堆石混凝土及堆石混凝土大坝

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摘要:本文提出一种新的大体积混凝土施工方式，即以自密实混凝土在堆石体中流动充满堆石体形成完整的混凝土，简称堆石混凝土。文中简述了堆石混凝土的优点，介绍了堆石混凝土试验，试验结果证明自密实混凝土在堆石体中有良好的流动性能，利用自密实混凝土填充堆石体，可以得到具有良好密实性和高强度的堆石混凝土。本文还结合堆石混凝土的特点，建议了几种充分发挥堆石混凝土优点的新坝型：堆石混凝土拱坝P重力坝、堆石混凝土心墙堆石坝和堆石混凝土混和坝。

关键词:自密实混凝土；堆石混凝土；大坝；新坝型

1 　研究背景

大坝的大体积混凝土的施工方式除以分块浇筑配合温控措施的柱状法施工(一般称为常态混凝土) 以外，20 世纪70 年代美国的Raphael 教授提出的碾压混凝土[1] 在大坝建设中的应用越来越普及，如中国已建成的超过100m 的高碾压混凝土拱坝就有石门子拱坝和沙牌拱坝，正在建设中的龙滩碾压混凝土重力坝坝高已超过200m 。碾压混凝土采用零塌落度的干硬混凝土和振动碾压技术，施工速度快， 温控措施简单，成本低，但是碾压混凝土层间面结合相对较差，成为抗滑稳定和防渗的薄弱部位。特别是由于施工进度快和温控简化，在大坝施工后期和运行前期，坝内混凝土温度仍然较高，已有部分工程在这一阶段发生了裂缝，需要进行处理。

施工方式和材料的改进是大坝建设技术进步的发动机，碾压混凝土坝、混凝土面板堆石坝等技术进步都是由于施工技术重大革新的结果。由于这些技术革新，新的大坝结构型式也不断出现，大大促进了大坝建设的进步。

从20 世纪40 年代开始，在水下混凝土施工中，由美国Weltz 提出的压浆混凝土(Prepacked Concrete) 也是施工技术的一个重大突破，在防波堤、大桥桥墩等施工中广泛应用[2] 。压浆混凝土是先将经过筛分的粗骨料填充到模板仓内，再用特制的砂浆注入粗骨料空隙中而形成混凝土，也称为预填骨料混凝土(Preplaced Aggregate Concrete) 。

自密实混凝土(Self Compacting Concrete) [3] 是最近混凝土研究领域的一个热点，通过新型高效减水剂，自密实混凝土不需要振捣就可以达到自密实的效果，同时保证有足够粘性以防止材料分离，它的泌水性很小，在混凝土表面不会产生乳皮层，因此，新、老混凝土接触面连接性能良好，不需要特别处理就可以达到很好的效果。由于自密实混凝土的水胶比很低，一般在0。30 左右，强度较高，有比较好的综合性能，所以，也称超高性能混凝土(Super Quality Concrete) [4] 。

日本土木学会已出版了高性能自密实混凝土结构的设计和施工导则[5] ，且在大坝预制廊道结合部等不易振捣的部位已全面采用自密实混凝土，如三室川等大坝均采用这一技术。另外，在日本明石海峡大桥这一世界上跨度最大的吊桥(主跨1 991m) 工程中也采用了自密实混凝土，工期从2.5 年缩短为2 年。

本文提出利用自密实混凝土和预填堆石相结合，以实现一种新的大坝混凝土施工方式，这种新的施工坝型可称为自密实堆石混凝土坝，简称堆石混凝土坝(Rock fill Concrete ， RFC Dam) 。

2 　堆石混凝土的概念

大坝混凝土由于其大体积的特点，要尽量降低混凝土的水化热和成本，也就是应该尽量降低水泥用量。一般而言，采用大粒径骨料可以起到这样的作用。但是，常规混凝土在施工过程中，受到拌和能力、振捣能力和骨料分离的限制，最大粒径一般均小于150mm 。毛石混凝土和浆砌石可以减少水泥用量，但对施工人员技术要求高，混凝土强度较低，施工质量不易保证，埋石量也有限制，不利于大型机械化施工，施工速度较慢，不适应现代快速施工的要求。

