凝土比较，采用堆石混凝土筑坝方案可充分利用当地块石料，简化温控，节约人工，减少设备投入，采用堆石混凝土可节省投资约4100万元，技术经济效益明显，堆石混凝土技术适用于曲溪水库工程。