膠凝砂礫石材料在圍堰工程中的應用

陳武

（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州310014）

1 工程概況

功果橋水電站是瀾滄江中下游河段梯級開發的最上游一級電站，電站以發電為主，正常蓄水位1307.0 m，總裝機容量900 MW，年均發電量40.41億kW·h。樞紐主要由攔河壩、電站進水口、地下廠房系統、泄洪表孔以及沖沙泄洪底孔等建筑物組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1310.0 m，最大壩高105.0 m，壩頂長度356.0 m。地下廠房布置在右岸，裝機4臺，單機容量225 MW。

本工程枯水期采用導流洞導流，上下游過水圍堰擋水，一汛期間采用導流洞、圍堰和基坑聯合泄洪，二汛期間采用圍堰、大壩缺口和導流洞聯合泄洪，三汛期間采用導流洞、大壩底孔和表孔聯合泄洪。

功果橋電站大壩工程由中水四局中標承建，總工期45個月，2008年11月完成大江截流和2009年5月完成圍堰工程是大壩工程重要的控制節點工期。筆者自2008年8月大壩工程開工起，全過程參與了圍堰工程的施工，本文主要將上游圍堰膠凝砂礫石（以下簡稱CSG材料）的配合比試驗、工藝試驗和施工控制的體會進行總結，供參考。

2 上游圍堰設計斷面

2.1 圍堰型式

根據功果橋電站施工總進度安排，大壩施工圍堰使用兩年，期間經歷兩個汛期。為了選擇既經濟、安全又能與工程地質條件相適應的堰體結構，設計通過對南盤江天生橋一、二級電站、烏江東風電站、灘坑電站、光照電站、思林電站、洪口電站和街面電站等項目過水圍堰設計和施工的調研，經過多方案的比選和咨詢，明確本工程的上游圍堰采用土石過水圍堰，設計的導流標準為：枯水期導流流量Q10%枯=2060 m3/s，上游最高水位1260.7 m；一、二汛導流流量Q5%=7710 m3/s，上游最高水位1266.7 m；三汛導流流量Q1%=10300 m3/s，上游最高水位1300 m。

2.2 堰面防護型式

表1 堰后防護三種方案的優缺點對比Table 1:Advantages and disadvantages of the three protection schemes

為提高圍堰的穩定性和抗沖刷能力，經過詳細的方案論證，確定堰面防護采用混凝土楔形面板，堰后防護采用CSG材料。

最終設計確定的上游圍堰參數為：圍堰軸線長185.26 m，堰頂高程1262.5 m，頂寬10 m，堰體總高約50 m，沿水流方向長240 m，高程1244 m以下均采用6.0 m厚CSG材料防護。圍堰斷面見圖1。

3 CSG材料配合比試驗

由于功果橋電站大壩底的工期相當緊張，其中一枯工期目標能否實現很大程度上取決于上游圍堰工程的成敗。在上游圍堰的施工項目中，防滲墻、開挖、填筑、混凝土等均為常規項目，而CSG施工用于國內大江大河，對設計、施工、監理、業主各方來說，均無經驗可談，因此急需建設四方共同商定有關的技術參數和施工方案。

3.1 CSG設計指標

鑒于目前CSG材料無成熟的設計和施工規范，參建各方聯合成立科研小組，明確各方職責，其中設計院負責確定CSG材料設計指標。經過調研并結合現場試驗成果，設計院確定的CSG設計指標為：

（1）CSG抗壓強度（150 mm立方體、90 d齡期、80%保證率）≥5.0 MPa；

（2）250～400 mm之間的骨料含量不宜大于5%；

（3）容重：≥2300 kg/m3；

（4）壓實度：≥93%；

（5）水泥為P.O42.5，粉煤灰采用Ⅱ級灰；

（6）VC值在8±2 S。

3.2 CSG室內試驗

從CSG材料的應用和發展看，CSG材料是將膠凝材料和水加入河床砂礫石或開挖石渣等在壩址附近容易獲得的巖石基材中，然后用簡易設備進行拌和得到的一種筑壩材料，其性能和施工特點與碾壓混凝土類似，因此CSG配合比設計可借用碾壓混凝土的相關規范要求進行，即通過試驗得到CSG的單位體積用水量、VC值和容重等指標，然后通過CSG的抗壓強度、抗剪強度等性能的測試，確定設計齡期的最優配合比。

圖1 圍堰斷面圖Fig.1 Cross section of the weir

由于施工計劃要求2009年3月中旬開始CSG現場施工，因此2008年11月完成截流后必須立即啟動天然砂礫石取樣和CSG室內試驗，才能確保在3個月左右的時間內完成CSG試驗。CSG室內試驗由設計、監理配合施工單位實施，具體試驗內容如下。

