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協(xié)會刊物

水下不分散混凝土在護(hù)岸工程中的應(yīng)用

時間日期：2002-7-3 已被閱讀次：[8633]

佛山市水利局　李大標(biāo)
佛山市水利水電設(shè)計研究院　陳彥文　梁斌

1　工程概況

　　佛山大堤位于北江下游支流東平水道左岸，堤長40．92km，捍衛(wèi)著佛山、南海兩市的84．3km2耕地，82．5萬人口，工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值473億元(1997年)，是廣東省五大重點(diǎn)堤圍之一。該堤中段的白蛇游、石啃險段長約5km，河段狹窄，為典型彎曲河相，水流湍急，深槽迫岸，堤腳受割嚴(yán)重(見圖1)。自1990年開始的對該河段水下地形和河床底質(zhì)的多次水下掃描成果表明：河段左岸呈普遍沖刷狀態(tài)，堤坡腳呈現(xiàn)強(qiáng)沖刷(>2m)的河段約長1250m，占測量河段的25％。1994年大洪水后，1995年測量成果與1994年洪前成果相比，河床中泓線向佛山大堤側(cè)擺動的河段3500m，占測量河段的71％，最大擺幅27m，最大沖深達(dá)7m。堤腳受割，造成近年來多次出現(xiàn)一些坍岸、堤腳石墻沉裂、外移、堤段滑裂失穩(wěn)等險情。

　　當(dāng)?shù)厮块T歷來重視該險段的整治。60年代曾進(jìn)行河工模型試驗(yàn)，對在險段起始處的平洲、譚洲水道汊口建壩調(diào)整分流比或建閘限流等方案進(jìn)行論證，但可行性均不足，因此護(hù)岸防沖仍是該險段的主要整險措施。

2　設(shè)計方案比較

　　本地區(qū)護(hù)岸防沖的措施多采用拋石護(hù)腳或拋石丁壩護(hù)岸。解放后歷年對該險段河岸均有拋石。但由于這一河段水深流急，枯水期水深仍逾10m以上，河面狹窄，大部分寬約100m，窄處約80m，且為廣州一肇慶一梧州的主航道，航船頻密，高速客船浪損影響大。洪水期水深近20m，P=2％，洪水流量超過3300m3／s，平均流速可達(dá)3．0m/s。水流帶走分散拋石體下的河床泥沙，“沙走石沉”堤腳受割仍不可避免。因此，傳統(tǒng)拋石護(hù)腳已不甚適應(yīng)，且拋石過多，束窄河床，于行洪、航道均不利。近年來，當(dāng)?shù)厮块T致力尋求新的護(hù)岸防沖形式。曾進(jìn)行過下述設(shè)計方案的分析比較：

　　方案1：鉸鏈混凝土板一聚酯纖維布軟體沉排護(hù)岸；
　　方案2：土工布模袋混凝土護(hù)岸；
　　方案3：水下不分散混凝土(NDC)護(hù)岸。以上幾個方案均是小量拋石整平坡面的基礎(chǔ)上進(jìn)行。方案1在我國中部地區(qū)有應(yīng)用實(shí)例，但考察分析后認(rèn)為大面積沉排施工難度大，在流急及保障通航的情況下難以實(shí)現(xiàn)；方案2在生活本省江門地區(qū)曾作試驗(yàn)，但在水深流急的情況下難以施工，護(hù)坡下部壓腳技術(shù)不成熟，錨固可靠度不高，造價略高于方案3。水下不分散混凝土是國外一項(xiàng)較新的研究成果，是在混凝土中加入水下不分散混凝土絮凝劑，由于賦予混凝土的粘稠性，使它在尚未硬化狀態(tài)下，即使受到水的沖刷，也不會使材料分散，并能在水下形成優(yōu)質(zhì)、均勻的混凝土，滿足水下施工的要求。其特征是：

