冲填砂浆结石技术综述

李 千，王成山，姜国辉，闫 滨

（1．沈阳乾玉水利有限公司，辽宁省沈阳市 110131；2．辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁省沈阳市 110166；3．沈阳农业大学，辽宁省沈阳市 110866）

0 引言

冲填砂浆结石技术是将现场搅拌的水泥浆经特制浆砂混合器进行两次浆砂混合形成的砂浆，直接冲填到堆石体中，形成以堆石为骨架、以砂浆为胶结的结石体的一种施工新技术。自从1997年采用浆冲砂成功解决西藏聂荣水电站大坝渗漏问题，经过系统的室内外试验研究[1]，形成了较为完善的冲填砂浆结石技术体系，并在多项工程中使用，获得了理想的效果。对常规结石技术进行如下分析：

（1）浆砌石。由人工坐浆砌筑，对石料要求高，施工机械化程度低，人力资源投入大，建设速度慢，随人工价格的提高工程造价越来越高。

（2）常规混凝土。拌和楼集中搅拌，由运输设备运至浇筑仓面，振捣密实成结石体。常规混凝土骨料加工复杂，成本高；投入各种机械设备多，受设备因素影响大；一次浇筑体积小，建设速度受控因素多；工程质量受温度等因素影响，控制难度大；建筑物综合造价高。

（3）碾压混凝土。拌和楼集中搅拌，由运输设备运至浇筑仓面，摊平碾压密实成结石体，基本特点除填筑方法与常规混凝土不同外，其他方面基本相似。一是大型特殊机械设备投入大；二是建设速度受建筑物结构及设备投入量等因素影响，速度略快于常规混凝土；三是造价虽可略低于常规混凝土，但材料和专用设备价格决定了综合造价仍然较高。

（4）堆石混凝土。是由高坍落度、具有一定流态的混凝土自由充填薄层堆石料而形成的结石体，对石料要求严格，设备和人力资源投入量均较大，混凝土拌制需加入特种外加剂，并有严格的坍落度要求，充填层厚受限制，施工速度难以提高，结石体自身密度低，建筑物综合成本接近于常规混凝土。而冲填砂浆结石技术具有施工工艺流程简单、设备投入少、人力资源用量少、节省资源、节能环保、建设速度快、综合造价低等特点[2]。

目前，已取得冲填砂浆结石坝施工方法和六棱体浆砌石预制块等多项专利[3-5]，编制完成了辽宁省地方标准《冲填砂浆结石技术导则》（DB21/T 2921—2018）[6]，2018年1月22日由辽宁省质量技术监督局发布，2018年2月22日实施。冲填砂浆结石技术于2013年列入水利部《2013年水利先进实用技术重点推广指导目录》，编号TZ2013011，并于2020年3月列入辽宁省水利厅《辽宁省河道综合治理与生态修复支撑技术（第一批）指导目录》。

1 冲填砂浆结石技术研究概述

西藏聂荣水电站大坝于1995年建成，为浆砌石重力坝，上游设防渗面板。因防渗面板的防渗功能失效，造成坝体、坝基漏水严重，影响大坝安全。若不解决安全隐患，不仅严重缩短工程的使用寿命，而且也不能发挥其应有的发电效益。因此，建设管理单位于1997年决定对其进行彻底处理。

对聂荣水电站大坝进行除险加固，按常规的解决方法有两种：一是恢复防渗面板的防渗功能，但限于自然环境和施工条件，解决面板的防渗问题难度非常大，需要耗费大量的资金，效果也很难保证，所以不宜采取修复防渗面板的解决方案；二是坝体灌浆，由于浆砌石砌体中孔隙发达，将会耗费大量的水泥，有限的投资满足不了大坝除险加固的需求，因此此方案也不可行。经过反复研究和论证，考虑除险加固施工工期、投资额度及当地的风积沙资源等因素，提出了采用坝上钻孔分层次用水泥浆向坝体坝基冲填砂子的施工方案。这一方案的关键点是水泥浆液能否将砂子冲填进砌体的孔隙中，并达到一定的密实度，从而实现防渗的效果。据此在施工现场进行多次水灰比、灰砂比、浆液冲砂、速度、浆液与砂料混合程度以及冲填效果等试验，探索出较为理想的施工方法。

