天然砂石骨料碾压混凝土在莲花台水电站大坝的应用.pdf

3 8 周升舟 ， 董炜． 天然砂石骨料碾压混凝土在莲花台水电站大坝的应用 ● 文章编号： 1 0 0 6 --2 6 1 0 ( 2 0 1 0 ) o 4 —0 o 3 8 —0 4 天 然 砂 石 骨 料 碾 压 混 凝 土 在 莲 花 台 水 电 站 大 坝 的 应 用 周升 舟， 董 炜 ( 中国安能建设总公 司莲花 台工程项 目部 ， 陕西省商南县7 2 6 3 0 3 ) 摘要： 经技术经济比选， 陕西省商南县莲花台水电站采用丹江河滩天然砂和河卵石作大坝碾压混凝土骨料。经 过前期碾压混凝土配合比试验、 碾压混凝土工艺试验以及大坝碾压混凝土浇筑施工， 表明丹江河天然砂石骨料用 于碾压混凝土浇筑质量较好， 碾压后层面全面泛浆， 混凝土压实容重、 相对密实度符合规范要求 ， 满足碾压混凝土 性能各项指标。 关键词： 丹江； 天然砂石骨料； 配合比设计； 用水量； 砂率； 值 中图分类号： T V 6 4 2 ． 2 文献标识码： A App l i c a t i o n o f na t ur a l s a n d ag g r e g a t e RCC i n Li a n hua t a i d a m Z HOU S h e n g—z h o u，DO NG We i ( L i a n h u a t a i P r o j e c t D e p a r t m e n t ，C h i n a A n n e n C o n s t r u c t i o n C o m p a n y ， S h a n g n a n 7 2 6 3 0 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e L i a n h u a t a i h y d r o p o w e r p r o j e c t i s l o c a t e d o n t h e D a n j i a n g R i v e r i n S h a n g n a n C o u n t y o f S h a n n x i P r o v i n c e ．B y t e c h n i c a l a n d e c o n o m i c c o m p a r i s o n ， n a t u r al s a n d a n d g r a v e l s f r o m D a n j i a n g r i v e r fl o o d p l a i n a r e u s e d a s d a m R C C a g g r e g a t e s ．T h r o u g h R C C m i x i n g t e s t ，p r oc e s s t e s t an d p l a c e me n t c o n s t ruc t i o n， i t p r o v e s t h a t t h e n a t ura l s a n d a g g r e g a t e s u s e d i n R CC p l a c e me n t i s g o o d i n q u ali t y ，o v e r all l ait an e e o n t h e s u r f a c e o f RC C l i ft a f t e r c o mp a c t i o n， an d t h e R C C c o mp a c t i o n b u l k w e i g h t a n d r e l a t i v e d e n s i t y me e t the s t an d ard l ~ q u i r e - me n t s an d v a r i o u s i n d e x e s o f RC C p r o p e r t y ． Ke y wo r d s ： D a n j i a n g Riv e r ；n a t u r al s a n d a g g r e g a t e ；m i x d e s i g n ； w a t e r c o n s u m p t i o n ；s a n d r a t i o ； v a l u e 0 前言 近 2 0 a 来 ， 中国在建 、 已建的碾压混凝土坝( 包 括围堰等临时工程) 已达 1 6 0座之多 ， 筑坝技术越 来越成熟 ， 在采用砂石骨料品种选择上， 国内在建和 已建的碾压混凝土坝绝大部分是采用灰岩、 花 岗岩 等岩石生产出的人工砂石骨料 。