堆石混凝土關鍵施工工藝研究與應用

周德文，蔣興慧

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

堆石混凝土（RFC），是利用自密實混凝土（SCC）的自流動、抗分離性能好的特點，在粒徑較大的塊石堆積體內充填自密實混凝土而形成。它具有水泥用量少、水化溫升小、綜合成本低、施工速度快、良好的體積穩定性、層間抗剪能力強等優點。堆石混凝土中堆石的體積比例一般可以達到55%～60%，能夠充分利用初級開采的石料或者開挖料中的大塊石，最大限度地降低了膠凝材料用量的同時還在骨料破碎、混凝土生產澆筑等施工環節上大大的節約了能源，減少了二氧化碳的排放；堆石混凝土技術是一種新型低碳環保的混凝土施工方法。

堆石混凝土施工工藝流程：基礎面及施工縫處理→模板安裝→堆石入倉→高自密實性能混凝土拌和→高自密實性能混凝土運輸→高自密實性能混凝土澆筑→堆石混凝土養護→進入下個循環。

目前，堆石混凝土施工技術已大量應用于水利工程[1～6]，大量學者對堆石混凝土的材料特性開展了相關的試驗研究[7～11]，并對堆石混凝土壩的溫度應力及抗滑穩定性開展了數值模擬研究[12～15]。

1 堆石混凝土施工工藝

1.1 堆石沖洗技術

堆石的含泥量要求控制不超過0.5%，不允許泥塊含量存在。因此需對堆石料進行充分沖洗。沖洗可選擇料源處沖洗、過程中沖洗或挖機斗內沖洗，沖洗方式可因地制宜，如高壓水槍、沖洗平臺等。通過不同沖洗方式、不同的水壓和沖洗時間探索一套完整的堆石沖洗方式。

由于堆石料的粒徑較大，無法像砂石料一樣采用專門的沖洗設備進行沖洗。目前國內已施工的堆石混凝土沖洗主要有兩種。第一種料場沖洗：人工用水管對堆石料表面沖水沖洗或用挖機將堆石料挖起后，在挖斗中人工沖洗。第二種設置沖洗平臺，挖機將堆石料裝車后，自卸汽車運輸至噴水管底部，由頂部噴水管噴水沖洗，沖洗后運輸至倉面。第一種適用于小倉面，低強度堆石料入倉，且堆石料表面包裹的泥土較少。第二種可以提高堆石入倉強度，但沖洗平臺在堆石料頂部噴水，只能沖洗到堆石料的頂面，而開采或回采的堆石料一般多個面都有泥土，無法徹底的將堆石沖洗干凈；受水流沖洗，泥土沖至車箱底板，受塊石阻擋，泥水將在車箱底板沉積無法順暢地排至車箱外，在倉內卸料時沉積的泥水將會造成倉面污染。兩種方法見圖1。

圖1 兩種常見的沖洗方式

1.2 堆石快速入倉

堆石入倉主要解決的是堆石體垂直、水平、上下游方向上的三維運輸問題，從現有工程實施經驗來看，主要用到的堆石入倉方案有：①自卸汽車入倉挖掘機輔助平倉的方式。在具備條件的工程中，采用汽車運輸堆石體直接進入澆筑倉面，自卸完成后由挖掘機輔助轉運均勻堆放在澆筑倉面內，實現平倉。該方式施工速度快，成本低，但是一般會存在雜物混合石料一起進倉問題，需要加強堆石質量監控，及時清除帶入的混合石料等雜物。在具備汽車直接上壩條件的施工中應用較多，如清峪水庫、圍灘水電站工程。在施工高程較高，且不具備修筑上壩公路的施工中難以應用；②塔吊。先用裝載機將堆石體裝入吊斗中，然后通過塔吊將吊斗運輸至倉面指定位置，打開吊斗卸料。該方式一次性完成堆石體的垂直、水平和上下游運輸，且堆石質量易于控制。由于單次作業周期長，堆石效率較低，且成本高。適用于不具備直接入倉條件的堆石混凝土施工，比如恒山水庫、長坑水庫后期施工。

1.3 堆石混凝土模板工藝

堆石混凝土在堆石入倉的施工環節中，靠近模板的位置存在易沖砸模板的問題，因此會制約堆石入倉的速度，在施工工藝設計中應盡量減少內拉型模板，且選擇能夠抗沖砸模板。

堆石混凝土的專用自密實混凝土具有良好的流動性，其產生的側壓力比常態混凝土更大，根據經驗可按照2.5 倍水壓力進行估算，模板自身的剛度以及強度應滿足強度要求。同時模板應具有良好的密封性，以防止漏漿。