按用水泥浆向坝体、坝基冲填砂子的施工方案对聂荣水电站坝体进行了全面加固处理，成功解决了坝体、坝基的渗漏问题，并增加了坝体的容重，增强了坝体抗渗和抗滑稳定性。通过聂荣水电站大坝防渗施工发现：

（1）水泥浆和砂子经过动态混合并保持一定的流态，具有很强的穿透性，完全可密实冲填堆石体的孔隙；

（2）用浆液向堆石体冲填砂子形成的结石体具有很强的自身防渗能力；

（3）利用浆液向砌体冲砂的方法完全可以改变浆砌石结构必须“先坐浆后砌石”的施工工艺。

为了进一步完善浆冲砂结石的施工方法，2007年开始系统地进行了冲填砂浆结石技术室内外试验研究，内容包括冲填砂浆水灰比、冲填砂浆灰砂比、浆液与砂子充分混合的方法、最佳冲填方法、冲填砂浆结石体自身防渗效果、结石强度与砂浆的关系、结石体外壳最优方式、结石体特殊部位的处理方法等多项试验，并于2008年在赤峰三座店水库堆石坝坝头防绕渗处理中，又做了23m厚冲填试验，取得了很好的冲填效果。

在试验研究的基础上，于2014年在本溪西湖沟河道浆砌石挡土墙加固中应用了冲填砂浆结石技术，取得了非常好的加固效果。2015年，在东港龙睛湖水坝建设中应用冲填砂浆结石技术系统筑坝工艺，完成了龙睛湖水坝的全部建设工作。2019年，通过在赤峰市碾子沟塘坝工程中的应用，完成了高速搅浆、浆砂混合、皮带输砂准确计量浆砂比例、泵车砂浆入仓等关键环节突破，该技术已经成熟。2020年7月，暴雨冲刷造成公台子水库溢洪道底板基础掏空形成险情，采用冲填砂浆结石技术，快速完成了基础回填，解除了险情。

2 冲填砂浆结石体技术参数及指标

2.1 冲填砂浆结石体渗透系数

冲填砂浆结石体由于其工艺特点，具有很好的自身防渗性能，其渗透系数可达到1×10-6～1×10-8cm/s。

2.2 冲填砂浆结石体容重

堆石体经简单压实后，容重可按式（1）计算确定：

式中：γar——冲填砂浆结石体的容重；

γm——砂浆的容重；

γst——石料的容重；

p——石料的孔隙率。

以上各参数可通过试验确定，一般情况下孔隙率在30%左右，结石体容重可取23～25kN/m3。

2.3 冲填砂浆结石体抗压强度

冲填砂浆结石体是以经过简单压实而形成的堆石料为主要受力体，石料形成骨架支撑，冲填砂浆在孔隙中形成对骨料的固结作用，因此，冲填砂浆结石体的抗压强度是由石料骨架和胶凝的砂浆综合作用形成。石料骨架承担主要的传力作用，胶凝砂浆约束堆石体并承担小部分的传力作用。由此，冲填砂浆结石体的抗压强度是与石料的抗压强度、砂浆抗压强度、石料的密实度、石料的自然级配有关的，可由式（2）分析抗压强度指标：

