金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化与混凝土质量

金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化与混凝土质量

·140·中国碾压混凝土筑坝技术·施工金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化与混凝土质量谢永英李先镇(三峡技术经济发展公司金安桥监理部云南丽江674104)【摘要】我国碾压混凝土筑坝起步较晚，但发展迅速。1986一．-2008年20多年已建成碾压混凝土坝(围堰)150多座，坝高(指最大坝高，下同)达200m级。从金安桥水电站大坝高程1350m以上碾压混凝土配合比优化试验与实践的结果来看，C帅15碾压混凝土水泥用量降至63kg／n13，胶凝材料用量降至170kg／m，不仅保证了大坝工程质量，而且取得了显著的技术经济效益，再一次说明我国是世界上当之无愧的碾压混凝土筑坝技术领先国家。1引言我国采用碾压混凝土筑坝起步较晚。1986年我国第一座碾压混凝土坝——福建坑口坝建成，1994年汛前，我国第一座高75m的碾压混凝土拱坝——贵州普定拱坝建成。该坝蓄水运行以来，坝体渗水量极小，诱导缝未张开，没有进行灌浆。1995年，高132m的沙牌拱坝施工，它是当时世界上最高的碾压混凝土拱坝。1995"--1997年间先后又有3座(江垭、大朝山、棉花滩)坝高超过lOOm级的碾压混凝土重力坝开工，分别于1999"-'2000年间建成，均为全断面碾压混凝土。我国碾压混凝土坝发展迅速，1986～2008年20年来，已建成碾压混凝土坝(围堰)共计150座之多。其中光照坝高达200．5m，龙滩初期坝高192m，最终坝高216．5m。在建的金安桥、官地、阿海、龙开口、鲁地拉、观音岩等水电站坝高超过lOOm，采用全断面碾压混凝土。2金安桥水电站工程简介金安桥水电站是金沙江中游河段规划的第5级电站，枢纽工程主要由混凝土挡水重力坝、右岸溢流表孔及消力池、右岸泄洪(冲沙)底孔、左岸冲沙底孔、坝后式厂房及交通洞等永久建筑物组成，电站装机4X600MW。金安桥水电站碾压混凝土重力坝坝顶高程1424m，最大坝高160m，坝顶长度640m，是目前我国在建的全断面碾压混凝土高坝之一，坝体共分21个坝段，从左至右依次为混凝土键槽，长150m；沿轴线长42m；左岸1～5号坝段为非溢流坝段，长150m；6～11号坝段为河床坝段，长186m，其中6号坝段布置左岸冲沙底孔，7．-一10号坝段布置电站厂房4台机组的进水口，1l号坝段布置电梯等上坝设施；右岸12～15号坝段为泄洪冲沙坝段，长119m，其中12号坝段布置2孔泄洪(冲沙)底孔(5mX8m)，13"--"15号坝段布置5孔溢流表孔(13mX20m)；右岸16～20号坝段为非溢流坝段，长143m。大坝混凝土工程量约为360万m3。其中碾压混凝土240万m3，常态混凝土120万m3。大坝碾压混凝土自2007年5月初开始施工，截至2008年底大部分碾压混凝土已浇筑。nn金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化与混凝土质量·141·3碾压混凝土原材料及配合比优化3．1原材料选用根据合同技术条款，碾压混凝土采用的水泥、粉煤灰、骨料、外加剂等原材料由发包人提供。水泥选用永胜永保42．5中热硅酸盐水泥；粉煤灰选用攀枝花Ⅱ级粉煤灰(在供应不足的情况下使用了曲靖Ⅱ级粉煤灰)；粗细骨料为现场左砂系统生产的玄武岩石人工砂石骨料，考虑现场生产的玄武岩人工砂细颗粒(d+90≥125≥125≥120引气荆i>6>3．0≤70—90～+120—90～+120≥95≥95≥903．3．3碾压混凝土配合比优化试验参数1．