堆石混凝土在延慶賽區(qū)造雪引水工程中的應(yīng)用

李 琦，俞維民，鄧文業(yè)

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，湖北 武漢 430010；2.長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010；3.福建省金鷹建設(shè)工程有限公司，福建 漳州 363100)

0 引言

2022年冬奧會(huì)及冬殘奧會(huì)延慶賽區(qū)，即國(guó)家高山滑雪中心，位于北京市延慶區(qū)張山營(yíng)鎮(zhèn)小海陀山地區(qū)。延慶賽區(qū)造雪引水系統(tǒng)是國(guó)家高山滑雪中心的重要組成部分，通過(guò)新建塘壩、水池、泵站、輸水管線，將外部調(diào)水輸送到造雪系統(tǒng)前調(diào)蓄水池，為國(guó)家高山滑雪中心的順利造雪提供水源保障。工程范圍包括1290m高程蓄水池、1050m高程塘壩及泵站、900m高程塘壩及泵站、調(diào)水輸水管線、基流輸水管線等。

1050m高程塘壩、900m高程塘壩采用了堆石混凝土。本文以1050m高程塘壩為例介紹堆石混凝土應(yīng)用。1050m高程塘壩在海拔高程1050m附近佛峪口溝左側(cè)一支溝上修建，用于調(diào)蓄通過(guò)管廊輸送到賽區(qū)的造雪用水。水庫(kù)總庫(kù)容9.9萬(wàn)m3，正常蓄水位以下庫(kù)容9.3萬(wàn)m3，死庫(kù)容0.15萬(wàn)m3。1050m塘壩是冬奧供水的主干建筑物之一，主要擋水建筑物為堆石混凝土重力壩，最大壩高為58m，建筑物等級(jí)為3級(jí)。1050m高程塘壩混凝土總量52330m3，其中C15堆石混凝土38885m3。

為確保2019年冬季滑雪測(cè)試賽的按期舉行，采用了3m厚層RFC澆筑工藝[1]，只用5.1個(gè)月時(shí)間完成全壩混凝土澆筑。堆石混凝土快速筑壩技術(shù)在1050m高程塘壩得到了充分展現(xiàn)。

1 宜材適構(gòu)的工程設(shè)計(jì)

(1)1050m塘壩位于奧運(yùn)村以北佛峪口溝左側(cè)一支溝，屬于中山狹谷地貌。該溝谷主要走向NE，屬于“V”形谷，溝谷長(zhǎng)約3.4km，谷底縱坡約18.8%，流域面積約1.7km2。壩址處溝谷地面高程約1005～1020m，溝谷兩側(cè)山體形態(tài)不對(duì)稱。兩岸山體巖性以燕山晚期侵入花崗巖為主。

(2)由于1050m高程塘壩庫(kù)區(qū)為小支溝，庫(kù)容較小，而土石壩體積較大，若采用土石壩壩型則會(huì)進(jìn)一步縮小庫(kù)容，無(wú)法滿足調(diào)蓄容量要求。本工程位于松山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)周邊，生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求較高。若采用土石壩壩型，大量土石料開(kāi)挖會(huì)破壞山體，污染環(huán)境。所以不適合土石壩壩型。

(3)混凝土壩為大體積混凝土，若采用常規(guī)混凝土筑壩，為減少水化熱需采用三級(jí)配或四級(jí)配大骨料，且應(yīng)增加骨料預(yù)冷、加冰拌和、壩體通水冷卻等溫控措施。由于拌和系統(tǒng)粉塵、污水、噪音排放較大，出于環(huán)境保護(hù)的要求，工程區(qū)內(nèi)不允許新建拌和樓。工程區(qū)周邊現(xiàn)有拌和樓只能生產(chǎn)二級(jí)配以下常溫混凝土，即城市建設(shè)中常用規(guī)格的混凝土。對(duì)現(xiàn)有拌和樓進(jìn)行改建、擴(kuò)建以增加大骨料預(yù)冷混凝土拌制功能不切合實(shí)際，且難以通過(guò)審批。工程區(qū)為干旱缺水地區(qū)，唯一的水源是佛峪口溝水，為保證佛峪口溝的生態(tài)流量，禁止從溝中取水。施工用水需從工程區(qū)10km外用酒水車運(yùn)達(dá)。如果實(shí)施壩體通水冷卻，需安裝冷水機(jī)組，并大幅增加施工用水，從而增加施工成本。所以不適合常規(guī)混凝土壩型。

