混凝土厚層碾壓技術(shù)在韓江高陂水利樞紐工程中的應(yīng)用

石愛軍，汪永劍，丁仕輝，李 科，謝祥明，曾禮成，姚楚康

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340；2.廣東省水利水電工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511340)

受碾壓設(shè)備和壓實度檢測儀器的制約，碾壓混凝土(簡稱RCC)壩常規(guī)施工均采用鋪料厚約35 cm、壓實厚約30 cm的薄層碾壓工藝，其壓實厚度小、層縫面(為壩體薄弱面)數(shù)量多、溫度回升大，影響施工效率和溫控效果。為突破RCC壩常規(guī)碾壓層厚的限制，加快RCC施工速度，提高壩體施工質(zhì)量，推進(jìn)RCC筑壩技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，在國內(nèi)RCC壩科研、設(shè)計、施工專家的推動下，自2006—2011年引進(jìn)國外碾壓設(shè)備和壓實度檢測儀器進(jìn)行50～100 cm厚混凝土碾壓試驗[1-8]，取得了豐富的試驗成果，也暴露了購置國外碾壓設(shè)備和壓實度檢測儀器進(jìn)行混凝土厚層碾壓施工存在的困難和不足。為克服應(yīng)用國外碾壓設(shè)備和壓實度檢測儀器的不足，聯(lián)合國內(nèi)混凝土碾壓設(shè)備及混凝土壓實度檢測儀器生產(chǎn)廠家，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的雙鋼輪垂直振動碾[9-10]和能夠檢測60 cm厚混凝土壓實度的儀器，于2013年在貴州松桃鹽井水利樞紐工程的工地上，進(jìn)行了60 cm厚混凝土碾壓工藝試驗，實體取芯檢測結(jié)果表明，國產(chǎn)垂直振動碾能夠壓實60 cm厚混凝土，國產(chǎn)壓實度檢測儀能夠檢測60 cm厚混凝土的壓實度[11-12]。為推動混凝土厚層碾壓技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展，于2017年底至2018年初在廣東梅州市韓江高陂水利樞紐工程的臨時設(shè)施場地，采用上述國產(chǎn)垂直振動碾及壓實度檢測儀器，基于工程應(yīng)用的混凝土材料和配合比，進(jìn)行了50、60 cm層厚混凝土碾壓工藝試驗，試驗成果的評審(2019年3月16日)和驗收(2019年10月29日)專家組，建議混凝土厚層碾壓工藝在韓江高陂水利樞紐工程的RCC重力壩上應(yīng)用。

1 混凝土厚層碾壓工藝試驗

1.1 厚層碾壓設(shè)備及壓實度檢測儀[11-12]

混凝土碾壓設(shè)備采用國內(nèi)廠家具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LDV 150型雙鋼輪垂直振動碾，其主要性能指標(biāo)見表1?；炷翂簩嵍葯z測采用國內(nèi)廠家生產(chǎn)、能檢測30～60 cm深混凝土壓實度的HSMD-2002S型核子快速密度儀，采用伽馬線透射式方法測定，其主要性能見表2。為驗證HSMD-2002S型核子快速密度儀的準(zhǔn)確性，采用MC-4C型常規(guī)核子密度儀進(jìn)行表層30 cm混凝土壓實度對比檢測。

1.2 RCC配合比

厚層碾壓工藝試驗采用韓江高陂水利樞紐工程使用的C9010W2三級配RCC，其配合比見表3。

表1 LDV150型垂直振動碾主要性能

表2 HSMD-2002S型核子快速密度儀性能

表3 試驗用RCC配合比 單位：kg/m3

1.3 壓實度檢測儀器標(biāo)定

采用試驗用C9010W2三級配RCC(實測VC值4.6 s)制作標(biāo)定塊，標(biāo)定塊設(shè)2個標(biāo)定孔(圖1)，1個孔深30 cm，用于標(biāo)定MC-4C型核子密度儀；1個孔深61 cm，用于標(biāo)定HSMD-2002S型快速核子密度儀。標(biāo)定方法參照文獻(xiàn)[13]的要求進(jìn)行，其中HSMD-2002S型快速核子密度儀對30、40、50、60 cm 4個深度的壓實度進(jìn)行測量，不同深度每次測量東、南、西、北4個方位的壓實度，每次測量的壓實度代表值取東、南、西、北4個方位測值的平均值；30、40、50、60 cm 4個深度的壓實度測12次，每個深度的壓實度代表值取12次的平均值。