3.2.1 原材料試驗

試驗分別采用P.O42.5級水泥和Ⅱ級粉煤灰，水泥和粉煤灰的各項指標均滿足規范要求。針對CSG材料的特點，原材料試驗的重點是天然砂礫石料的性狀，包括顆粒級配、密度、含泥量、含水量等。

（1）設計院勘察成果

上游圍堰共需填筑CSG材料約9萬m3，對應需要砂礫石石料約21萬t。設計院勘察報告資料表明，天然河床開挖料基本以砂卵礫石為主，局部含漂石砂卵礫石，成分以變質石英砂巖為主，砂礫料中除砂的含泥量偏高、細度模數偏小外，其余指標基本滿足要求，其中天然級配的砂率約為16%～23%。

（2）現場取樣試驗成果

施工單位在上下游圍堰之間的河床部位進行天然砂礫石取樣，通過室內檢測，結果表明：

①未經篩分的天然砂礫石料中大于250 mm的骨料約占40%左右，要滿足設計對CSG骨料的級配要求，實際施工中需要根據現場料源情況，嚴格控制超徑骨料；

②天然砂礫石料的顆粒級配、表觀密度、針片狀含量、含泥量、壓碎指標等均滿足水工混凝土施工規范的要求，其中骨料含泥量比勘察階段明顯降低；

③通過對天然砂礫石進行篩選處理，剔除粒徑超過250 mm的骨料后，砂礫石混合骨料的砂率約為19%。

天然砂礫石料級配試驗成果見表2。

3.2.2 CSG配合比試驗

（1）配合比設計思路

①盡可能最大程度地利用開挖砂礫石料，試驗階段可根據天然砂礫石料的原始級配，剔除其中大于250 mm的全部超徑骨料作為配合比試驗骨料。

②從滿足設計要求的強度、干容重和壓實度，及CSG碾壓最佳工作性的角度出發進行配合比設計。

（2）配合比試驗

①配制強度

滿足設計要求的配制強度：fcu,o=fcu,k+tσ＝5.0 MPa+0.84×3.5 MPa＝7.94 MPa。

表2 天然砂礫石料顆粒級配試驗結果Table 2:Test result of the gradation of sand and gravel

②VC值試驗

通過VC值試驗確定CSG材料VC值在6～10 s條件下的單位加水量。VC值試驗結果見表3。

從CSG材料VC值試驗結果可以看出，CSG材料不摻減水劑和粉煤灰情況下的適宜用水量為72 kg/m3。

③凝結時間和強度試驗

在CSG材料滿足施工最優VC值基礎上，進行CSG凝結時間和強度試驗，試驗結果見表4。

④不同尺寸試件強度對比試驗

為了能夠進一步了解不同骨料粒徑和試件尺寸對CSG材料強度的影響，對CSG材料分別成型了邊長為300 mm和150 mm的立方體試件，進行28 d齡期的強度對比試驗，試驗結果見表5。

⑤抗剪斷強度

對編號為CSG-2配合比的CSG材料進行抗剪斷性能試驗，分別成型了邊長為150 mm和300 mm的立方體試件，試驗結果見表6。

（3）初選配合比

根據室內試驗成果，初步確定以編號CSG-2的配合比作為施工配合比。

4 CSG工藝試驗和施工控制

4.1 現場工藝試驗目的

通過CSG碾壓工藝試驗擬達到以下目的：（1）檢驗CSG配合比和CSG的各項性能參數，獲取CSG碾壓施工參數，包括CSG拌和、運輸、攤鋪、碾壓、養護、質量檢查等，為完善CSG配合比提供依據；（2）檢驗CSG碾壓施工機械設備配套運行情況；（3）實地培訓技術人員、操作人員，提高施工隊伍的素質；（4）編制并完善CSG施工工法，指導CSG施工。

4.2 試驗成果和施工控制

上游圍堰下游坡CSG施工結合壩基河床開挖分三個階段進行。第一階段為1238～1249 m高程施工（2009年3月8日～2009年4月10日）；第二階段為1219～1244 m高程施工（2009年4月10日～2009年5月20日）；第三階段為1212～1225 m高程施工（2009年5月10日～2009年6月5日），總用時約3個月，其中第一階段的施工結合生產性試驗進行。