(4)堆石混凝土是利用高自密實(shí)性能混凝土填注堆石體的空隙，形成完整、密實(shí)、具有設(shè)計(jì)強(qiáng)度的大體積混凝土，是一種新型筑壩材料。依據(jù)SL 678—2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》，堆石混凝土有足夠的強(qiáng)度和抗凍抗?jié)B性能，適用于中小型水利水電工程，一般壩高在70m以下，超過(guò)70m時(shí)須進(jìn)行專題論證；堆石混凝土由于膠凝材料用量低，絕熱溫升低，可不采用預(yù)冷骨料、加冰拌和、壩內(nèi)埋冷卻水管等溫控措施[2]。本工程為庫(kù)容小于10萬(wàn)m3的塘壩工程，且最大壩高為58m，可直接采用堆石混凝土。本工程壩基開(kāi)挖可獲得質(zhì)地較好的花崗巖大塊石，用作堆石體，不足部分可從工程區(qū)外的采石場(chǎng)購(gòu)買。高自密實(shí)性能混凝土屬于一級(jí)配常溫混凝土，工程區(qū)周邊現(xiàn)有拌和樓可以生產(chǎn)。根據(jù)建筑物功能要求，壩址區(qū)的地形、地質(zhì)條件，以及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，設(shè)計(jì)選用堆石混凝土重力壩壩型。

(5)壩體中間主體部分采用C15(R90W4F150)堆石混凝土。為增強(qiáng)壩體穩(wěn)定和抗?jié)B性能，壩基墊層采用2m厚C25(R90W10F300)二級(jí)配素混凝土，迎水面、背水坡均采用1m厚C25(R90W10F300)二級(jí)配鋼筋混凝土面板。迎水面1020m高程以上為直立面，迎水面1020m高程以下為1∶0.20坡面。背水面1043m高程以下為1∶0.75坡面，背水面1043m高程以上由圓弧過(guò)渡到直立面。壩頂長(zhǎng)度77m，壩頂寬度5m，不設(shè)縱縫，設(shè)2條橫縫，分3個(gè)壩段。壩面不過(guò)流，水庫(kù)通過(guò)溢洪豎井和溢洪洞溢流。

2 快速高效的壩體施工

2.1 澆筑層厚選擇

2.1.1生產(chǎn)性試驗(yàn)開(kāi)展

2019年4月23日，1050塘壩建基面通過(guò)聯(lián)合驗(yàn)收，具備首倉(cāng)混凝土備倉(cāng)條件。由于測(cè)試賽的要求，1050塘壩混凝土必須在2019年9月底完工。僅5個(gè)多月時(shí)間需完成58m壩高的混凝土澆筑，壩體平均每月上升高度將超過(guò)11m，工期非常緊。技術(shù)導(dǎo)則中建議堆石鋪填分層厚度宜為1.5～2.0m，因?yàn)閷雍翊笥?m的工程經(jīng)驗(yàn)不多[2]。若按此厚度施工難以按期完成。為提高堆石混凝土壩的施工速度，需開(kāi)展生產(chǎn)性試驗(yàn)，研究在不影響質(zhì)量、安全的前提下提高堆石混凝土升層厚度的可行性。