碾压混凝土设计指标及使用部位根据金安桥水电站大坝土建及金属结构安装工程招标文件《技术条款》，以及金安桥水电站监理部下发的《关于对增加部分大坝混凝土配合比的批复》(金电监(技)字C20063408号)文件中对C∞15碾压混凝土设计指标的批复，此次金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化试验的设计指标如下：高程1350m以上坝体内部：C如15W6F100三级配极限拉伸值：70X10一。2．碾压混凝土配制强度根据混凝土设计指标，混凝土强度保证率按照《水工混凝土施工规范》DL／T5144—2001规定，金安桥主坝混凝土配制强度按以下公式计算：f。。0=t。^+ta式中丘，。——混凝土配制强度，MPa,厶，。——混凝土设计强度等级，MPa；卜一概率度系数，依据保证率P选定；口一混凝土强度标准差，MPa。保证率和概率度系数见表8。混凝土强度标准差按表9取值。经计算，混凝土配制强度见表10。表8保证率和概率度系数关系保证率P(％)72．575．878．880．082．985．090．O93．395．O97．799．9概率度系数tO．600．70o．80O．840．951．041．281．501．652．O3．0nn金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化与混凝土质量·145·表9标准差仃值混凝土强度标准值≤C15C20～C25C30～C35C40rC45>，C50a(90d)胁3．54．O4．55．O5．5表10碾压混凝土配制强度序号设计指标保证率P(％)标准差口概率度系数t配制强度(MPa)1Go15W6F100803．5O．8417．93．碾压混凝土配合比优试验参数根据金安桥水电站监理部下发的《关于立即开始C∞15三级配碾压混凝土配合比优化试验的通知》(金电监(通)字E20081125号)文件内容中所提供的配合比优化试验参数，通过对碾压混凝土拌和物进行试拌复核后，最终配合比试验参数见表11。为满足碾压混凝土对人工砂石粉含量的要求，试验时采用外掺石灰岩石粉替代部分人工砂，使人工砂中的石粉含量达到18％。为了使本次试验与现场拌和楼碾压混凝土生产过程相一致，试验前均未对粗骨料进行筛分和冲洗，而是根据粗骨料超逊径含量，在试验时对各级骨料实际用量进行相应的调整。表ll碾压混凝土配合比优化试验参数减水剂引气剂试验水砂率粉煤VC值密度设计指标级配水胶比掺量掺量编号(kg／m3)(％)灰(％)品种品种(s)(kg／m3)(％)(％)Ry-160C∞15W6F100Ry-2O．50903463刁}1R(℃1E1．2ZEHGO．15l～326301350m以上Ry-365Ry-460C∞15W6F100●Ry-5O．53903463殂}1RCCl51．2勾B-1GO．151～326301350m以上Ry-6653．3．4碾压混凝土配合比优化试验根据确定的碾压混凝土配合比试验参数，对混凝土配合比进行拌和物性能、力学性能、变形性能、抗冻和抗渗性能的试验。1．碾压混凝土拌和物性能试验碾压混凝土配合比试验按照《水工混凝土试验规程》SL352—2006中的第六章碾压混凝土进行。试验所用玄武岩骨料均采用饱和面干状态，混凝土拌和采用100L强制式搅拌机，拌和前用少量的同种混凝土将搅拌机润湿挂浆，以减小拌和差异。拌和投料顺序为：大石、中石、小石、胶凝材、砂子，干拌15s后，再把配制好的外加剂溶液同水一起加入到搅拌机搅拌80s，将搅拌好的料倒在钢板上人工翻拌三次，然后按照试验规程检测评定。对碾压混凝土拌和物进行外观、骨料包裹情况、塑性、振实后的密实度等进行检测，并测试VC值、含气量、密度、凝结时间等拌和物性能。碾压混凝土VC值即工作度采用HVC-1型维勃稠度仪测定，VC值的测定以承压板底部大面积出浆瞬间所用的振动时间为碾压混凝土VC值，单位以秒计。碾压混凝土的含气量用美国产LA．0316型直读式含气仪测定。碾压混凝土拌和物性能试验结果见表12。结果表明：碾压混凝土拌和物VC值在2．4---2．