式中：par——冲填砂浆结石体的抗压强度；

R——石料骨架效应系数，一般R＞1，可通过试验确定；

pm——砂浆的抗压强度；

pst——石料的抗压强度。

冲填砂浆结石体抗压强度验证，可采用1m×1m×1m的大型试块进行抗压试验确定抗压强度指标。一般情况下，冲填砂浆结石体抗压强度指标变化区间为：

2.4 冲填砂浆结石体抗剪强度

冲填砂浆结石体的抗剪强度与石料的抗剪强度，砂浆的抗剪强度、堆石料密实度、堆石料的自然级配因素有关，可用式（4）进行分析：

式中：tar——冲填砂浆结石体的抗剪程度；

R——石料骨架效应系数，一般R＞1，可通过试验确定；

tm——砂浆的抗剪强度；

tst——石料的抗剪强度。

一般情况下，冲填砂浆结石体抗剪强度指标可通过大型试件剪切试验确定，其抗剪强度指标变化区间为：

3 冲填砂浆结石技术主要工艺方法

3.1 堆石体表面定型及处理

冲填砂浆结石体堆石料是无序摊平压实的堆石体，所以需要对堆石体进行边界固型，可采用埋石混凝土预制块、现浇混凝土、钢筋石笼或模板等固型方法。

表面处理主要考虑满足施工过程中侧向压力和封浆要求，以及结石体表面在工程运行中的抗冻、抗冲、耐久性和工程外观等要求。有的定型方法在实施中已能完全满足工程的各种要求，无须再进行特殊处理。但如采用钢筋石笼固型，就需要外挂模板式水泥砂浆喷锚，以满足施工封浆和外观要求。

3.2 堆石体填筑

堆石体填筑料可用自卸汽车或其他的运输工具，从石料场运料直接入仓填筑，并用挖掘机或其他设备摊平压实，每层填筑厚度可根据施工机械性能、模板实际情况等因素自行确定。

3.3 冲填砂浆作业

3.3.1 制浆

采用特制高速搅浆机进行水泥浆制备。一般水泥浆水灰比控制在1～0.5：1，浆液中可根据需要加入适量的外加剂或掺合料，合理的水灰比需在试验中确定。制备好的水泥浆经管道泵送至浆砂混合器。

3.3.2 砂料传送

砂料由皮带传输机均匀、有计量地传送至特制浆砂混合器上方，经一次浆砂混合、二次浆砂混合，进入泵车或地泵料斗。一般灰砂比控制在1：3～1：8之间，合适的灰砂比由试验确定，不同部位灰砂比可根据各部位不同需要进行适当调整。

3.3.3 冲填砂浆作业

采用泵车或地泵将混拌好的砂浆冲填至仓面中已填筑好的堆石体中，形成冲填砂浆结石体。沿建筑物轴线方向进行多点成排冲填，仓面顶部预留50～150mm高度的出露石料以便与下一个冲填层能紧密结合，保证工程的整体性及层间抗剪强度。

4 冲填砂浆结石技术优越性分析

4.1 工艺流程简单

冲填砂浆结石技术施工主要程序为：①填筑面清理；②堆石体填筑；③冲填砂浆。由此可看出，冲填砂浆结石技术工艺简单，且施工设备多采用普通的常用设备，易于各层级的施工企业掌握，有利于快速、大范围普及推广。

4.2 资源消耗少

由于冲填砂浆结石技术工艺简单，人工投入量可大幅度降低，除高速搅浆机及浆砂混合器需采用专用设备外，其余施工机械设备均可在常规使用的设备中选取。石料运输及入仓采用普通自卸汽车；结石体表面定型处理可采用普通吊车施工；堆石体摊平可采用挖掘机施工；砂浆入仓采用泵车或地泵。投入的设备不仅品种少，而且投入量也较其他方法大幅降低，相应减少了施工耗电、耗油等。因此，采用冲填砂浆结石技术极大地减少了资源消耗量。

4.3 建设速度快

采用冲填砂浆结石技术施工过程中，各工序可独立进行，分别施工，也可循环作业，平行施工。建筑物外壳砌筑、石料填筑、冲填砂浆三个工序相互干扰少。根据具体工程需要，可采用多个冲填系统同时进行施工作业。每个冲填系统内浆液搅拌、输送、冲填等各个环节连续作业。通过加大平面冲填面积及一次冲填层厚度，加快施工速度，缩短建设工期。施工速度可达到混凝土施工速度的几倍甚至十几倍。

