堆石混凝土堤防材料綜合單價敏感性分析

楊 凱， 陳 昊， 周 虎， 呂 鳳， 陳 宇

(1.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830046；2.四川省水利科學研究院，四川 成都 610072； 3.清華大學，北京 100084；4.四川衡信建設工程有限公司，四川 成都 610073)

0 引 言

堆石混凝土是一種基于自密實混凝土[1]和預填骨料混凝土[2-3]而發明的一種大體積混凝土技術，利用自密實混凝土高流動抗分離的性能，借鑒已廣泛應用的壓漿混凝土施工方式，提出一種新的混凝土施工方式[4]。自2005年首個堆石混凝土工程應用后，共建設有高于15 m的堆石混凝土壩126座，其中已建成95座和在建31座，其中堆石混凝土重力壩115座、拱壩11座[5]。在堆石混凝土拱壩施工中，可以取消振搗或碾壓，通水冷卻，取消分縫，極大簡化了混凝土拱壩施工程序[6]。堆石混凝土具有較好的生態、經濟以及社會效益，其工藝簡單、施工方便、成本較低。[7-9]

鑒于堆石混凝土技術的優越性，除了在大壩中應用外，也有在中小工程中的推廣應用，如三明市臺江防洪堤段水毀修復工程和梅州大堤南堤除險加固達標工程[10-11]等。目前，四川省不僅在少量且具備大體積試驗性條件的新建堤防工程中推廣堆石混凝土技術，還對常規大壩堆石混凝土施工的差異性、經濟性進行了研究。

1 白河防洪治理工程

九寨溝縣白河防洪治理工程(二期)建設治理范圍包括白河和白水江。該工程屬四等工程，主要建筑物級別為Ⅳ級，防洪標準為20年一遇洪水，總投資6 800萬元。在工程范圍白水江薛家壩村段(白左4+511.24～白左4+932.86)設計堆石混凝土衡重式堤防科研試驗段，堤防頂寬0.5 m，擋墻材料采用F200C25堆石混凝土，迎水面坡比1∶0.1，上墻背水面坡比1∶0.3，衡重臺寬1.5 m，下墻背水面坡比1∶0.5，基礎墻前設置0.6 m寬0.8 m高墻趾。

2 高自密實混凝土配合比設計

2.1 原材料

(1)水泥：選用文縣祁連山水泥有限公司生產的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，密度3 100 kg/m3；

(2)粉煤灰：采用F類Ⅱ級粉煤灰，密度2 200 kg/m3；

(3)細骨料：人工砂，對砂取樣并進行基本性能檢測，檢測項目包括篩分析、石粉含量、表觀密度等，檢測指標均滿足規程要求，砂的表觀密度2 700 kg/m3；

(4)粗骨料：人工粗骨料選用5～20 mm碎石，對石子取樣進行基本性能檢測，檢測項目包括含泥量、表觀密度、針片狀含量等，檢測指標均滿足規程要求。石子的表觀密度2 680 kg/m3；

(5)外加劑：外加劑采用北京華石納固科技有限公司生產的HSNG-T堆石混凝土專用外加劑，密度1 030 kg/m3；

(6)拌和用水：采用自來水。

混凝土試驗用強制式混凝土攪拌機。

2.2 高自密實性能混凝土配合比

配合比計算采用絕對體積法，在體積配合比的基礎上，通過嘗試調整水膠比以及調整水泥摻量、改善石子體積用量、提高砂率以及砂中微粒含量系數等，外加劑用量根據試驗結果微調，從而在滿足強度標準的條件下盡量減少粉體材料尤其是水泥用量，達到降低生產成本的目的。通過多組砂漿試驗數據得出45%砂率為最優砂率。通過對比試驗確定得出高自密實混凝土配合比及部分試驗數據(表1)。