本文提出的堆石混凝土施工方式，是将混凝土的粗骨料直接采用初步筛分的堆石，直接入仓，必要时还可以考虑采用振动碾将其适当碾压密实，然后浇筑自密实混凝土，利用自密实混凝土的高流动性能，使得自密实混凝土自流，填充到堆石的空隙中，形成完整、密实、有较高强度的混凝土。

采用堆石混凝土进行大体积混凝土浇筑有以下主要优点：

(1) 施工速度快，质量有保证。由于没有振捣过程，工艺简单，可以大大提高施工速度。质量控制也相对容易，施工质量易于保证。

(2) 高强、耐久。自密实混凝土是一种高性能混凝土，由于其水胶比一般仅为0.3 ， 甚至更低，其高强、耐久的特性已被广泛证实。堆石混凝土实际上就是含有超大骨料的自密实混凝土，因此，堆石混凝土也具有很高的强度。堆石混凝土的密实性和强度已在本文的试验中得到证实。

(3) 造价相对较低。经过初步筛分的堆石直接入仓以后，空隙率一般在40 % 左右。因此，单位体积的堆石混凝土的自密实混凝土用量仅为40 % 左右。按C30 自密实混凝土综合单价350 元/m3 (每立方米水泥用量约210kg ， 粉煤灰用量约360kg ， 水胶比0.32 ， 北京地区原材料成本单价244168 元/m3) [6] ，堆石综合单价50 元/ m3 计算，C30 堆石混凝土考虑所有费用以后的综合单价仅170 元/m3 ，具有相当大的竞争力。

(4) 水化热温升较低，温控相对容易。堆石混凝土的粗骨料采用堆石，粒径大，单位体积自密实混凝土用量少。按上述C30 堆石混凝土计，单位堆石混凝土的水泥用量仅84kg/ m3 ，可以有效降低混凝土绝热温升，简化温控措施。

(5) 只需要拌和一级配的自密实混凝土，拌和楼的规模可减小。对石料进行粗筛分，大石料直接入仓，小石料可以用来生产自密实混凝土的骨料和砂，材料得以充分利用。

3 　堆石混凝土试验

为了验证堆石混凝土的可行性，本文进行了堆石混凝土试验。由于堆石混凝土的核心在于自密实混凝土在堆石空隙中的流动性能，堆石空隙越小，自密实混凝土的流动性要求越高。因此，现阶段为控制试件规模，采用150～200mm 的块石作为粗骨料。在实际工程中，当堆石的粒径大于150～200mm 时， 其空隙还会进一步增大，自密实混凝土的流动更加容易。

本文试验采用C50 自密实混凝土，自密实混凝土的骨料采用5～10mm 的卵石，其配合比见表1 。

试验在500mm ×500mm ×2 000mm 的有机玻璃模具中进行。自密实混凝土的坍落度275mm ， 坍落直径650mm ， 表征自密实混凝土流动性能和粘性的指标V 漏斗时间20s ， 见图1 。堆石混凝土试验时，首先将堆石随机摆放在模具中，由于级配比较均匀，堆石空隙率偏大，为48 %，

共进行了3 个试件试验，顺序编号为1# 、2# 、3# 试件。

1# 试件主要是验证自密实混凝土在堆石体中的流动性能。试验时，模具前500mm 用自密实混凝土充填，后1 500mm 摆放堆石，研究自密实混凝土对1 500mm 长的堆石体的填充能力。

2# 试件在1# 试件基础上研究堆石混凝土的仓面按照压浆混凝土马基纳克方式施工的可行性。2# 试件顶部约50～100mm 的堆石体不填充。同时，2 # 试件试验时， 同时取了2 组150mm × 150mm ×150mm 的试块，同步进行回弹法测量强度，并在28d 时进行抗压强度试验。

3# 试件主要在已有试验成果的基础上，对经过堆石体以后的自密实混凝土的性能进行研究。3# 试件的长度为1 000mm ， 在模具的最后500mm 进行自密实混凝土取样，通过对比通过堆石体前、后的自密实混凝土强度，研究经过1 000mm 堆石体以后，自密实混凝土性能的变化。浇筑成形的堆石混凝土试件见图3 。

