水下不分散混凝土在护岸工程中的应用

时间日期：2002-7-3 已被阅读次：[6587]

佛山市水利局　李大标
佛山市水利水电设计研究院　陈彦文　梁斌

1　工程概况

　　佛山大堤位于北江下游支流东平水道左岸，堤长40．92km，捍卫着佛山、南海两市的84．3km2耕地，82．5万人口，工农业总产值473亿元(1997年)，是广东省五大重点堤围之一。该堤中段的白蛇游、石啃险段长约5km，河段狭窄，为典型弯曲河相，水流湍急，深槽迫岸，堤脚受割严重(见图1)。自1990年开始的对该河段水下地形和河床底质的多次水下扫描成果表明：河段左岸呈普遍冲刷状态，堤坡脚呈现强冲刷(>2m)的河段约长1250m，占测量河段的25％。1994年大洪水后，1995年测量成果与1994年洪前成果相比，河床中泓线向佛山大堤侧摆动的河段3500m，占测量河段的71％，最大摆幅27m，最大冲深达7m。堤脚受割，造成近年来多次出现一些坍岸、堤脚石墙沉裂、外移、堤段滑裂失稳等险情。

　　当地水利部门历来重视该险段的整治。60年代曾进行河工模型试验，对在险段起始处的平洲、谭洲水道汊口建坝调整分流比或建闸限流等方案进行论证，但可行性均不足，因此护岸防冲仍是该险段的主要整险措施。

2　设计方案比较

　　本地区护岸防冲的措施多采用抛石护脚或抛石丁坝护岸。解放后历年对该险段河岸均有抛石。但由于这一河段水深流急，枯水期水深仍逾10m以上，河面狭窄，大部分宽约100m，窄处约80m，且为广州一肇庆一梧州的主航道，航船频密，高速客船浪损影响大。洪水期水深近20m，P=2％，洪水流量超过3300m3／s，平均流速可达3．0m/s。水流带走分散抛石体下的河床泥沙，“沙走石沉”堤脚受割仍不可避免。因此，传统抛石护脚已不甚适应，且抛石过多，束窄河床，于行洪、航道均不利。近年来，当地水利部门致力寻求新的护岸防冲形式。曾进行过下述设计方案的分析比较：

　　方案1：铰链混凝土板一聚酯纤维布软体沉排护岸；
　　方案2：土工布模袋混凝土护岸；
　　方案3：水下不分散混凝土(NDC)护岸。以上几个方案均是小量抛石整平坡面的基础上进行。方案1在我国中部地区有应用实例，但考察分析后认为大面积沉排施工难度大，在流急及保障通航的情况下难以实现；方案2在生活本省江门地区曾作试验，但在水深流急的情况下难以施工，护坡下部压脚技术不成熟，锚固可靠度不高，造价略高于方案3。水下不分散混凝土是国外一项较新的研究成果，是在混凝土中加入水下不分散混凝土絮凝剂，由于赋予混凝土的粘稠性，使它在尚未硬化状态下，即使受到水的冲刷，也不会使材料分散，并能在水下形成优质、均匀的混凝土，满足水下施工的要求。其特征是：

　　(1)混凝土拌和物遇水不离析，水泥流失甚少，可在水中浇筑，进行不排水施工；
　　(2)可在水中自流平、自密实，也可进行水下振捣与砌筑；
　　(3)对施工水域无污染，絮凝剂对人体无害，可用于饮用水工程。

　　因此，可用这种混凝土在水下灌入抛石体上部缝隙中，把分散的块石结成紧密的盖板，达到抗冲刷的目的。

　　经比较分析，水下不分散混凝土能适应这一河床狭窄，流急，施工期不得碍航，不得污染饮用水源的要求，施工技术有一定保证。因此，在长约250m的护岸防冲工程中，试验应用这一技术。该试验坡脚大部分已有抛石，水下坡约1：1．6—1：1．9，设计安排对坡面抛石整平，为尽量减少抛石束窄河床，坡面依地势而变，大致为1：1．8，局部采用折线形；整平时注意抛石料块度、级配；抛石面浇筑水下不分散混凝土，折算厚度0．3m；在水下不分散混凝土强度达28d后坡脚二期抛石，该平台压护坡脚，并供日后检查观测，一旦坍陷，便补充抛石；护岸坡顶水位变动区2．5m宽混凝土平台设水平及沉降位移观测。设计断面见图2。总工程量混凝土1848m3整平及二期抛石压脚石方5984m3。

