论文部分内容阅读
摘要：咸盈河水电站拦水坝为堆石混凝土重力坝，坝顶泄洪，由于该工程采用了堆石混凝土的施工，最大限度地降低了胶凝材料的用量。同时，通过合理的施工组织设计，对堆石混凝土施工主要的两道工序通过大规模的机械化施工来完成，减少了工人的参与，避免了人为的干扰。由于专用自密实混凝土的用量不高于45%，所以在混凝土生产、运输以及浇筑等工序的施工成本更能够显著降低。堆石混凝土已在山西省晋城市围滩水电站、广东省中山市长坑三级水库重建工程、大渡河沙坪二级水电站和雅鲁藏布江藏木水电站工程工程中得到应用，经过多年洪水考验证实是安全可靠的，因此在一定条件下采用堆石混凝土修建重力坝具有实用意义和推广意义。
关键词：重力坝 堆石混凝土推广意义
中图分类号： TV331 文献标识码： A
0引 言
随着我国经济的高速发展，混凝土材料被泛应用于水利水电工程当中，其服伇期间的环境复杂多变，对混凝土的强度、抗渗、坑冻等性能提出了各种不同的要求，对施工速度、成本、综合稳定性有确定性的要求，促使设计人员研究新型混凝土材料来满足工程的各种需要。以下通过对湖北省鹤峰县咸盈河水电站大坝常态混凝土与堆石混凝土的设计对比来论述新型堆石混凝土在水电站中的应用。
1. 工程基本概况及设计过程
1.1 工程基本概况
咸盈河水电站位于鹤峰县邬阳乡境内，地处咸盈河流域的中游，该河为清江中游右岸一级支流。坝址以上控制流域面积170.5km2。咸盈河水电站东距清江水布垭电站约82km，南距鹤峰县城约67km，西距恩施州府约262km。
咸盈河水电站的正常蓄水位539.0m，总库容326.9万m3，电站装机容量为15MW，年发电量为4595.14万kW·h。本工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，溢洪道、进水口、冲砂放空闸及厂房等主要建筑物级别按4级设计，次要建筑物按5级设计。工程地震设防烈度为Ⅵ度。
大坝位于咸盈河和湾潭河交汇处下游130m处；大坝为混凝土重力坝，大坝建基面高程499.0m，坝顶高程543.5m，坝顶宽度4.0m，最大坝高44.5m，坝顶轴线长117.0m。大坝溢洪道为有闸控制的溢洪表孔，堰顶高程532.0m。泄洪表孔共3孔，每孔净宽12.0m，总净宽36.0m。堰面采用幂曲线，坝面泄流，挑流消能。坝后河床及两岸坡设C20钢筋混凝土护坦，长16m，厚2.0m，设锚筋锚固于河床基岩，岸坡护砌高程508.0m。
1.2 变更设计过程
咸盈河水电站大坝原设计为常态混凝土重力坝，堆石混凝土技术是一种新型的大体积混凝土施工技术，它首先将大粒径的块石（或卵石）自然堆放入仓，然后使用低水化热的专用自密实混凝土从堆石体表面倒入，使其依靠自重完全填充堆石的孔隙形成完整密实的堆石混凝土；该技术具有低水化热、低成本、工艺简便、施工快速、节能环保等特点。堆石混凝土技术已于2008年通过了水利部的科技成果鉴定，并获得了水利部新技术推广证书，已在国内二十余项工程中得到成功应用。这期间，业主考虑咸盈河水电站工程规模不大，为小（1）型，大坝为重力坝，筑坝材料为埋石混凝土，具备采用堆石混凝土的可行性。于是业主会同设计、施工开始对堆石混凝土技术进行研究，并2011年12月25日向省水利厅农电处、科技处提出了在咸盈河水电站大坝应用堆石混凝土技术的申请报告。
2. 堆石混凝土重力坝设计
原设计中坝体内部C20埋石混凝土、大坝基础C20常态混凝土均可变更为C20堆石混凝土，迎水面C25常态混凝土可替换为C20专用自密实混凝土，与坝体堆石混凝土一体化浇筑。采用专用自密实混凝土作为其防渗层，因此其抗渗等级应大于W6，底部厚度宜为0.6m，顶部厚度不应小于0.3m，宜配置温度钢筋，并做好分缝处理。由于自密实混凝土具有优良的抗渗性能，试验表明其抗渗性能远高于同标号的常态混凝土；同时自密实混凝土胶凝材料用量较高，其水化热和自生体积变形略高于常态混凝土，不适宜用于厚度较大的结构。因此，采用自密实混凝土作为防渗层材料时其厚度应低于常态混凝土，出于对温度裂缝的考虑宜配制温度钢筋并控制最大厚度，为了增强防渗层与坝体的连接宜设置插筋，结构如图3.1所示，施工方式如图2.1所示。该方案具有工艺简便、施工快速、抗渗性能好等特点，在已建堆石混凝土大坝中已使用并取得了良好的效果。
