水利枢纽工程面板混凝土配合比与施工技术分析

李凤来

(本溪市桓仁满族自治县水务移民服务中心，辽宁 本溪 117217)

因具有较好的适应性、经济性和安全性，混凝土面板堆石坝的应用日趋广泛[1-2]。经长期发展，在建或已建的混凝土面板堆石坝高已达到200m，截至当前已建成的最高混凝土面板堆石坝为湖北清江的水布垭水电站，坝高达到233m。面板混凝土耐久性、整体性与大坝的安全运行直接相关，主要承受坝体不均匀沉陷造成的弯矩作用和水荷载作用，这也是水利工程的主要防渗结构。

面板混凝土是一种长条扮装薄壁结构，具有受力状态复杂、厚度较薄、面积较大等典型特征，相对于水工大体积混凝土更易形成裂缝，由此所带来的危害也更大。面板混凝土出现裂缝后会对大坝结构的防渗性和整体性造成直接影响，加速混凝土耐久性破坏和多因素耦合劣化，大大降低水利工程的服役年限和功能效应[3-5]。

关门山水库位于小汤河中游，是一座以工农业供水为主，兼有防洪、发电、水产养殖等综合利用的水库。枢纽工程主要有电站、有压泄洪输水洞、有闸正堰溢洪道和混凝土面板堆石坝组成，其中堆石坝坝顶高程379.0m，最大坝高58.5m，最大坝底宽168.45m。依据设计目标，采用C25的二级配大坝面板混凝土，抗渗要求W12，抗冻要求F200，强度保证率95%。文章结合北方地区气候特点，试验研究了配合比、原材料对混凝土性能的影响，并进一步探讨面板混凝土的施工技术和养护方法。

1 研究方法

1.1 原材料性能

1)水泥：采用天瑞P·MH 42.5级中热硅酸盐水泥和P·O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥的物理性能，见表1。

表1 水泥的物理性能

2)粉煤灰：采用本溪电厂生产的Ⅰ级粉煤灰和绥中电厂生产的Ⅱ级，粉煤灰的品质指标，见表2。

表2 粉煤灰的品质指标

3)粗、细骨料：采用两级配人工碎石和灰岩人工砂，为了防止骨料分离小石：中石=55∶45，粉煤灰的品质指标，见表3；人工砂的品质指标，见表4。

表3 人工碎石的品质指标

表4 人工砂的品质指标

4)外加剂：采用XK-540P型聚羧酸高效减水剂和ZS-109B型引气剂，这两种技术成熟且质量稳定，已被广泛应用于水利工程领域，经检测两种外加剂性能均符合标准要求。

5)纤维：采用K-Ⅱ型聚乙烯醇(PVA)纤维，PVA纤维的品质指，见表5。

表5 PVA纤维的品质指标

1.2 配合比设计

根据设计规范利用下式计算混凝土的配制强度，其表达式为：

fcu,0=fcu,k+tσ

(1)

式中：fcu,0、fcu,k为配制强度和设计龄期抗压强度，MPa；t、σ为概率度系数和强度标准差，MPa，强度保证率取95%时t=1.645。经计算，强度保证率95%条件下C25等级的混凝土配置强度为31.6MPa。

此外，混凝土配合比设计还要考虑耐久性能、热学性能、力学性能及施工和易性等要求，合理选择原材料用量，面板混凝土配合比，见表6。

表6 面板混凝土配合比

1.3 试验方法

依据设计规程中的相关规定完成混凝土拌和、成型和养护工作，利用耐久性设计规范推荐的平板法完成混凝土抗裂性能试验[6]。首先，湿筛混凝土拌合物剔除粒径超过20mm的粗骨料，采用平板试模完成振捣、成型、抹平等操作后立即用湿麻袋覆盖，保持相对湿度60%±5%、环境温度25℃±2℃。养护2h后，将麻袋取下并用风扇将试样表面吹干，记录试样裂缝宽度、长度、裂缝条数和开裂时间。

2 结果与分析

2.1 拌合物性能

对新拌混凝土性能检测进行，拌合物性能，见表7。结果显示，混凝土含气量约为4.5%，出机口坍落度处于50～70mm之间。因此，为了有效控制骨料分离以及保证混凝土施工和易性，必须有效控制坍落度处于合理的范围。

表7 拌合物性能

2.2 抗压强度

对混凝土7d、28d、90d抗压强度检测进行，混凝土抗压强度检测值，见表8。结果表明，各组混凝土28d抗压强度均达到设计要求，其中使用普通水泥的早期强度具有较快的增长速率，而后期增长速率逐渐下降；使用中热水泥的早期强度增长速率稍慢，但后期具有较快的增长速率。此外，混凝土抗压强度受PVA纤维的影响较低[7]。

表8 混凝土抗压强度检测值

2.3 平板抗裂性

经平板抗裂试验检测，各组混凝土抗裂等级，平板开裂试验检测值，见表9。结果表明，从小到大混凝土开裂时间为2#<1#<3#<4#，使用普通水泥的单位开裂面积大于中热水泥；在混凝土中掺入纤维能够明显改善其抗裂性能，抗裂等级从Ⅱ级提高到Ⅰ级。