目前國內堆石施工采用的模板主要為散鋼模板、砌石模板。散鋼模板有內拉式和外撐式。內拉式散鋼模板在拉筋范圍內不能堆石，倉內自密實混凝土比例需要增加，不經濟；且在堆石過程中如果有塊石碰撞拉筋，模板將變形，造成結構體型發生變化。外撐式散鋼模板對場地要求高，模板周邊需要回填。砌石模板施工速度慢。

2 關鍵施工技術

2.1 堆石料立體沖洗系統

為了解決常規堆石料沖洗速度和沖洗質量問題，在沙坪二級水電站堆石混凝土施工中，研制了立體沖洗技術和裝置。

立體沖洗系統主要包含：坡道沖洗平臺、頂部高壓噴水花管、車箱內沖洗格柵、水循環利用設施。

坡道沖洗平臺作用是加快汽車車箱內污水的排出。沖洗平臺寬度3.5 m，坡度3%～5%，長度10 m，采用C30 混凝土澆筑，見圖2。

頂部高壓噴水花管采用?80 或?100 鋼管，垂直于車輛方向布置布置3～4 根，離地面高度4 m 左右。每根鋼管底部開2排?20 孔形成花管，供水壓力大于0.2 MPa。自卸汽車裝滿堆石后，從花管下經過，水流垂直往下沖洗。

車箱內沖洗格柵作用是解決堆石料底部沖洗盲區和污水從車箱內排出順暢。鋼格柵采用型鋼制作，在型鋼內側布置連續的“U”型沖洗花管。鋼格柵預先安裝在運輸測量的車箱內，預留沖洗水接口，汽車行駛至沖洗平臺后，連接花管從下往上傾斜角度沖洗，見圖3。

水循環利用設施包含排水溝、沉淀池和循環水泵站。沖洗后的廢水經過沉淀后通過加壓泵抽至沖洗管道重復利用。

自卸汽車裝滿堆石后，從立體沖洗系統下經過，連接鋼柵內置花管的沖洗水接口，打開上部花管的閥門，使水流立體沖洗堆石約5 min～10 min，至車尾流水不再渾濁后運輸至倉面。沖洗廢水經沉淀后重復利用。

圖2 沖洗平臺示意圖

圖3 車箱內置鋼柵的三維沖洗系統

2.2 堆石混凝土預制模板

沙坪二級水電站堆石混凝土采用了散鋼模板、混凝土預制模板、回填砂卵石做模板、瀝青板隔縫模板。通過對比，預制模板的效果最佳，解決了散鋼模板的內拉鋼筋被堆石沖砸彎曲，模板變形問題，解決了分縫位置瀝青隔板強度不夠問題。預制塊尺寸厚×寬×高為0.5 m×1.5 m×2.0 m，混凝土等級與需要澆筑混凝土等級一致。預制模板一側進行鑿毛，作為堆石結構的一部分澆筑在混凝土內。施工過程中采用吊車吊放預制塊，預制塊折邊相互搭靠，頂部采用腳手管連接成整體，每間隔1塊預制塊拉結2 根拉模筋。為防止漏漿，在預制塊內側采用水泥砂漿補縫。預制模板可用于有外觀要求的混凝土，當無外觀要求時可在外側回填石渣料，見圖4。

圖4 預制模板立模示意圖

2.3 定點機械攤鋪法

采用定點機械攤鋪法入倉，解決鋪料不均勻造成的自密實混凝土填充裹漿問題，提高堆石率；同時可提高混凝土分層高度，加快施工進度。

堆石技術要求：超大粒徑塊石（1.5 m 或以上）盡量堆放在中間位置；15 cm～30 cm 粒徑的塊石不得集中堆放，堆石完成后，堆石體外露面所含有的粒徑小于30 cm 的石塊數量不得超過10 塊/m2，且不應集中。層面堆石高度宜高出模板5 cm～10 cm，塊石可緊靠模板，以不損壞模板為原則。