图3.2 专用SCC防渗面板结构示意图
图2.1 专用自密实混凝土防渗面板与堆石混凝土坝体一体化浇筑示意图
3. 变更设计方案与原方案比较
3.1 堆石混凝土造价对比
根据堆石混凝土技术特点及实际工程经验，坝体上游面设置顶部厚度为30cm，底部厚度为60cm的C9020自密实混凝土防渗面板（布设温度钢筋），其余各工程部位按照表3.1和表3.2所示替换成C9020堆石混凝土。
表3.1原设计方案中可替换的砼方量统计
表3.2堆石混凝土设计方案砼方量统计
根据上述堆石混凝土方案，将原方案中的部分埋石混凝土和常规混凝土替换为堆石混凝土和自密实混凝土。相应的堆石混凝土和自密实混凝土综合单价如表3.3所示。
表3.3堆石混凝土相关综合单价
综合单价计算表详见附件。
根据表3.3中堆石混凝土的相关综合单价和表3.2中堆石混凝土方案工程量，计算堆石混凝土方案工程量投资，如表3.4所示。
表3.4堆石混凝土设计方案及堆石砼方案费用
原埋石混凝土方案中被替换的埋石混凝土按照合同价格单方290.36元计算工程量费用，防渗面板常规混凝土按照合同价格单方530.65元计算工程量费用。
表3.5埋石混凝土设计方案及堆石砼方案费用
表3.3中堆石混凝土的相关综合单价和表3.2中堆石混凝土方案工程量，计算堆石混凝土方案投资为2004.01万元，如表3.4所示。计算埋石混凝土方案投资为2053.79万元，比堆石混凝土方案多花费49.78万元。
综合以上分析，整个大坝若采用堆石混凝土方案，比原方案节省投资49.78万元。
3.2 温控比较
堆石混凝土施工方案通过理论计算和工程经验，如2.2节中所述，堆石混凝土绝对温升不超过15℃，不必采取埋置冷却水管等复杂的温控措施，仅需采取简单的温控措施即可。产生的温控费用极小，可以忽略不计。即使在最热的7、8两个月可以在夜间继续浇筑堆石混凝土。埋石混凝土施工方案埋石率较堆石混凝土方案低，混凝土用量相应要大，水化热相应要高。从工程经验来看，埋石混凝土绝对温升一般大于25℃，根据施工计划，本工程大坝上升到516.0m后，在最热的7、8两个月埋石混凝土須停止施工。
3.3 堆石混凝土施工工效对比
1) 堆石入仓工效分析
原设计中准备了5辆10t的自卸汽车和15辆15t自卸汽车，按照料场距离4km估算，如使用10t和15t自卸汽车各5辆，则每小时可完成堆石入仓约75方。按照每天工作10h，每月25个有效工作日，则月堆石量约为18750方。
2)专用自密实混凝土生产浇筑工效分析
专用自密实混凝土的生产浇筑能力应与堆石入仓的速度相匹配，以每天混凝土生产有效时间10小时每月有效工作20日估算，专用自密实混凝土的生产浇筑能力应满足43 m3/小时。原设计配置了强制式搅拌站1座，型号为HZ50.0A，生产能力为50m3/h，完全能够匹配堆石的工效。
3) 堆石混凝土生产工效与进度分析
综合3.3.1和3.3.2节的分析，在保证汽车运输堆石入仓道路畅通和混凝土搅拌站正常运转的前提下，堆石混凝土的浇筑强度可以达到1.8万方/月左右，与原设计高峰月平均浇筑强度的1.2万方/月相比提高了50%，因此混凝土浇筑工期可缩短3个月，将浇筑至540m高程的时间缩短至第二年的7月。
3.5 比较结论
由于施工时（2012年汛前），大坝工期十分紧张，目前大坝已按照埋石石混凝土施工方案浇筑至516.0m，剩余埋石混凝土仅1.87万m³，从节约投资的角度来说，大坝变更为堆石混凝土方案意义不大。但堆石混凝土由于水化热较低，在气温较高时，可以继续进行大坝混凝土施工，施工速度也较快，可以缩短3个月。同时，堆石混凝土施工技术是第一次在我省应用，本变更若实施完成，可以较全面地了解和掌握堆石混凝土全过程施工技术，对该项技术今后在我省推广施工具有重要意义。因此，我院推荐将大坝剩余埋石混凝土部分变更为堆石混凝土。
