高質量堆石壩混凝土面板施工技術研究

劉 杰

(中國水利水電第十二工程局有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引 言

抽水蓄能電站的上下水庫規劃選址遵循因地制宜、綜合布置的原則,通常利用埡口筑壩或臺地筑環形壩加庫盆開挖形成水庫,采用一座或多座壩將山頂洼地或埡口封閉形成水庫。在工程所在地地質條件良好、巖性滿足筑壩條件、庫盆需要開挖成型、技術指標符合規范要求的前提下,選擇混凝土面板堆石壩無疑是最經濟的。這也是國內已建和在建的抽水蓄能電站上下水庫以混凝土面板堆石壩居多的主要原因?；炷撩姘宥咽瘔问且远咽匣蛏暗[石料分層填筑的堆石壩體作為支撐結構,并在上游設置混凝土面板、趾板與壩基帷幕等組成防滲體系的壩型。而在整個壩體中,混凝土面板又是位于堆石壩體上游面、直接承受庫水壓力的混凝土防滲結構[1],長條形薄板結構的特殊性再加上防滲功能的重要性,注定其在整個混凝土面板堆石壩中處于舉足輕重的位置。

常規抽水蓄能電站的上下水庫庫容不大,電站投產運行后如果因為庫盆滲漏、壩體滲水造成水量損失,將會嚴重影響電站的發電量,同時增大充水和補水費用,甚至危及工程安全。如何在壩體規范填筑,沉降期和沉降速率都滿足規范要求的前提下,澆筑出少縫甚至無縫的高質量混凝土面板,是所有水電建設者努力的方向。寧海抽水蓄能電站(以下簡稱“寧蓄電站”)上下水庫擋水建筑物均為混凝土面板堆石壩,本文從前期施工準備到施工過程中的配合比試驗、混凝土供應、原材料穩定、施工期質控和養護等方面闡述,為打造高質量混凝土面板的施工提供一定參考借鑒。

1 工程概況

寧蓄電站位于浙江省寧?？h大佳何鎮境內,為一等大(1)型工程,總裝機容量4×350 MW。上水庫大壩最大壩高59.8 m,壩頂長度550 m,共分49塊面板,長度超過90.00 m的面板10塊,單塊最大長度95.54 m,面板設計寬度7.6～12.0 m、厚度40.4～56.7 cm。下水庫大壩最大壩高96.3 m,壩頂長度280 m,共分25塊面板,長度超過100.00 m的面板共16塊,單塊最大長度158.33 m,面板設計寬度6.0～12.0 m、厚度41.5～67.6 cm。

2022年4月6日上水庫大壩填筑完成,9月26日首倉面板開始澆筑,壩體預沉降期5個月20天, 面板澆筑前累計最大沉降量為190 mm;2022年4月26日下水庫大壩填筑完成,10月12日首倉面板開始澆筑,壩體預沉降期5個月15天,面板澆筑前累計最大沉降量為226 mm,上下庫大壩在面板澆筑前3個月的月沉降變形值均小于5 mm,完全滿足壩體預沉降期宜為3～6個月,頂部壩體最大沉降速率小于5 mm/月的雙控指標[1]。

2 配合比試驗

配合比是影響混凝土強度和穩定性的關鍵因素。寧蓄電站面板混凝土設計強度等級C30、設計齡期28 d、抗滲等級W10、抗凍等級F100、極限拉伸值≥1.0×10-4[2]、彈性模量≥30 GPa、泊松比≥0.167。溜槽入口處的混凝土坍落度計劃按5～7 cm控制。為了在滿足設計指標的前提下,進一步提高面板混凝土的和易性和抗裂性能,寧蓄電站以工程使用混凝土原材料為基礎,提前半年進行面板混凝土的配合比試驗,以“普通面板混凝土”“VF補償收縮面板混凝土”和“VF補償收縮+玄武巖纖維面板混凝土”三種方案分別進行試驗研究。通過三種配比方案的混凝土性狀比較,優選具有防裂效果的最佳混凝土配合比。配合比試驗技術路線流程見圖1。

圖1 配合比試驗技術路線流程圖

2.1 VF防裂劑配方選定試驗

VF防裂劑是一種以明礬石、石膏、高鋁熟料及添加劑為原料共同研磨配制而成的粉狀混凝土外加劑,是由寧蓄電站施工單位所屬科研院研制的,可以為薄壁混凝土提供補償收縮功能。試驗通過不同配方的四種不同組份防裂劑性能指標研究,最終確定摻入面板混凝土的防裂劑組份,各組份防裂劑性能指標檢測結果見表1。