比如棉花滩 、 沙牌 、 蔺河口、 百色、 龙滩、 光照、 金安桥等大中型水电站碾 压混凝土坝以及三峡水电站三期围堰均采用人工砂 石骨料， 生产 的人工砂 中石粉 ( d ≤0 ． 1 6 m m 的颗 粒) 含量较大， 可达到 1 8 ％ 一 2 2 ％ ， 满足碾压混凝土 ( R C C) 的可碾性和层间全面泛浆 ， 有利于大坝的防 渗效果。 笔者参建的陕西省商南县莲花台水 电站坝址地 收稿日期 ： 2 0 1 0— 0 5— 0 7 作者简介： 周升舟( 1 9 8 5一 ) ， 男， 江西省九江市人 ， 助理工程师， 主要从事水利水电工程混凝土材料试验工作 ． 处丹江干流 ， 坝址附近 山脉岩石为 白云质灰岩及中 厚层虫蚀状灰岩、 钠长石绿泥石正片岩 ， 考虑到地势 条件不利于爆破开挖岩石生产人工砂石骨料 ， 而且 大坝坝址上下游河滩面积较大 ， 天然砂和河卵石可 开采量远远能满足大坝混凝土需求， 综合考虑后在 坝址下游布置了砂石筛分 系统 ， 为大坝碾压混凝土 拌制提供天然砂石骨料。经过前期混凝土室内配合 比试验及碾压混凝土工艺试验和大坝主体碾压混凝 土浇筑施工 ， 表明丹江河天然砂石骨料用于碾压混 凝土浇筑质量较好 ， 碾压后全面泛浆 ， 混凝土压实容 重 、 相对密实度符合规范要求 ， 满足碾压混凝土性能 各项指标 。 1 工程概况 莲花台水电站为丹江干流梯级开发的第2级电 站， 坝址位于陕西省商南县湘河镇莲花台村上游1 ． 0 k m处， 距西安市 2 7 0 k m 。水库正常蓄水位 2 9 4 ． 0 i n ， 电站装机容量 2 2 0 MW， 额定水头 3 8 in， 最大 西北水电 2 0 1 0年 第 4期 3 9 水头 4 8 m， 最小水头 2 6 m， 电站引用流量 1 1 9 m ／ s 。 该工程等别为中型 Ⅲ等工程 ， 大坝 、 泄水 、 引水及发 电建筑物均按 3级建筑物设计 ， 导流隧洞等临时性 建筑物按 4级建筑物设计 。 枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、 泄洪坝段 、 泄 洪排 沙孔、 右岸坝后 厂房组成 。坝顶 高程 2 9 7 ． 2 0 m， 最大坝 高 7 0 ． 2 0 m， 坝 顶 宽 1 O ． 5 m， 坝 轴线 长 2 2 0 ． 5 0 m。泄洪闸溢流堰面采用 WE S实用堰 ， 消能 方式采用挑流消能。泄洪坝段建筑 物为 5孑 L 1 2 m 1 7 ． 5 m泄洪闸和 1 孔 3 m 4 m泄洪排沙底孔组 成。坝后厂房利用单管单机 的坝身进水 口和 2台机 的坝后式厂房。 2 丹江天然砂石骨料品质 2 ． 1 细 骨料 坝址上下游河滩毛料经开采运输至砂石筛分系 统筛分 ， 通过洗砂机湿法生产 出来的砂质地坚硬 、 清 洁 、 有害杂质含量不超过一定 限量 、 细度适 中、 颗粒 级配 良好 ， 符合水工混凝土施工规范 中砂 品质要 求。唯一不足的是石粉 ( d ≤0 ． 1 6 mm的颗粒 ) 含量 少 ， 仅达到 7 ． 8 ％ ， 为此进行室 内配合 比设计 时采用 了掺 3 ％ ～ 5 ％粉煤灰代砂 的方案 。丹江天然砂品 质试验结果见表 1 。 表 1 丹江天然砂 品质试验 结果对 比表 2 ． 2粗 骨料 该工程碾压混凝 土设 计指标最大级配为三级 配 ， 为此经筛分 冲洗后 的骨料 ， 成 品骨料粒径 为 8 0 m m， 品质检验时其指标 按小石 ( 5～2 0 m m) 、 中石 ( 2 0～ 4 0 m m) 、 大石( 4 0～ 8 O m m) 控制， 从试验结果 可看出 ， 粗骨料所检项 目满足文献 [ 1 ] 品质要求 ， 见 表 2 。 