　　3　材料及配台比试验
　　3.1　材料
　　水下不分散混凝土絮凝剂系指加入水下浇灌的混凝土中，由于赋予混凝土以粘稠性从而抑制了水下水泥与骨料发生分散的外加剂。最早产于原西德(1974年)，日本于1980年研制成功。我国于1986年研制成功，这种絮凝剂技术已转让给石家庄市正定县混凝土外加剂厂，1992年通过了新产品鉴定(冀政生科鉴定[1992]513号)，并荣获天津建筑学会优秀成果奖、全国施工企业技术进步优秀项目奖等十七项奖励，填补了国内空白。该产品为含有水溶性高分子聚合物、表面活性物质等的黄褐色粉剂，有三个品种：
　　UWB—1缓凝型，缓凝8－14h，适用于大型及无施工缝等水下整体浇筑混凝土工程。
　　UWB—2普遍型，混凝土正常凝结及硬化，适用于一般梁柱、墙板等水下现浇混凝土工程；
　　UWB—3早强型，混凝土正常凝结，加速硬化，用于止水、锚固等有特殊要求的水下工程。
　　采用符合GBl75标准的525＃普通硅酸盐泥、符合JGJ52用沙质量标准的最大粒径5mm细骨料和符合JGJ53碎石或卵石的质量标准的最大粒径25mm粗骨料，生产厂家产品标准提出的水下不分散混凝土质量指标见表1。
　　本工程絮凝剂采用正定县混凝土外加剂厂产品(UWB—2)(普通型)，水泥采用南海水泥厂525＃普通硅酸盐水泥，细骨料采用北江中粗河沙，粗骨料采用虎门石场产5—25mm训花岗岩碎石，拌和水直接由清洁的北江河水抽取。

　　3.2　配合比试验
　　根据厂家提供的配合比和有关技术参数，及在厂家技术人员指导下进行试配工作。掺有絮凝剂的水下不分散混凝土的性能汇总于表2。
　　还须说明的是，此前我们还进行了掺用其它外加剂的试验(其中1组普通混凝土，5组分别掺用UWB及罗定产WH3早强剂，广州产GM1型高效减水剂及美国产达力牌D－17D型缓凝减水剂)，试验结果表明：混凝土中掺加UWB后，凝结时间明显增长，随着UWB掺量增加，坍落度增加不大，但拌和物流动性明显增加；如再掺加高效减水剂或缓凝减水剂，凝结时间进一步延缓，而掺用早强剂，凝结时间可以提早；混凝土中掺加UWB后，再掺外加剂，对坍落度及扩展度的增加不明显。
　　本工程施工采用表2的配比。
　　4　施工技术
　　4.1　水下不分散混凝土浇筑方案
　　水下不分散混凝土浇灌，原则上使用混凝土导管、混凝土泵或开底容器。文献[1]指出，为防止因浇灌方法不当造成质量下降和水质污染，应控制拌和物在水中自由落差不大于0.3－0.5m。本工程河段狭窄，水深流急，航船频密，根据浇筑面特点，可供选择的施工方案有导管法和泵压法。导管法在搅拌船上生产混凝土，接装料漏斗及下流导管至浇筑面。这一方案设备简单，可用100t左右船只作搅拌船，具有流动性大、操作简单的特点，但产量不高，且施工船只影响往来航船安全，受风浪影响定位也易，浇灌点易于走位。泵压法由陆上或船上生产的混凝土用泵直接压送至布料机浇灌。在船上生产混凝土及泵压，同样有产量不高、碍航及定位难度大的不足，根据本场地提顶较宽，堤高仅约7－8m，且堤脚设抛石平台的特点，采用在堤顶生产并泵压混凝土，布料机旋转在岸边2.5m宽平台浇灌的施工方案(见图3)。

　　4.2　简易布料机的改进
　　按建筑用的布料机原理，结合本工程的实际情况，设计、改进成简易布料机。其满足的使用要求是：
　　(1)机座小，能放置于约2.5m宽平台上；
　　(2)布料水平距离大于20m，垂直距离1－12m；
　　(3)单次布料宽度1m；
　　(4)移动方便。
　　按上述要求制造的简单布料机，布料输送管采用φ125mm钢管，最大长度28m，分两段，中间铰接点用2个弯管连接，拆卸方便，可在竖向弯曲，仿如人臂。臂长可按实际需要驳长或卸短。出料口为扇形，宽度1m。布料臂由改装的简易起吊船提升和移动。
　　开始浇灌时，布料机的送料曲臂伸直，贴水下坡面斜放，随着混凝土泵连续泵压送料，提升中间铰点，出料口始终紧贴浇筑坡面由下向上移动，使混凝土料均匀分布。出料口移动的距离和速度，用直接系于其上的测绳来量度。施工实践表明，改进的这一简单机具有以下优点：
　　(1)定位准确
　　布料机座固定在岸边，每次布料完成移动1m。受水流、船浪影响小，碍航也较小。
　　(2)铺浇质量较好
　　出料口紧贴浇筑面，混凝土自由下落高度最小，搅拌机每斗出料量0.3m3，出料口移动距离每斗1m，平均布料厚度0.3m。移动速度由测绳直观控制。
　　4.3　施工控制
　　4.3.1　抛石整平
　　抓好对原有水下抛石体整平是保证水下不分散混凝土顺利浇铺的前提。施工前按每5m间距设置1个控制断面，编制固定桩号，并按1m的测点间距精确测量水下断面；石料抛投时认真控制定位，测深人员精测勤测，每抛一轮测深一次，直至抛投整平断面合乎设计要求。每个控制断面测绘整平竣工图。
　　4.3.2　水下不分散混凝土浇灌前施工准备
　　(1)选用性能较好的混凝土泵。水下不分散混凝土富有粘稠性，与普通混凝土相比，其泵送阻力增加1－2倍左右，但不会增加水泥浆与骨料离析而引起的堵泵、卡管现象。本工程选用性能良好的西德产混凝土泵，实际最大输送水平距离达到200m。
　　(2)减少输送阻力，尽量减少弯头数目，或采用弯曲半径较大的弯头。
　　(3)在泵送前，除用水湿润输送管道外，还要先送0.5m3水下不分散砂浆以润滑管路，防止塞管。
　　(4)当混凝土输送中断时，为防止水向泵管内反窜，将管口插入已浇灌的混凝。
　　(5)复查抛石坡面，派潜水员检查抛石面平整度，如有不平，用布料杆拖平，小量的则用人工整平。
　　4.3.3　现场搅拌混凝土质量控制
　　(1)按常规的必检项目和抽查项目控制各种原材料的质量。
　　(2)按搅拌机容量计算好每槽各项材料用量，进料计量误差控制按文献[1]的要求(见表3)。

