复合土工膜堆石坝挤压边墙混凝土配合比设计及施工新技术

张 静

（中国水电建设集团十五工程局有限公司国际公司，陕西 西安 710065）

1 工程概述

南欧江六级水电站复合土工膜面板堆石坝，坝高88 m、坝顶长度362 m、顶宽10 m。坝体总填筑量为193 万m3，其中软岩填筑方量为157 万m3，占比高达81%，为国际第一（目前国内外面板堆石坝软岩填筑比例最高为73.4%，填筑母岩强度均高于南欧江六级电站板岩料）。大坝上游采用意大利Carpi 公司的防渗体系设计，采用裸露的复合土工材料（PVC，聚氯乙烯）安装方案，复合土工布锚固带锚固于挤压边墙，复合土工膜材料采用SIBELON 专利产品和施工技术，该材料由聚氯乙烯材质复合土工膜焊接于无纺反滤土工布上组合而成。

大坝垫层料上游采用挤压式混凝土边墙技术，边墙外侧坡比1∶1.6，大坝填料主要分区：排水体料3D，主堆石料3B1、3B2，次堆石料3C，过渡料3A，垫层料2A，特殊垫层料2B，复合土工膜防渗体系，上游覆盖粘土1A，盖重1B，下游干砌石P 组成，其标准断面见图1。

图1 大坝标准断面图

2 Carpi 公司挤压边墙性能分析

2.1 Carpi 公司挤压边墙结构设计及应用

国内水电行业混凝土面板堆石坝中挤压边墙为成熟的上游固坡技术，并被普遍推广，我国已有90 多座面板堆石坝所采用[1]。本工程中的挤压边墙混凝土作为Carpi 公司防渗体系复合土工膜施工的基础面，不仅是垫层料上游固坡技术，而且发挥着防渗体系复合土工膜自身重量的承载体作用，是支撑稳固土工膜的基础，Carpi 公司认为挤压边墙为复合土工膜面板堆石坝的重要结构形体，同时混凝土能够自由排水，不会对土工膜内侧产生扬压力，进而有助于防渗系统更好地发挥功效，并延长其使用寿命[2]。

本工程中挤压边墙设计结构形式与国内挤压边墙有差异，挤压边墙底部为三角楔形体（宽30 cm，深10 cm，见图2），与下层形成相互咬扣结构，从而使挤压边墙形成复合土工膜的基础锚固整体，防止由于大坝蓄水后变形使得局部挤压边墙突出而破坏土工膜，同时避免层间摩擦力不够导致土工膜整体脱落[3]。

结构形式对比见图2。

图2 结构形式对比图

2.2 Carpi 公司挤压边墙混凝土性能指标

Carpi 公司要求挤压边墙为多孔性混凝土，其排水能力与砂率有关，基本上含少量砂，为提高和易性，需要确定出满足渗透指标要求最小的砂率，与国内行业挤压边墙混凝土性能指标对比见表1。

表1 Carpi 公司与国内行业挤压边墙混凝土性能指标对比表

3 挤压边墙混凝土配合比设计

3.1 设计思路

基于以上Carpi 公司设计理念，本工程挤压边墙混凝土配合比设计不同于钢筋混凝土面板堆石坝中的挤压边墙混凝土。渗透系数与抗压强度为矛盾共同体，使得两者达到统一是本次配合比设计的关键。在既要满足强度的基础上，控制孔隙率来保证渗透系数满足设计要求，如何找到两者的结合点，成为本次混凝土配合比设计难题。

以《混凝土面板堆石坝挤压边墙混凝土试验规程》（DL/T 5422-2009）[4]以及《混凝土面板堆石坝挤压边墙技术规范》（DL/T 5297-2013）为参考，做了大量尝试性工作，经过认真思考和讨论确定出设计思路：首先以渗透系数为基准，确定出最优砂率（＜5 mm 含量）满足渗透系数要求，然后确定满足设计强度的胶材用量及水灰比，再经过不断的调整砂率、胶材用量、粗骨料粒径，直至达到设计双重指标要求。