表 2 丹江天然河 卵石 品质试验 结果对 比表 3 室内配合比设计试验 莲花台水 电站主坝工程为碾压混凝土重力坝 ， 碾 压 混 凝 土 设 计 指 标 为 C 啪1 5 W4 F 5 0 和 C ∞ 2 0 W6 F 1 0 0， 根据以往工程大量实践证 明， 碾压混 凝土配合 比设计采用 的技术 路线 ： 选定适 宜的水胶 比和较小的 值 ； 高掺粉煤 灰、 联掺缓凝 高效减水 剂和引气剂 ； 利用粉煤灰混凝土后期强度增长幅度 较大的优势 ， 提高混凝土含气量 ， 改善和易性 ， 从而 达到有效地降低混凝 土温升 ， 满足碾压混凝土可碾 性 、 抗骨料分离、 层间结合 、 抗渗性、 抗裂性 以及耐久 性等要求。 为此确定碾压混凝土施工配合 比主要参数 ： ( 1 )坝体混凝土为 C ∞ 1 5 W 4 F 5 0 ， 三级配碾压 混凝土 ， 水胶 比0 ． 5 5 ， 掺粉煤灰 6 0 ％( 见表 3 ) ； ( 2 )上游面混凝土为 C l 8 0 2 0 W6 F 1 0 0 ， 二级配碾 压混凝土， 水胶 比 0 ． 4 7 ， 掺粉煤灰 5 5 ％ ； ( 3 )混凝土配合比设计计算采用假定密度法 ； 碾 压混凝 土 二级 配 按 2 4 0 0 k g ／ m ， 三级 配 按 2 4 5 0 k g ／m 。 表 3 碾压混凝土施工配合比试验参数表 工 程 设 计 蛰 配 水 胶 砂率 粉 煤 灰减 水 剂引 气 剂 值用水 量 密 度 部位 指标 帆阳 比 ／ ％ 掺量／ ％ ／ ％ ／ ％ ／ s ／ k l； m _ 3 ／ I【 g m - 3 备注 ： 粗骨料 比例为小石：中石：大石 = 3 0 ％：3 0 ％：4 0 ％。 3 ． 1 胶凝材料和外加剂选用 该工程采用水泥为 中联 P ． 0 4 2 ． 5普通硅酸盐 水泥， 粉煤灰采用的是鸭河口的Ⅱ 级粉煤灰， 外加剂 采用红安源 H A Y一2高效减水剂和 H A Y一 2 7引气 剂 ， 特别指出的是外加剂， 有效地改善混凝土的和易 性和施工性能， 降低单位用水量， 减少胶材用量， 有 利温控和提高耐久性能。陕西省商南县属同时具有 亚热带气候和暖温带气候的特点 ， 多年平均气温 1 l 4 0 周升舟， 董炜． 天然砂石骨料碾压混凝土在莲花台水电站大坝的应用 一 l 4 c lC， 极端最高气温 3 7 ． 1 ～ 4 0 ． 8℃ ， 考虑到碾压 混凝土层间结合时间限制， 混凝土初凝时间短 ， 造成 层间结合较差和防渗效果下降 ， 采用缓凝高效减水 剂和引气剂可 以明显 的延缓 R C C凝结 时间， 提高 R C C液化泛浆 、 可碾性及层间结合 ， 有利加快施工 速度 ， 经试验拌合混凝土和易性较好 ， 含气量达到要 求， 室内试验初凝时间控制在 1 2 — 1 5 h ， 满足混凝土 的层问结合时间要求 。 3 ． 2用水量 单位用水量的选定与混凝土 的可碾性及经济性 直接相关。R C C的单位用水量 三级配在 7 5～1 0 6 k g ／ m 、 二级配在 8 3～1 1 0 k g ／ m 范围。莲花台水 电 站 R C C的单位用水量三级配选定 8 8 k g ／ m ， 二级配 选定 9 5 k g ／ m 。 3 ． 3砂率 影响砂率的主要因素是骨料 的品质 ， 砂的颗粒 级配 、 粒型、 石粉含量。砂率大小直接影响 R C C的 施工性能、 强度及耐久性。根据多年工程实例表明： 人工骨料三级配砂率在 3 2 ％ 一 3 4 ％范围， 二级配砂 率在 3 6 ％ ～ 3 8 ％范 围。由于莲花 台水 电站采用 了 丹江河天然骨料 ， 天然骨料表面光滑 ， 比表面积小 ， 大量降低了砂浆需求量。莲花台水电站选取三级配 砂率为 3 0 ％， 二级配砂率为 3 4 ％ ， 采用天然骨料 比 人工骨料砂率降低了 3 ％。大量工程实践证明， 砂 中的石粉含量对 R C C性 能影响显著。丹江河砂石 粉含量低， 约为 7 ． 8 ％， 为改变碾压混凝土可碾性、 液化泛浆和层间结合质量。采用掺 3 ％ ～ 5 ％粉煤 灰代砂方案 ， 显著改善碾压混凝土性能。 新拌混凝土质量控制。碾压混凝土 值每增 减 1 s ， 用水量相应减增 1 ． 5 k g ／ m ； 砂细度模数 F M 每增减 0 ． 2 ， 砂率相应增减 1 ％。 3 ． 4 I f， ， 值 控 制 碾压混凝土现场控制的重点是拌合物 值和初 凝时间， 值控制是碾压混凝土可碾性和层间结合 的关键， 根据气温的条件变化应及时调整出机 值。 