巴塘水電站主體工程開挖料作混凝土骨料研究

杜 曉 凡， 田 應 輝

(華電金沙江上游水電開發有限公司巴塘分公司，四川 巴塘 627650)

1 概 況

巴塘水電站位于四川省甘孜藏族自治州巴塘縣巴楚河口(巴楚河入金沙江交匯處)上游約660 m的金沙江干流上，是金沙江上游河段13級開發的第9級電站。電站裝機容量750 MW，年發電量33.93億kWh，為二等大(2)型工程。

水利水電工程一般混凝土工程量巨大，混凝土骨料料源的選擇對工程質量和投資有直接影響。巴塘水電站可研階段規劃采用和達通溝塊石料場的閃長巖作為混凝土骨料料源，而可研審查時考慮到和達通溝石料場開采邊坡高，采運難度較大，料場支護工程量大，且主體工程開挖料總量達1 414.58萬m3，壩體填筑利用僅472.20 萬m3，開挖料沒有得到充分利用。因此，探索研究利用主體工程開挖料加工混凝土骨料、大壩過渡料及反濾料的合理性，避免料場的開挖和減少棄渣量，以達到保護環境和水土保持，并提高巴塘水電站的經濟性，十分必要。

2 人工骨料試驗

巴塘水電站主體及導流工程的石方開挖總量約1 414.58萬m3，考慮開挖廢料及損耗，可利用的開挖料約585.14 萬m3。而工程所需料源472.20 萬m3；其中：筑壩料267.04萬m3，過渡料26.85 萬m3，反濾料7.74 萬m3，混凝土骨料170.57 萬m3。主體工程開挖料儲量充足。

根據巴塘水電站可研報告，開挖區弱風化黑云母石英片巖干密度2.73～2.90 g/cm3，孔隙率0.72～1.33%，單軸干抗壓強度86～104 MPa，飽和抗壓強度62～89 MPa，軟化系數0.67～0.88，凝聚力1.9～3.1 MPa，內摩擦角46°24′～55°55′，變形模量12.4～17.8 GPa。從物理力學參數看，弱風化巖塊質量可滿足混凝土骨料及大壩堆石料的要求。為充分利用開挖料，工程人員開展相關試驗工作。

2.1 骨料堿活性試驗

試驗樣品采自工程現場開挖的黑云母石英片巖，采用PE250×400 型顎式破碎機破碎大石、中石、小石，采用PCΦ400×300 型錘式破碎機破碎砂料。膠凝材料為華新42.5普通硅酸鹽水泥、云南宣威Ⅱ級粉煤灰。

采用砂漿棒快速試驗法對料試樣進行了堿活性試驗。

按試驗規程的要求，“砂漿棒快速法”所用砂料級配應符合表1的要求。

表1 制作砂漿棒的砂料級配

砂漿棒快速法配合比如下：

水泥與砂的質量比為1∶2.25。一組三個試件，共需水泥440 g，砂990 g。砂漿水灰比為0.47。

主體工程開挖弱風化以下黑云母石英片巖料骨料堿活性砂漿棒快速法試驗結果見表2。

表2 骨料堿活性砂漿棒快速法試驗結果

由表2可知：黑云母石英片巖骨料巖石樣品砂漿試件14 d膨脹率為0.043%，小于0.1%，依據骨料堿活性砂漿棒快速法評價標準，可判定該骨料不會發生堿-硅酸反應，為非活性骨料。

2.2 云母含量檢測

2.2.1 開挖原料云母含量檢測

取黑云母石英片巖采用巖相法檢測，共取5組樣品。其中4組云母含量為0%，1組含有20～30%。由于切片方向和觀察范圍不同，所檢測到的云母含量不同，不具備代表性。

再利用X射線衍射法檢測，共取3組樣品，云母含量在7～13.5%之間。

2.2.2 骨料物理性能試驗

依據《水工混凝土砂石骨料試驗規程》DL/T5151-2014的要求，對黑云母石英片巖骨料物理性能進行試驗，試驗結果見表3～4。

表3 細骨料物理性能測試結果

從表3試驗結果可以看出：黑云母石英片巖細骨料的各項指標均滿足《水工混凝土施工規范》DL/T5144-2015對細骨料品質的要求。

從表4試驗結果可以看出：黑云母石英片巖粗骨料的各項指標均滿足《水工混凝土施工規范》DL/T5144-2015對粗骨料品質的要求。

2.2.3 試驗的啟示

采用《水工混凝土砂石骨料試驗規程》DL/T5151-2014 中的方法與巖相法、X 射線衍射法檢測云母含量結論相差較大，根據科技文獻資料可知，巖相法和X 射線衍射法主要是針對巖石中的云母含量檢測，并不能作為評判標準，且0.16 mm 以下的云母顆粒幾乎對混凝土不會產生不利影響。

通過分析，破碎后的人工砂的粒徑為0.315～5.0 mm，此范圍內游離出來的云母含量較少，部分細微的云母依附在較大的顆粒上或小于0.315 mm 而被篩除，從而通過破碎加工沖洗的細骨料滿足《水工混凝土施工規范》DL/T5144-2015 中云母含量小于2%要求；且黑云母石英片巖堿活性砂漿棒快速法試驗結果為非活性骨料，可作為巴塘水電站砂石骨料加工的料源。