表9 平板开裂试验检测值

2.4 抗渗与抗冻性

对各组混凝土的抗冻性、抗渗性检测进行，混凝土抗冻检测值，见表10；混凝土抗渗性检测值，见表11。从表10可以看出，引气剂能够明显在增强抗冻融性，即气泡的引入能够有效改善混凝土抗冻性。试验过程中，出机口混凝土含气量为4%～5%，各组混凝土抗冻能均能满足F200的设计要求，并且不同水胶比的抗冻性相差不明显。

表10 混凝土抗冻检测值

表11 混凝土抗渗性检测值

从表11可以看出，各组混凝土的渗水高度相差不大，总体位于4.0mm上下浮动。在混凝土中掺入PVA纤维后，其渗水高度约为3.0mm，可见PVA纤维的掺入能够增强混凝土的抗渗性。

2.5 绝热温升

大坝施工的温度控制与绝热温升关系密切相关，面板混凝土性能评价时必须考虑绝热温升。为降低胶凝材料水化放热量和混凝土绝热温升值必须选择合适的矿物掺合料、水泥等原材料，这也是增强混凝土抗裂性的重要措施[8-10]。混凝土绝热温升值，见图1，结果表明使用中热水泥的28d绝热温升值小于普通水泥，28d绝热温升值最小组为Ⅰ级粉煤灰+中热水泥，最低值为36.5℃，混凝土绝热温升受PVA纤维的影响较低。

图1 混凝土绝热温升值

3 施工技术分析

考虑到北方地区现场施工环境的特殊性，如昼夜温差大、水分蒸散快、常年刮风及气候干燥等，必须重视面板混凝土施工受恶劣气候环境的影响，施工过程中要做好保湿保温工作，关键施工技术如下[11-15]：

1)适当提高坍落度。为保证到达浇筑仓面时混凝土的坍落度50～70mm，可以将出机口坍落度适当提高到90～100mm。由于特殊的气候条件，北方地区的混凝土坍落度损失较快，当浇筑当面距离混凝土搅拌设备较远时必须考虑坍落度损失过快的问题。所以，在确保胶凝材料与减水剂适应性良好的情况下，控制出机口混凝土坍落度略大于设计值，条件允许时也可以选用高效缓凝降水及。

2)保证拌合物的和易性。由于面板混凝土斜长较大，若和易性较差，在长距离溜槽滑行时混凝土导致混凝土骨料分离，从而造成离析问题。

3)有效控制结构性裂缝。实践表明，上游堆石体坡面变形是引起面板裂缝的主要原因，应保持面板下卧堆石砌筑体≥20m，并最大程度地延长预留沉降时间和上游堆石区域的范围。所以，在完成关门山水利枢纽坝体填筑后，预留坝体沉降时间≥6个月，必须在填筑料沉降稳定后才能进行面板混凝土浇筑，尽量控制结构性裂缝的出现。

4)规范使用溜槽与滑模。为避免下滑过程中混凝土出现骨料分离的情况，必须合理控制混凝土在溜槽中的下滑速度。滑模两端要保持同步、均匀、平衡上升，分层浇筑面板混凝土，并安排专人振捣混凝土，以混凝土不再显著下沉且表面不产生气泡作为振捣终点。

5)覆土工膜养护。完成浇筑后，要对混凝土及时养护，以防水分蒸发过快而引起开裂。终凝后，在混凝土面板上覆盖复合土工膜，用水管持续喷水养护，以达到抗风、保温保湿的作用。

6)合理确定浇筑时间。混凝土浇筑时要避开大于、低温和高温等极端天气，一般选择温度适宜的4月份进行混凝土浇筑。

4 结 论

1)关门山水利枢纽工程选用PVA纤维+Ⅰ级粉煤灰+中热水泥，Ⅱ级粉煤灰+中热水泥，Ⅰ级粉煤灰+中热水泥，Ⅱ级粉煤灰+普通水泥，Ⅰ级粉煤灰+普通水泥的混凝土均能达到C25F200W12的设计要求，各组混凝土抗性性、抗冻性和抗压强度相差不明显。

2)采用Ⅰ级粉煤灰+中热水泥的水灰比最大为0.46，该方案能够降低胶凝材料用量和工程成本，并且其28d绝热温升值最低为26.5℃。在混凝土中掺入PVA纤维能够增强其抗裂性，将抗裂等级提高到Ⅰ级。

3)采用所提供的施工配合比进行施工生产性试验，结果显示90d龄期后未发现裂缝。现场试验表明，将适量的PVA纤维掺入混凝土中能够防止裂缝的形成，尤其是对早期塑性收缩裂缝的形成具有显著的控制作用。

4)考虑北方地区现场施工环境的特殊性，提出适当增加出机口坍落度、延长坝体沉降时间、分层浇筑、充分振捣、规范使用溜槽与滑模、及时洒水养护等技术要点。