大體積水下自密實(shí)混凝土的試驗(yàn)研究及應(yīng)用

李 鳳 玉

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

錦屏一級(jí)水電站樞紐建筑物主要由混凝土雙曲拱壩(包括水墊塘和二道壩)、右岸泄洪洞、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)及開關(guān)站等組成。大壩設(shè)計(jì)壩高305 m，是目前世界上已建與在建水電工程中的最高拱壩。錦屏一級(jí)水電站左岸導(dǎo)流洞呈直線和圓弧段布置，穿過左岸大壩帷幕灌漿線至下游。導(dǎo)流洞總長度為1 209.1 m，采用過流有壓洞設(shè)計(jì)，斷面采用圓拱直墻式，斷面尺寸為15 m×19 m(寬×高)，進(jìn)、出口底板高程分別為1 638.5 m和1 634 m，導(dǎo)流洞底板縱坡為3.832‰。

錦屏一級(jí)水電站蓄水發(fā)電前需對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵，且其封堵順序?yàn)橄茸蟀逗笥野丁Ｗ蟀秾?dǎo)流洞下閘后，右岸導(dǎo)流洞仍在導(dǎo)流且出口水流對(duì)沖左岸。受高速水流及推移質(zhì)的多年沖擊，左岸導(dǎo)流洞出口淤積層的最大厚度可達(dá)2 m，淤積層主要為細(xì)砂夾雜少量碎石且其水深為12 m。左岸導(dǎo)流洞出口如采用常規(guī)的堆石體圍堰，受右岸導(dǎo)流洞出口水流沖刷，將嚴(yán)重影響到左岸導(dǎo)流洞出口圍堰的施工，導(dǎo)致其施工質(zhì)量無法保證。鑒于上述情況，專家建議該電站左岸導(dǎo)流洞出口圍堰采用水下自密實(shí)混凝土施工。

自密實(shí)混凝土技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期由日本研究開發(fā)并應(yīng)用的一項(xiàng)混凝土技術(shù)[1]，我國引進(jìn)后廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。由于水電水利行業(yè)施工的特殊性，部分混凝土需要進(jìn)行水下澆筑施工，進(jìn)而對(duì)自密實(shí)混凝土的應(yīng)用提出了更高的要求。但由于目前水電水利行業(yè)中關(guān)于水下自密實(shí)混凝土的應(yīng)用技術(shù)尚不完善，部分技術(shù)還處于探索階段，可供參考的技術(shù)資料和經(jīng)驗(yàn)缺乏。鑒于此，項(xiàng)目部技術(shù)人員依托錦屏一級(jí)水電站左岸導(dǎo)流洞出口圍堰開展了水下自密實(shí)混凝土的相關(guān)研究與應(yīng)用，介紹了具體的研究與應(yīng)用過程。

2 原材料

水泥為P·MH 42.5級(jí)中熱水泥，產(chǎn)自樂山嘉華。滿足《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》GB/T 200-2017中的中熱水泥要求。其主要物理性能檢測(cè)結(jié)果見表1，滿足相關(guān)規(guī)范要求。與硅酸鹽和普通硅酸鹽水泥相比，中熱水泥的水化熱更低，能夠有效降低大體積混凝土的內(nèi)部溫升，已在水電水利工程中廣泛使用。

表1 水泥物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果表

粉煤灰為F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，產(chǎn)自云南曲靖，滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》DL/T5055-2007中的F類I級(jí)粉煤灰要求，粉煤灰檢測(cè)結(jié)果見表2。高品質(zhì)的粉煤灰能夠降低混凝土的用水量，改善拌合物的和易性。

表2 粉煤灰檢測(cè)結(jié)果表

骨料為砂巖人工骨料，無堿活性。其中，粗骨料粒徑為0～20 mm，細(xì)骨料為Ⅱ區(qū)中砂，滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2015中的相關(guān)要求，粗骨料檢測(cè)結(jié)果見表3，細(xì)骨料檢測(cè)結(jié)果見表4。

表3 粗骨料檢測(cè)結(jié)果表

表4 細(xì)骨料檢測(cè)結(jié)果表

外加劑采用JG-2H型緩凝高效減水劑和JM-2000型引氣劑。

3 混凝土配合比試驗(yàn)

