提高自密实堆石混凝土中块石比例的研究与应用
时间：2023-01-20 10:45:11 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
谌 益
(广东水电二局股份有限公司，广州 511340)
大湖坪水库位于安化县东坪镇大湖村境内的资水支流槎溪上，主坝坝址距离安化县城25km，安化县有G55高速、G207国道、S308省道经过，从安化县城有水泥道路经过主坝右岸、引水坝右岸等，对外交通较方便。
大湖坪水库是一座以供水、灌溉为主的水利工程。坝址以上控制流域面积 16.3km2，水库正常蓄水位310m，相应水库库容697万m3。工程为Ⅳ等小(1)型工程，包括主坝、引水坝、引水隧洞和上坝公路等，主坝的建筑物级别为4 级。
主坝采用自密实堆石混凝土重力坝，由河床溢流坝段以及左、右岸非溢流坝段组成，坝轴线在平面上布置成折线型，坝轴线总长度233.0m。坝顶宽6.0m，坝顶高程311.8m，坝基建基面高程250.0m，最大设计坝高61.8m。泄洪建筑物选用带闸门控制的开敞式坝身表孔，堰型为WES堰，溢流孔口尺寸采用1孔7m×4m(宽×高)。坝式进水口布置在右岸5#挡水坝段，设置3层进水口，进水口尺寸1m×1.2m(宽×高)，进口后设置 2.0m×2.0m 的进口连接竖井，后接压力管道。
引水坝为混凝土重力坝，坝顶高程 325.0m，坝顶宽 3.0m，最大坝高 5.1m，坝顶长度 15.35m。从左至右依次布置结合冲沙孔的左岸挡水坝(冲砂闸段)、带底格栏栅及过水廊道的溢流坝(溢流取水坝段)和右岸挡水坝(引水闸段)。为方便施工期冲砂孔兼做导流孔，在溢流坝至冲砂孔之间设置一条横缝，共将坝体分为2部分。
表1 坝体混凝土等级分区表
工程常态混凝土约22243m3，自密实堆石混凝土总量约97935m3。块石所占比例理论为55%，混凝土所占比例理论为45%[1]。通过合理选择块石堆放方案和支模技术对加快施工进度和降低施工成本有非常重要的意义。
现行堆石堆放一般采用“倒退法”，由里向外进行布仓，通过布置在仓面内的挖掘机平仓，模板、预埋件、结构较小的等部位采用人工辅助堆码。
现行模板加固采取内拉的方式，接近已浇筑仓面的下部，采取拉丝焊接在预埋的钢筋上进行加固。
采用传统的堆石堆放技术，在块石码放过程中临边块石受其他块石撞击，导致临边块石需要二次码放，请临边块石需要放坡才能满足其临边稳定性，从而降低块石比例，提高自密实混凝土比例，无形中增加施工成本。
采用传统的支模方式，为保证模板稳定性传统拉丝上下两排拉丝全部作用在下层混凝土上，拉丝与模板的夹角一般在30°～60°之间，采用大型钢模板上排拉丝与模板的距离超过1m，一般自密实堆石混凝土坝防渗面板厚度为1m，因此导致上排拉丝严重影响块石的排放。从而降低块石比例，提高自密实混凝土比例，无形中增加施工成本。
4.1 块石堆放优化改进与实施
自密实堆石混凝土所用的堆石料宜使用新鲜、完整、质地坚硬、不易风化、不易崩解的石料。其饱和抗压强度宜满足下表的规定。不能满足表2要求的堆石料必须经过现场试验论证方可使用。
表2 堆石料的饱和抗压强度要求
堆石料的粒径≥300mm，堆石料的粒径≤结构断面最小边长的1/8-1/4，且不宜超过浇筑层高
堆石料采用1.6m3挖掘机装车，20t自卸汽车运输入仓。在自密实堆石混凝土仓面上游侧距坝轴线3m的位置设5m宽的主道路，确保自卸汽车能够将堆石料运至与坝轴线平行的各处位置。