表1 各組份防裂劑性能指標檢測結果

2.2 玄武巖纖維原材料檢測試驗

試驗人員通過對工程行業混凝土外加劑市場調研發現,在國內很多水利工程、工民建、鐵路和公路工程結構混凝土和砂漿拌制過程中摻入一種短切玄武巖纖維,可以有效減少混凝土和砂漿的早期裂縫產生。該種纖維是以天然火山巖為原料生產加工而成的一種純天然綠色纖維,擁有較高的拉伸強度、剪切強度和彈性模量,并具有良好的化學穩定性和熱穩定性、抗老化耐酸堿、耐高溫和低溫、絕熱和電絕緣、隔音等特性[3]。短切玄武巖纖維成品見圖2。

圖2 短切玄武巖纖維成品

對照合成纖維的相關規范和標準要求,試驗人員通過對廠家提供的短切玄武巖纖維成品的纖維直徑、纖維長度、抗拉強度、彈性模量、斷裂伸長率、耐堿性能和單絲斷裂強度保留率[4-5]等進行檢測,結果顯示全部符合標準相關要求,玄武巖纖維性能指標檢測結果見表2。

表2 玄武巖纖維性能指標檢測結果

2.3 其他不同材料的性能對比實驗

試驗人員利用電站的混凝土原材料,又分別進行了聚羧酸高效減水劑、萘系高效減水劑混凝土拌和物的性能比對試驗和混凝土抗壓強度試驗,以及4種不同石粉含量的人工砂拌和物的性能比對試驗和混凝土抗壓強度試驗。經過大量的試驗最終確定了適合寧蓄電站面板混凝土的減水劑種類和人工砂最佳石粉含量,結論如下:

(1)兩種高效減水劑作用下的混凝土拌和物抗壓強度和以28 d為基準的強度增長率基本相同,但萘系減水劑60 min時,坍落度損失為40 mm,不符合《混凝土面板堆石壩施工規范》DL/T 5128-2021標準要求,建議采用聚羧酸高效減水劑。

(2)當電站砂石料加工系統生產的人工砂石粉含量控制在14%～16%范圍內時,混凝土拌和物性能、力學性能最佳。

2.4 補償收縮面板混凝土配合比試驗

在明確了面板混凝土原材料后,試驗人員通過普通混凝土、摻VF防裂劑的補償收縮混凝土和VF防裂劑&玄武巖纖維雙摻抗裂混凝土等三種不同配合比設計,并經過一系列的拌和物性能指標試驗對比,結論如下:

(1)使用聚羧酸高效減水劑并嚴控石粉含量的人工砂作為細骨料的情況下,設計的普通混凝土配合比即可滿足設計提出的面板混凝土相關指標要求,其中極限拉伸值為1.03×10-4。

(2)試驗確定配方的防裂劑摻量為10%時,5 、20 、35 ℃下C30W10F100混凝土最大收縮變形均小于混凝土極限拉伸變形,可有效避免混凝土收縮裂縫的產生。

(3)選定的成品玄武巖纖維摻量在3.5 kg/m3以內時,對混凝土配合比的用水量、和易性等沒有明顯影響;摻量在1.5 kg/m3以內時,混凝土極限拉伸值無明顯變化,摻量增加到2.5 kg/m3時,混凝土極限拉伸值從1.03×10-4提高到1.22×10-4,有較明顯的提高。

(3)玄武巖纖維摻量分別為1.20 kg/m3、1.35 kg/ m3、1.50 kg/ m3、2.00 kg/ m3、2.50 kg/ m3、3.00 kg/ m3、3.50 kg/ m3時,C30W10F100混凝土最大收縮變形均小于混凝土極限拉伸變形,可有效避免混凝土收縮裂縫的產生,但玄武巖纖維摻量超過2.50 kg/m3后,混凝土極限拉伸值趨于穩定,不同纖維摻量混凝土極限拉伸值見表3。

表3 不同纖維摻量混凝土極限拉伸值

2.5 最終選定配合比

綜合以上各項試驗數據,最終確定寧蓄電站面板混凝土采用VF防裂劑摻量10%,玄武巖纖維摻量為2.5 kg/m3的混凝土配合比,推薦“補償收縮+纖維面板”混凝土配合比見表4。

表4 推薦“補償收縮+纖維面板”混凝土配合比

3 混凝土供應

對于面板混凝土施工,澆筑過程中應減少運輸、等待時間,避免混凝土發生分離、泌水或坍損過大等現象,拌制的混凝土應盡量降低坍落度并控制在20 mm/h以內。針對上述面板混凝土拌和物的具體要求,為了確?；炷涟韬臀锏男阅芎唾|量,寧蓄電站在上下庫大壩一側壩頭各建了一座臨時拌和站,專門為面板施工供應混凝土,平均水平運輸距離僅200 m。同時考慮到混凝土攪拌車無法運輸低坍落度混凝土,又對拌和站下料口進行改裝,使拌制后的混凝土直接卸入小型自卸汽車運至倉面,最大程度上保證了面板混凝土的低坍落度性狀,所有面板混凝土倉面坍落度均控制在30 mm以內,并且由于玄武巖纖維材料的摻入,拌制過程中在混凝土內部分散均勻,在低坍落度情況下仍能保證倉面溜槽內的混凝土具有很好的流動性。

