埋石混凝土在水利水电工程实践中的应用

余侃柱，闫洋洋

(1.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;2.中国葛洲坝集团第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

埋石混凝土广泛应用于水利水电工程大体积水工混凝土(断面最小尺度大于2.0m以上，水化热引起的内部温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土)、重力坝、拱坝、挡土墙、边坡、闸、船坞、港口、堤防工程，使用强度等级为C15、C20、C25，俗称“金包银”[1]设计。一般低-中坝、边坡挡墙、堤防采用C15，高坝或强度等级要求较高时采用C20、C25，埋石率一般为20%，有些工程埋石率达30%～40%。埋石料就近取材，充分利用开挖地基、坝基、隧洞、边坡过程中微风化、新鲜弃渣料挑选，开挖弃渣量和质量指标不能满足要求时购买成品埋石料。埋石混凝土应用于水利水电工程大体积水工混凝土设计强度等级及抗渗要求较低、配筋较少的区域，可优化混凝土配合比，节省混凝土水泥用量的20%～35%及混凝土骨料、粉煤灰、胶凝材料的用量，减少混凝土中水泥水化引起的温度变化和收缩导致有害裂缝，简化温控防裂措施，埋石强度高于同强度等级混凝土，密度高于混凝土，适应环境广，抗冻性能优良，提高了混凝土的耐久性。分坝段、分仓、分层浇筑可减少一次性大仓面混凝土浇筑量、改进施工工艺方法、缩短施工工期、改善混凝土性能、提高混凝土施工质量、降低工程投资、保证设计混凝土强度等级和耐久性。

SL 319—2018《混凝土重力坝设计规范》、NB/T 35026—2014《混凝土重力坝设计规范》中没有包含埋石混凝土重力坝设计技术要求，SL 282—2018《混凝土拱坝设计规范》、DL/T 5346—2006《混凝土拱坝设计规范》中没有包含埋石混凝土拱坝设计技术要求，SL 678—2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》中无埋石技术要求，SL 251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》、NB/T 10235—2019《水电工程天然建筑材料勘察规程》中有堆石坝原岩技术质量控制指标，但无埋石质量技术要求。埋石混凝土虽然在水利水电工程大体积水工混凝土中应用范围较广泛、施工技术难度不大，但目前无发布的设计、施工、检测、评定规范及规程，工程实践中仍是参照堆石混凝土等相关规范、规程开展。

本文结合水利水电工程建设实例，深入研究埋石混凝土在水利水电工程大体积水工混凝土设计、施工中的应用，为提高埋石混凝土的应用范围及制定相关规范、规程提供参考，实现绿色节能环保，推动埋石混凝土及埋石混凝土筑坝技术高质量发展和创新提升。

1 工程实例

已建成和正在建设的埋石混凝土重力坝、埋石混凝土拱坝、埋石混凝土护坡、埋石混凝土挡土墙、埋石混凝土堤防典型工程实例见表1，表1中仅统计了埋石混凝土重力坝、拱坝坝高为中-高坝，坝高小于30m低坝，已建成运行和正在建设埋石混凝土重力坝、拱坝因建设数量较多而未列举，有些项目因公开文献较少未收入表内。

表1 埋石混凝土工程实例统计表

许颜军等进行了埋石混凝土试验研究，表明埋石混凝土强度等级满足设计要求，其它性能优于普通混凝土[2]。从坝基地质条件、当地筑坝材料、坝型、施工技术难易程度、投资、工期等综合比选，设计埋石混凝土重力坝坝体优于其他坝型[3-10]。有关文献对埋石混凝土在双曲拱坝坝体开展研究[11-13]。孙江岷等试验研究了埋石混凝土护坡在东北严寒地带土石坝水库护坡优点和工程实例，表明在防冻胀方面较其它材料性能优越[14-16]。王东等总结了埋石混凝土在厂房挡墙的实例[17]。石强等对埋石混凝土水利大坝施工及质量控制技术进行总结[18]。这些研究成果和工程实践经验对埋石混凝土设计、施工和建设有重要参考意义。虽然已建成了不少埋石混凝土坝体和其他工程，但公开文献较少，国内从理论体系研究到指导工程设计、施工的规范和规程也较少，因此深入总结研究工程实例，提升埋石混凝土应用范围和设计、施工质量十分必要。