選擇最初施工的3倉(cāng)堆石混凝土作為試驗(yàn)倉(cāng)，升層厚度分別設(shè)置為2.0、2.5、3.0m。通過(guò)對(duì)其密實(shí)度和綜合性能的原位檢測(cè)、對(duì)比與評(píng)價(jià)，論證厚層澆筑工藝的可行性。此外，通過(guò)試驗(yàn)倉(cāng)澆筑，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的生產(chǎn)效率、機(jī)械人工配置等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)進(jìn)度計(jì)劃安排提供依據(jù)，為測(cè)算堆石混凝土施工綜合成本提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為壩體正式施工奠定基礎(chǔ)。

2.1.2試驗(yàn)倉(cāng)的質(zhì)量驗(yàn)證

試驗(yàn)倉(cāng)澆筑時(shí)，在倉(cāng)面埋設(shè)土壓力盒，測(cè)量高自密實(shí)性能混凝土在澆筑過(guò)程中對(duì)倉(cāng)面作用力變化情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析倉(cāng)面澆筑混凝土的密實(shí)度及澆筑質(zhì)量。預(yù)埋壩體溫度計(jì)對(duì)堆石混凝土內(nèi)部水化溫升進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到堆石混凝土試驗(yàn)段水化溫升的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

堆石混凝土硬化后進(jìn)行鉆孔檢測(cè)，主要包括壓水試驗(yàn)、孔內(nèi)電視、孔內(nèi)聲波及混凝土芯樣檢測(cè)?？傘@孔長(zhǎng)度為30m，壓水試驗(yàn)檢測(cè)堆石混凝土抗?jié)B性，孔內(nèi)電視、孔內(nèi)超聲波檢測(cè)堆石混凝土密實(shí)性。經(jīng)對(duì)混凝土芯樣觀察和檢驗(yàn)，骨料分布均勻密實(shí)，局部有0.3mm的氣泡，塊料周圍結(jié)合緊密，抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)粉塵、石塊碼放等影響因素最不利的部位進(jìn)行堆石混凝土試驗(yàn)塊(2.4m×1.2m×1.2m)取樣檢驗(yàn)，用繩鋸切割查看其內(nèi)部情況。通過(guò)觀察，骨料分布均勻，石料周圍包裹嚴(yán)密，快易收口網(wǎng)兩側(cè)結(jié)合密實(shí)。

總體上，3個(gè)試驗(yàn)倉(cāng)各項(xiàng)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，在施工資源配置滿足要求的條件下，采用3m升層澆筑堆石混凝土能保證施工質(zhì)量，且每倉(cāng)混凝土的循環(huán)作業(yè)時(shí)間為5天，能保證施工進(jìn)度。

2.1.3壩體分層

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，同意最大分層厚度為3m?？紤]澆筑工藝、結(jié)構(gòu)尺寸轉(zhuǎn)折點(diǎn)、特殊部位等因素，將壩體共分為25層，其中第1層為墊層，第25層為1m厚常態(tài)混凝土覆蓋層，平均層厚2.32m，最大層厚3m。在廊道底部、復(fù)雜建筑物底部都進(jìn)行了分層，為構(gòu)筑物施工提供方便。

2.1.4注意事項(xiàng)

寬度較窄的結(jié)構(gòu)部位(如寬度小于3m)不宜采用3m厚層澆筑。為避免大塊石緊貼模板或快易收口網(wǎng)，堆石體四周不可能垂直堆碼，有一定坡度，即留有空隙。堆石越高則空隙越大，從而減少堆石率，增大水化熱，可能產(chǎn)生混度裂縫。

2.2 預(yù)制混凝土廊道拱圈施工

壩體內(nèi)布置有基礎(chǔ)灌漿廊道。若大塊石直接堆碼在廊道拱形鋼模或木模上，堆石過(guò)程可能撞擊模板致其變形，而且大塊石緊貼模板可能造成拆模后塊石外露。若現(xiàn)澆一定厚度的常規(guī)混凝土廊道拱圈，待拱圈達(dá)到足夠強(qiáng)度后在其周圍進(jìn)行堆石混凝土施工，則拱圈的備倉(cāng)、澆筑、等強(qiáng)、拆模需占用直線工期。本工程在場(chǎng)外預(yù)制鋼筋混凝土廊道拱圈，預(yù)制構(gòu)件吊裝到位并固定后，直接在其周圍進(jìn)行堆石混凝土施工，大幅縮短了廊道混凝土施工時(shí)間。