9s，含气量在3．5％～4．2％，初凝时间在12t00～14：28范围，终凝时间在18：15---21。35范围，碾压混凝土拌和物性能均可满足设计和施工要求。nn·146·中国碾压混凝土筑坝技术·施工表12碾压混凝土拌和物性能试验结果粉煤灰气温／混凝VC值含气量凝结时间(h。rain)密度试验编号设计指标级配水胶比(％)土温(℃)(s)(％)初凝终凝(kg／n13)Ry-16017／192．S4．213；3020：572610‰15W5F100Ry-2O．506321／192．63．813l5821：1826201350m以上Ry-36517／192．44．O14l2821：352620Ry-46018／192．84．012l0018；152610C∞15W5F100Ry-5O．536325／222．93．512l3018l5226201350m以上Ry-66518／192．54．112l5519l3526102．硬化碾压混凝土性能试验碾压混凝土强度试验是将拌和物分二层装入边长为150ram的标准立方体试模中，每层插捣25次，并在拌和物表面压上4900Pa的配重块，在振动台上以VC值的3倍时间进行振实，抹平表面，48h后拆模，在标养室养护至龄期进行加荷试验。除强度指标外，硬化碾压混凝土性能还包括极限拉伸、弹性模量和耐久性等，成型方法与抗压强度原理相同。碾压混凝土力学性能试验结果见表13。试验结果表明：当水胶比为0．50，粉煤灰掺量60％、63％和65％时，90d抗压强度分别为29．0MPa、26．8MPa和24．3MPa；劈拉强度分别为2．22MPa、2．05MPa和1．90MPa。当水胶比为0．53，粉煤灰掺量60％、63％和65％时，90d抗压强度分别为26．2MPa、23．1MPa和19．7MPa；劈拉强度分别为2．02MPa、1．88MPa和1．74MPa。碾压混凝土配合比试验设计龄期的抗压强度均可满足设计和配制强度要求。表13碾压混凝土力学性能试验结果粉煤灰抗压强度(MPa)劈拉强度(MPa)试验编号设计指标级配水胶比(％)7d28d60d90d28d60d90dRy-1605．815．425．029．O1．392．142．22C∞15W6F100Ry-2O．50635．313．823．O26．81．261．982．051350m以上Ry-3655．112．320．824．31．181-801．90Ry--4605．413．622．826．21．221．932．02C∞15W6F100Ry-5O．53635．112．220．123．11．131．761．881350m以上Ry-5654．310．817．819．71．051．571．743．碾压混凝土极拉、弹模和抗渗性能试验混凝土的极限拉伸和弹性模量主要反应混凝土的变形性能，也是衡量混凝土抗裂性能的重要指标。一般为提高混凝土的抗裂性能，要求混凝土具有较高的极限拉伸值和较低的弹性模量。混凝土抗渗性是指抵抗压力液体渗透作用的能力，是决定混凝土耐久性最主要的技术指标，抗渗试验采用逐级加压法。碾压混凝土配合比试验极限拉伸和静力抗压弹性模量试验结果见表14。试验结果表明：当水胶比为0．50，粉煤灰掺量60％、63％和65％时，90d极限拉伸值分别为79×10一、77×10-6和73X10-6；90d静力抗压弹性模量分别为41．2GPa、38．8GPa和35．0GPa。当水胶比为0．53，粉煤灰掺量60％、63％和65％时，90d极限拉伸值分别为76×10一、72×10_6和67×10-6；90d静力抗压弹性模量分别为37．4GPa、35．2GPa和32．4GPa。除水胶比为0．53，粉煤灰掺量65％的碾压混凝土配合比试验设计龄期的极限拉伸值低于设计指标外，其他碾压混凝土配合比试验设计龄期的极限拉伸值和抗渗性能均满足设计要求。