圖1 標(biāo)定塊及其孔位

MC-4C型核子密度儀經(jīng)標(biāo)定后測量誤差為0.3%，HSMD-2002S型快速核子密度儀經(jīng)標(biāo)定后30、40、50、60 cm 4個深度測量誤差分別為-0.03%、0.50%、-0.43%、0.11%。2種儀器經(jīng)標(biāo)定后測量誤差均小于1%，標(biāo)定合格[13]。

1.4 混凝土厚層碾壓試驗設(shè)計

混凝土碾壓試驗場地布置在高陂水利樞紐工程左岸木工廠附近，為方便混凝土入倉且不影響場地后續(xù)使用，將原地面挖低1.2 m形成基坑，基坑平面尺寸約23 m×15 m，平整后用振動碾碾壓密實，并澆筑20 cm厚C15混凝土墊層；然后在基坑內(nèi)安裝鋼模，模板圍封平面尺寸為22 m×14 m(高1.5 m)。

碾壓試驗體(圖2)沿寬度方向分6個條帶，每個條帶寬2 m，上、下二層；第1—3條帶，上、下二層混凝土壓實厚度均為50 cm，各條帶碾壓遍數(shù)分別為2+6+2(即先靜壓2遍，再振碾6遍，最后靜壓2遍，下同)、2+8+2、2+10+2；第4—6條帶，上、下二層混凝土壓實厚度均為60 cm，各條帶碾壓遍數(shù)分別為2+6+2、2+8+2、2+10+2；四周澆筑機制變態(tài)混凝土。

a)平面布置

b)分層(A-A剖面)

1.5 混凝土厚層碾壓試驗

1.5.1試驗工藝參數(shù)

RCC在工地2號拌和站(配1臺強制式4 m3攪拌機)攪拌，單次攪拌量為3 m3，各種材料投料順序和攪拌時間為：投入水泥+煤灰+水+外加劑+氧化鎂+砂，攪拌30 s，再投入粗骨料(小石+中石+大石)攪拌90 s，總攪拌時間為120 s?；炷敛捎?臺15 t自卸汽車運輸，運輸距離約1 km。

采用平層鋪料法，自卸汽車倒退進(jìn)倉卸料，小型反鏟挖掘機平倉。當(dāng)壓實厚度為50 cm時，平倉厚度58 cm；當(dāng)壓實厚度為60 cm時，平倉厚度70 cm；在模板上用油漆畫出攤鋪層面線，按層面線控制平倉，用全站儀全程跟蹤測量，確保平倉厚度符合要求。

采用LDV150型垂直振動碾碾壓，碾壓速度控制在1.0～1.5 km/h。碾壓條帶搭接寬度10～20 cm。碾壓遍數(shù)2+6+2～2+10+2遍(圖2b)。RCC攤鋪平倉后即碾壓，終凝后采用澆水、噴霧方式保濕養(yǎng)護(hù)28 d。

1.5.2試驗檢測結(jié)果及分析

工藝試驗時，對混凝土拌和物VC值損失、混凝土壓實度進(jìn)行檢測。混凝土達(dá)到90 d齡期時，在混凝土試驗體上鉆孔取芯制作試件，進(jìn)行混凝土壓實度、抗壓及抗?jié)B強度檢測。

a)VC值損失檢測。在第一層1—3條帶取1組試樣按文獻(xiàn)[14]的方法進(jìn)行VC值損失檢測，室內(nèi)檢測結(jié)果見表4。1.5 h后在碾壓現(xiàn)場對該混凝土進(jìn)行檢測，測得其VC值為7.8 s；從室內(nèi)和現(xiàn)場檢測結(jié)果可知，相同的混凝土拌和物，在現(xiàn)場1.5 h后VC值損失2.6 s，室內(nèi)2 h損失2.2 s，即現(xiàn)場損失比室內(nèi)大，因此，4～6 h之間現(xiàn)場損失的VC值比32.1 s要大，超過4 h后RCC泛漿及層間結(jié)合性能將較差。

表4 VC值損失檢測結(jié)果

b)壓實度檢測。采用HSMD-2002S型核子快速密度儀檢測，每個條帶檢測6點(測點布置見圖2a)。壓實厚50 cm的混凝土檢測深度分別為30、40、50 cm，壓實厚60 cm的混凝土檢測深度分別為30、40、50、60 cm；表層30 cm混凝土壓實度(6個條帶共36點)同時采用常規(guī)核子密度儀進(jìn)行對比檢測，以進(jìn)一步驗證HSMD-2002S型儀器的可靠性。檢測結(jié)果見圖3、4。