進(jìn)行水下自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)[2]時(shí)，不僅要求其抗壓強(qiáng)度、耐久性滿足設(shè)計(jì)要求，還需保證混凝土拌合物具有良好的施工性能。水下自密實(shí)混凝土施工性能包括流動(dòng)性、抗離析性和填充性，分別通過坍落度擴(kuò)展度試驗(yàn)、V漏斗試驗(yàn)(或T50試驗(yàn))和U型箱試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)[3]。此外，研究中模擬現(xiàn)場(chǎng)施工條件，同時(shí)在靜水和空氣中成型7 d和28 d抗壓強(qiáng)度試件用以對(duì)比不同成型條件下的混凝土強(qiáng)度關(guān)系。考慮到水下混凝土長期處于急速水流中，且其實(shí)體下部處于高水壓環(huán)境，進(jìn)行了混凝土抗?jié)B性、抗凍性等室內(nèi)耐久性試驗(yàn)。考慮到水下混凝土無法振搗，僅能通過自身重力和流動(dòng)性達(dá)到自密實(shí)，因此，在靜水中成型時(shí)不振搗，對(duì)其外露表面通過切割打磨的方法進(jìn)行平整處理。

3.1 配合比設(shè)計(jì)

參照《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CECS203:2006中的配合比設(shè)計(jì)要求，對(duì)其單位體積用水量、水粉比、單位體積粉體量、單位體積粗骨料絕對(duì)體積和單位體積漿體量等參數(shù)進(jìn)行了選擇。所推薦的配合比參數(shù)見表5，混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 推薦配合比參數(shù)表

表6 混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 模擬施工試驗(yàn)

為保證工程質(zhì)量，在現(xiàn)場(chǎng)選取適合的部位進(jìn)行了水下自密實(shí)混凝土澆筑模擬試驗(yàn)[4]。模擬試驗(yàn)采用混凝土攪拌車運(yùn)輸、導(dǎo)管法澆筑水下混凝土。模擬試驗(yàn)主要考察了水下立模工藝、混凝土施工性能、導(dǎo)管直徑、導(dǎo)管之間的間距、導(dǎo)管埋入混凝土中的深度、拔管速度等工藝。導(dǎo)管法澆筑水下混凝土情況見圖1。結(jié)果證明：采用以下工藝在左岸導(dǎo)流洞出口澆筑水下自密實(shí)混凝土切實(shí)可行。(1)采用2.5 mm厚的鋼板作模板并用Φ48 mm鋼管對(duì)模板進(jìn)行支撐加固；水下混凝土上游側(cè)不立模，由水下混凝土自然堆積。(2)所推薦的混凝土配合比基本上能夠滿足施工性能要求，但模擬試驗(yàn)與配合比試驗(yàn)使用的骨料存在差異，故應(yīng)對(duì)配合比進(jìn)行微調(diào)。(3)導(dǎo)管直徑為225 mm、間距為3.5 m，應(yīng)將導(dǎo)管距離底板的起始距離控制在0.5 m以內(nèi)，導(dǎo)管埋入混凝土的深度為4～6 m時(shí)開始拔管，拔管后導(dǎo)管埋入混凝土的深度以2 m左右較為適宜。

a.裝第一斗混凝土；b.排走導(dǎo)管內(nèi)的水或泥漿;c.混凝土向下推進(jìn)。①隔水塞；②導(dǎo)管；③接頭；④混凝土圖1 導(dǎo)管法澆筑水下混凝土示意圖

4 實(shí)際工程中的應(yīng)用

4.1 混凝土澆筑施工質(zhì)量控制

(1) 混凝土拌和所用的原材料必須滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T 5144-2015、《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CECS 203:2006及其它相關(guān)規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，必需加強(qiáng)對(duì)原材料的檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)使用的原材料與配合比中的原材料品質(zhì)存在較大差異時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整配合比參數(shù)以確保混凝土澆筑的連續(xù)性。

(2)水下混凝土立模及澆筑施工過程中會(huì)受到右岸導(dǎo)流洞出口水流的巨大沖擊，且易受到由于左岸導(dǎo)流洞進(jìn)口處閘門不嚴(yán)密產(chǎn)生的下泄水流沖擊，對(duì)模板的穩(wěn)定和混凝土澆筑造成影響。針對(duì)這種情況，在圍堰外修筑了一個(gè)擋流用的丁壩，將急流的水頭減小，使圍堰施工處于一個(gè)接近靜水的環(huán)境。澆筑前，派潛水員用高壓水槍將底板上的淤泥清理干凈。