3 混凝土配合比及力學試驗

混凝土配合比的目的是在滿足設計和施工要求的前提下確定最優配合比，使混凝土單位成本較低。由于主體工程開挖料黑云母石英片巖不具有堿活性，因此，常態混凝土粉煤灰摻量取20～30%的配合比進行試驗。再根據選定的骨料級配、砂率及由28 d強度曲線選定的水膠比，可以確定初選配合比(表5)。

根據以上初選配合比方案，按照DL/T5150-2001《水工混凝土試驗規程》中有關規定，進行了混凝土力學、耐久性、變形試驗，水泥品種采用華新42.5普通水泥，粉煤灰品種采用宣威灰。試驗結果見表6～10。

表4 粗骨料物理性能試驗結果

表5 混凝土初選配合比

表6 混凝土抗壓劈拉強度和抗彎強度試驗結果

表7 混凝土靜壓彈性模量試驗結果

表8 混凝土極限拉伸試驗結果

由上述試驗結果可見：

(1)混凝土28 d軸拉強度高于劈拉強度；

(2)混凝土軸拉彈性模量高于靜壓彈性模量；

(3)設計齡期的混凝土極限拉伸值均滿足設計要求。

表9 混凝土抗凍試驗結果

上述試驗結果表明：

(1)常態混凝土各配比達到抗滲等級時試件表面均未出現滲水，劈開試件檢測其平均滲水高度均小于混凝土抗滲試件高度，初選混凝土各配合比滿足設計要求抗滲等級；

(2)根據DL/T5150-2001《水工混凝土試驗規程》，相對動彈性模量下降至初始值的60%或質量損失率達5%時，即可認為試件已達破壞程度。由試驗結果可見，巴塘水電站所選配比混凝土的抗凍均滿足設計抗凍等級的要求。

4 成果應用及降低成本

4.1 取消和達通溝料場

可研階段推薦和達通溝料場作為巴塘水電站的混凝土骨料料場設計開采量335.00萬m3，開采面積約15.8萬m2；邊坡最大高度約310 m，料場的開采、爆破、道路、支護、安全監測等項目費用較高。直接利用主體工程開挖料作為混凝土骨料，取消和達通溝料場，直接降低投資7 424.56萬元。

表10 混凝土抗滲試驗結果

4.2 砂石混凝土系統布置調整

因和達通溝料場取消，與其緊鄰的砂石、混凝土系統調整布置于左岸2號棄渣場之上，若不作調整，仍按原計劃地基采用砂礫石換填、澆筑筏板基礎大混凝土、高邊坡開挖，初步估算砂石混凝土系統建設增加投資1 806.91萬元。調整至2號渣場后，毛料、混凝土運距變化導致的骨料、混凝土單價降低，總費用自然降低，同時，混凝土骨料由閃長巖改用黑云母石英片巖，水泥用量按增加30 kg/m3計，該項調整總共減少投資4 804.46萬元。

4.3 渣場優化調整

因把開挖料作為加工混凝土骨料、大壩過渡料及反濾料，減少棄渣130.92萬m3；取消和達通溝料場，減少棄渣料場夾層棄料108 萬m3。經對土石方的平衡分析，巴塘水電站1號、2號、3號棄渣場能滿足堆渣量要求，從而取消可研階段規劃的4號(渣場堆渣量為162.46萬m3)和5號棄渣場(渣場堆渣量為68.03萬m3)。因此，將原來運至這兩個渣場的廠房尾水開挖棄料170.34萬m3調整運到1號渣場，運距從8 km 減少到6.5 km，投資減少918.05萬元。由于減少了4號、5號渣場擋排量及料場植被恢復費用，環境保護及水土保持工程費用減少約3 361.56萬元。

5 結 語

水電工程混凝土骨料料源的選擇在規劃階段主要考慮儲量和質量兩個因素。通過料源平衡分析及對主體工程開挖料開展相關試驗，得出主體工程開挖料弱風化以下黑云母石英片巖可以滿足混凝土骨料品質要求。據此對巴塘水電站有用料進行調整，并優化取消和達通溝料場和4號、5號渣場，對施工總布置進行相應調整，直接降低投資14 701.72萬元，大大提高了項目的經濟性。

但是，混凝土骨料料源在實施階段仍會受一些工程邊界條件變化的影響，如地質條件變化、骨料加工工藝、有用料管理等。為此，巴塘水電站在實施階段采取以下幾個措施確保了混凝土骨料料源的管控。

(1)對砂石加工系統采取成品粗骨料的全整形工藝，有效控制碎石的針片狀含量，確保骨料品質達標；

(2)根據工程實際情況制定了《巴塘水電站有用料管理辦法》，通過加強有用料管理，提高有用料利用率；

(3)加強動態管控，根據實際開挖地質條件做好有用料的儲存，分析實際儲量是否能夠滿足工程需求，以便及時對料源進行調整。