埋石混凝土在水利水電工程實踐中的應用

余侃柱，閆洋洋

(1.甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000;2.中國葛洲壩集團第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

埋石混凝土廣泛應用于水利水電工程大體積水工混凝土(斷面最小尺度大于2.0m以上，水化熱引起的內部溫度與外界氣溫之差預計超過25℃的混凝土)、重力壩、拱壩、擋土墻、邊坡、閘、船塢、港口、堤防工程，使用強度等級為C15、C20、C25，俗稱“金包銀”[1]設計。一般低-中壩、邊坡擋墻、堤防采用C15，高壩或強度等級要求較高時采用C20、C25，埋石率一般為20%，有些工程埋石率達30%～40%。埋石料就近取材，充分利用開挖地基、壩基、隧洞、邊坡過程中微風化、新鮮棄渣料挑選，開挖棄渣量和質量指標不能滿足要求時購買成品埋石料。埋石混凝土應用于水利水電工程大體積水工混凝土設計強度等級及抗滲要求較低、配筋較少的區域，可優化混凝土配合比，節省混凝土水泥用量的20%～35%及混凝土骨料、粉煤灰、膠凝材料的用量，減少混凝土中水泥水化引起的溫度變化和收縮導致有害裂縫，簡化溫控防裂措施，埋石強度高于同強度等級混凝土，密度高于混凝土，適應環境廣，抗凍性能優良，提高了混凝土的耐久性。分壩段、分倉、分層澆筑可減少一次性大倉面混凝土澆筑量、改進施工工藝方法、縮短施工工期、改善混凝土性能、提高混凝土施工質量、降低工程投資、保證設計混凝土強度等級和耐久性。

SL 319—2018《混凝土重力壩設計規范》、NB/T 35026—2014《混凝土重力壩設計規范》中沒有包含埋石混凝土重力壩設計技術要求，SL 282—2018《混凝土拱壩設計規范》、DL/T 5346—2006《混凝土拱壩設計規范》中沒有包含埋石混凝土拱壩設計技術要求，SL 678—2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》中無埋石技術要求，SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》、NB/T 10235—2019《水電工程天然建筑材料勘察規程》中有堆石壩原巖技術質量控制指標，但無埋石質量技術要求。埋石混凝土雖然在水利水電工程大體積水工混凝土中應用范圍較廣泛、施工技術難度不大，但目前無發布的設計、施工、檢測、評定規范及規程，工程實踐中仍是參照堆石混凝土等相關規范、規程開展。

本文結合水利水電工程建設實例，深入研究埋石混凝土在水利水電工程大體積水工混凝土設計、施工中的應用，為提高埋石混凝土的應用范圍及制定相關規范、規程提供參考，實現綠色節能環保，推動埋石混凝土及埋石混凝土筑壩技術高質量發展和創新提升。

1 工程實例

已建成和正在建設的埋石混凝土重力壩、埋石混凝土拱壩、埋石混凝土護坡、埋石混凝土擋土墻、埋石混凝土堤防典型工程實例見表1，表1中僅統計了埋石混凝土重力壩、拱壩壩高為中-高壩，壩高小于30m低壩，已建成運行和正在建設埋石混凝土重力壩、拱壩因建設數量較多而未列舉，有些項目因公開文獻較少未收入表內。

表1 埋石混凝土工程實例統計表

許顏軍等進行了埋石混凝土試驗研究，表明埋石混凝土強度等級滿足設計要求，其它性能優于普通混凝土[2]。從壩基地質條件、當地筑壩材料、壩型、施工技術難易程度、投資、工期等綜合比選，設計埋石混凝土重力壩壩體優于其他壩型[3-10]。有關文獻對埋石混凝土在雙曲拱壩壩體開展研究[11-13]。孫江岷等試驗研究了埋石混凝土護坡在東北嚴寒地帶土石壩水庫護坡優點和工程實例，表明在防凍脹方面較其它材料性能優越[14-16]。王東等總結了埋石混凝土在廠房擋墻的實例[17]。石強等對埋石混凝土水利大壩施工及質量控制技術進行總結[18]。這些研究成果和工程實踐經驗對埋石混凝土設計、施工和建設有重要參考意義。雖然已建成了不少埋石混凝土壩體和其他工程，但公開文獻較少，國內從理論體系研究到指導工程設計、施工的規范和規程也較少，因此深入總結研究工程實例，提升埋石混凝土應用范圍和設計、施工質量十分必要。