nn金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化与混凝土质量·147·表14碾压混凝±极拉和弹模试验结果粉煤灰极限拉伸(×10—6)静力抗压弹模(GPa)抗渗等级试验编号设计指标级配水胶比(％)28d90d28d90d90dRy-160597928．241．2>W6‰15W6F100Ry-2O．5063577726．638．8>W61350m以上Ry-365557324．435．0>W6R—60567626．937．4>W6C_。015W6F100Ry-5O．5363547224．635．2>W61350m以上Ry-G655l6722．332．4>W64．碾压混凝土抗冻性能试验混凝土抗冻性是评价耐久性的重要指标，金安桥水电站大坝碾压混凝土抗冻等级设计指标均为F100，设计试验龄期为90天。试验按照《水工混凝土试验规程》(DL／T5150-2001)进行。试验采用混凝土冻融试验机，混凝土中心冻融温度为--17±2℃～8士2℃，一个冻融循环过程耗时2．5～4小时。抗冻指标以相对动弹模数和质量损失两项指标评定，以混凝土试件的相对动弹模数低于60％或质量损失率超过5％时，即可认为试件已达到破坏。因配合比试验是在目前现场使用碾压混凝土施工配合比的基础上进行，为缩短试验周期，抗冻试验采用50次为一个测试循环。碾压混凝土抗冻性能试验结果见表15。试验结果表明：除水胶比为0．53，粉煤灰掺量65％的碾压混凝土配合比试验设计龄期的抗冻性能质量损失率为5．6％，低于设计指标外，其他碾压混凝土配合比试验设计龄期的抗冻性满足设计要求。表15碾压混凝土抗冻性试验结果粉煤灰含气量相对动弹模量(％)质量损失(％)抗冻试验编号设计指标级配水胶比(％)(％)50次100次50次100次等级Ry-1604．293．577．4O．82．9>F100‰15W6F100Ry-2O．50633．891．374．8O．93．1>F1001350m以上Ry-3654．088．570．51．13．9>F100Ry-4G04．092．175．90．93．2>F100C∞15W6F100Ry-50．53633．589．O69．21．24．3>F1001350m以上Ry-6654．187．265．41．45．6W61352m以上表加碾压混凝土配合比抗冻性试验结果试验粉煤灰相对动弹模量(％)质量损失(％)设计指标级配水胶比抗冻等级编号(％)50次100次50次i00次G015W6F100Rys-I0．536390．671．81．14．O>F1001352m以上3．3．5C∞15W6F100碾压混凝土质量控制检测情况自2008年6月26日16号坝段高程1352～1354m浇筑，C∞15W6F100三级配碾压混凝土采用优化后的施工配合比，即水胶比为0．53，水泥用量为63kg／m3，粉煤灰为107kg／m3，砂率降为33％的施工配合比。现对C∞15W6F100三级配碾压混凝土质量情况简要说明如下：1．原材料检测(1)水泥。对进场中热42．5水泥共抽检232组，主要检测指标为细度、比表面积、标准稠度用水量、凝结时间、安定性及抗压强度、抗折强度等，各项检测结果均满足标准要求。28天抗压强度最大nn金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化与混凝土质量·149·值为52．IMPa，最小值为45．8MPa，平均值为48．9MPa，28天抗压强度比较稳定。中热42．5水泥检测结果统计表详见表21。表21中热42．5水泥检测结果统计表序号检测项目标准组数最大值最小值平均值合格组数符合率(％)1比表面积(m2／kg)≥250232323296312232loo2凝结时间初凝≥1；002322；572o042t432321003(h：min)终凝≤12l002323I502：503l332321004体积安定性无弯曲232合格合格合格232i003d≥3．02324．53．44．O232100抗折强度5(胁)7d≥4．52325．94．