狮子坪水电站大坝防渗墙混凝土配合比研究

陈海龙,文 尚

(1.广西右江水利开发有限责任公司,广西 百色 533000;2.广东省机电设备招标中心,广东 广州 510030)

1 前 言

四川杂谷脑河狮子坪水电站是杂谷脑河梯级水电开发的龙头水库电站,主要由拦河坝、泄洪洞、导流(放空)洞、引水隧洞、调压井、压力管道和地下厂房等建筑物组成。拦河坝为碎石土心墙堆石坝,坝顶长 309.40m,最大坝高达 136m。水库总库容1.33亿 m3,调节库容 1.19亿 m3,为年调节水库。电站设计水头 390.0m,引用流量 57.0m3/s;保证出力 59.9MW,多年平均发电量 8.76亿 kW·h。

坝基采用混凝土防渗墙全封闭防渗,墙顶设观测、检修、灌浆廊道与两岸帷幕灌浆平洞相连。混凝土防渗墙施工轴线与大坝轴线重合,防渗墙全长85.38m,墙体厚度为 1.2m,防渗墙底部嵌入岩石至少 1m,基岩面断面为 “V”形,基岩面陡坡倾角最大为 85°,最大造孔深度为 101.8m(S08-3孔造孔深度达 101.8m,S08号槽平均深度达 100.23m),大部分槽段平均孔深超过 90m,是国内目前最深的一道混凝土防渗墙。

2 防渗墙混凝土的技术指标及相关要求

经设计计算,防渗墙墙体材料采用高强度低弹性模量的新型混凝土材料,其技术指标见表1。

根据防渗墙混凝土自身特点及具体施工需要,要求混凝土坍落度为 180～220mm,扩散度为 340～400mm;初凝大于 6h,终凝小于 24h。

另根据设计文件要求,狮子坪大坝混凝土防渗墙的设计龄期为 360d。因国内外类似的防渗墙混凝土工程较少,缺乏类似的试验资料,而在工程开工后要尽快确定施工配合比,在工期紧迫、资料缺乏的情况下,因此研究决定在混凝土 90d的试验资料的基础上以 90d的混凝土强度作为中间指标进行现场混凝土浇筑施工,同时施工现场增加对混凝土的质量控制和施工过程中的阶段评定。为此在施工过程中要求增加 28d龄期抗压强度的取样,作为施工时的混凝土质量过程控制的一个措施,为是否能够满足 90d、360d龄期抗压强度作参考;同时在施工过程中要做到多取样,在后期要通过检查孔取芯压水及室内物理力学试验,以便有效掌握混凝土配合比是否满足设计要求。

表1 防渗墙混凝土设计指标

3 防渗墙混凝土配合比及性能

3.1 主要原材料

(1)水泥:水泥采用四川德阳川雄建材有限公司生产的“川雄”牌 P.O 42.5普通硅酸盐水泥,其主要力学指标符合 GB175-1999标准。

(2)粉煤灰:粉煤灰采用四川彭州关电粉煤灰场生产的“关电”牌Ⅱ级粉煤灰,其品质满足 DL/T5055-1996《水工混凝土掺用粉煤灰技术规程》的要求。

(3)骨料:采用理县毕棚沟庄房料场的天然砂石骨料。砂子细度模数为 2.75,属中中砂;粗骨料粒径分别为小石 5～20mm、中石 20～40mm,砂石骨料经过二次筛分无超逊径。

(4)外加剂:选用了四川晶华化工有限公司生产的 QH-HP外加剂,检测结果符合 DL/T5100-1999《水工混凝土外加剂技术规程》的要求。

3.2 配合比设计

3.2.1 骨料级配试验

骨料最优级配采用最大振实容重法,对粗骨料二级配的各级石子按不同比例进行容重检测。检测结果表明:当小石∶中石 =40∶60时,其振实容重最大,孔隙最小,应为最佳级配。但根据狮子坪大坝混凝土防渗墙的混凝土特性,要求较高强度、低弹性模量、大坍落度、泵送,骨料的弹性模量与它在混凝土中所占体积对混凝土弹性模量会有影响。因此,为降低混凝土骨架的刚度,经综合考虑,试验中二级配比例采用小石∶中石 =60∶40。

3.2.2 砂率选择试验

砂率大小是影响混凝土和易性及强度的主要因素。在实验中采用固定水胶比 0.40、单位用水量的前提下,变动砂率测定混凝土坍落度、扩散度、强度、弹性模量,从而选出水胶比的最佳砂率。实验表明:当砂率在44%～48%范围内,混凝土和易性均好。砂率在46%时混凝土强度、坍落度和扩散度具有明显优势。为提高混凝土的柔性,减小刚度,利于防渗墙混凝土大坍落度、高流动性的施工操作,砂率选定为 46%。