采用回弹仪对1# 试件、2# 试件进行强度检测。采用ZC32A 型回弹仪，对每个试件按照自密实混凝土流动的方向划分为10 个区，每个区进行16 次回弹测量，去除最大、最小各3 个值后，取10 个回弹数据平均值作为本区回弹测量值，再经过角度修正和碳化修正后，查表得到该区的强度值。对10 个区的强度值计算平均值和标准差，按照“强度平均值-11645 ×标准差”计算强度推定值。1# 试件的前500mm 自密实混凝土受测试面积限制，只分为两个区进行试验，由于试验组数偏少，无法计算标准差，取两个区强度值的小值作为强度推定值。2# 试件的自密实混凝土试块也受测试面积限制，取两个相对光滑的表面分别作为两个测区，取两个区强度值的小值作为强度推定值。

表2 为回弹仪强度检测结果。从表2 可以看出，两个堆石混凝土试件的强度相近，28d 龄期时，分别达到52.33MPa 和50.10MPa ， 均达到了充填自密实混凝土C50 的强度标准。另外，对比堆石混凝土和相应自密实混凝土的强度，可以看出，堆石混凝土的早期强度略低于自密实混凝土，这可能与堆石混凝土内有大量堆石，吸收了部分水化反应产生的热量，堆石混凝土的温升较小，造成混凝土早期水化反应较慢有关。但28d 龄期时，堆石混凝土强度已经不低于自密实混凝土。

图4 是堆石混凝土试件沿自密实混凝土流动方向的分区强度平均值分布。系列1 、2 分别为1# 试件和2# 试件的28d 强度。

由图4 可以看出，1 # 试件和2# 试件的强度相近。两个试件从1 区到10 区强度基本均匀，仅略有起伏。

计算1# 试件和2# 试件前5 区的强度平均值分别为56.4MPa 和56.7MPa ， 后5 区的强度平均值为55.15MPa 和52.8MPa ， 总体上有略为下降的趋势，分别下降2% 和7%， 说明自密实混凝土在堆石体中的流动过程会产生少量分离，对强度会产生一定影响。因此， 堆石混凝土施工前应进行流动性能试验，确定灌注自密实混凝土的工艺参数，限制自密实混凝土在堆石体中的流动距离，以保证堆石混凝土质量。

表3 是2# 、3# 自密实混凝土试块的抗压强度试验结果。从2# 试件的自密实混凝土试块的2 组试验结果和相应回弹法测量的结果对比可以看出，两者结果相近，抗压强度试验的强度略低。从3# 试件的自密实混凝土通过试块前、后的试验结果来看，两者强度相近，通过后的强度由于强度离散性，甚至还略高于通过堆石体前。因此，抗压试验的结果证实回弹法的试验成果可靠，通过1 000mm 堆石体对自密实混凝土的强度的影响较小。

通过堆石混凝土试验，证实了自密实混凝土在堆石体中有良好的流动性能，能够非常好地填充堆石体的空隙，形成密实的混凝土，具有很好的强度性能。

4 　堆石混凝土大坝结构型式

根据堆石混凝土的特性，本文提出以下几种新的堆石混凝土大坝结构型式。

4.1 　堆石混凝土拱坝或重力坝　

根据试验成果，堆石混凝土有较高的抗压强度，水泥用量少，绝热温升低，可以借鉴碾压混凝土坝的相关技术，在控制堆石混凝土入仓温度等温控措施的基础上，进行通仓浇筑，在节约造价的基础上，达到快速施工的目的，因此，堆石混凝土重力坝或拱坝，是一种很有竞争力的坝型，见图7 。特别是堆石混凝土具有较高的强度，因此，适合建造包括双曲薄拱坝在内的各种混凝土大坝。堆石混凝土大坝与常规混凝土大坝、碾压混凝土大坝的主要区别在于施工方式，设计方法和主要结构基本相同。