堆石入仓采用“倒退法”，由里向外进行布仓，通过布置在仓面内的挖掘机平仓，模板、预埋件、结构较小的等部位采取人工辅助堆码。
堆石料处理场地冲洗干净后的堆石料由自卸车直接运至仓面，入仓道路前端进入仓面的路段，铺设9m长、30cm厚的碎石垫层，入仓前对轮胎进行冲洗，待冲洗干净后方可入仓进行堆石卸料，避免自卸车轮胎上的泥土带入仓内。
在堆石混凝土抗压强度达到2.5MPa前，无特殊原因，不在其上部进行仓面准备工作。如有特殊原因需作业的，是作业类型，采取铺设竹夹板、钢板等措施，防止混凝土被压碎。
用于运输块石的自卸汽车自重约17t，6个轮胎，单个轮胎宽度156cm，接地面积可根据经验近似于以宽度为短边的长方形，取正方形进行计算。单胎宽度×接地长度×轮胎数量进行估算=156×156×6=146016mm2=0.146m2。货箱尺寸5.2m×2.3m×1.2m，双溪口料场块石料表观密度2.69t/m3，块石装车松散系数按常规的1.5取值，运输车辆满载时的重量=17t+(5.2m×2.3m×1.2m×2.69t/m3)/1.5=42.74t，满载时对地面的压强=(42.74t×1000kg/t×9.8N/kg)/0.146m2=286616N/m2=2.86MPa[2]。考虑车辆轮胎转向、局部不平等因素影响，控制仓面混凝土在强度≥5.0MPa时方可进行块石料入仓作业。经咨询其他类似项目技术人员及专利方技术人员，一般在自密实堆石混凝土浇筑完成24小时后，块石车辆可以进入仓面作业，该时间参数可以通过现场试验确定。
由于自密实堆石混凝土采取的是“后退法”浇筑，因此只有每浇筑层的最后一仓会存在浇筑完成后，因需要准备下一个仓块石料而需要通车的情况。
用于堆码块石的两台三一245挖掘机，最大重量22.6t，履带接地长度3.9m，宽度0.6m，接地比压45KPa=0.045MPa<2.5MPa，即当混凝土抗压强度达到2.5MPa时，挖掘机可进入仓面作业，但需注意转向时履带对混凝土面的破坏，造成损坏的，必须清理干净，开裂的部分凿除。)堆石入仓采用“控制卸料点”的方式堆石。配备挖掘机进行平仓。
自密实堆石混凝土最大典型仓面40m(宽)×40.7m(长)，参照其他项目类似经验，选取每15m-18m×8m-10m尺寸布置一个卸料点仓面卸料点控制：由于堆石料卸料时容易产生石渣，通过减少卸料点，保证大部分区域堆石质量，且集中清理卸料点附近的石渣，降低卸料点附近的质量风险。
大湖坪水库项目块石码放是重点是靠近模板位置块石的码放，由于模板边一米为自密实混凝土防渗墙，不存在块石，在块石码放是尽量采用规则性好，尺寸大的块石，此举有利于块石临边稳定性，其一在2.4m高的块石码放过程中尺寸大的块石不需要放坡，增加块石比例，其二同等的块石尺寸大的块石质量重，在中间块石摆放过程中抗冲击能力更强，受其他块石撞击影响小。
4.2 支模技术优化改进与实施
本项目自密实堆石混凝土采用普通摸板，钢模板的拼接接缝密封，缝隙≤1mm。在堆石过程中，模板拉条周边采用人工平仓，堆石后对模板进行校正。浇筑过程中，安排专职人员检查、维护、调整模板的位置和形态，防止变位、漏浆。
采取“压一装一”的方式，即已浇筑仓面的模板不拆除，直接在上部增加一道模板，该方法优点在于模板安装进度较块、难度较低、加固较为简便，缺点在于模板备料要多。
上游侧模板主要是直立的模板，根据拟定浇筑层高度2.4m，且结合现场实际主要采用3.0m×2.4m大型钢模板，在浇筑高度处进行弹线，保证浇筑高程和水平度。