目前咸盈河水电站已建成，大坝已过过蓄水安全鉴定，大坝运行状况良好。
4结语
由于该工程采用了堆石混凝土的施工，在施工时利用了大量堆石，混凝土中堆石的体积比例达到60%，充分利用初级开采的石料或者开挖料中的大块石，最大限度地降低了胶凝材料的用量。同时，通过合理的施工组织设计，对堆石混凝土施工主要的两道工序通过大规模的机械化施工来完成，减少了工人的参与，避免了人为的干扰。生产效率成倍提升的同时还降低了设备生产强度的要求。简化消除温控措施、混凝土生产运输浇筑量减半且无需振捣等都为加快建设速度、缩短工期提供了强有力的保证；堆石混凝土大量使用堆石减少胶凝材料用量，堆石混凝土的材料成本较常态混凝土有所降低；由于专用自密实混凝土的用量不高于45%，所以在混凝土生产、运输以及浇筑等工序的施工成本更能够显著降低；堆石混凝土施工机械化程度高，简化或消除了温控措施，浇筑过程免去了振捣工序减少了人工成本的投入。
堆石混凝土是由相互搭接的堆石骨架和用于胶结堆石的专用自密实混凝土构成的。堆石骨架在提高材料抗压、抗剪强度，抑制干缩变形，提高结构体积稳定性等方面都有着显著的效果；而专用自密实混凝土混凝土独特的设计与工艺，使其具有卓越的流动性能、充填性能和抗离析性能，在浇注过程中不离析不泌水既保证了专用自密实混凝土的充填均匀性，又避免了混凝土与骨料胶结面过渡区薄弱层的产生。
试验研究和工程应用证明：堆石混凝土容重通常可以达到2500kg/m3以上；各项力学性能均能满足设计要求，特别是在抗压、抗剪强度方面有足够的安全富余系数；抗渗性能方面堆石混凝土渗透系数可达到10-11m/s，工程钻孔压水检测透水率低于1Lu；在抑制收缩、抵抗开裂方面堆石混凝土在工程應用中也表现出了优异的性能。
堆石混凝土已在山西省晋城市围滩水电站、广东省中山市长坑三级水库重建工程、大渡河沙坪二级水电站和雅鲁藏布江藏木水电站工程工程中得到应用，经过多年洪水考验证实是安全可靠的，因此在一定条件下采用堆石混凝土修建重力坝具有实用意义和推广意义。
关键词：重力坝 堆石混凝土推广意义
中图分类号： TV331 文献标识码： A
0引 言
随着我国经济的高速发展，混凝土材料被泛应用于水利水电工程当中，其服伇期间的环境复杂多变，对混凝土的强度、抗渗、坑冻等性能提出了各种不同的要求，对施工速度、成本、综合稳定性有确定性的要求，促使设计人员研究新型混凝土材料来满足工程的各种需要。以下通过对湖北省鹤峰县咸盈河水电站大坝常态混凝土与堆石混凝土的设计对比来论述新型堆石混凝土在水电站中的应用。
1. 工程基本概况及设计过程
1.1 工程基本概况
咸盈河水电站位于鹤峰县邬阳乡境内，地处咸盈河流域的中游，该河为清江中游右岸一级支流。坝址以上控制流域面积170.5km2。咸盈河水电站东距清江水布垭电站约82km，南距鹤峰县城约67km，西距恩施州府约262km。
咸盈河水电站的正常蓄水位539.0m，总库容326.9万m3，电站装机容量为15MW，年发电量为4595.14万kW·h。本工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，溢洪道、进水口、冲砂放空闸及厂房等主要建筑物级别按4级设计，次要建筑物按5级设计。工程地震设防烈度为Ⅵ度。
大坝位于咸盈河和湾潭河交汇处下游130m处；大坝为混凝土重力坝，大坝建基面高程499.0m，坝顶高程543.5m，坝顶宽度4.0m，最大坝高44.5m，坝顶轴线长117.0m。大坝溢洪道为有闸控制的溢洪表孔，堰顶高程532.0m。泄洪表孔共3孔，每孔净宽12.0m，总净宽36.0m。堰面采用幂曲线，坝面泄流，挑流消能。坝后河床及两岸坡设C20钢筋混凝土护坦，长16m，厚2.0m，设锚筋锚固于河床基岩，岸坡护砌高程508.0m。