　　(1)混凝土拌和物遇水不離析，水泥流失甚少，可在水中澆筑，進(jìn)行不排水施工；
　　(2)可在水中自流平、自密實(shí)，也可進(jìn)行水下振搗與砌筑；
　　(3)對施工水域無污染，絮凝劑對人體無害，可用于飲用水工程。

　　因此，可用這種混凝土在水下灌入拋石體上部縫隙中，把分散的塊石結(jié)成緊密的蓋板，達(dá)到抗沖刷的目的。

　　經(jīng)比較分析，水下不分散混凝土能適應(yīng)這一河床狹窄，流急，施工期不得礙航，不得污染飲用水源的要求，施工技術(shù)有一定保證。因此，在長約250m的護(hù)岸防沖工程中，試驗(yàn)應(yīng)用這一技術(shù)。該試驗(yàn)坡腳大部分已有拋石，水下坡約1：1．6—1：1．9，設(shè)計安排對坡面拋石整平，為盡量減少拋石束窄河床，坡面依地勢而變，大致為1：1．8，局部采用折線形；整平時注意拋石料塊度、級配；拋石面澆筑水下不分散混凝土，折算厚度0．3m；在水下不分散混凝土強(qiáng)度達(dá)28d后坡腳二期拋石，該平臺壓護(hù)坡腳，并供日后檢查觀測，一旦坍陷，便補(bǔ)充拋石；護(hù)岸坡頂水位變動區(qū)2．5m寬混凝土平臺設(shè)水平及沉降位移觀測。設(shè)計斷面見圖2。總工程量混凝土1848m3整平及二期拋石壓腳石方5984m3。

　　3　材料及配臺比試驗(yàn)
　　3.1　材料
　　水下不分散混凝土絮凝劑系指加入水下澆灌的混凝土中，由于賦予混凝土以粘稠性從而抑制了水下水泥與骨料發(fā)生分散的外加劑。最早產(chǎn)于原西德(1974年)，日本于1980年研制成功。我國于1986年研制成功，這種絮凝劑技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給石家莊市正定縣混凝土外加劑廠，1992年通過了新產(chǎn)品鑒定(冀政生科鑒定[1992]513號)，并榮獲天津建筑學(xué)會優(yōu)秀成果獎、全國施工企業(yè)技術(shù)進(jìn)步優(yōu)秀項(xiàng)目獎等十七項(xiàng)獎勵，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。該產(chǎn)品為含有水溶性高分子聚合物、表面活性物質(zhì)等的黃褐色粉劑，有三個品種：
　　UWB—1緩凝型，緩凝8－14h，適用于大型及無施工縫等水下整體澆筑混凝土工程。
　　UWB—2普遍型，混凝土正常凝結(jié)及硬化，適用于一般梁柱、墻板等水下現(xiàn)澆混凝土工程；
　　UWB—3早強(qiáng)型，混凝土正常凝結(jié)，加速硬化，用于止水、錨固等有特殊要求的水下工程。
　　采用符合GBl75標(biāo)準(zhǔn)的525＃普通硅酸鹽泥、符合JGJ52用沙質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的最大粒徑5mm細(xì)骨料和符合JGJ53碎石或卵石的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的最大粒徑25mm粗骨料，生產(chǎn)廠家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)提出的水下不分散混凝土質(zhì)量指標(biāo)見表1。
　　本工程絮凝劑采用正定縣混凝土外加劑廠產(chǎn)品(UWB—2)(普通型)，水泥采用南海水泥廠525＃普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用北江中粗河沙，粗骨料采用虎門石場產(chǎn)5—25mm訓(xùn)花崗巖碎石，拌和水直接由清潔的北江河水抽取。