3.3 防渗墙混凝土基本性能

3.3.1 混凝土力学性能

室内试验结果见表2。

表2 混凝土力学性能试验结果

试验表明:在掺 40%粉煤灰的情况下,混凝土强度随水胶比增大而降低。水胶比在 0.48～0.36之间时,混凝土 90d抗压强度范围 38.6～55.7MPa;水胶比为 0.48时,强度可达 38.6MPa,满足设计C30的强度要求。

试验表明,水胶比在 0.40时,砂率选为 46%,砂浆量有富余,可提高混凝土的柔性,减小刚度,利于防渗墙混凝土大坍落度、高流动性的施工操作。因此水胶比在 0.48～0.44时,砂率均选为 47%。

水胶比在 0.48～0.36之间时,90d混凝土弹性模量变化范围在 2.68×104～3.05×104MPa,并随水胶比降低而增大。水胶比为 0.48～0.44时,弹性模量为 2.68×104～2.77×104MPa,均可以满足 E90≤280×104MPa的设计要求。

3.3.2 混凝土耐久性能

室内 90d混凝土耐久性能试验结果见表3。

表3 混凝土耐久性能试验结果

根据 DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》、SL211-98《水工建筑物抗冻设计规范》、JGJ55-2000、J64-2000《普通混凝土配合比施工规范》,混凝土满足抗冻等级 F100时,水胶比小于 0.55,抗渗等级满足 W 12时,水胶比应小于 0.45。

混凝土 90d耐久性试验表明,水胶比在 0.48～0.40时,均可以满足 F100的设计要求。水胶比在0.48时,当加水压加至 1.2MPa时即全透水,抗渗等级即为 W 11;水胶比在 0.44时,混凝土抗渗等级大于 W 12。结合相关规范水胶比与耐久性的关系,说明当水胶比为 0.44～0.36时,均可满足大于 W 12的设计要求。

3.4 防渗墙混凝土配合比的确定

为了满足混凝土的各项性能达到设计和施工的要求,在设计混凝土配合比时,从混凝土的和易性、强度、耐久性等方面出发,按 DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》的配制强度按下式计算:

式中 fcu,o——混凝土的配制强度,MPa;

fcu,k——混凝土设计龄期的强度标准值,MPa;

t——概率度系数,依据保证率 P选定;

σ——混凝土强度标准差,MPa。

根据本工程工地的原材料、混凝土生产工艺及生产质量控制等实际情况,σ参照DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》标准取 4.5 MPa,P选为95.0%,则概率度系数 t=1.65,计算出混凝土的配制强度为 37.4MPa。

通过对上述结果的综合分析,考虑到防渗墙混凝土的施工及耐久性要求,该混凝土配合比:水胶比为 0.44,砂率为 47%,最终得到的混凝土配合比见表4。

表4 防渗墙混凝土配合比 kg/m3

4 防渗墙混凝土施工过程检测成果分析

在浇筑防渗墙混凝土时,在机口或槽孔口入口处随机取样,检验混凝土的性能指标。冬季施工时在槽孔口入口处测量混凝土温度,温度控制在 5℃以上。混凝土试块取样明细表详见表5。为检查防渗墙墙体质量,在防渗墙成墙后打检查孔,进行混凝土浇筑质量检查,并对芯样做力学试验检测。

4.1 混凝土抗压强度检测成果分析

在施工过程中 28d龄期抗压强度并无设计指标,而是施工时的混凝土质量过程控制的一个措施,为是否能够满足 90d、360d龄期抗压强度作参考,施工前期取样较多,中后期逐步减少。28d、90d、360抗压强度成果表详见表6。

从表6数据中可以看出,混凝土强度基本符合设计的基本要求。其中 28d抗压强度平均值只有28.1 MPa,混凝土早期强度较低,适合混凝土接头孔施工;90d、360d抗压强度平均值都满足设计要求,最小值也都大于设计要求,离差系数较小。因此按本次混凝土配合比混凝土强度设计是成功的。

表5 防渗墙混凝土试块取样明细表

表6 混凝土抗压强度取样成果

4.2 混凝土弹性模量、抗渗、抗冻成果分析

在施工过程中弹性模量取了 4组,90d和 360d各两组,其中 90d的弹性模量分别为 2.61×104MPa和 2.83×104MPa,360d的弹性模量分别为 3.39×104MPa和 3.21×104MPa,90d和 360d实测的弹性模量值分别有 1组数值稍大于设计要求的弹性模量控制指标。

混凝土 5组抗渗试块在 1.3 MPa水压下,平均渗透高最大为 113mm,最小为 86mm,均满足抗渗指标大于 W 12的要求。

混凝土 2组抗冻试块经抗冻检测也满足设计大于 F100的要求。

4.3 混凝土取芯压水检测及芯样力学检测分析

按照设计及监理要求,在防渗墙混凝土浇筑28d后,分别在防渗墙 S04-5槽孔(坝轴线桩号:0+123.04m,孔号 FJ-01)和 S13-3槽孔(坝轴线桩号:0+169.44m,孔号 FJ-02)打检查孔,进行混凝土浇筑质量检查工作。