1.2 变更设计过程
咸盈河水电站大坝原设计为常态混凝土重力坝，堆石混凝土技术是一种新型的大体积混凝土施工技术，它首先将大粒径的块石（或卵石）自然堆放入仓，然后使用低水化热的专用自密实混凝土从堆石体表面倒入，使其依靠自重完全填充堆石的孔隙形成完整密实的堆石混凝土；该技术具有低水化热、低成本、工艺简便、施工快速、节能环保等特点。堆石混凝土技术已于2008年通过了水利部的科技成果鉴定，并获得了水利部新技术推广证书，已在国内二十余项工程中得到成功应用。这期间，业主考虑咸盈河水电站工程规模不大，为小（1）型，大坝为重力坝，筑坝材料为埋石混凝土，具备采用堆石混凝土的可行性。于是业主会同设计、施工开始对堆石混凝土技术进行研究，并2011年12月25日向省水利厅农电处、科技处提出了在咸盈河水电站大坝应用堆石混凝土技术的申请报告。
2. 堆石混凝土重力坝设计
原设计中坝体内部C20埋石混凝土、大坝基础C20常态混凝土均可变更为C20堆石混凝土，迎水面C25常态混凝土可替换为C20专用自密实混凝土，与坝体堆石混凝土一体化浇筑。采用专用自密实混凝土作为其防渗层，因此其抗渗等级应大于W6，底部厚度宜为0.6m，顶部厚度不应小于0.3m，宜配置温度钢筋，并做好分缝处理。由于自密实混凝土具有优良的抗渗性能，试验表明其抗渗性能远高于同标号的常态混凝土；同时自密实混凝土胶凝材料用量较高，其水化热和自生体积变形略高于常态混凝土，不适宜用于厚度较大的结构。因此，采用自密实混凝土作为防渗层材料时其厚度应低于常态混凝土，出于对温度裂缝的考虑宜配制温度钢筋并控制最大厚度，为了增强防渗层与坝体的连接宜设置插筋，结构如图3.1所示，施工方式如图2.1所示。该方案具有工艺简便、施工快速、抗渗性能好等特点，在已建堆石混凝土大坝中已使用并取得了良好的效果。
图3.2 专用SCC防渗面板结构示意图
图2.1 专用自密实混凝土防渗面板与堆石混凝土坝体一体化浇筑示意图
3. 变更设计方案与原方案比较
3.1 堆石混凝土造价对比
根据堆石混凝土技术特点及实际工程经验，坝体上游面设置顶部厚度为30cm，底部厚度为60cm的C9020自密实混凝土防渗面板（布设温度钢筋），其余各工程部位按照表3.1和表3.2所示替换成C9020堆石混凝土。
表3.1原设计方案中可替换的砼方量统计
表3.2堆石混凝土设计方案砼方量统计
根据上述堆石混凝土方案，将原方案中的部分埋石混凝土和常规混凝土替换为堆石混凝土和自密实混凝土。相应的堆石混凝土和自密实混凝土综合单价如表3.3所示。
表3.3堆石混凝土相关综合单价
综合单价计算表详见附件。
根据表3.3中堆石混凝土的相关综合单价和表3.2中堆石混凝土方案工程量，计算堆石混凝土方案工程量投资，如表3.4所示。
表3.4堆石混凝土设计方案及堆石砼方案费用
原埋石混凝土方案中被替换的埋石混凝土按照合同价格单方290.36元计算工程量费用，防渗面板常规混凝土按照合同价格单方530.65元计算工程量费用。
表3.5埋石混凝土设计方案及堆石砼方案费用
表3.3中堆石混凝土的相关综合单价和表3.2中堆石混凝土方案工程量，计算堆石混凝土方案投资为2004.01万元，如表3.4所示。计算埋石混凝土方案投资为2053.79万元，比堆石混凝土方案多花费49.78万元。
综合以上分析，整个大坝若采用堆石混凝土方案，比原方案节省投资49.78万元。
3.2 温控比较
堆石混凝土施工方案通过理论计算和工程经验，如2.2节中所述，堆石混凝土绝对温升不超过15℃，不必采取埋置冷却水管等复杂的温控措施，仅需采取简单的温控措施即可。产生的温控费用极小，可以忽略不计。即使在最热的7、8两个月可以在夜间继续浇筑堆石混凝土。埋石混凝土施工方案埋石率较堆石混凝土方案低，混凝土用量相应要大，水化热相应要高。从工程经验来看，埋石混凝土绝对温升一般大于25℃，根据施工计划，本工程大坝上升到516.0m后，在最热的7、8两个月埋石混凝土須停止施工。