4.2 　堆石混凝土心墙堆石坝　

采用堆石混凝土心墙作为防渗体，建造堆石混凝土心墙堆石坝，见图8 。

首先，按照堆石坝的要求填筑坝体，在填筑过程中，在心墙部位填筑经过初筛分的堆石，当坝体填筑完一个施工层以后，在心墙部位进行自密实混凝土浇筑，形成堆石混凝土心墙，心墙厚度按照防渗要求控制。心墙两侧的堆石体碾压比较密实，可以有效阻止自密实混凝土的流动而自动形成心墙边界。为了加快施工速度，接缝可以采用压浆混凝土施工方法中的马基纳克方式施工，即施工中每次收仓时，自密实混凝土不完全充满堆石体，使得表层堆石一部分嵌入老混凝土，一部分露出，而不需要对浇筑层面做处理， 依靠表层堆石的嵌入保证接触层面的咬合和强度。对这一坝型需要重点研究堆石混凝土施工接缝的抗渗性能。当然，也可以考虑直接在上游面进行堆石混凝土施工，形成堆石混凝土面板堆石坝。这两种方式由于堆石混凝土与堆石存在不同变形，特别是坝高较大时，需要研究防渗体与堆石体非均匀沉降带来的有关课题。

4.3 　堆石混凝土堆石混合坝　

在大坝上游侧立竖直模板，首先进行初筛分的堆石体填筑，然后在上游侧进行自密实混凝土浇筑，在上游侧形成重力式堆石混凝土挡墙，同时作为防渗体，见图9。

由于采用的是堆石混凝土施工，上游侧重力式挡水墙和下游侧堆石体的骨料相互咬合，有利于在上游水压作用下的两者联合作用。

这种坝型与堆石混凝土心墙堆石坝相比，因为上游侧是混凝土重力式挡墙，坝体的总体积大大减少，有可能降低造价和加快施工进度。另外，上游侧重力式挡墙的施工质量容易检测也是一个优点。这种坝型除需要研究堆石混凝土抗渗性能和堆石混凝土与堆石体交界面的非均匀沉降以外，堆石混凝土挡墙的稳定也是需要关注的课题。

5 　结语

本文提出了一种新的大体积混凝土浇筑方式—堆石混凝土，这种新的浇筑方式充分吸取了压浆混凝土和自密实混凝土的优点，具有使用水泥少，绝热温升小，单价低，施工速度快等优点。通过试验室内的堆石混凝土试验，证实了自密实混凝土在堆石体中有良好的流动性能，能够很好地填充堆石体的空隙，形成密实的高强度混凝土。结合这类堆石混凝土施工，本文提出了多种可能的大坝结构型式和相应的施工方案。作为一种新的大坝浇筑方式，仍有许多的课题需要进一步研究，也希望得到坝工同仁们的关注和讨论。

致谢　本文完成过程中，得到了潘家铮院士的指导和支持，王光纶教授、谷兆祺教授、保其长高级工程师，日本前田建设工业株式会社会长前田又兵卫博士，日本高知理工大学校长岗村甫教授、大内雅博副教授进行了有益的讨论，获益菲浅， 特此致谢。

参　考　文　献:

[1] 　Raphael M. The optimum gravity dam[A]. Proceedings of Conference on Rapid Construction of Concrete Dams[C]. Asilomar ， 1970.

[2] 　樱井纪朗，壶阪三，宫阪庆男. 特殊混凝土施工[M]. 李德富译，北京:水利电力出版社，1985.

[3] 　大内雅博. Current conditions of self2compacting concrete inJapan[A]. Proceedingof the Second International Symposium on Self2CompactingConcrete[C].2001.63-68

[4] 　The Association for the development & Propagation of super quality concrete structures ， Concept of super quality concrete ， its properties and structural performance[M]. International Workshop on Self2compacting Concrete ，1998. 243 -254.

[5] 　日本土木学会. 自密实高强度高耐久性混凝土结构设计施工导则(日文) [S]. 2001.

[6] 　周虎，安雪晖，金峰. 低水泥用量自密实混凝土配合比设计试验研究[J ]. 混凝土，2005 ， (1) :20 -23.