2 埋石混凝土在水利水电工程设计中的技术要求

2.1 埋石混凝土重力坝及埋石混凝土拱坝坝体设计要求

埋石混凝土重力坝、埋石混凝土拱坝总体布置、坝体结构、坝体断面、坝基处理、安全监测技术方面按SL 319—2018、NB/T 35026—2014、SL 282—2018、DL/T 5346—2006、SL 678—2014等规范、规程的要求执行。埋石混凝土重力坝及埋石混凝土拱坝与混凝土实体重力坝的区别在于大体积坝体结构内部设计强度等级及抗渗要求较低、应力变化小、配筋较少的区域可由埋石混凝土代替实体混凝土；配筋较多、坝体混凝土强度等级变化较多、厚度或宽度较小部位，施工过程绑扎钢筋和安装模板影响埋石进入仓面，浇筑振捣难度大，容易形成不密实、空洞、架空现象，质量控制、温控难度较大。坝体上下游面、闸门、镇墩、阀门、取水井、进水口、泄水孔、灌浆排水廊道、吊物孔、集水井、埋件、止水铜片及止水带、坝体底部基岩面、坝顶，拱坝的垫座、推力墩、重力墩、翼坝附近的建筑物设计钢筋混凝土C40、C30、C25、C20与埋石混凝土需要不小于2m的间距，老混凝土面及分缝面需不小于0.5m的间距，坝体中间部位浇筑埋石混凝土C15、C20、C25，埋石混凝土的区域，混凝土配合比与原设计强度等级相同，坝体断面形成“金包银”型式。

2.2 埋石混凝土挡土墙及堤防设计要求

挡土墙设计按SL 379—2007《水工挡土墙设计规范》、堤防设计按GB 50286—2013《堤防工程设计规范》要求执行。混凝土配合比与原设计强度等级相同，埋石混凝土应用区块与埋石混凝土重力坝、拱坝坝体基本相同，不再赘述。

2.3 埋石混凝土边坡设计要求

边坡设计按SL 386—2019《水利水电工程边坡设计规范》、DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》要求执行，主要应用于开挖边坡、土石坝边坡、厂房区边坡、渠道防护边坡、公路边坡、填筑区边坡等。根据边坡设计厚度和空间大小，选用C15、C20埋石混凝土，在东北和西北地区边坡的防护工程中，抵抗冻胀性能优于普通混凝土。

3 埋石料技术要求

埋石与堆石仅一字之差，但对重力坝、拱坝筑坝材料来讲，原材料岩石饱和抗压强度及软化系数指标没有区别，坝体设计、施工、质量控制与评定标准有相近似之处，也有较大的差别。为充分节约资源，体现“宜材适构”筑坝理念，埋石混凝土坝可大量减少混凝土用量，有利于混凝土温度裂缝控制，降低工程投资、工期。目前国内修建埋石混凝土坝越来越多，尤其在西南地区建造了较多的埋石混凝土重力坝及拱坝，而埋石混凝土筑坝埋石料的规范、规程还没有发布，在设计坝体填筑材料时仍参照SL 678—2014中的堆石技术要求。根据工程实践、试验及有关研究，现将埋石混凝土重力坝与堆石坝原岩质量技术指标对比情况列于表2，建议埋石料质量技术指标按表2所列项目进行质量控制。

埋石天然原岩应为新鲜、完整岩石、质地坚硬，中硬、硬岩，微风化、新鲜，埋石混凝土C15、C20的埋石饱和抗压强度大于30MPa，埋石混凝土C25及高坝的埋石饱和抗压强度大于40MPa，如花岗岩、闪长岩、灰岩、长石砂岩类等，埋石入仓前表面湿润。埋石形状为不规则四面-六面块状为宜，无尖角和板状突出，不得使用板状、片状、长条状，无剥落层和裂纹，灰岩应无溶蚀小溶洞和溶蚀裂隙，用高压水枪、高压清洗机冲洗干净，表面无污垢和泥质，粒径不宜小于0.3m，最大粒径不应超过结构断面最小边长的1/4，粒径一般宜为0.3～0.5m。粒径较大时，埋石率不能提高，埋石入仓容易架空，混凝土浇筑和振捣难度较大。饱和抗压强度、软化系数为主控项目指标，尽量充分利用边坡、坝基、洞室等建筑物开挖弃渣料挑拣，在开挖料技术质量指标不满足要求时购买或开采埋石料源。

4 埋石混凝土施工技术要求

埋石粒径宜为0.3～0.5m，超径需用液压破碎锤解爆修整。选定合格埋石料用旋转式高压水枪、高压清洗机把每个表面冲洗干净，没有泥质、岩粉、岩渣，堆放在料场指定场地，埋石通过自卸汽车、挖掘机、装载机运至仓面附近，不能再被泥质和岩粉污染，在埋石混凝土浇筑仓面需要时，保持块体表面湿润使得混凝土与埋石的粘结牢固。浇筑时用装载机、塔吊运至仓面附近。埋石入仓前表面湿润，装入钢丝笼、钢丝网、料斗，通过塔机、吊车吊入仓面设计图纸埋石部位，用挖掘机、抓斗机移动平仓埋石部位，大截面朝下，小截面超上，人工及机械进行微调位置。按技术要求埋石率调整埋石水平间距，上、下埋石间距，振捣使其沉入混凝土。