表3 CSG材料VC值試驗結果Table 3:Test result of the VC value of cement sand and gravel

表4 凝結時間和強度試驗成果Table 4:Test result of the setting time and strength

表5 強度對比試驗結果Table 5:Test result of strength comparison

表6 CSG抗剪強度試驗結果Table 6:Test result of the shear strength of the cement sand and gravel

4.2.1 試驗成果

碾壓CSG試驗選上游圍堰1237～1240.4高程的倉面作為工藝試驗場地，試驗場地在正式碾壓前先進行壓實，防止基礎變形，碾壓層厚分別采用60 cm和80 cm。現場碾壓試驗均分兩個升程施工，第一大升程碾壓層為2.4 m，碾壓完成間歇6～7 d，再進行第二大升程層施工，第二大升程層為1.0 m。

根據工藝試驗得到的試驗成果（主要施工參數）為：CSG現場拌和投料順序為砂礫料→膠凝材料→水。拌和遍數為干拌2遍，濕拌4遍。

當采用26T振動碾時，攤鋪厚度可取88 cm，碾壓層厚為80 cm；碾壓遍數為2+6+1，即先無振2遍，再有振6遍，最后無振1遍。

4.2.2 施工控制

（1）施工前準備

倉面施工前須完成的準備工作包括：材料、機械設備、人員配置準備；入倉道路、倉內照明及供排水布置檢查；預制CSG模板和預埋件安裝等。

①施工機械配置

根據施工進度和工程量，計算平均單日CSG施工強度為1000～1500 m3/d，按每天施工16 h計算，實際施工每班需要配置的主要設備包括5～6臺反鏟、1～2臺裝載機、1～2臺26T振動碾。

②人員配置

主要管理技術人員包括倉面指揮、生產調度、試驗技術人員、設備操作手、混凝土工等，每班基本投入20余人。對所有參與施工的人員，均要進行培訓，做到熟練后上崗。

③立模

從加快施工、確保模板穩定的目的出發，CSG模板在原設計基礎上做了優化，尺寸加大為180 cm×100 cm×85 cm，模板結構上增加了塑料排水管和拉筋。

CSG預制模板安裝順序為：測量放線→基礎找平→鋪筑水泥凈漿→預制模板吊裝就位。

（2）開挖與拌和

為有效利用場地，并減少機械倒運量，實際施工采用邊開挖邊拌和的施工工藝。即在圍堰平臺處從低往高、從左岸向右岸方向進行填筑施工，待預留開采區的砂礫石填筑完畢后，剩余填筑部分的料源改由基坑開挖料補充，直到左右岸填筑貫通找平。具體見圖2。

圖2 施工示意圖Fig.2 Sketch drawing of construction

砂礫石計量由皮尺測量體積確定，水泥采用袋裝水泥計量，加水量采用流量計進行控制。

CSG料在按確定的配合比混合后應充分攪拌均勻，拌和主要采用反鏟，裝載機配合，拌和過程中應剔除超徑骨料，拌和均勻后進行拌和物VC值測試和強度值取樣。

（3）CSG運輸、攤鋪和碾壓

拌和均勻的CSG采用裝載機運輸入倉，裝載機在倉面采用雙點疊壓卸料，即將CSG料卸于鋪筑層攤鋪前沿的臺階上，再由反鏟將CSG從臺階上推到臺階下進行移位式平倉。CSG平倉方向應垂直于水流方向，每碾壓層平倉一次，局部不平的部位用人工輔助鋪平。

碾壓采用26T振動碾，碾壓條帶間搭接寬度為20～40 cm，端頭部位的搭接寬度為120～260 cm。一般要求由拌和物投料起至拌和物在倉面上碾壓完畢在3 h內完成。碾壓效果以碾壓完畢的CSG層面達到全面泛漿、人在上面行走有微彈性、倉面沒有骨料集中的外觀為標準。每層碾壓作業結束后，應及時按網格布點檢測CSG壓實度，當檢測結果不合格時，應立即采取補碾等處理措施。

（4）變態CSG施工

變態CSG是在CSG拌和物鋪料后灑鋪水泥凈漿，予以變態，采用振搗器振搗密實。變態CSG主要用于模板、基巖周邊、埋件埋設處等振動碾無法碾壓到的部位。

實際施工中對模板、基巖周邊應盡量攤鋪剔除大骨料后的CSG材料。如果無法剔除大骨料，且采用振搗器很難振搗密實時，可以采用在模板、基巖周邊增加現澆混凝土的工藝，以確保CSG與基巖、模板結合的整體性。