95．4232loo28d≥6．52328．17．17．62321003d≥12．023222．317．119．9232100抗压强度67d≥22．023232．428．130．5232100(MPa)28d≥42．523252．145．848．9232100(2)粉煤灰。对攀枝花Ⅱ级粉煤灰共抽检199组，昆明二电厂Ⅱ级粉煤粉共抽检17组，曲靖Ⅱ级粉煤粉共抽检23组。煤灰主要检测指标为含水量、细度、需水量比、烧失量和三氧化硫，各项检测结果均满足标准要求，各种类粉煤灰的品质质量稳定。(3)砂石骨料。拌和楼骨料抽样检测依据《水工混凝土施工规范》、《水工碾压混凝土施工规范》，按班次和时段抽样检测，检测项目包括人工砂细度模数、含水率、石粉含量以及小石的含水量和各级骨料的超逊径、含泥量等。浇筑碾压混凝土C9015W6F100期间：左岸人工砂细度模数检测302组，最大值3．07，最小值2．64，平均值2．91；石粉含量最大值16．o％，最小值10．2％，平均值12．9％；含水率最大值8．1％，最小值3．o％，平均值5．6％，左岸人工砂检测结果统计详见表22。右岸人工砂细度模数检测149组，最大值3．11，最小值2．73，平均值2．83；含水率最大值10．3％，最小值5．7％，平均值7．6％，右岸人工砂检测结果统计详见表23。表22左岸拌和楼人工砂检测结果统计表细度模数石粉含量(％)含水率(％)检测组数3023021721最大值3．0716．O8．1最小值2．6410．23．O平均值．2．9112．95．6统计时间2008．6．26～2009．1．12表23右岸拌和楼人工砂检测结果统计裹细度模数石粉含量(％)含水率(％)检测组数149149610最大值3．1116．6lO．3最小值2．7311．25．7平均值2．8314．97．6统计时间2008．7．2～2009．1．312．混凝土质量检测(1)原材料称量偏差。混凝土在生产过程中，试验室对拌和楼的称量偏差每4个小时抽查一次，nn·150·中国碾压混凝土筑坝技术·施工拌和楼原材料称量偏差整体合格率在70％以上，满足规范要求。(2)碾压混凝土拌和物性能。在混凝土生产过程中，拌和楼试验质控人员根据当班对人工砂细度模数、含水率、石粉含量，以及粗骨料的超逊径、含水率等检测结果，以施工配合比为基础，相应调整混凝土的用水量、砂石料用量和外掺石粉用量，以保证混凝土中各种原材料组分保持不变。对碾压混凝土VC值实行动态控制，根据气温变化对VC值进行相应的调整，保证了仓面碾压混凝土的液化泛浆和可碾性。(3)碾压混凝土现场压实度检测。碾压混凝土的现场压实度检测按施工面积以网格状布点，每100一-,200m2布置一个检测点。当压实度不满足设计要求时，采取补碾措施，现场碾压混凝土的压实度均在98％以上，碾压质量满足设计要求。(4)混凝土强度检测。试验人员根据规范和技术要求对生产的混凝土按施工部位、设计指标和方量对混凝土强度进行抽样检测。C9。15W6F100三级配碾压混凝土28天抗压强度检测745组，最大值17．9MPa，最小值为8．1MPa，平均值为11．7MPa，标准差为1．69MPa，变异系数为0．14；90天抗压强度检测282组，最大值为28．6MPa，最小值为15．8MPa，平均值为22．2MPa，标准差为2．54MPa，变异系数为0．11，保证率为99．5％。C9015W6F100碾压混凝土抗压强度统计表详见表24。依据《水工碾压混凝土施工规范》中碾压混凝土生产质量水平控制标准，C∞15W6F100碾压混凝土生产质量管理水平为优；依据碾压混凝土质量评定，以设计龄期的抗压强度为准，C∞15W6F100碾压混凝土质量合格。表24c_mlsw6n∞碾压混凝土抗压强度统计表混凝土标号级配龄期检测组数最大值(MPa)最小值(MPa)平均值(MPa)标准差(MPa)变异系数保证率(％)C∞15W6F1002874517．98．111．71．690．