色拉龙工程溢流面抗冲耐磨混凝土指标分析

张锦灿，邹仕华

(云南省能源投资集团有限公司,云南 昆明 650228)

1 溢流坝概况

色拉龙工程是一座中型水电站，属二等大(2)型工程，其溢流坝是枢纽工程的主要建筑物之一，溢流面是溢流坝的重要组成部分。充分研究溢流面抗冲耐磨混凝土浇筑的主要指标，做到技术可行、经济合理。[1]色拉龙工程溢流坝段(10#～12#)共3个坝段，各坝段长度分别为23 m、25 m和23 m，最低建基面▽152.00 m，最大坝高67.5 m，坝基底宽59 m，坝顶高程▽219.5 m，上游坝坡▽219.50 m-▽193.50 m为铅直面，▽193.50 m—▽185.50 m为1 ∶1向内倾斜的斜坡，▽185.50 m—▽175.00 m为铅直面，▽175.00 m—▽164.00 m为1 ∶0.4向外(上游)倾斜的斜坡，▽164.00—▽162.00 m为1 ∶1向外(上游)倾斜的斜坡，▽162.00 m向外(上游)延伸一个6.60 m的平台，再铅直面向下，直抵建基面▽152.00 m。共布置4孔14 m×17 m的泄洪表孔，镶嵌4道直立检修闸门和4道弧形工作闸门，表孔堰顶▽198.00 m。堰面采用开敞式堰面曲线，顶部向上游悬出5.5 m，原点上游采用1/4椭圆曲线x2/4.022+(1.80-y)2/1.802=1，原点下游接方程为Y=0.052 3X1.85冥曲线。堰面曲线与下游反弧段相接，反弧段半径25 m，采用挑流消能。[2]闸墩长度36 m，闸墩厚度3 m，表孔溢流坝同时作为排污通道，参与水库排污。闸墩下游坡面▽219.5 m—▽192.00 m为直立面，▽192.00 m—▽182.00 m为1 ∶1向外(下游)倾斜的斜坡，▽182.00 m向外(下游)延伸一个10.00 m的平台，再铅直面向下至▽168.00 m，▽168.00 m—▽166.00 m为1 ∶1向内倾斜的斜坡，▽166.00 m以下为直立边坡，直抵建基面垫层。

溢流坝表孔堰顶▽198.00 m，挑流消能底坎▽172.68 m，水能溢流落差25.32 m。溢流坝溢流面横剖面弧长70.80 m，溢流面垂直投影至水平面上沿水流方向的水平长度56 m(垂直于坝轴线)。

2 溢流面的主要结构和技术指标

溢流面的主要结构组成有高标号混凝土、Ф25螺纹钢等。工程量不算大，但价值高，部位重要。[3]溢流面的主要功能是抗冲耐磨，其表面应光洁、防止开裂。

溢流面的弧面面积约3 965 m2，表面覆盖0.5 m厚的抗冲耐磨混凝土C40W6F100(二)(注：C40为混凝土标号；龄期为28 d；W6为抗渗0.6 MPa；F100为抗冻100次循环；二个级配，骨料粒径5～20 mm,20～40 mm,下同)。溢流面0.5 m表层以下，覆盖1.5 m厚的C25 W6F100(二)溢流面混凝土。再往下部，在预留阶梯状的碾压混凝土上布设垂直插筋和水平插筋，垂直插筋间排距均为1 m，水平插筋间距1 m，排距0.9 m，插筋伸入台阶与外露的长度均为1.5 m。这些是施工准备阶段的设计要求。

溢流面属于溢流坝的重要组成部分，溢流坝的混凝土量144 074 m3，包括常态混凝土C20、C25、C30、C40和变态混凝土C18020W6F100(二)、碾压混凝土C18015W4F50(三)、富胶凝碾压混凝土C18020W6F100(二)，包含溢流面混凝土在内的溢流坝段混凝土型号多达15种，而且彼此单价相差悬殊，最大者与最小者相差700有余，其经济指标不容小觑。