（5）施工縫處理

施工縫處理采用表面沖毛方法清除CSG表面的浮砂及松動骨料，處理后，先灑水濕潤，再均勻鋪撒一層水泥，然后立即在其上攤鋪CSG。

（6）層面處理

連續上升鋪筑的CSG層間允許間隔時間應控制在CSG初凝時間內，對超過初凝時間但未終凝的層面，可在層面灑水濕潤，再均勻鋪撒水泥，然后攤鋪上層CSG料。

（7）養護

養護采取噴霧、灑水、覆蓋塑料薄膜或麻袋等措施，使CSG倉面始終保持濕潤。對施工間歇期層面，終凝后灑水養護；對于水平施工層面，養護工作應持續至上一層CSG開始鋪筑時止；對永久暴露面，養護時間不宜少于28 d。

（8）CSG施工配合比

通過室內試驗和工藝試驗，確定最終施工配合比如表7。

表7 CSG施工配合比Table 7:Mix proportion of the cement sand and gravel

5 CSG施工質量檢測

5.1 VC值

施工過程對VC值按200 m3左右檢測一次控制，共抽檢了643次，平均值為4.9 s。

5.2 壓實度檢測

壓實度檢測按每一鋪筑層不少于2個點控制。由于施工采用碾壓層厚為80 cm，而核子密度儀的測試深度僅30 cm，因此對表面以下40 cm范圍內采用核子密度儀直接打孔檢測，對表面以下40～80 cm范圍，挖坑后再采用核子密度儀打孔檢測。

施工中對碾壓面以下40 cm范圍內共檢測壓實度627點，壓實度范圍為91.5%～100%，平均值為97.6%；碾壓面以下40～80 cm深度范圍內共檢測壓實度16點，壓實度范圍為97.5%～100%，平均值為98.0%。

5.3 強度檢測

施工過程對CSG抗壓強度檢測按每2500 m3取樣一組控制，檢測結果如表8。

6 圍堰運行情況

上游圍堰從2008年11月30日開始施工，到2009年6月10日完工，歷時190 d，主要完成工程量包括開挖11萬m3，填筑39.5萬m3，混凝土防滲墻0.5萬m2，堰面混凝土4.2萬m3，CSG材料8.6萬m3。

表8 CSG抗壓強度檢測結果Table 8:Test result of the compressive strength of the cement sand and gravel

盡管面臨工程量大、施工工期緊、工程地質條件差（堰基覆蓋層厚10～30 m）的現狀，并且首次在瀾滄江大型電站的過水圍堰上采用CSG新工藝，技術上和施工上均存在一定的風險，但通過參建各方的努力，不僅確保了圍堰工程按期完工，且圍堰經受了2009年汛期的考驗。

2009年汛期后，參建各方聯合對上游圍堰進行檢查，在圍堰的堰面混凝土和CSG部位均未發現明顯的裂縫或沖損現象，表明圍堰的施工質量滿足要求。

7 結語

（1）由于本項目CSG施工從方案確定到完成施工僅半年時間，建設各方在有限的時間內，通過國內外工程調研和現場試驗，基本掌握了CSG材料的性能和施工技術特點，總結了CSG材料的施工技術要求，并成功地用于瀾滄江流域的過水圍堰施工，達到了“技術可行、經濟合理、進度確保”的目的。

（2）CSG材料有效地利用了河床開挖渣料，減少了膠凝材料用量，簡化了施工工藝，因此大大降低了工程造價（初步估算CSG材料比普通混凝土造價降低約150元/m3），同時CSG材料的強度等特性能夠滿足設計要求，因此對圍堰等類似臨時工程有推廣價值。

（3）本工程CSG材料僅用于圍堰堰后坡，能否在類似規模的圍堰工程上采用全斷面CSG碾壓，需要進一步通過研究和工程實踐論證。建議加強圍堰施工期運行狀況的觀察，同時采用鉆孔取芯等手段驗證CSG材料的耐久性和力學性能；總結并完善CSG試驗方法、施工工藝等方面的研究，以利于更好地掌握CSG材料的一般規律，為擴展CSG材料的應用范圍提供依據。■

[1]陳振華.洪口水電站碾壓貧膠砂礫石筑壩技術研究[J].水力發電，2004.

[2]賴福梁，林琳.貧膠粗粒料筑壩新技術在洪口水電站的設計與實施[C].第五屆碾壓混凝土壩國際研討會.

[3]華能瀾滄江功果橋水電站上游圍堰膠凝砂礫石材料施工技術要求[R].中國水電顧問集團西北勘測設計研究院.2009.

[4]瀾滄江功果橋水電站工程可行性研究報告[R].中國水電顧問集團西北勘測設計研究院.2006.