埋石混凝土区周边高强度等级混凝土或钢筋混凝土、细部结构，需要放线安装模板(网)分区、分仓，先浇筑高强度等级混凝土，再浇筑大体积埋石混凝土，也可同时浇筑埋石混凝土和埋石周边混凝土，不同强度等级混凝土仓面基本同时浇筑、同时上升。

埋石混凝土每次浇筑层一般控制在1.5～3.0m，同一坝段、同一高程通仓浇筑，仓号内混凝土均匀上升。

施工时按混凝土配合比，检测混凝土坍落度。混凝土用布料机、泵送、塔机吊罐运送入仓，应先铺一层厚度0.5m混凝土再放一层埋石，采用直径100mm振捣棒或混凝土振动器振捣密实至埋石沉入混凝土中，不得先摆埋石再浇混凝土。埋石铺放应分布均匀，石块间距不小于0.1m，离开模板距离应大于0.15m，埋石上下之间不得叠置，应有0.1m以上的间距，最终埋石顶面应有不小于0.1m厚的纯混凝土覆盖层，如此循环至仓面浇筑完成，确保每块埋石周边均被混凝土包裹，不得有叠置、架空现象，收仓和养护按普通混凝土措施进行。

5 埋石混凝土质量检测检验要点

5.1 埋石料

埋石料应在选定料场开采或购买，当使用工程开挖弃渣料挑选时应论证评价，质量技术指标满足表2项目时允许使用，否则不能使用。

检验方法以定性外观质量判别与仪器测试相结合。应对主控项目的每块入仓埋石粒径、含泥量、表观质量逐一进行检查。料源岩性没有变化，主控项目埋石质地，包括饱和抗压强度、冻融损失率、干密度、硫酸盐及硫化物含量、软化系数、最大吸水率、含泥量、碱活性应至少进行1组检验，需用仪器测试，一般每20000t检验1次。一般项目埋石间距、埋石率以观察、量测相结合，全部检验。

5.2 埋石率

埋石率是单位体积埋石混凝土中埋石所占据的体积比(%)。埋石率=埋石量/(埋石量+混凝土量)。埋石率是施工控制过程的难点。控制埋入仓内埋石率，防止埋石架空、叠置、空洞等质量缺陷。没有具体标准，由于埋石形状不规则，体积很难精确计量，只能根据埋石混凝土浇筑仓面体积反算预估埋石量体积。公式如下：

V=g/ρ

(1)

式中，V—埋石体积，m3；g—埋石质量，kg；ρ—岩石密度，kg·m-3。

埋石质量通过地磅称量，埋石密度试验值一般变化不大，可近似计算入仓埋石率。埋石率根据设计图纸的要求，一般为20%～35%，不能随意增大。埋石率超过55%接近浆砌石、堆石混凝土。最合理和最优埋石率有待工程实践和试验研究进一步论证。

5.3 温控

埋石混凝土温控按SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》、NB/T 35092—2017《混凝土坝温度控制设计规范》要求执行，一般情况下按常态混凝土进行养护和表面保护，无需增加温控措施。当埋石混凝土仓内温度与外界气温之差超过25℃或设计图纸有特殊要求时采取有效温控措施。

6 施工质量评定与验收

SL 176—2019《水利水电工程施工质量检验与评定规程》、SL 223—2008《水利水电建设工程验收规程》、SL 632—2012《水利水电工程单元工程施工质量验收评定标准-混凝土工程》、DL/T 5210.1—2021《电力建设施工质量验收规程第1部分：土建工程》、《水利水电工程水工建筑物外观质量评定表》(例表)中没有埋石混凝土评定标准，具体工程项目应参照这些规程制定相应的埋石混凝土浇筑施工质量评定标准，报项目质量监督站批复后执行。

浇筑仓面混凝土按试件评价。埋石混凝土抽检采用无损伤回弹法、超声回弹综合法检测，必要时选用钻孔取芯、智能钻孔彩色电视、超声横波3维成像、钻孔声波、声波层析成像(CT)、地质雷达，判断浇筑混凝土内空洞、架空、裂缝、离析等缺陷的位置及程度，作为质量评定的依据。

7 结语

通过埋石混凝土典型工程实例，深入研究了埋石混凝土在水利水电工程大体积水工混凝土中的应用。随着水利水电工程物联网、智慧水利、数字孪生技术、生态水利、精准水利、绿色智能、BIM大量运用到工程建设的全过程，更需要高度融合和攻关研究高坝埋石混凝土重力坝及拱坝，以及其它大体积埋石混凝土的应用，发布从设计、施工、检测、评定、验收、管理、运行对应的规范、规程，使工程全过程建设中严格执行标准、规范、规程，提升质量、节约资源、保护环境，绿色节能环保，提高埋石混凝土应用空间，推动埋石混凝土技术创新。