4.4 综合造价低

冲填砂浆结石技术综合单价主要由材料、设备和人力投入构成。首先，材料中影响较大的是水泥，但水泥价格变动区间小，同体积的建筑物采用冲填砂浆结石技术对水泥的需求量要比其他方法少，可节省水泥用量。其次，节省石料成本，冲填砂浆结石体中堆石料不需要特殊加工，自然级配即可，要求较低，相应价格要低于混凝土中骨料价格和浆砌石的石料价格。

冲填砂浆结石技术施工不需要大型专用设备，常规设备即可满足施工要求。虽需要专用浆砂混合器，但其造价远低于混凝土或碾压混凝土的大型专用设备，并且设备需求品种和数量相对较少，设备投入成本比用其他方法建设同体积建筑物的设备投入成本有较大幅度地降低。

实践表明，由于冲填砂浆结石技术工艺简单，人工用量少，临时占地少，其耗油耗电少，其工程综合单价远低于其他结石技术，其综合造价相当于各种混凝土的1/3～2/3。

4.5 相对节能环保

冲填砂浆结石技术的工艺特点决定了其可以用少于其他结石技术的胶凝材料而达到结石技术指标相近且满足工程要求的构造物，主要原因是压实的自然级配石料承担绝大部分构筑物内部抗压抗剪作用力，砂浆承担极少的一部分受力，因此，水泥砂浆的强度可适当降低，水泥用量相应可以减少。由于设备投入少，不需要进行特殊的温控措施，可节约大量的油耗和电力。

冲填砂浆结石技术施工中不需要混凝土专用骨料筛分场、混凝土搅拌站等临时施工场所，可节省大量的临时施工用地，减少对自然环境的破坏。施工中石料由料场直接运输至填筑场地，没有二次倒料和中途弃料，各施工环节均不会产生污染环境的现象。

5 冲填砂浆结石技术的应用领域

冲填砂浆结石技术研究起源于水利大坝工程除险加固，但通过多年的研究和应用发现，这一技术适用于各种类型的重力式建筑物，不仅能在水利行业的挡水坝以及江、河、湖堤工程建设中应用，在黄土高原侵蚀沟治理、草原荒漠治理、流域源头水土资源控制等方面应用，而且还可在港口码头、交通工程、国防工程中的重力式建筑物中应用，其应用范围非常广泛。

6 结束语

冲填砂浆结石技术是一项全新的工艺方法，流态砂在高速水泥浆冲击下，并经混合器充分混合后，砂料被水泥浆充分包裹，砂浆流动特性在短历时内保持了水泥零水化时的易流动特点，摩擦阻力很小，易于流进堆石体的孔隙中。传统的低速搅拌，存在的水泥团粒结构，降低了混凝土的强度；从加水开始，经拌和、运输、浇筑振捣完成，是混凝土从流态向流塑和固态转变，并被振捣唤醒液化成流态的过程，这一过程也降低了混凝土的强度。采用高速制浆机高速旋转水流搅拌水泥浆，消除了水泥团粒结构；浆砂混合器现场瞬间完成了浆砂混合及砂浆冲填，避免了混凝土唤醒过程，减少了混凝土强度的降低，充分发挥了水泥应有的作用。

与其他结石施工技术相比，冲填砂浆结石技术具有质量好、速度快、造价低、经久耐用、工艺简单、节能环保、充分使用地材等优势，可以完全替代传统人工砌筑浆砌石施工方法，并可替代大体积混凝土施工方法，是大体积土木工程结构施工技术的一次开创性新突破。不但在建设领域为国家直接节省巨大的投资，而且能极大地加快建设速度，加快人们生存环境进一步改善的进程。