莲花台多年平均气温 1 1～1 4℃， 为此出机 值按 3 ～ 5 s 动态控制， 仓面控制在 3～ 7 s 以满足仓面可碾 性 、 液化泛浆及层间结合的设计和施工要求。夏季气 温较高超过 2 5℃时 ， 出机 值采用 1— 3 s ， 由于采 用远低于规范规定的 值5 — 1 2 s 要求， 使碾压混凝 土人仓至碾压完毕有良好的可碾性 ， 并且在下一层碾 压混凝土覆盖以前碾压混凝土表面能保持 良好塑性 ， 以混凝土全面泛浆和具有“ 弹性” 为标准。 4 天然骨料碾压混凝 土施工应用 4 ． 1 碾压混凝土拌合 莲花台水电站碾压混凝土拌合系统采用三一重 工 H Z S 1 8 0型强制搅拌机 ， 根据监理批复 的室 内配 合 比试验报告和碾压混凝土工 艺试验成果 ， 拌合楼 投料顺序为 ： 天然砂 一小石 一中石 一大石 一水 一外 加剂 一 水泥 一 粉煤灰。该工程拌合系统碾压混凝土 拌合时间为7 5 s ， 出机 值控制在 3 — 5 s ， 仓面 值控制在 5 — 7 s 。变态混凝土掺入的灰浆在集中制 浆站配置。 天然砂石骨料混凝土拌制质量控制其中重要 的 一 个因素就是河砂的含水率， 砂子经洗砂机水洗后含 水率较大 ， 约为 1 6 ％ 一2 0 ％， 无法进行碾压混凝土拌 制 ， 为此刚生产出来的河砂必须经脱水 5— 7 d ， 含水 率降至3 ％ 一 5 ％后， 方可进行拌制。同时拌制过程 中实验员每 2 h测一次砂子含水率以调整用水量。 4 ． 2 入仓 摊铺碾 压 混凝土经 自卸车运送至仓位后， 垂直于水流方 向摊铺碾压 ， 采取后退法两点依次卸料 ， 边卸料边平 仓 ， 仓面 值按 5～ 7 s 控制 ， 仓面松铺厚度为 3 4～ 3 5 c m， 压实厚度为 3 0 c m， 碾压遍数采用无振碾压 2 遍加有振碾压 8 遍 、 再无振 2遍 。实际施工表明： 天 然砂石骨料拌制混凝土在卸料及平仓过程 中骨料分 离较少 ， 碾压后全面泛浆 ， 层间结合较好 ， 混凝土压 实容重、 相对密实度符合规范要求 ( 设计要求压实 度不小于 9 8 ％ ) ， 满足碾压混凝土施工技术要求。 4 ． 3 喷雾保湿温控 莲花台水电站多年平均气温 1 1 ～ 1 4℃， 极端最 高气温 3 7 ． 1— 4 0 ． 8 o C， 混凝土仓面 值按 5～ 7 s 控制。常温季节不需喷雾保湿 ， 当温 度在 2 5℃ 以 上 ， 或出现强烈 日照或者大风气候现象 ， 为防止 损失较大混凝土发白变硬导致碾压无法泛浆 ， 密实 度达不到要求， 影响层间结合质量， 首先在自卸车车 厢加装活动顶棚 ， 并在混凝土仓面利用冲毛机朝天 空进行仓位喷雾保湿 ， 喷水量控制在 2～ 3 m m ／ h ， 形 成仓面小气候 ， 有利于碾压泛浆及层间结合 。 4 ． 4质量控制 天然砂石骨料碾压混凝土施工过程质量控制特 别应注重以下几个方面： ① 混凝土拌合质量控制， 西 北水 电 2 0 1 0年 第 4期 4 1 主要是天然砂的含水量控制 ， 直接影响到仓位混凝 土摊铺碾压 ， 值小了 自卸车无法在未碾压的混凝 土面上行走 ， 振动碾陷入混凝土无法碾压 ； V c值大 了碾压不出浆 ， 影响层间结合 。② 仓位施工工序质 量控制 ， 卸料方式必须采取两点法卸料 ， 边卸料边平 仓 ， 否则出现严重骨料分离， 形成 结合 面薄弱环节。 碾压过程 中配备专人对碾压面局部不泛浆进行撒浆 补碾 ， 并对粗骨料集 中部位人工处理。 5 结语 笔者翻阅了中国其他天然砂石骨料作为筑坝材 料的施工经验材料 ， 比如龙首 、 景洪水 电站 ， 再结和 莲花台水电站碾压混凝土坝， 从 室 内配合 比设计到 主体碾压混凝土实际施工情况 ， 表明采用丹江河天 然砂石骨料拌制的碾压混凝土满足各项施工技术要 求及设计指标 ， 混凝土拌制出机 值控制稳定 ， 运 输至仓位卸料骨料分离较少， 碾压后全面泛浆， 满足 层 问结合要求 ， 压实容重及相对密实度符合设计要 求 。筑坝材料不论采用人工砂石骨料还是天然砂河 卵石 ， 只有 以科 学的态度 ， 大胆创新 、 探索、 总结提 炼 ， 才能使碾压混凝土这项筑坝技术更具生命力 ， 更 趋完美 ， 技术经济效益更 加显著 ， 质量安全更加 可 靠 。 参考文献： [ 1 ] D L ／ T 5 1 1 4 --2 0 0 1 ， 水工碾压 混凝 土施工 规范 [ S ] ． 