2 埋石混凝土在水利水電工程設計中的技術要求

2.1 埋石混凝土重力壩及埋石混凝土拱壩壩體設計要求

埋石混凝土重力壩、埋石混凝土拱壩總體布置、壩體結構、壩體斷面、壩基處理、安全監測技術方面按SL 319—2018、NB/T 35026—2014、SL 282—2018、DL/T 5346—2006、SL 678—2014等規范、規程的要求執行。埋石混凝土重力壩及埋石混凝土拱壩與混凝土實體重力壩的區別在于大體積壩體結構內部設計強度等級及抗滲要求較低、應力變化小、配筋較少的區域可由埋石混凝土代替實體混凝土；配筋較多、壩體混凝土強度等級變化較多、厚度或寬度較小部位，施工過程綁扎鋼筋和安裝模板影響埋石進入倉面，澆筑振搗難度大，容易形成不密實、空洞、架空現象，質量控制、溫控難度較大。壩體上下游面、閘門、鎮墩、閥門、取水井、進水口、泄水孔、灌漿排水廊道、吊物孔、集水井、埋件、止水銅片及止水帶、壩體底部基巖面、壩頂，拱壩的墊座、推力墩、重力墩、翼壩附近的建筑物設計鋼筋混凝土C40、C30、C25、C20與埋石混凝土需要不小于2m的間距，老混凝土面及分縫面需不小于0.5m的間距，壩體中間部位澆筑埋石混凝土C15、C20、C25，埋石混凝土的區域，混凝土配合比與原設計強度等級相同，壩體斷面形成“金包銀”型式。

2.2 埋石混凝土擋土墻及堤防設計要求

擋土墻設計按SL 379—2007《水工擋土墻設計規范》、堤防設計按GB 50286—2013《堤防工程設計規范》要求執行?；炷僚浜媳扰c原設計強度等級相同，埋石混凝土應用區塊與埋石混凝土重力壩、拱壩壩體基本相同，不再贅述。

2.3 埋石混凝土邊坡設計要求

邊坡設計按SL 386—2019《水利水電工程邊坡設計規范》、DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設計規范》要求執行，主要應用于開挖邊坡、土石壩邊坡、廠房區邊坡、渠道防護邊坡、公路邊坡、填筑區邊坡等。根據邊坡設計厚度和空間大小，選用C15、C20埋石混凝土，在東北和西北地區邊坡的防護工程中，抵抗凍脹性能優于普通混凝土。

3 埋石料技術要求

埋石與堆石僅一字之差，但對重力壩、拱壩筑壩材料來講，原材料巖石飽和抗壓強度及軟化系數指標沒有區別，壩體設計、施工、質量控制與評定標準有相近似之處，也有較大的差別。為充分節約資源，體現“宜材適構”筑壩理念，埋石混凝土壩可大量減少混凝土用量，有利于混凝土溫度裂縫控制，降低工程投資、工期。目前國內修建埋石混凝土壩越來越多，尤其在西南地區建造了較多的埋石混凝土重力壩及拱壩，而埋石混凝土筑壩埋石料的規范、規程還沒有發布，在設計壩體填筑材料時仍參照SL 678—2014中的堆石技術要求。根據工程實踐、試驗及有關研究，現將埋石混凝土重力壩與堆石壩原巖質量技術指標對比情況列于表2，建議埋石料質量技術指標按表2所列項目進行質量控制。

埋石天然原巖應為新鮮、完整巖石、質地堅硬，中硬、硬巖，微風化、新鮮，埋石混凝土C15、C20的埋石飽和抗壓強度大于30MPa，埋石混凝土C25及高壩的埋石飽和抗壓強度大于40MPa，如花崗巖、閃長巖、灰巖、長石砂巖類等，埋石入倉前表面濕潤。埋石形狀為不規則四面-六面塊狀為宜，無尖角和板狀突出，不得使用板狀、片狀、長條狀，無剝落層和裂紋，灰巖應無溶蝕小溶洞和溶蝕裂隙，用高壓水槍、高壓清洗機沖洗干凈，表面無污垢和泥質，粒徑不宜小于0.3m，最大粒徑不應超過結構斷面最小邊長的1/4，粒徑一般宜為0.3～0.5m。粒徑較大時，埋石率不能提高，埋石入倉容易架空，混凝土澆筑和振搗難度較大。飽和抗壓強度、軟化系數為主控項目指標，盡量充分利用邊坡、壩基、洞室等建筑物開挖棄渣料挑揀，在開挖料技術質量指標不滿足要求時購買或開采埋石料源。

4 埋石混凝土施工技術要求

埋石粒徑宜為0.3～0.5m，超徑需用液壓破碎錘解爆修整。選定合格埋石料用旋轉式高壓水槍、高壓清洗機把每個表面沖洗干凈，沒有泥質、巖粉、巖渣，堆放在料場指定場地，埋石通過自卸汽車、挖掘機、裝載機運至倉面附近，不能再被泥質和巖粉污染，在埋石混凝土澆筑倉面需要時，保持塊體表面濕潤使得混凝土與埋石的粘結牢固。澆筑時用裝載機、塔吊運至倉面附近。埋石入倉前表面濕潤，裝入鋼絲籠、鋼絲網、料斗，通過塔機、吊車吊入倉面設計圖紙埋石部位，用挖掘機、抓斗機移動平倉埋石部位，大截面朝下，小截面超上，人工及機械進行微調位置。按技術要求埋石率調整埋石水平間距，上、下埋石間距，振搗使其沉入混凝土。