模板加固采取内拉的方式，接近已浇筑仓面的下部，采取拉丝焊接在预埋的钢筋上进行加固。上部采用在堆码稳固的大石料上，采用电锤钻孔、安装钢筋，用于拉丝的加固。
传统拉丝上下两排拉丝全部作用在下层混凝土上，为保证模板稳定性，拉丝与模板一般在30～45°之间，上排拉丝与模板的距离超过1米，导致上排拉丝严重影响块石的排放，本项目模板上排拉丝直接拉在大块石上，在大块石上进行钻孔植筋，几乎可以消除拉丝对块石摆放的影响，增加块石堆放比例。
4.3 拉丝稳定性计算
1)拉筋选用：
竖梁主要承受混凝土侧压力，混凝土最大浇筑高度为2.4m，侧压力取为F=28.8kN/ m2，有效压头高度h=0.96m；
倾倒和振捣混凝土时产生的水平荷载设计值Q=γ2q1=1.4*4=5.6kN/m2[3]
2)竖梁受力计算：
竖梁按最大间距1m布置；
F1=0.5*1*1*28.8=14.4kN
F2=4*1*28.8=115.2kN
竖梁侧面的合力为：F合 =F1+F2=129.6kN
F合 =129.6kN共有4个埋件拉筋承担。
其中单个埋件最大拉力为：F=129.6/4=32.4kN
根据拉丝与受力方向夹角约为30°，由此计算得拉丝内力=32.4kN/(cos30°)=32.4kN/0.866=37.41kN。
根据HPB300级圆钢抗拉强度设计值270N/mm2，由此计算的各规格钢筋的容许拉应力见表3：
表3 容许拉应力表
考虑2倍的安全系数，上排拉丝选用φ20钢筋，能满足模板稳定的要求[4]。
3)顶部埋件锚固强度验算：
对于弯钩φ20螺纹钢筋，其锚固强度的计算，只考虑埋入混凝土的钢筋表面与混凝土的黏结力，不考虑螺栓端部的弯钩在混凝土基础内的锚固作用[5]。
锚固长度400mm
锚固强度：F=πdhτb=3.14x20x400x2.5
=62.8kN> F锚=32.4kN 符合要求
其中：F锚为锚固力，作用于预埋钢筋的轴向拔出力，N；
d为预埋钢筋直径，mm；
h为预埋钢筋在混凝土基础内的锚固深度，mm；
τb为混凝土与预埋钢筋表面的黏结强度，N/mm2。
4)拉丝块石要求：
根据第二点计算，只要块石能承受32.4kN的侧压力就可以保证块石的稳定性。
F=U*N=u*m*g
m≥F/Ug=32400/(0.8*9.8)=4132.7KG
根据《ACI318-2017结构混凝土建筑规范要求》U取0.8。
考虑2倍的安全系数，当块石质量超过8.3t时，可以作为拉丝的锚固点。
4.4 堆石码放应用存在的问题、解决措施及建议
通过项目块石码放的研究与在大湖坪项目的应用，发现存在以下问题，并提出解决措施及建议。
1)锚固上排拉丝的大块石摩擦系数是关键，在码放过程中必须保证大块石与下部结构足够的接触面积，以保证大块石的稳定性。
2)由于局部位置块石码放不方便，挖机灵活度不够，可以采用抓石器进行补充。
据统计截至2021年，堆石混凝土坝已建84座，在建35座，最高重力坝90m，最高拱坝69m，已完成浇筑堆石混凝土浇筑550万m3，针对堆石混凝土快石入仓和支模施工控制难点、要点较多，采用尺寸大的块石进行码边和锚固上排拉丝，块石比例比传统码放方式提高2%左右，块石比例达到57%，明显提高的块石码放比例，由于码边块石尺寸大、块石质量重，在中间块石摆放过程中抗冲击能力更强，受其他块石撞击影响小，整体码放速度也有提升，加块施工进度。
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