北 京 ： 中国 水利水 电出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] D L ／ T 5 3 3 0 --2 0 0 5， 水工混 凝土配 合 比设 计规 程 [ S ] ． 北京 ： 中 国电力 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] S L 3 5 2 --2 0 0 6 ， 水工混凝土试验规程[ s ] ． 北京： 中国水力水电 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 中国碾 压混 凝土 坝 2 0年 [ M] ． 北 京 ： 中国水力 水 电出版 社 ， 200 6 ( 上接第 3 3页) 表 4中个别位 置的动态分布 系数 与表 2有 差 异 ， 但是总体 的趋势相同。差异 主要是 由于采用公 式计算时， 需要计算更高阶模态的影响 ； 也就是说山 墙一侧及下部墙体 由于刚度很大 ， 相应的模态 阶数 也较高， 要考虑这些模态参与影响， 需要计算更高的 模态阶数 。 6 结论 安装 问厂房段 ， 由上 、 下游墙体和 山墙组成槽形 平面， 顺河方向不存在对称轴 ， 地震作用下会发生显 著的扭转振动。安装间段厂房在墙体面内沿平面分 布的动态分布系数总体上呈现出上部大、 下部小、 与 远离山墙侧大、 靠近山墙侧小 的趋势。远离 山墙侧 结构 由于其刚度小 ， 对于动力作用的放大效应较大 ， 尤其在上 、 下游墙体顶部远离山墙一侧 的动态分布 系数增加很快 ， 具有明显的鞭梢效应 。可以看 出， 自 振特性及地震反应特点与仅有 上、 下游墙体 的中间 机组段厂房 明显不同。 结构物的动力特性及加速度分布规律主要依赖 于结构物的刚度分布。厂房安装间段墙体产生不协 调的位移分布和扭转效应正是刚度不对称分布造成 的。从地震反应上看 ， 也使得墙体 的变形加大从而 不利于结构物的抗震。因此 ， 对水 电站厂房端部 的 这种有上 、 下游墙体和山墙组成槽形平面的安装间 结构进行拟静力计算时 ， 应注意到与一般 中间机组 段厂房的差异 ， 有必要进行专项的研究工作 。 参考文献 ： [ I ] S L 2 2 6 --2 0 0 1 ， 水电站厂房设计规范 [ s ] ． 北京 ： 中国水利水 电 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] D L 5 0 7 3 --2 0 0 0 ， 水 工建 筑物抗 震设计规 范 [ S ] ． 北京 ： 中 国电 力 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] R ． w． 克拉夫 J ． 彭津， 著． 王光远， 等译． 结构动力学[ M] ． 北 京 ： 科学出版社 ， 1 9 8 1 ． [ 4 ] S D J 1 0 —7 8 ， 水工建筑物抗震设计规范( 试行) [ S ] ． 北京： 电力 工业出版社 ， 1 9 8 1 ． [ 5] N ． N． 戈里坚 布拉特 ． 水工道 路 与特种结 构抗震设 计 [ M] ． 北 京 ： 地震 出版社 ， 1 9 8 1 ： 1一l 2， 2 5—7 1 ． [ 6 ] 中国水利水电科学研 究院抗震 所． 赛格 水电站 地震安全 性评 价报告[ R] ． 北 京 ： 中国水利水 电科学研究 院抗震所 ， 2 0 0 6 ． [ 7] 欧阳金惠 ， 陈厚群 ， 张超 然 ， 李德 玉． 三 峡 电站 1 5号机组 厂房 结 构动力分析 [ J ] ． 中国水利水 电科学研 究 院学 报 ， 2 0 0 7 ，0 5 ( 2 ) ：1 3 7—1 4 2 ． [ 8 ] 刘云贺， 宋兴君， 李守义． 溢流式水电站厂房结构动力特性研 究 [ J ] ． 水力发电学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 3 ) ： 3 9— 4 3 ． [ 9 ] 李锦成 ， 于丽伟． 河床式水 电站厂房荷载分布规律研究 [ J ] ． 中 国农村水利水 电， 2 0 0 7 ，( 3 ) ： 7 5—7 8 ．