2.3 資源配置及組織管理

堆石料采用自卸車運(yùn)輸，人工配合反鏟、蓮花抓入倉(cāng)作業(yè)，每小時(shí)入倉(cāng)可達(dá)90m3。采用2座180攪拌樓拌制高自密實(shí)性能混凝土，單樓自密實(shí)混凝土生產(chǎn)能力為45m3/h?？紤]堵車影響配備18臺(tái)混凝土攪拌運(yùn)輸車。配備3臺(tái)混凝土泵(2臺(tái)地泵、1臺(tái)天泵)，1臺(tái)倉(cāng)內(nèi)布料機(jī)，混凝土澆筑量70m3/h。層面沖毛采用3臺(tái)沖毛機(jī)，沖毛35m2/h。鋼筋和模板安裝幾乎不占關(guān)鍵線路時(shí)間。平均每倉(cāng)混凝土的循環(huán)作業(yè)時(shí)間為5d。

監(jiān)理每日對(duì)施工機(jī)械及作業(yè)人員配置情況進(jìn)行巡視檢查，督促施工單位加強(qiáng)施工設(shè)備的維護(hù)和管理，確保堆石料運(yùn)輸、入倉(cāng)、堆碼，高自密實(shí)性能混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、入倉(cāng)、澆筑等各工序連續(xù)作業(yè)。同時(shí)，加強(qiáng)施工安全管理，避免意外事件中斷施工。

2019年4月26日，1050塘壩開(kāi)始澆筑首倉(cāng)混凝土。2019年9月28日，1050m高程塘壩全線澆筑至壩頂高程1053.4m。僅用5.1個(gè)月時(shí)間完成全壩混凝土澆筑，平均每月上升11.4m，筑壩速度為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

3 精益求精的質(zhì)量控制

3.1 強(qiáng)化培訓(xùn)考核

(1)監(jiān)理機(jī)構(gòu)定期組織監(jiān)理人員進(jìn)行工程技術(shù)和業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)，確保每位監(jiān)理人員熟練掌握設(shè)計(jì)技術(shù)要求、質(zhì)量控制指標(biāo)、控制程序和控制方法。

(2)監(jiān)理機(jī)構(gòu)督促施工單位開(kāi)展質(zhì)檢員培訓(xùn)和考核，并對(duì)質(zhì)檢員的工作成效進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)，促使其切實(shí)履行質(zhì)量控制職責(zé)。

3.2 堆石質(zhì)量控制

(1)堆石混凝土所用的堆石料必須質(zhì)地堅(jiān)硬、新鮮，不得有水銹、夾泥或裂紋。其物理力學(xué)指標(biāo)要求容重大于26.5kN/m3，飽和抗壓強(qiáng)度大于等于40MPa，軟化系數(shù)大于0.8。石料使用前，應(yīng)對(duì)外觀進(jìn)行檢查，并對(duì)有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

(2)堆石料粒徑不能小于300mm，堆石料最大粒徑不應(yīng)超過(guò)結(jié)構(gòu)斷面最小邊長(zhǎng)的1/4和澆筑層厚。

(3)堆石料無(wú)片狀、板狀巖塊。

(4)堆石料不允許有泥塊，同時(shí)表面含泥量不應(yīng)大于0.2%。堆石料若存在含泥量超標(biāo)則入倉(cāng)前必須清洗干凈并晾干。堆石入倉(cāng)過(guò)程中，應(yīng)盡量減少碰撞與破碎，及時(shí)清理倉(cāng)內(nèi)的遜徑石塊、石渣、泥土等，清理方式可用吸塵器和鋼刷。堆石料入倉(cāng)后嚴(yán)禁用水沖洗倉(cāng)面和塊石。