表1 高自密實性能混凝土配合比及部分試驗數據 /kg·m-3

3 堆石混凝土堤防施工

3.1 堆石料選擇

堆石料應選用新鮮、完整、質地堅硬的塊石料，粒徑不宜小于300 mm，飽和抗壓強度不小于20 MPa，含泥量應不大于0.5%。

該工程開挖料均為碎卵礫石土層，根據勘察及實驗可知，大卵石(塊石)含量約占14%左右，巖質為砂巖及灰巖等，其巖質堅硬，質量較好，滿足塊石料質量要求。據現場勘察，碎石、卵石強度較高，成分主要為微～中風化砂巖、灰巖，板巖，從室內試驗資料可知，其飽和抗壓強度大于20 MPa，可作為塊石料場使用。開挖大卵石室內巖石物理力學指標試驗成果見表2。

表2 開挖大卵石室內巖石物理力學指標試驗成果

開挖及清淤料內篩選出滿足技術要求的大卵石。工程區域河道內大卵石常年被水流沖刷，含泥量較低，表面幾乎不含泥。無需設置專用清洗平臺，僅需要利用挖掘機在選取大卵石或大卵石上車運輸前，用河道內水沖洗表面一次即可。

3.2 堆石料入倉

由于堤防工程與河底相對高度及倉面較小，達不到自卸汽車直接入倉的條件。該工程采取堆石料運輸至倉面附近，用挖掘機入倉，并以人工輔助堆碼。因此，汽車輪胎上的泥土和泥水不會帶入堆石倉面。將粒徑較大的堆石置于倉面的中下部，粒徑較小的堆石置于倉面的中上部。

3.3 模板制作和安裝

該工程采用木模板，由于內拉加固模板會帶給堆石入倉工序之間造成相互影響而提升堆石率，所以，在試驗段將內拉加固改為全部外撐加固。

3.4 高自密實混凝土澆筑

堤防工程一般為線性工程，且倉面較大壩工程小，該工程采用與常規的混凝土罐車運輸與溜槽入倉相結合的方式進行高自密實混凝土澆筑。

4 經濟性對比

4.1 堆石混凝土材料綜合單價的組成

堆石混凝土在堤防工程中的利用，特別是在具有大卵石的山區河道工程中，可以與河道疏浚及堤防土石方開挖相結合，篩選利用開挖料中的大卵石。具有節約混凝土用量、降低工程造價、減少碳排放等多項優點。該工程堆石混凝土堤防施工與普通混凝土堤防施工工藝無較大差異，主要差異在于增加了堆石入倉及材料區別。將堆石料選取、清洗、入倉等綜合考慮進堆石料單價，故經濟性對比主要考慮兩者間的材料價格對比。

堆石混凝土材料綜合單價

=(1-平均堆石率)×高自密實混凝土材料綜合單價+堆石料材料單價

=(1-平均堆石率)×(∑單項材料單價×該項用量)+堆石料材料單價

式中 高自密實混凝土材料綜合單價=∑單項材料單價×該項用量；堆石料材料單價=采挖+運輸+清洗+入倉 。

4.2 堆石混凝土材料綜合單價計算及經濟性對比

結合本工程材料采購價格及普通混凝土與高自密實混凝土配合比，計算其單價。普通混凝土材料綜合單價分析、高自密實混凝土材料綜合單價分析和堆石混凝土材料綜合單價分析分別見表3～5。

表3 普通混凝土材料綜合單價分析表

表4 高自密實混凝土材料綜合單價分析表

表5 堆石混凝土材料綜合單價分析表

在本工程中，每方堆石混凝土(高自密實混凝土+堆石料)中平均堆石率約53.5%，即節省了53.5%高自密實混凝土材料，價格減半，由282.13 元/m3減至131.19 元/m3，堆石料入倉成本約為60 元/m3，每方堆石混凝土材料價格為191.19 元/m3，減少投資92.2 元/m3，與普通混凝土材料單元價格283.39 元/m3相比，每方混凝土節約投資32.5%。

5 堆石混凝土材料綜合單價單因素敏感性分析

5.1 分析因素的選取

從堆石混凝土施工工藝流程及配合比組成分析影響堆石混凝土材料綜合單價的因素，選取水泥用量、粉煤灰用量、細集料用量、粗集料用量、外加劑用量和堆石率6項用量因素，并進行堆石混凝土材料綜合單價的單因素敏感性分析。