堆石料多為開挖料，在卸料時容易產生石渣，在層間形成石屑集中區域，影響層間結合；且堆石高度受汽車卸料高度限制，不利于施工進度。

在沙坪二級水電站堆石中，研究了“定點機械攤鋪法”進行堆石，解決堆石過程中層間石屑集中問題和增加堆石層高。

“定點機械攤鋪法”具體操作方法：倉面需堆石對卸料點進行控制，通過固定卸料點，保證大部分區域堆石質量，且盡可能將卸料點及附近的石渣清理干凈，降低卸料點附近的堆石質量風險。單個卸料點覆蓋范圍半徑8 m～10 m 左右，根據現場倉面的大?。?9 m×49 m），確定卸料點數量，每倉布置5～6 個卸料點，可以滿足堆石入倉的需求。由于自卸汽車卸料時，需邊前進邊倒料，卸料長度最長可達到8 m，寬度約為5 m，短臂挖掘機在每車卸料完成后，將所卸下的堆石料翻轉至旁邊，為避免挖機來回走動，較遠處堆石需采用裝載機推放至挖機附近，再用挖機進行碼放，卸料點處及周圍由于堆石撞擊產生的碎渣要安排專職工人及時清理，一般每卸放4 車，需清理卸料點處及周圍的碎渣，避免挖機碼放過程中將碎石帶入其他部位，影響堆石質量，見圖5。

圖5 固定卸料點示意圖

3 工程應用效果分析

3.1 工程概況

沙坪二級水電站位于四川省樂山市峨邊彝族自治縣和金口河區交界處，是大渡河干流22 級梯級開發方案中的第20 個梯級的第二級，采用河床式開發，水庫正常蓄水位554.00 m，總庫容為2084 萬m3，擋水建筑物最大壩高63.0 m，裝機容量348 MW。電站攔河閘壩基礎為堆石混凝土，起止高程為EL494～EL524，最大澆筑高度30 m。分3 區澆筑，上下游長度49 m，左右方向104.5 m，單倉最大尺寸為49 m×39 m?？傆嬙O計堆石混凝土11.66 萬m3。

該工程單倉面積達1911 m2，是目前國內最大的堆石混凝土倉面。電站主體工程于2013 年9 月20 日開工，2018 年8 月31 日竣工。在施工中，運行了堆石立體沖洗系統、預制模板、定點攤鋪，實現了機械作業連續作業，快速上升的目標，上升速度達4 天/層（2 m），滿足了施工進度要求，創造了良好的經濟效益和社會效應，為工程按期完成奠定了基礎。

3.2 質量檢測

堆石混凝土澆筑完成后，采取了壓水試驗、孔內密實度檢測、孔內聲波檢測等方法進行質量檢查。

在高程524 m 布置了6 個檢查孔，孔深11 m，孔號分別為J1～J6。鉆孔全景成像利用攝像探頭、電子羅盤、深度計數等裝置將鉆孔孔壁的全斷面圖像、方位及深度進行成像。采用單孔聲波法測試，把一發雙收換能器放置在鉆孔內，通過聲波發射換能器向周圍介質發射聲波，測得不同孔深的巖體聲速。檢查成果見表1。

表1 堆石混凝土檢查成果表

堆石混凝土材料采用較完整～完整的灰巖或玄武巖和C20 自密實混凝土，當地較完整灰巖或玄武巖聲波速度一般高于4600 m/s，C20 自密實混凝土（＞14 d）聲波速度一般高于3300 m/s，故聲波檢測波速低于3300 m/s，則可判斷定為缺陷。從表中檢查情況看，J4、J5 孔存在波速偏低的情況，擴大范圍檢查后，未發現超標孔，分析2 個孔存孔內攝像成果，發現存在小粒徑集中的現象，自密實混凝土混凝土未完全填充密實，形成質量缺陷。采取了灌漿的方式進行了處理。

鉆孔芯樣進行了強度檢測，強度均大于20 MPa，混凝土與堆石料做為一個整體共同破壞。

4 結論

本文對堆石沖洗、模板研究、堆石入倉、自密實混凝土澆筑等關鍵工藝進行分析研究，解決了制約大倉面堆石混凝土快速施工的技術問題。研究成果成功運用于沙坪二級水電站基坑基礎堆石混凝土倉面，實現了堆石混凝土快速上升。

（1）堆石混凝土技術是一種新型低碳環保的混凝土施工方法，在水利、電力、公路、鐵路、市政、港口、能源等領域的大體積混凝土工程中具有廣闊的發展前景。

（2）在沙坪二級水電站攔河閘壩基礎堆石混凝土施工中，研制了堆石料立體沖洗系統、堆石混凝土預制模板、定點機械攤鋪法、高效連續施工法，解決了制約大倉面堆石混凝土快速施工的技術問題。研究成果成功運用于沙坪二級水電站基坑基礎堆石混凝土倉面，實現了堆石混凝土快速上升。

（3）堆石施工過程中避免小粒徑塊石過于集中的現象，以免造成自密實混凝土無法順利填充，形成質量缺陷。后續施工中要對如何避免小粒徑集中的方法進行研究。