在對(duì)建筑工程進(jìn)行建設(shè)的過(guò)程中，水電安裝這一工程是非常重要的，在建筑工程中水電安裝這項(xiàng)技術(shù)決定著人們?cè)诰幼…h(huán)境上舒適的程度。若是水電安裝的方式在處理上存在著失誤，會(huì)使建筑工程不能保證安全，更有甚者會(huì)侵犯到人們自身和財(cái)產(chǎn)的安全。基于此，在建筑中的水電安裝技術(shù)之中，為了使工程的質(zhì)量得到提升，使居民在生活上的水平得到有效的提升，對(duì)存在著的問(wèn)題加以解決。

(5)機(jī)械設(shè)備進(jìn)入倉(cāng)面輔助堆石入倉(cāng)時(shí)，應(yīng)合理規(guī)劃路線，盡量減少對(duì)層面的碾壓，每層的運(yùn)輸路線不應(yīng)相同。

(6)加強(qiáng)倉(cāng)內(nèi)堆石體形控制，努力多堆塊石，減少高自密實(shí)混凝土澆筑量，從而減少混凝土溫升，避免產(chǎn)生混凝土溫度裂縫。堆石碼放時(shí)應(yīng)隨機(jī)，避免石塊面與面結(jié)合。

3.3 高自密實(shí)性能混凝土原材料質(zhì)量控制

(1)高自密實(shí)性能混凝土優(yōu)先選用水化熱較低的中熱硅酸鹽水泥，不宜使用鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥等凝結(jié)速度較快的水泥。

(2)高自密實(shí)性能混凝土應(yīng)使用聚羧酸系高性能減水劑，其品質(zhì)除應(yīng)滿足GB 8076—2008《混凝土外加劑》高性能減水劑的基本要求外，還應(yīng)使用現(xiàn)場(chǎng)材料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)自密實(shí)砂漿試驗(yàn)檢測(cè)。

(3)嚴(yán)格控制骨料質(zhì)量。細(xì)骨料應(yīng)重點(diǎn)控制石粉含量、含泥量、含水量等。粗骨料不得含有活性、黃銹和鈣質(zhì)結(jié)核，表面應(yīng)潔凈，如有裹粉、裹泥或被污染等應(yīng)清除。為保證高自密實(shí)性能混凝土的流動(dòng)性，粗骨料針片狀顆粒含量較常規(guī)混凝土控制更嚴(yán)格，常規(guī)混凝土該指標(biāo)不應(yīng)超過(guò)15%，高自密實(shí)性能混凝土該指標(biāo)不應(yīng)超過(guò)8%。

3.4 高自密實(shí)性能混凝土質(zhì)量控制

(1)高自密實(shí)性能混凝土的配合比須使用現(xiàn)場(chǎng)材料由專利方授權(quán)的單位通過(guò)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)獲得。配合比設(shè)計(jì)要求如下：

①配合比設(shè)計(jì)采用絕對(duì)體積法。

③對(duì)于僅靠增加粉體量不能滿足漿體粘性時(shí)，可通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)后適當(dāng)添加增粘劑以改善漿體粘度。

④在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)調(diào)整時(shí)，應(yīng)考慮水膠比對(duì)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響和水粉比對(duì)自密實(shí)性能的影響。

⑤C15(R90W4F150)高自密實(shí)性能混凝土的水泥強(qiáng)度等級(jí)為42.5，水泥用量130～190kg/m3。

(2)高自密實(shí)性能混凝土的工作性能可采用坍落度試驗(yàn)、坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、V形漏斗試驗(yàn)和自密實(shí)性能穩(wěn)定性試驗(yàn)檢測(cè)，要求坍落度260～280mm，坍落擴(kuò)展度650～750mm，V型漏斗通過(guò)時(shí)間7～25s，自密實(shí)穩(wěn)定性≥1h。

(3)高自密實(shí)性能混凝土應(yīng)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，與生產(chǎn)常態(tài)混凝土相比應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間。