两个检查孔分别于 2006年 6月 1日和 2006年9月 25日完成,从钻孔取芯外观检查结果看:混凝土芯除局部位置由于机手操作不当芯样略有有磨痕外,大部分混凝土芯完整、光滑、连续、坚硬、致密、强度高,两孔混凝土芯样采取率均达 100%,满足设计要求;并分别做了“五点法”压水试验(设计要求压力阶段为 0.6～1.0～1.2～1.0～0.6MPa),检查孔现场压水试验所得渗透系数均小于 10-6cm/s,属极微透水,满足设计要求。检查孔完成情况统计见表7。其中对 FJ-01检查孔混凝土芯样分别做了 3组抗压、弹性模量检测,检测结果见表8。

表7 检查孔完成情况统计

表8 FJ-01检查孔芯样室内试验成果MPa

综上所述,狮子坪防渗墙工程在 90d的试验资料的基础上以 90d的混凝土强度作为中间指标进行现场混凝土浇筑的混凝土配合比,各项指标满足设计和规范要求的 360d配合比性能。实践证明,这种高强、低弹性模量的混凝土配合比的可行性,可以广泛应用于超深防渗墙的混凝土施工中。

5 结 语

狮子坪大坝基础地质条件的复杂性和高难度决定了大坝基础混凝土防渗墙的性能指标有其固有特点。本工程防渗墙混凝土通过借鉴国内类似工程的经验、自身试验和施工现场检测分析,选出了符合设计要求的、便于防渗墙施工的混凝土配合比,很好地满足了工程的需要。

(1)防渗墙混凝土是在泥浆下用导管浇筑,采用高流态自密实配合比,其和易性及施工的可操作性对保证混凝土的顺利浇筑和防渗墙的均匀密实性起到了关键作用。在本次配合比设计中主要采取了综合措施:①砂石骨料采用天然骨料,适当减小粗骨料的粒径和减少粗骨料的含量;②在保证混凝土力学性质的基础上,适当加大砂率及粉煤灰的含量;③选用高性能外加剂,提高混凝土的减水率、含气量,保证混凝土的和易性,保证了防渗墙浇筑的顺利进行。

(2)由于狮子坪大坝是建在 100m左右的超深覆盖层上的高坝,防渗墙不仅是大坝防渗体系的重要组成部分,更是大坝的主要承载基础,因此防渗墙混凝土应具备高强度低弹性模量的特性。混凝土高抗压强度能保证防渗墙承受大坝心墙传过来的大部分荷载;同时在不利的受力状态下,混凝土的低弹性模量也保证防渗墙有充足的变形能力。由于混凝土的强度和弹性模量本身是一种矛盾,狮子坪混凝土防渗墙工程在参照国内类似防渗墙混凝土配合比的基础上,为实现混凝土的低弹性模量、高强度及特殊的强度发展规律,在混凝土中掺加了高达 40%的粉煤灰,降低了混凝土的早期强度而提高了长龄期强度和抗渗性能,同时降低了混凝土的弹性模量、改善了混凝土的工作性能,节约了水泥,降低了混凝土的成本。

(3)在 DL/T5199-2004《水利水电工程混凝土防渗墙施工规范》中提到:由于防渗墙混凝土是用直升导管法在泥浆下浇筑的,根据国内外资料,其强度比同等级地面浇筑的混凝土强度有不同程度的降低,仅为后者的 70%～90%。而在狮子坪混凝土防渗墙墙体检查孔钻孔芯样 90d的平均抗压强度达到了 36.5MPa,其中最大达 45.3 MPa(85.85～90.05m),最小达 29.9MPa(0.55～ 5.02m);而同槽段孔口取样的混凝土 90d抗压强度平均值为 36.1 MPa,其中最大 37.1MPa,最小 35.6MPa。除芯样的最小值符合规范外,其他两个值均与规范相悖。由于目前国内外类似的深墙较少,希望在将来深混凝土防渗墙的施工中进行更多的试验研究,以找到混凝土在泥浆下浇筑与地面浇筑之间的强度关系。

[1]高宗璞,等.大坝基础防渗墙[M].北京:中国电力出版社,2000.

[2]国家经济贸易委员会.DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》[S].北京:中国电力出版社,2002.

[3]国家发展和改革委员会.DL/T5199-2004《水利水电工程混凝土防渗墙施工规范》[S].北京:中国电力出版社,2005.

[4]李金玉,曹建国.水工混凝土耐久性的应用和研究[M].北京:中国电力出版社,2004.

[5]姚汝方.防渗墙低弹模混凝土试验研究[D].杨陵:西北农林科技大学,2006.