埋石混凝土區周邊高強度等級混凝土或鋼筋混凝土、細部結構，需要放線安裝模板(網)分區、分倉，先澆筑高強度等級混凝土，再澆筑大體積埋石混凝土，也可同時澆筑埋石混凝土和埋石周邊混凝土，不同強度等級混凝土倉面基本同時澆筑、同時上升。

埋石混凝土每次澆筑層一般控制在1.5～3.0m，同一壩段、同一高程通倉澆筑，倉號內混凝土均勻上升。

施工時按混凝土配合比，檢測混凝土坍落度?；炷劣貌剂蠙C、泵送、塔機吊罐運送入倉，應先鋪一層厚度0.5m混凝土再放一層埋石，采用直徑100mm振搗棒或混凝土振動器振搗密實至埋石沉入混凝土中，不得先擺埋石再澆混凝土。埋石鋪放應分布均勻，石塊間距不小于0.1m，離開模板距離應大于0.15m，埋石上下之間不得疊置，應有0.1m以上的間距，最終埋石頂面應有不小于0.1m厚的純混凝土覆蓋層，如此循環至倉面澆筑完成，確保每塊埋石周邊均被混凝土包裹，不得有疊置、架空現象，收倉和養護按普通混凝土措施進行。

5 埋石混凝土質量檢測檢驗要點

5.1 埋石料

埋石料應在選定料場開采或購買，當使用工程開挖棄渣料挑選時應論證評價，質量技術指標滿足表2項目時允許使用，否則不能使用。

檢驗方法以定性外觀質量判別與儀器測試相結合。應對主控項目的每塊入倉埋石粒徑、含泥量、表觀質量逐一進行檢查。料源巖性沒有變化，主控項目埋石質地，包括飽和抗壓強度、凍融損失率、干密度、硫酸鹽及硫化物含量、軟化系數、最大吸水率、含泥量、堿活性應至少進行1組檢驗，需用儀器測試，一般每20000t檢驗1次。一般項目埋石間距、埋石率以觀察、量測相結合，全部檢驗。

5.2 埋石率

埋石率是單位體積埋石混凝土中埋石所占據的體積比(%)。埋石率=埋石量/(埋石量+混凝土量)。埋石率是施工控制過程的難點?？刂坡袢雮}內埋石率，防止埋石架空、疊置、空洞等質量缺陷。沒有具體標準，由于埋石形狀不規則，體積很難精確計量，只能根據埋石混凝土澆筑倉面體積反算預估埋石量體積。公式如下：

V=g/ρ

(1)

式中，V—埋石體積，m3；g—埋石質量，kg；ρ—巖石密度，kg·m-3。

埋石質量通過地磅稱量，埋石密度試驗值一般變化不大，可近似計算入倉埋石率。埋石率根據設計圖紙的要求，一般為20%～35%，不能隨意增大。埋石率超過55%接近漿砌石、堆石混凝土。最合理和最優埋石率有待工程實踐和試驗研究進一步論證。

5.3 溫控

埋石混凝土溫控按SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》、NB/T 35092—2017《混凝土壩溫度控制設計規范》要求執行，一般情況下按常態混凝土進行養護和表面保護，無需增加溫控措施。當埋石混凝土倉內溫度與外界氣溫之差超過25℃或設計圖紙有特殊要求時采取有效溫控措施。

6 施工質量評定與驗收

SL 176—2019《水利水電工程施工質量檢驗與評定規程》、SL 223—2008《水利水電建設工程驗收規程》、SL 632—2012《水利水電工程單元工程施工質量驗收評定標準-混凝土工程》、DL/T 5210.1—2021《電力建設施工質量驗收規程第1部分：土建工程》、《水利水電工程水工建筑物外觀質量評定表》(例表)中沒有埋石混凝土評定標準，具體工程項目應參照這些規程制定相應的埋石混凝土澆筑施工質量評定標準，報項目質量監督站批復后執行。

澆筑倉面混凝土按試件評價。埋石混凝土抽檢采用無損傷回彈法、超聲回彈綜合法檢測，必要時選用鉆孔取芯、智能鉆孔彩色電視、超聲橫波3維成像、鉆孔聲波、聲波層析成像(CT)、地質雷達，判斷澆筑混凝土內空洞、架空、裂縫、離析等缺陷的位置及程度，作為質量評定的依據。

7 結語

通過埋石混凝土典型工程實例，深入研究了埋石混凝土在水利水電工程大體積水工混凝土中的應用。隨著水利水電工程物聯網、智慧水利、數字孿生技術、生態水利、精準水利、綠色智能、BIM大量運用到工程建設的全過程，更需要高度融合和攻關研究高壩埋石混凝土重力壩及拱壩，以及其它大體積埋石混凝土的應用，發布從設計、施工、檢測、評定、驗收、管理、運行對應的規范、規程，使工程全過程建設中嚴格執行標準、規范、規程，提升質量、節約資源、保護環境，綠色節能環保，提高埋石混凝土應用空間，推動埋石混凝土技術創新。