14c帅15W6F1009028228．615．822．22．54O．1199．5成型时间2008．6．26～2009．1．10检测时间2008．7．24～2009．2．73．混凝土全面性能检测混凝土的全面性能检测包括抗压强度、极限拉伸、静力抗压弹性模量、抗渗和抗冻性能，每季度进行一次全面性能的抽样检测。碾压混凝土设计指标C。o15W6F100共抽检2次，抽检的全面性能均满足设计要求。C9015W6F100全面性能检测结果详见表25。衰笛C帅15w6Fl∞碾压混凝土其他性能检测成果统计表序号混凝土标号C如15W6F100(碾压混凝土)l龄期90抗压静力弹性模量2检测项目极限拉伸(X10—6)抗渗抗冻(GPa)3设计指标≥70≥6≥1004组数22225最大值73>6>10032．46最小值72>6>10030．07平均值72>6>10031．28符合组数2229符合率(％)100100100nn金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化与混凝土质量·151·3．3．6咨询专家的评价2009年3月11～12日，金安桥水电站有限公司在云南丽江市召开金安桥水电站大坝碾压混凝土配合比优化及混凝土质量评定咨询会。对室内试验结果，专家认为：经试验确定使用的C∞15W6F100三级配配合比碾压混凝土的可碾性良好，90d龄期的抗压强度为23．1MPa，劈裂抗拉强度为1．88MPa，极限拉伸值为72x10一，抗渗等级>W6，抗冻等级>F100。各项技术性能指标都满足设计要求。对现场施工检测结果，专家评价：从大坝高程1352m开始使用C∞15W6F100优化的配合比，机口取样检测的90d龄期抗压强度282组，平均值22．2MPa，最大值28．6MPa，最小值15．8MPa；2组极限拉伸值分别为73×10叫和72×10一，2组试件的抗渗等级都大于W6，2组试件的抗冻等级都大于F100，现场原位抗剪断参数／一1．20～1．21，c7=1．71～1．87MPa，抗剪断强度参数综合值／一1．20，c7—1．79MPa。说明该配合比满足设计要求。以上资料表明，配合比优化后的混凝土可碾性和施工质量良好。4结论与建议(1)从世界与我国碾压混凝土筑坝技术发展来看，自从碾压混凝土用于筑坝以来，引发了一场水工结构设计理论与施工的大革命。碾压混凝土以其独特的设计创新和简化传统混凝土施工工艺，大大加快了施工进度，降低了工程造价成本，提高了工程质量，显示出显著的技术经济效益。但人们对碾压混凝土的设计理论和施工工艺创新远还没有达到应有深度和广度。换句话说，人们对碾压混凝土独具的优点和特点的潜力远还没有挖掘透，其技术经济效益尚有相当大的发掘空间和研究余地。(2)从金安桥水电站大坝高程1350m以上优化配合比执行实际效果来看，℃‰15碾压混凝土水泥用量降至63kg／m3，胶凝材料总量降至170kg／m3，水泥用量低于世界4个领先国家碾压混凝土水泥平均用量(西班牙75kg／m3，中国79kg／m3，美国85kg／m3，日本87kg／m3)，胶凝材料总量位居世界4个领先国家碾压混凝土胶凝材料平均用量之中(西班牙204kg／m3，中国173kg／m3，美国138kg／m3，日本123kg／m3)。金安桥水电站大坝高程1350m以上碾压混凝土优化配合比的实践再一次说明，我国是世界上当之无愧的碾压混凝土筑坝技术领先国家。(3)大量工程试验研究结果表明：一般碾压混凝土28d、90d、180d龄期的抗压强度增长率大致为1：(1．5"--1．7)；(1．8"-'2．O)。20世纪90年代，二滩高拱坝开始采用180d设计龄期，目前金沙江下游向家坝水电站坝高162m的挡水重力坝采用了180d设计龄期。而碾压混凝土坝极少采用180d设计龄期，这就限制了碾压混凝土坝向更高发展，目前仅有龙滩、光照两座200m级碾压混凝土坝，值得我们深思。建议通过试验研究来论证并在碾压混凝土坝的设计中采用180d设计龄期。n