3.2 试验过程对比验证

依据《混凝土面板堆石坝挤压边墙混凝土试验规程》（DL/T 5422-2009）规范要求，水泥为P.O42.5 普通硅酸盐水泥，细骨料为0～5 mm 水洗人工砂，石粉含量控制在6%～18%，粗骨料5 mm～20 mm 碎石、5 mm～10 mm 碎石,含泥量控制＜7%，液态速凝剂掺量0～4%。对采用5 mm～10 mm 碎石及速凝剂掺量方面做了大胆的尝试。

参照规范（DL/T 5422-2009）挤压边墙混凝土配合比设计要求基础上进行5 个量级砂率试验组合分别为：15%、20%、25%、30%、35%；4 个水灰比试验组合分别为：0.30、0.36、0.40、0.45；考虑到速凝剂不同掺量对混凝土强度增长的影响，试验组合分别：0%、2%、4%。

考虑挤压机对混凝土配合比较敏感，较干的混凝土挤压摩擦力大，行进速度慢，能获得较为密实的实体结构，相反较湿的混凝土挤压行进速度快，因此挤压混凝土配合比按一级配干硬性混凝土设计，设计容重为2100 kg/m3，试验数据对比分析见表2、表3。

表2 试验组合及数据对比分析表

通过以上试验组合分析得出：

①当砂率为25%，接近临界值，如果继续增加砂率，渗透系数将不能满足＞5×10-3要求。

②水灰比确定为0.40±0.02，单方混凝土用水量控制(120±5)kg，混凝土强度满足8 MPa～10 MPa 要求。

③速凝剂掺量为2%时较为合理，继续增大速凝剂掺量，混凝土强度有降低的趋势。

④改用5 mm～10 mm 小米石，使得成型试块及抗压强度块体差异性减小，内部颗粒分散均匀且颗粒之间填充致密，有利于提高混凝土密度和强度。

根据以上试验数据找出挤压边墙混凝土最佳配合比，推荐现场施工基准配合比为水胶比0.4、沙率25%、速凝剂掺量2%；单位材料用量：水120 kg/m3、水泥300 kg/m3、砂420 kg/m3、小石1260 kg/m3、KD-5 速凝剂6 kg/m3、容量2100 kg/m3。

4 挤压边墙成型验证试验

根据室内试验确定出挤压边墙混凝土推荐施工配合比表4 中的单方混凝土用量，拌合站采用电子称量机械拌合，拌合物采用6 m3混凝土罐车运输至施工作业面，现场成型挤压边墙。对成型后的实体进行检测和取样复测，试验复测成果见表3。

表3 挤压边墙成型试验复测成果表

表3 数据显示：成型后的挤压边墙现场实测密度与室内配合比基本一致，偏差控制在设计值(2100±50)kg/m3；现场取样成型抗压强度及渗透试件，28d 龄期抗压强度、渗透系数均满足设计要求。通过现场成型试验验证，检测成果与室内推荐配合比试验数据基本一致，成型挤压边墙实体混凝土无倒塌，满足施工及Carpi 公司设计要求。

从混凝土本身采用的技术和常规的技术比较，本工程挤压边墙混凝土施工特点是三角楔形体的施工，其余相同[5]。目前已施工完成，完成后挤压边墙成型尺寸、实体质量状况可控，运行期挤压边墙各项指标正常。依据《混凝土面板堆石坝挤压边墙混凝土试验规程》（DL/T 5422-2009）规范要求，试验检测成果见表4。

表4 挤压边墙混凝土试验成果表

5 结论

意大利Carpi 公司在挤压边墙设计理念区别传统混凝土面板堆石坝中的挤压边墙，是具有较高的抗压强度，并且能够自由排水功能，以消除对土工膜内侧产生扬压力的综合承重载体，在复合土工膜面板堆石坝安全运行发挥着至关重要的作用。挤压边墙混凝土配合比设计及优化将是施工成型过程的重要依据，严格施工工艺和加强过程质量控制将是达到意大利Carpi公司挤压边墙设计理念的保障。