色拉龙水电站溢流面抗冲耐磨混凝土设计技术指标(见表1)，骨料级配试验结果(见表2)。

表1 溢流面抗冲耐磨混凝土配合比设计技术指标

表2 骨料最优级配试验结果

根据表2振实容重的试验结果，骨料级配最佳比例为，二级配小石 ∶中石=40 ∶60(%)，该级配比例为最佳级配，其振实容重最大，空隙率最小。

溢流面抗冲耐磨混凝土二级配采用小石 ∶中石=40 ∶60(%)，在实际施工过程中根据施工的不同阶段和骨料颗粒级配实际情况予以相应的调整。

3 溢流面的设计优化

设计优化是一个极值的概念，并非“最”，而是“更”，体现在技术上的更可行，经济上更为合理。为增强溢流面表层混凝土抵抗表孔泄洪时产生脉动压力的能力，原设计溢流面表层常态混凝土的厚度为2 m；同时为节约工程投资，降低因水泥用量过高导致混凝土开裂的风险，溢流面表层采用厚0.5 mC40W6F100(二)混凝土，其下部为厚1.5 mC25W6F100(二)混凝土，并要求两种混凝土整体浇筑。

但由于溢流面两种混凝土需整体浇筑，对现场施工工艺要求较高，鉴于现场实际，经复核分析，临近浇筑前10个月的时候，对溢流面混凝土分区进行如下调整。

(1)将原设计1.5 m厚C25W6F100(二)混凝土0.5 m厚C40W6F100(二)混凝土调整为1.5 m厚C40W6F100(二)常态混凝土。先期浇筑的溢流坝碾压混凝土与溢流面常态混凝土结合部位预留台阶，并且台阶尖角部位进行倒角处理。台阶高度从碾压混凝土分层厚度0.3 m调整为1.8 m(台阶高度和宽度，临近浇筑前1个月以工作联系单形式，以施工、监理、设计和业主代表签字确认调整 。固化下来，作为现场实施和后续结算依据)，便于现场大模板留足施工平台，并保证溢流面C40W6F100(二)常态混凝土厚度不小于1.5 m。溢流面常态混凝土浇筑前，对下游侧碾压混凝土密实度进行检测，密实度不满足设计要求者予以凿除。已浇台阶状施工缝面在浇筑二期混凝土前按施工缝处理，进行凿毛处理，清除碾压混凝土施工缝表面的浮浆、污染物、不密实混凝土、松动骨料，并清洗干净，保持清洁湿润，台阶上摊铺2～3 cm厚的M25水泥砂浆后浇筑常态混凝土。

(2)取消预留台阶的水平插筋，调整垂直插筋的位置，呈梅花分布，水平间距1 m，伸入一期混凝土1.5 m，并与表层钢筋网焊接。若采用钻孔埋设钢筋，则须采用M25以上强度等级的微膨胀砂浆对竖向造孔进行全孔密实封孔，孔内注满砂浆后再插锚筋，确保全孔密实。

(3)溢流坝10#与11#坝段之间、11#与12#坝段之间溢流面两道铜止水埋设位置，分别调整为距溢流面50 cm和100 cm。

(4)溢流面常态混凝土中埋设铁质冷却水管，管内径34 mm，管壁厚2 mm，管外径38 mm，按照1.5 m间距，埋深1.0 m，每段300 m以内蛇形布置，一般通水时间28 d，根据温度监测情况适当延长。浇筑完成的溢流面做好表面养护，养护时间不小于90 d。竣工验收前夕，采用高强度微膨胀砂浆封堵冷却水管进口和出口。

设计优化的基本原则，体现工程质量满足合同条款约定的质量标准，技术上能够实施，经济上合理，实现质量、技术和经济方面的综合极优化。

时至浇筑前3个月，迎来了质量咨询和大坝安全鉴定的国内顶级权威专家组，通过他们的巡诊把脉，设计院认为，参考国内诸多成功经验，为减少溢流面开裂风险，将第一次优化的溢流面进行第二次优化，将1.5米厚的C40W6F100(二)抗冲耐磨混凝土调整为1.5米后的C30W6F100(二)抗冲耐磨混凝土。