(4)高自密實(shí)性能混凝土澆筑應(yīng)保持連續(xù)性，澆筑時(shí)的最大自由下落高度不宜超過(guò)1.5m。

(5)高自密實(shí)性能混凝土澆筑過(guò)程中應(yīng)遵循單向逐點(diǎn)澆筑的原則，宜選擇“Z”形方式布置澆筑點(diǎn)，澆筑點(diǎn)布置應(yīng)均勻布置，各個(gè)澆筑點(diǎn)間距宜小于3m。

(6)為加強(qiáng)層面結(jié)合，堆石混凝土收倉(cāng)時(shí)，除達(dá)到結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)頂面以外，宜使適量堆石塊體高出澆筑面50～150mm，且不超過(guò)石塊自身高度的1/3。

3.5 模板質(zhì)量控制

(1)為避免模板拉條干擾倉(cāng)內(nèi)堆石施工，上下游壩面采用外撐式懸臂摸板。上下游1m厚常規(guī)混凝土與壩內(nèi)高自密實(shí)混凝土之間采用快易收口網(wǎng)分隔，便于2種不同規(guī)格混凝土同時(shí)澆筑，二者結(jié)合緊密，且不越位混雜。快易收口網(wǎng)用鋼筋骨架支撐。

(2)堆石過(guò)程中避免堆石對(duì)模板和快易收口網(wǎng)沖擊，堆石后對(duì)模板進(jìn)行校正。澆筑過(guò)程中，安排專人檢查、維護(hù)、調(diào)整模板的位置和形態(tài)，防止變位、漏漿。

4 工程運(yùn)行效果

2019年9月28日1050m高程塘壩澆筑至壩頂，10月15日壩基帷幕灌漿完成。工程順利通過(guò)驗(yàn)收。2019年10月29日1050塘壩開(kāi)始蓄水，11月1日開(kāi)始向造雪系統(tǒng)輸水。2019年11月至2020年3月，延慶賽區(qū)舉行了第1期滑雪訓(xùn)練和測(cè)試賽。2020年11月至2021年3月，延慶賽區(qū)舉行了第2期滑雪訓(xùn)練和測(cè)試賽。2022年2月至3月，北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)成功舉辦，高山滑雪、雪車雪橇等多個(gè)競(jìng)賽項(xiàng)目在延慶賽區(qū)舉行。延慶賽區(qū)高品質(zhì)的建筑設(shè)施，包括引水設(shè)施，贏得國(guó)內(nèi)外廣泛贊譽(yù)。2022年5月，中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)印發(fā)建協(xié)[2022]20號(hào)文，特別授予國(guó)家高山滑雪中心(即北京冬奧延慶賽區(qū))2022—2023年度中國(guó)建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)(國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程)。1050m高程堆石混凝土塘壩不僅圓滿完成歷年造雪引水任務(wù)，同時(shí)也是一處美麗的風(fēng)景。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)充分的試驗(yàn)研究，成功將3m厚層澆筑工藝應(yīng)用于延慶賽區(qū)1050m高程堆石混凝土塘壩。通過(guò)本工程設(shè)計(jì)和施工實(shí)踐，進(jìn)一步驗(yàn)證了堆石混凝土的諸多優(yōu)點(diǎn)和適用條件，它具有足夠的強(qiáng)度和抗凍抗?jié)B性能，水化熱低，施工條件要求較寬松，澆筑速度快。本文同時(shí)提出了堆石混凝土厚層澆筑應(yīng)注意的事項(xiàng)。本文所提方案和措施具有一定的參考價(jià)值。加快澆筑速度的措施很多，如進(jìn)一步優(yōu)化施工資源配置；加強(qiáng)質(zhì)量控制的措施也很多，如加強(qiáng)堆石與高自密實(shí)性能混凝土結(jié)合，加強(qiáng)澆筑層面結(jié)合等，受篇幅限制本文沒(méi)有展開(kāi)論述。