3.3 堆石混凝土施工工效对比
1) 堆石入仓工效分析
原设计中准备了5辆10t的自卸汽车和15辆15t自卸汽车，按照料场距离4km估算，如使用10t和15t自卸汽车各5辆，则每小时可完成堆石入仓约75方。按照每天工作10h，每月25个有效工作日，则月堆石量约为18750方。
2)专用自密实混凝土生产浇筑工效分析
专用自密实混凝土的生产浇筑能力应与堆石入仓的速度相匹配，以每天混凝土生产有效时间10小时每月有效工作20日估算，专用自密实混凝土的生产浇筑能力应满足43 m3/小时。原设计配置了强制式搅拌站1座，型号为HZ50.0A，生产能力为50m3/h，完全能够匹配堆石的工效。
3) 堆石混凝土生产工效与进度分析
综合3.3.1和3.3.2节的分析，在保证汽车运输堆石入仓道路畅通和混凝土搅拌站正常运转的前提下，堆石混凝土的浇筑强度可以达到1.8万方/月左右，与原设计高峰月平均浇筑强度的1.2万方/月相比提高了50%，因此混凝土浇筑工期可缩短3个月，将浇筑至540m高程的时间缩短至第二年的7月。
3.5 比较结论
由于施工时（2012年汛前），大坝工期十分紧张，目前大坝已按照埋石石混凝土施工方案浇筑至516.0m，剩余埋石混凝土仅1.87万m³，从节约投资的角度来说，大坝变更为堆石混凝土方案意义不大。但堆石混凝土由于水化热较低，在气温较高时，可以继续进行大坝混凝土施工，施工速度也较快，可以缩短3个月。同时，堆石混凝土施工技术是第一次在我省应用，本变更若实施完成，可以较全面地了解和掌握堆石混凝土全过程施工技术，对该项技术今后在我省推广施工具有重要意义。因此，我院推荐将大坝剩余埋石混凝土部分变更为堆石混凝土。
目前咸盈河水电站已建成，大坝已过过蓄水安全鉴定，大坝运行状况良好。
4结语
由于该工程采用了堆石混凝土的施工，在施工时利用了大量堆石，混凝土中堆石的体积比例达到60%，充分利用初级开采的石料或者开挖料中的大块石，最大限度地降低了胶凝材料的用量。同时，通过合理的施工组织设计，对堆石混凝土施工主要的两道工序通过大规模的机械化施工来完成，减少了工人的参与，避免了人为的干扰。生产效率成倍提升的同时还降低了设备生产强度的要求。简化消除温控措施、混凝土生产运输浇筑量减半且无需振捣等都为加快建设速度、缩短工期提供了强有力的保证；堆石混凝土大量使用堆石减少胶凝材料用量，堆石混凝土的材料成本较常态混凝土有所降低；由于专用自密实混凝土的用量不高于45%，所以在混凝土生产、运输以及浇筑等工序的施工成本更能够显著降低；堆石混凝土施工机械化程度高，简化或消除了温控措施，浇筑过程免去了振捣工序减少了人工成本的投入。
堆石混凝土是由相互搭接的堆石骨架和用于胶结堆石的专用自密实混凝土构成的。堆石骨架在提高材料抗压、抗剪强度，抑制干缩变形，提高结构体积稳定性等方面都有着显著的效果；而专用自密实混凝土混凝土独特的设计与工艺，使其具有卓越的流动性能、充填性能和抗离析性能，在浇注过程中不离析不泌水既保证了专用自密实混凝土的充填均匀性，又避免了混凝土与骨料胶结面过渡区薄弱层的产生。
试验研究和工程应用证明：堆石混凝土容重通常可以达到2500kg/m3以上；各项力学性能均能满足设计要求，特别是在抗压、抗剪强度方面有足够的安全富余系数；抗渗性能方面堆石混凝土渗透系数可达到10-11m/s，工程钻孔压水检测透水率低于1Lu；在抑制收缩、抵抗开裂方面堆石混凝土在工程應用中也表现出了优异的性能。
堆石混凝土已在山西省晋城市围滩水电站、广东省中山市长坑三级水库重建工程、大渡河沙坪二级水电站和雅鲁藏布江藏木水电站工程工程中得到应用，经过多年洪水考验证实是安全可靠的，因此在一定条件下采用堆石混凝土修建重力坝具有实用意义和推广意义。