4 混凝土配制强度分析

混凝土配合比要求满足混凝土的主要设计指标，混凝土施工强度保证率，均匀性指标和施工和易性要求，充分考虑到施工质量的不均匀性，导致混凝土强度的波动，为此，混凝土配制强度留有一定的富余度。根据《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T5330—2015)、《水工混凝土施工规范》(DL/T5144—2015)中“配合比选定”的有关要求，混凝土配制强度按下式计算：

fcu,0=fcu,k+tσ

式中：fcu,0—混凝土的配制强度，MPa；

fcu,k—混凝土设计龄期的强度标准值，MPa；

t—概率度系数，当保证率为P=95%时，t=1.645；

σ—混凝土强度标准差，MPa，其取值参照表3。

根据色拉龙工程的混凝土原材料、混凝土生产工艺及生产质量控制水平等实际情况，参照《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T5330-2015)、《水工混凝土施工规范》(DL/T5144—2015)等标准，取其混凝土强度标准差σ(见表3)。混凝土强度保证率P为95%，则概率度系数t=1.645，混凝土配制强度(见表4)。

表3 混凝土、砂浆强度标准差σ

表4 混凝土配制强度

5 溢流面抗冲耐磨混凝土的骨料分析

色拉龙工程的天然建筑材料有砂岩料场和灰岩料场提供选择，砂岩分布在坝址周围3 km范围以内(4#料场)，灰岩分布在距坝区95 km以外(车邦砂石骨料场)。侧重于经济性考虑，通过比选，砂岩作为非抗冲耐磨混凝土骨料。不过，砂岩料场的致命弱点不得不顾及，比如，砂岩料场中含有无用层的泥质粉砂岩需剥离，砂岩骨料中的细骨料可能存在石粉含量高等，严格轧制试验，确定质量满足设计要求。远距离采购灰岩，相对少量，节省投资，以灰岩作为抗冲耐磨混凝土的骨料。

色拉龙工程4#料场砂岩经砂石系统破碎加工而成的人工砂及老挝沙湾拿吉省车邦砂石骨料场生产的砂、石骨料。粗骨料按规范及设计要求分为：5～20 mm、20～40 mm二级。砂、石骨料物理性能试验结果(见表5)，4#料场人工砂颗粒级配曲线(见图1)、车邦料场人工砂经筛除大于5 mm颗粒级配曲线(见图2)。

表5 4#料场人工砂颗粒级配参数表

筛余重/g12平均分计筛余/%筛孔尺寸/mm累计筛余/%下限/%上限/%0.00.00.00.01000037.836.937.47.557.5010148.5150.1149.329.92.537.302572.771.672.214.41.2551.8105055.254.755.011.00.6362.8417049.348.949.19.80.31572.6709261.660.861.212.20.1684.88094

图1 4#料场人工砂颗粒级配曲线

表6车邦料场人工砂经筛分>5 mm颗粒级配参数表

筛余重/g12平均分计筛余/%筛孔尺寸/mm累计筛余/MM下限/%上限/%0.00.00.00.0100000.61.31.00.250.2010126.5129.2127.925.62.525.8025108.3113.1110.722.11.2547.9105082.180.681.416.30.6364.2417061.658.960.312.10.31576.2709236.034.635.37.10.1683.38094

图2 车邦料场人工砂经筛除>5 mm颗粒级配曲线

表6试验结果表明，老挝色拉龙一级水电站工程4#料场砂岩经砂石系统破碎加工而成的人工砂及老挝沙湾拿吉省车邦砂石骨料场生产的砂、石骨料，所检的各项指标符合规范及设计要求。

通过试验，比选砂岩和灰岩，分别作为抗冲耐磨混凝土骨料的各项技术指标的变化(见表7)，提供现场择优采用，其混凝土配合比(见表8)。[4]