　　3.2　配合比試驗(yàn)
　　根據(jù)廠家提供的配合比和有關(guān)技術(shù)參數(shù)，及在廠家技術(shù)人員指導(dǎo)下進(jìn)行試配工作。摻有絮凝劑的水下不分散混凝土的性能匯總于表2。
　　還須說明的是，此前我們還進(jìn)行了摻用其它外加劑的試驗(yàn)(其中1組普通混凝土，5組分別摻用UWB及羅定產(chǎn)WH3早強(qiáng)劑，廣州產(chǎn)GM1型高效減水劑及美國產(chǎn)達(dá)力牌D－17D型緩凝減水劑)，試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土中摻加UWB后，凝結(jié)時間明顯增長，隨著UWB摻量增加，坍落度增加不大，但拌和物流動性明顯增加；如再摻加高效減水劑或緩凝減水劑，凝結(jié)時間進(jìn)一步延緩，而摻用早強(qiáng)劑，凝結(jié)時間可以提早；混凝土中摻加UWB后，再摻外加劑，對坍落度及擴(kuò)展度的增加不明顯。
　　本工程施工采用表2的配比。
　　4　施工技術(shù)
　　4.1　水下不分散混凝土澆筑方案
　　水下不分散混凝土澆灌，原則上使用混凝土導(dǎo)管、混凝土泵或開底容器。文獻(xiàn)[1]指出，為防止因澆灌方法不當(dāng)造成質(zhì)量下降和水質(zhì)污染，應(yīng)控制拌和物在水中自由落差不大于0.3－0.5m。本工程河段狹窄，水深流急，航船頻密，根據(jù)澆筑面特點(diǎn)，可供選擇的施工方案有導(dǎo)管法和泵壓法。導(dǎo)管法在攪拌船上生產(chǎn)混凝土，接裝料漏斗及下流導(dǎo)管至澆筑面。這一方案設(shè)備簡單，可用100t左右船只作攪拌船，具有流動性大、操作簡單的特點(diǎn)，但產(chǎn)量不高，且施工船只影響往來航船安全，受風(fēng)浪影響定位也易，澆灌點(diǎn)易于走位。泵壓法由陸上或船上生產(chǎn)的混凝土用泵直接壓送至布料機(jī)澆灌。在船上生產(chǎn)混凝土及泵壓，同樣有產(chǎn)量不高、礙航及定位難度大的不足，根據(jù)本場地提頂較寬，堤高僅約7－8m，且堤腳設(shè)拋石平臺的特點(diǎn)，采用在堤頂生產(chǎn)并泵壓混凝土，布料機(jī)旋轉(zhuǎn)在岸邊2.5m寬平臺澆灌的施工方案(見圖3)。