(3)由于混凝土在澆筑過程中不能振搗，主要靠混凝土的自重壓力自行密實(shí)，故無法直觀了解到澆筑情況[5]。澆筑前，由專業(yè)的試驗(yàn)檢測(cè)人員對(duì)混凝土拌和物的性能進(jìn)行檢測(cè)并確認(rèn)，并對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行閉水試驗(yàn)、流暢性試驗(yàn)，在導(dǎo)管內(nèi)放置一個(gè)用于排水排氣的球，用混凝土將球壓出(混凝土加壓管內(nèi)的氣壓將管內(nèi)的水和氣體一起排出)。放料過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制放料的連續(xù)性和均勻性。

(4)采用預(yù)冷混凝土，埋設(shè)冷卻水管，按照相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求實(shí)施溫控。

(5)為保證結(jié)構(gòu)物的運(yùn)行安全，混凝土澆筑完成后應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求實(shí)施封堵灌漿。

(6)鑒于水下混凝土澆筑的工序復(fù)雜，澆筑過程因人為原因造成質(zhì)量事故的可能性極高，因此，施工前必須對(duì)每個(gè)參與施工的員工進(jìn)行質(zhì)量技術(shù)交底，并在澆筑過程中加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量的巡查和監(jiān)督管理工作。

4.2 施工質(zhì)量

錦屏一級(jí)水電站左岸導(dǎo)流洞出口圍堰采用導(dǎo)管法水下自密實(shí)混凝土施工，歷時(shí)7 d，所澆筑的混凝土總量約為5 000 m3。采用調(diào)整后的水下自密實(shí)混凝土配合比進(jìn)行圍堰施工，整個(gè)澆筑過程連續(xù)、均勻，澆筑質(zhì)量得到有效控制。所拌制的混凝土和易性、黏聚性、流動(dòng)性較好，澆筑過程中無泌水、離析、堵管現(xiàn)象。對(duì)于混凝土硬化性能方面，其抗壓強(qiáng)度、抗凍性、抗?jié)B性均滿足設(shè)計(jì)要求，圍堰施工完成后無滲漏。左岸導(dǎo)流洞封堵施工期間，基坑內(nèi)基本無滲水。圍堰施工完成后，采用聲波法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢查，圍堰整體結(jié)構(gòu)密實(shí)，無空洞、蜂窩、斷層、裂縫等質(zhì)量缺陷。水下自密實(shí)混凝土檢測(cè)結(jié)果見表7。

表7 水下自密實(shí)混凝土檢測(cè)結(jié)果表

5 結(jié) 語

水下自密實(shí)混凝土作為一種新興的混凝土技術(shù)，通過采用適宜的配合比和施工工藝，能夠保證混凝土的施工性能及澆筑質(zhì)量。水下自密實(shí)混凝土在錦屏一級(jí)水電站左岸導(dǎo)流洞出口圍堰中的實(shí)際應(yīng)用取得了以下成果：

(1)配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)各種原材料進(jìn)行優(yōu)選，通過采用中熱水泥、摻加適量的摻合料(如粉煤灰)、使用高性能減水劑等技術(shù)手段，可以設(shè)計(jì)出性能良好、經(jīng)濟(jì)合理的配合比。

(2)配合比設(shè)計(jì)時(shí)，其不僅應(yīng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，還應(yīng)重點(diǎn)考察混凝土的施工性能，且其施工性能應(yīng)與施工工藝相匹配。

(3)大體積水下混凝土應(yīng)采取預(yù)冷混凝土，在混凝土中埋設(shè)冷卻水管并通水冷卻。還應(yīng)埋設(shè)混凝土溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，密切監(jiān)控混凝土的內(nèi)外溫差，以便于即時(shí)調(diào)整冷卻水的流量、溫度及通水時(shí)間。

(4)澆筑過程中，為減少水流對(duì)澆筑部位的擾動(dòng)，應(yīng)采取一定的保護(hù)措施，使?jié)仓课恢車幱陟o水狀態(tài)。此外，采用導(dǎo)管法施工時(shí)，其導(dǎo)管直徑、間距、拔管速度等工藝參數(shù)對(duì)混凝土施工質(zhì)量的影響較大，應(yīng)通過探索找出適宜的施工參數(shù)。