5.2 單因素敏感性分析

令各因素的變動范圍分別取原估值的±20%、±15%、±10%、±5%、0，并基于本工程堆石混凝土的高自密實混凝土的配合比、材料價格、堆石率及堆石入倉單價等基礎數據，分別計算變化后的堆石混凝土材料綜合單價，控制當單項分析因素變動時，其余因素不變。本研究僅討論分析堆石混凝土材料綜合單價變化，為以降低堆石混凝土材料綜合單價為目的的配合比優化提供一種參考思路。材料單價單因素敏感性分析計算和材料用量單因素敏感性分析計算分別見表6、7。

表6 材料單價單因素敏感性分析計算表 元/m3

表7 材料用量單因素敏感性分析計算表 /kg

根據公式(1)及表6、7數據計算出各分析因素對堆石混凝土綜合單價的敏感性系數，結果見表8。

表8 各分析因素對堆石混凝土材料綜合單價敏感系數表

(1)

式中 ΔA/A為評價指標的變動比率；ΔF/F為不確定因素的變化率。若AAF>0，則表示評價指標與不確定性因素同方向變化；若SAF<0，則表示評價指標與不確定性因素反方向變化；若|SAF|越大，則表明評價指標A對于不確定性因素F越敏感；反之，則不敏感。敏感是指標變化相同幅度，對材料綜合單價影響程度大。

經過對堆石混凝土材料綜合單價敏感度分析，分析指標敏感度排序為堆石率>堆石料單價>水泥單價>水泥用量>粉煤灰單價>粉煤灰用量>外加劑單價>外加劑用量>細集料單價>細集料用量>粗集料單價>粗集料用量。從表8中可以得出堆石率的|SAF|最大，是影響堆石混凝土材料綜合單價的最重要的因素，即提升堆石率大幅度降低堆石混凝土材料綜合單價。降低堆石料單價、降低水泥單價、水泥用量等可以較好的降低堆石混凝土材料綜合單價。

6 結 語

堆石混凝土技術適用于大體積混凝土，在堤防工程中使用具有節約投資、減少碳排放和工效顯著等優點。

(1)在本工程中，下部基礎底至衡重臺區域大體積混凝土澆筑，應用堆石混凝土優點較明顯。對于重力式堤防具有借鑒意義。堆石混凝土技術在山區河道等具有大卵石的河道中應用，堆石料可以結合河道疏浚及土石方開挖進行撿選，材料來源具有較大優勢。

(2)堆石混凝土在堤防工程中的應用，雖然經濟優越性不如堆石混凝土在大壩工程中的應用，但仍能較明顯地降低單價。由于堤防工程的應用面較廣，堆石混凝土技術在堤防工程中應用具有較顯著的經濟效益。

(3)堆石混凝土在堤防工程中，施工工藝流程較普通，混凝土僅在堆石入倉工序上有一定差異，其技術難度較在大壩工程中明顯降低，在推廣使用過程中有較大的優勢。

(4)通過對堆石混凝土材料組成因素進行單因素分析，可以得到因素的敏感度排序，為以降低堆石混凝土材料綜合單價為目的的配合比優化等提供一種參考思路；降低堆石混凝土材料綜合單價首先應從提升堆石率，降低堆石入倉單價考慮優化施工措施，再從以粉煤灰替代水泥用量等方面優化配合比。

(5)堆石混凝土技術在堤防工程中的創新應用，擴大了堆石混凝土技術的應用范圍，對于堤防工程材料敏感性分析，堆石料單價是最重要影響因素，53.5%的堆石率尚存在挖掘潛力，堆石混凝土有進一步節省材料綜合單價的空間。

通過對工程試驗的分析，也發現一些不足，如衡重墻堤防上墻部位，由于倉面尺寸太小，機械利用率不高，主要靠人工進行堆石，其快速施工受到一定影響。后期課題組將進一步研發施工機械，模板作業改進，以期提高作業工效，為今后堆石混凝土技術在堤防工程中的應用提供借鑒。