　　4.2　簡易布料機(jī)的改進(jìn)
　　按建筑用的布料機(jī)原理，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，設(shè)計、改進(jìn)成簡易布料機(jī)。其滿足的使用要求是：
　　(1)機(jī)座小，能放置于約2.5m寬平臺上；
　　(2)布料水平距離大于20m，垂直距離1－12m；
　　(3)單次布料寬度1m；
　　(4)移動方便。
　　按上述要求制造的簡單布料機(jī)，布料輸送管采用φ125mm鋼管，最大長度28m，分兩段，中間鉸接點(diǎn)用2個彎管連接，拆卸方便，可在豎向彎曲，仿如人臂。臂長可按實(shí)際需要駁長或卸短。出料口為扇形，寬度1m。布料臂由改裝的簡易起吊船提升和移動。
　　開始澆灌時，布料機(jī)的送料曲臂伸直，貼水下坡面斜放，隨著混凝土泵連續(xù)泵壓送料，提升中間鉸點(diǎn)，出料口始終緊貼澆筑坡面由下向上移動，使混凝土料均勻分布。出料口移動的距離和速度，用直接系于其上的測繩來量度。施工實(shí)踐表明，改進(jìn)的這一簡單機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)定位準(zhǔn)確
　　布料機(jī)座固定在岸邊，每次布料完成移動1m。受水流、船浪影響小，礙航也較小。
　　(2)鋪澆質(zhì)量較好
　　出料口緊貼澆筑面，混凝土自由下落高度最小，攪拌機(jī)每斗出料量0.3m3，出料口移動距離每斗1m，平均布料厚度0.3m。移動速度由測繩直觀控制。
　　4.3　施工控制
　　4.3.1　拋石整平
　　抓好對原有水下拋石體整平是保證水下不分散混凝土順利澆鋪的前提。施工前按每5m間距設(shè)置1個控制斷面，編制固定樁號，并按1m的測點(diǎn)間距精確測量水下斷面；石料拋投時認(rèn)真控制定位，測深人員精測勤測，每拋一輪測深一次，直至拋投整平斷面合乎設(shè)計要求。每個控制斷面測繪整平竣工圖。
　　4.3.2　水下不分散混凝土澆灌前施工準(zhǔn)備
　　(1)選用性能較好的混凝土泵。水下不分散混凝土富有粘稠性，與普通混凝土相比，其泵送阻力增加1－2倍左右，但不會增加水泥漿與骨料離析而引起的堵泵、卡管現(xiàn)象。本工程選用性能良好的西德產(chǎn)混凝土泵，實(shí)際最大輸送水平距離達(dá)到200m。
　　(2)減少輸送阻力，盡量減少彎頭數(shù)目，或采用彎曲半徑較大的彎頭。
　　(3)在泵送前，除用水濕潤輸送管道外，還要先送0.5m3水下不分散砂漿以潤滑管路，防止塞管。
　　(4)當(dāng)混凝土輸送中斷時，為防止水向泵管內(nèi)反竄，將管口插入已澆灌的混凝。
　　(5)復(fù)查拋石坡面，派潛水員檢查拋石面平整度，如有不平，用布料桿拖平，小量的則用人工整平。
　　4.3.3　現(xiàn)場攪拌混凝土質(zhì)量控制
　　(1)按常規(guī)的必檢項(xiàng)目和抽查項(xiàng)目控制各種原材料的質(zhì)量。
　　(2)按攪拌機(jī)容量計算好每槽各項(xiàng)材料用量，進(jìn)料計量誤差控制按文獻(xiàn)[1]的要求(見表3)。