C30W6F100抗冲耐磨混凝土的配合比对照表8的做法，获得相应的试验数据，指导现场施工，在此省略相关数据。

表7 砂、石骨料物理性能试验结果

6 溢流面抗冲耐磨混凝土开裂分析

溢流面混凝土开裂是一种普遍存在的现象，也是施工界和学术界长期争论，无法彻底解决的实际问题，它会影响溢流坝工程的耐久性和实用性。[5]混凝土硬化过程是水泥水化作用的过程,水泥水化伴随着发热的化学反应，水化热升高混凝土温度，引起绝热温升三四十摄氏度。混凝土的导热系数很小，是不良导体。大体积混凝土内部温度升高，散热慢，内外温差和温度梯度过大，胀缩不均，产生温度应力。当温度应力大于混凝土抗裂能力时，混凝土就产生裂缝。混凝土浇筑初期，外界温度骤降，也产生表面裂缝。刚性地基上浇筑混凝土，在降温过程中，受基础约束，也会产生拉应力，导致混凝土开裂。[6]

溢流面为椭圆和冥曲线组成的曲面，与之相接的消力底坎为一段圆弧。根据设计图纸，溢流面厚度在1.5～2.8 m，其下层混凝土设计为台阶状，台阶的尖角处溢流面混凝土厚度约1.5 m，其他部位厚度约2.8 m，受混凝土水化热和混凝土自身应力作用，容易在台阶尖角处形成应力集中，易产生裂缝。

比较国内类似的多个水电站溢流面，均存在不同程度的裂缝，都进行化学灌浆处理，而处理费用高，使电站的外观质量受到影响。因此，分析研究溢流面防裂技术，解决裂缝问题，不仅可以提高溢流面的施工质量，为类似工程提供参考，而且可以大幅度减少后期混凝土缺陷处理费用。

7 溢流面抗冲耐磨混凝土开裂防范修补措施的经济性分析

在建设过程中，尽量减少开裂现象。既然开裂现象不可避免，那就要分析研究开裂修补措施。一旦出现开裂，先要检测，通过检测，确立开裂的具体位置、开裂的成因和开裂程度，再制定具有针对性的修补措施。开裂修补措施很多，常见的有灌注树脂，柔性封闭，表面封闭，干嵌填法，自闭合，聚合物侵入，灌浆，钉合，黏贴，迭合面层，涂层，等方法。[7]

色拉龙工程溢流面抗冲耐磨混凝土的修补措施首选灌注环氧树脂。先进行清基理层，再在底层涂三遍树脂，铺贴玻璃丝布，固化、修整，涂罩面树脂，之后进行两次蓄水实验，保护面层。

这些修补过程会产生一定量的环氧树脂等原材料费用、人工费用和机械设备费用，都应含在PC单位的施工措施费中，不出现在PC合同清单里。[8]合同清单呈现的是合格产品，合格的单元工程或分部(分项)工程。

8 结 语

(1)色拉龙一级水电站溢流面抗冲耐磨混凝土，从设计到施工，从变更到单项投资调整，总结了比较宝贵的实践经验，对今后类似工程具有较好的参考作用。

(2)采用4#料场砂岩经砂石系统破碎加工而成的人工砂及沙湾拿吉省车邦砂石骨料场生产的砂、石骨料，作为色拉龙一级水电站溢流面抗冲耐磨混凝土的原材料，其试验结果满足各项指标规范要求和设计要求。

(3)在施工过程中，必须采取严格控制原材料质量、水泥用量、浇筑过程、面层保护及养护等应对措施，以减少溢流面抗冲耐磨混凝土表面裂缝的出现。

(4)防止溢流面抗冲耐磨混凝土开裂，保温保湿养护是关键。一旦出现开裂，化灌等的开支将远超出骨料调整和养护等发生的费用。

(5)抗冲耐磨混凝土坍落度为80～120 mm。

(6)抗冲耐磨混凝土宜选用≥42.5强度等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水胶比应<0.40。

(7)施工时混凝土配合比原材料的品质均应符合相关规范及设计文件的要求，在现场拌和过程中，必须保证混凝土配合比原材料的计量准确。