從圖3可知，壓實層厚50、60 cm時，不同深度混凝土壓實度碾壓2+8+2遍時最大(僅60 cm壓實層厚表層30 cm碾壓2+10+2遍最大)，且均超過97%，即最佳壓實遍數(shù)為2+8+2。

a)50 cm壓實層厚

b)60 cm壓實層厚

a)50 cm壓實層厚

b)60 cm壓實層厚

從試驗結(jié)果可知，MC-4型儀器和HSMD-2002S型儀器檢測表面30 cm深36個相同位置混凝土壓實度時，MC-4型儀器測得平均值為98.8%，HSMD-2002S型儀器測得平均值為98.3%，即相同點位混凝土的壓實度平均值，2種儀器誤差僅為0.5%，在允許范圍內(nèi)；且HSMD-2002S型儀器測值比MC-4型儀器測值普遍要小(圖4)，即采用HSMD-2002S型儀器檢測在質(zhì)量上更有保障。

混凝土碾壓90 d后，在碾壓試驗體中儀器檢測壓實度最優(yōu)的第2、5條帶取芯，實測混凝土密度計算出壓實度。第2條帶(壓實層厚50 cm)15個芯樣，壓實度最小97.0%，最大98.3%，平均97.5%；第5條帶(壓實層厚60 cm)12個芯樣，壓實度最小97.1%，最大99.5%，平均97.7%。取芯檢測結(jié)果進(jìn)一步證實LDV150型垂直振動碾能夠?qū)?0、60 cm厚的混凝土碾壓到符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

c)抗壓強度及抗?jié)B性能檢測。在現(xiàn)場碾壓試驗實體中壓實度最優(yōu)的第2、5條帶取芯進(jìn)行90 d抗壓強度、抗?jié)B性能檢測，檢測結(jié)果見表5。從檢測結(jié)果可知，RCC試件及實體的抗壓、抗?jié)B強度均符合C9010W2設(shè)計等級的要求。

表5 RCC抗壓強度及抗?jié)B性能檢測結(jié)果

2 厚層碾壓工藝最佳參數(shù)

基于厚層碾壓試驗時所采用的高陂水利樞紐工程混凝土原材料及配合比，LDV150型垂直振動碾壓實60 cm厚RCC最佳的工藝參數(shù)為：鋪料厚70 cm，碾壓2+8+2遍，條帶搭接寬10～20 cm，碾壓速度1.0～1.5 km/h；壓實50 cm厚RCC最佳的工藝參數(shù)為：鋪料厚58 cm,碾壓2+8+2遍，條帶搭接寬10～20 cm,碾壓速度1.0～1.5 km/h。

混凝土壓實度檢測采用HSMD-2002S型核子快速密度儀，混凝土鋪料間歇時間控制在4 h以內(nèi)。

3 厚層碾壓施工技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程簡介

韓江高陂水利樞紐是以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、航運等綜合利用的大(2)型工程，由右岸發(fā)電廠房、魚道、排漂孔、河中18孔泄水閘、左岸船閘，左、右岸混凝土重力壩及變電站等組成。泄水閘堰頂基本與河床齊平，堰體采用RCC結(jié)構(gòu)，最大壩高50.0 m。兩岸的連接建筑物為RCC重力壩，左岸重力壩長103.0 m，最大壩高36.5 m，右岸重力壩7個壩段(其中6個壩段長20.0 m，1個壩段長13.5 m，壩段編號從左至右依次1—7號)長133.5 m，最大壩高46.0 m，壩頂高程▽49.0。

混凝土厚層碾壓技術(shù)應(yīng)用部位為二期工程右岸重力壩▽46.0～▽48.0高程，壩長133.5 m，寬7 m，混凝土工程量為1 869 m3(其中RCC 1 369 m3，變態(tài)混凝土500 m3)。

3.2 工程應(yīng)用

由于應(yīng)用部位狹長，不能滿足多輛混凝土運輸車同時入倉，且運輸車輛無法在倉面轉(zhuǎn)彎掉頭，影響混凝土運輸速度，如采用通倉平層鋪料法施工，則難以將混凝土層間間歇時間控制在4 h內(nèi)，因此采用斜層鋪料法施工。厚層碾壓施工壩塊高2 m(▽46.0～▽48.0)、斜層坡度1∶10，倉面寬度7 m(其中上、下游壩面各1 m變態(tài)混凝土)，根據(jù)混凝土生產(chǎn)能力，確定斜層壓實層厚50 cm，每層混凝土70 m3(其中RCC 50 m3)。