　　(3)攪拌工藝為水泥、骨料及絮凝劑干拌1分鐘，加水后拌和3分鐘，認(rèn)真抓好充分?jǐn)嚢琛?br>　　(4)設(shè)專人控制坍落度和坍?dāng)U度，每20m3抽檢1次，本工程控制坍落度18－22cm，坍?dāng)U度38－42cm。過大則混凝土不易停留在拋石體上部表面，或順斜坡下溜，或向拋石體內(nèi)部流走；過小則易塞管，即使到達(dá)澆鋪點(diǎn)也因自流平及填充性不足而不能形成較平整均勻的混凝土蓋層。
　　(5)做好水上成型試件(機(jī)口取樣)及水下成型試件(管口取樣)，每班或每20－40m3抽樣一組，作28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。
　　4.3.4　混凝土澆鋪質(zhì)量控制
　　(1)以順?biāo)飨蛎?延米為一個澆鋪斷面，澆鋪前量好布料桿的位置，并使之與堤軸線垂直；遇水流流急時，及時調(diào)整上吊點(diǎn)位置，以抵消因水流引起的偏差。
　　(2)用測繩量準(zhǔn)出料口的移動距離，按每間隔1m灌注0.3m3混凝土的標(biāo)準(zhǔn)，確保灌注厚度，并按《水下不分散混凝土灌注記錄表》逐一記錄灌注位置和灌注量。
　　(3)做好施工質(zhì)量潛水檢查及水下錄像檢查，及時反饋質(zhì)量情況以便改進(jìn)，并按《潛水員檢查記錄表》做好檢查記錄。
　　(4)在波浪影響較大的部位，抓好了春節(jié)期間航船少的有利時機(jī)進(jìn)行施工，配合用民船、斑馬布擋浪、防浪，減少了大浪對新澆筑的混凝土的沖刷。
　　5　成效及應(yīng)用前景
　　佛山大堤白蛇漩、石啃險段的護(hù)岸工程中，應(yīng)用水下不分散混凝土澆鋪水下護(hù)坡，試驗(yàn)段工程自1999年春節(jié)前后進(jìn)行，澆筑歷時約30天，取得了初步的成效。該護(hù)岸工程37個單元工程全部合格，其中34個優(yōu)良，優(yōu)良率91.9％。水下混凝土試件29組，平均強(qiáng)度19.1Mpa，強(qiáng)度保證率89.7％，離差系數(shù)CV=0.22，混凝土試塊質(zhì)量合格，經(jīng)水下像及潛水檢查和測量分析，水下拋石大部分均被混凝土復(fù)蓋或塊石間隙填充了混凝土，形成了混凝土夾塊石的完整蓋板，達(dá)到了設(shè)計要求。混凝土與塊石粘結(jié)良好，即使是原有水下塊石，混凝土填充粘結(jié)合后敲擊也不易分離。今年汛后測量檢查，岸坡穩(wěn)定，整體防沖刷能力大大增強(qiáng)。
　　本工程的施工實(shí)踐表明：
　　(1)水下不分散混凝土在尚未硬化的狀態(tài)下即使受到水的沖刷也不易材料分散，并能在水下形成優(yōu)質(zhì)、均勻的混凝土。文獻(xiàn)[1]原則上規(guī)定水下不分散混凝土在靜水狀態(tài)下進(jìn)行澆灌。本工程施工時則有時流速達(dá)到0.7m/s，仍能取得較好的成效。完工后潛水檢查坡腳未見混凝土流淌堆積現(xiàn)象，混凝土蓋板無明顯沖刷、松散痕跡�？梢姷乃蛔儎訁^(qū)亦如此，局部僅現(xiàn)顏色稍淡白，沙粒浮現(xiàn)，骨料上水泥漿洗去小量而已。
　　(2)常規(guī)方法施工水下混凝土，由于施工方法和施工條件的原因，質(zhì)量波動較大；另外，在水流動過程中與水混合導(dǎo)致強(qiáng)度降低；由于產(chǎn)生水泥流失層，易形成夾縫，影響結(jié)構(gòu)物整體強(qiáng)度。水下不分散混凝土則有利于減少、克服這些弊端。文獻(xiàn)[1]指出，水下不分散混凝土的施工縫抗拉強(qiáng)度，與無施工縫的相比，可達(dá)到56％－58％(水平)和41％－49％(垂直)，比普遍混凝土提高了10－20個百分點(diǎn)。因此，水下不分散混凝土適宜施工的條件很廣，大面積水下澆鋪更顯優(yōu)越。
　　(3)水下不分散混凝土造價仍較高。目前尚無定額可循。本工程實(shí)踐約550元/m3。與普通混凝土相比較，水泥用量較多，絮凝劑費(fèi)用(每m3混凝土UWB費(fèi)用160元)和機(jī)械臺班、人工費(fèi)用增加較大。在費(fèi)用構(gòu)成中，機(jī)械、人工及其它費(fèi)用約占25％，材料費(fèi)用75％。降低工程造價是在水利工程中推廣應(yīng)用這一技術(shù)的關(guān)鍵。改進(jìn)施工機(jī)具，提高工作效率是必要的。根據(jù)現(xiàn)場條件選取適當(dāng)?shù)呐浜媳�，減少絮凝劑用量；處理好澆筑基層(合理級配拋石及平整等)，從而減少混凝土澆筑量，可降低造價，提高工程效益。
　　水下混凝土施工是難度很大的水下工程技術(shù)。水下不分散混凝土被國外一些學(xué)者譽(yù)為“開辟水下混凝土史的新紀(jì)元”，本工程為在我省水利工程推廣應(yīng)用這一技術(shù)作了有益的嘗試，當(dāng)然，還有許多工作要做，還有許多問題要總結(jié)探討。但無疑的是，水下不分散混凝土施工技術(shù)對護(hù)岸防沖工程是適宜的，它有光明的應(yīng)用前景。

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