4 原材料穩定

較好的混凝土拌制運輸條件是混凝土拌和物質量的保證,但要保持拌和物的性狀穩定,優選配合比中的各原材料的穩定性也十分關鍵。寧蓄電站面板混凝土施工前,為了避免因原材料的差異而導致各倉面板混凝土拌和物的質量波動,采取了以下措施:

(1)租賃場外固定灰罐,提前2個月存儲足量水泥降溫備用,進場水泥溫度均在40℃左右。

(2)場內專用灰罐存儲專供面板混凝土的粉煤灰。

(3)設置專門堆場提前儲存機制砂,做好場地防雨排水措施,嚴控人工砂細度模數在2.4～2.8之間,儲存的人工砂石粉含量確保在14%～16%之間。

(4)在拌和站布置專用外加劑庫一次性存儲夠VF防裂劑和玄武巖纖維等摻和料,并根據拌和站每一拌的混凝土方量,將摻合料等量袋裝,避免了現場二次稱量帶來的誤差。

(5)專用水箱存儲上下庫導流洞出口天然地表水,專供壩頭面板混凝土拌和站。

5 施工期質控和養護

(1) 切斷約束。盡可能減小壩體與混凝土面板之間的約束,是水庫運行工況下,確保薄板結構不因水壓力以外的其他外力作用而產生結構破壞的關鍵,特別是抽水蓄能電站的上下水庫,水位變幅大、漲落頻繁,更加考驗混凝土面板的自身結構穩定。而在面板混凝土施工過程中,結構鋼筋安裝必須借助埋入壩體的插筋作為架立筋。如果在混凝土澆筑過程中,不將這些架立筋與壩體斷開連接,則各塊混凝土面板無形中就會與壩體形成若干個約束點。寧蓄電站面板混凝土澆筑過程中,隨著混凝土澆筑面的上升,安排專人對澆筑面上方的架立插筋點焊割除,并在混凝土覆蓋前由當班質檢員逐個檢查。插筋點焊割除和檢查驗收見圖3。

圖3 插筋點焊割除和檢查驗收

(2)規范振搗。面板混凝土采用的是無軌滑模施工工藝,混凝土經壩面布置的溜槽入倉至滑模體前方,依靠溜槽左右擺動均勻布料,然后利用軟軸振搗器振搗混凝土。寧蓄電站的所有面板混凝土澆筑塊,施工過程中安排振搗經驗豐富、操作責任心強的振搗工進行振搗。同時,為了確保不漏振、不過振,根據每倉滑模體的長度不同,安排不同數量的振搗工和振搗器一字排開,在均勻鋪料結束后,通過動作統一聽指揮、振搗范圍定寬度、振搗時長掐表數進行規范操作。同時,側模止水部位的混凝土在下料后也由專人負責精細振搗,嚴禁觸碰止水。

(3)保養到位。根據前期配合比設計試驗得出的混凝土變形曲線結果表明,摻用防裂劑的混凝土干縮率明顯低于普通混凝土,說明摻用防裂劑能明顯抵消或減小混凝土的收縮。但最終暴露在空氣中的混凝土仍呈收縮趨勢,加強養護才能充分發揮補償收縮混凝土的補償優勢。為了最大程度降低面板混凝土干縮裂縫的產生,寧蓄電站的面板混凝土采取了分階段養護措施,具體養護流程為:二抹結束薄膜覆蓋→初凝撤膜換布壓住→兩布一膜低溫保護,在混凝土終凝后,外界氣溫非負溫的情況下,在土工布和混凝土之間利用壩體布置的單閥單控的花灑長流水養護。

6 結 語

寧蓄電站上下庫大壩面板混凝土,首次采用VF防裂劑&玄武巖纖維雙摻防裂配合比,并通過科學精細的施工前準備、規范有效的混凝土振搗、嚴格細微的施工中質控和階段分明的施工后養護。上水庫歷時77 d和下水庫歷時65 d完成共計74塊面板混凝土的施工,三個月后對面板進行裂縫普查,上庫大壩3.15萬m2的面板僅12條裂縫,其中Ⅰ類縫1條,Ⅱ類縫11條;下庫大壩3.2萬m2面板共發現51條裂縫,其中Ⅰ類縫2條,Ⅱ類縫49條,且上述裂縫均屬于淺層非貫穿裂縫。裂縫控制水平在國內抽水蓄能電站類似工程中十分突出,真正意義上打造出了高質量的少縫面板,獲得中國水電水利規劃設計總院專家們的一致好評。

充分準備是基礎,配比選對靠技術,質控細微不含糊,保養到位為要務。相信隨著國內防裂混凝土新材料和新技術的不斷發展創新,再加上施工全過程的精心策劃和嚴格管控,在抽水蓄能電站甚至常規水電站的堆石壩工程中,會涌現出更多少縫、甚至無縫的高質量混凝土面板。