混凝土采用厚層碾壓試驗時的拌和站及拌和工藝生產(chǎn)，由5臺15 t自卸車運輸(運距約2 km)，自卸車倒退進(jìn)倉卸料，PC70小型反鏟挖掘機平倉，鋪料厚58 cm。LDV150型垂直振動碾碾壓，碾壓遍數(shù)2+8+2遍，碾壓速度1.0～1.5 km/h。碾壓條帶搭接寬度10～20 cm，端頭搭接寬度2 m。采用HSMD-2002S型儀器檢測混凝土壓實度(圖5)，每個孔位檢測30、40、50 cm 3個深度壓實度。

圖5 壩體壓實度檢測

變態(tài)混凝土采用機制，運至倉面和RCC同步澆筑，厚度與碾壓厚度一致。采用φ100型高頻振搗棒振搗，振搗時垂直插入變態(tài)混凝土，振搗間距不超過50 cm，當(dāng)層面連續(xù)上升時，插入下層變態(tài)混凝土5 ～10 cm。變態(tài)混凝土澆筑前在相鄰的RCC上先覆蓋一層水泥凈漿。各壩段間結(jié)構(gòu)縫采用先鋪后切方式成縫。當(dāng)天氣熱，RCC表面水分散發(fā)快時，在倉面噴霧保持濕潤。

3.3 應(yīng)用效果

現(xiàn)場壓實度檢測：因混凝土斜層鋪料，有些部位壓實層厚不足40、50 cm，壓實度僅能檢測30 cm或40 cm深。壓實度檢測結(jié)果見表6。

表6 HSMD-2002S型儀器檢測壩體厚層RCC壓實度數(shù)值

壩體取芯檢測：原計劃混凝土澆筑后90 d取芯，因受春節(jié)、新型冠狀病毒肺炎疫情及工程防洪度汛施工等因素影響，導(dǎo)致實際芯樣檢測齡期達(dá)235 d?；炷列緲釉?、2、3號壩段鉆取，進(jìn)行滲透性、密度(壓實度)、抗壓、抗?jié)B強度檢測。其中壓水試驗透水率1號壩段為0.975 Lu、2號壩段0.955 Lu、3號壩段為1.035 Lu，平均0.988 Lu，基本滿足小于1.0 Lu的質(zhì)量要求；芯樣抗?jié)B強度等級在1—3號壩段各成型試件1組，抗?jié)B強度分別為W4、W4、W2，達(dá)到設(shè)計要求的W2要求；芯樣抗壓強度在1—3號壩段共成型試件8塊，最大強度17.7 MPa，最小強度13.2 MPa,平均強度15.4 MPa，滿足設(shè)計的C10要求；在1—3號共成型26塊芯樣試件進(jìn)行壓實度檢測，最大102.1%，最小壓實度97.0%，平均99.3%，壓實度全部大于97.0%，符合質(zhì)量要求[6-15]。

4 結(jié)語

a) RCC厚層碾壓試驗體和工程應(yīng)用實體的檢測結(jié)果表明，在合適的碾壓工藝參數(shù)時，國產(chǎn)LDV150型垂直振動碾能夠?qū)?0 cm及以下層厚RCC壓實；國產(chǎn)HSMD-2002S型核子快速密度儀檢測誤差小于相關(guān)規(guī)程要求，能夠用于60 cm及以下層厚RCC壓實度檢測。

b)混凝土50、60 cm厚層碾壓與常規(guī)30 cm薄層碾壓相比，效率高，混凝土澆筑強度大，為防止因供料不及時使層間間隔時間長，混凝土VC值損失大，導(dǎo)致層間結(jié)合不良，現(xiàn)場需配備合適生產(chǎn)能力的拌和樓(站)、合適運輸和入倉能力的設(shè)備以及較強生產(chǎn)組織協(xié)調(diào)能力的指揮人員。同時，厚層RCC配合比應(yīng)合理適用，原材料質(zhì)量應(yīng)滿足相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

c)國產(chǎn)的RCC碾壓設(shè)備和壓實度檢測儀器，能夠用于壓實和檢測超過30 cm厚(常規(guī)薄層壓實厚度)RCC，為解除工程參建單位相關(guān)人員對應(yīng)用新技術(shù)無相應(yīng)規(guī)程規(guī)范支撐的后顧之憂，建議制訂混凝土厚層碾壓施工相關(guān)技術(shù)規(guī)范，指導(dǎo)混凝土厚層碾壓施工，推動RCC筑壩技術(shù)的發(fā)展。