　　(3)搅拌工艺为水泥、骨料及絮凝剂干拌1分钟，加水后拌和3分钟，认真抓好充分搅拌。
　　(4)设专人控制坍落度和坍扩度，每20m3抽检1次，本工程控制坍落度18－22cm，坍扩度38－42cm。过大则混凝土不易停留在抛石体上部表面，或顺斜坡下溜，或向抛石体内部流走；过小则易塞管，即使到达浇铺点也因自流平及填充性不足而不能形成较平整均匀的混凝土盖层。
　　(5)做好水上成型试件(机口取样)及水下成型试件(管口取样)，每班或每20－40m3抽样一组，作28d抗压强度试验。
　　4.3.4　混凝土浇铺质量控制
　　(1)以顺水流向每1延米为一个浇铺断面，浇铺前量好布料杆的位置，并使之与堤轴线垂直；遇水流流急时，及时调整上吊点位置，以抵消因水流引起的偏差。
　　(2)用测绳量准出料口的移动距离，按每间隔1m灌注0.3m3混凝土的标准，确保灌注厚度，并按《水下不分散混凝土灌注记录表》逐一记录灌注位置和灌注量。
　　(3)做好施工质量潜水检查及水下录像检查，及时反馈质量情况以便改进，并按《潜水员检查记录表》做好检查记录。
　　(4)在波浪影响较大的部位，抓好了春节期间航船少的有利时机进行施工，配合用民船、斑马布挡浪、防浪，减少了大浪对新浇筑的混凝土的冲刷。
　　5　成效及应用前景
　　佛山大堤白蛇漩、石啃险段的护岸工程中，应用水下不分散混凝土浇铺水下护坡，试验段工程自1999年春节前后进行，浇筑历时约30天，取得了初步的成效。该护岸工程37个单元工程全部合格，其中34个优良，优良率91.9％。水下混凝土试件29组，平均强度19.1Mpa，强度保证率89.7％，离差系数CV=0.22，混凝土试块质量合格，经水下像及潜水检查和测量分析，水下抛石大部分均被混凝土复盖或块石间隙填充了混凝土，形成了混凝土夹块石的完整盖板，达到了设计要求。混凝土与块石粘结良好，即使是原有水下块石，混凝土填充粘结合后敲击也不易分离。今年汛后测量检查，岸坡稳定，整体防冲刷能力大大增强。
　　本工程的施工实践表明：
　　(1)水下不分散混凝土在尚未硬化的状态下即使受到水的冲刷也不易材料分散，并能在水下形成优质、均匀的混凝土。文献[1]原则上规定水下不分散混凝土在静水状态下进行浇灌。本工程施工时则有时流速达到0.7m/s，仍能取得较好的成效。完工后潜水检查坡脚未见混凝土流淌堆积现象，混凝土盖板无明显冲刷、松散痕迹。可见的水位变动区亦如此，局部仅现颜色稍淡白，沙粒浮现，骨料上水泥浆洗去小量而已。
　　(2)常规方法施工水下混凝土，由于施工方法和施工条件的原因，质量波动较大；另外，在水流动过程中与水混合导致强度降低；由于产生水泥流失层，易形成夹缝，影响结构物整体强度。水下不分散混凝土则有利于减少、克服这些弊端。文献[1]指出，水下不分散混凝土的施工缝抗拉强度，与无施工缝的相比，可达到56％－58％(水平)和41％－49％(垂直)，比普遍混凝土提高了10－20个百分点。因此，水下不分散混凝土适宜施工的条件很广，大面积水下浇铺更显优越。
　　(3)水下不分散混凝土造价仍较高。目前尚无定额可循。本工程实践约550元/m3。与普通混凝土相比较，水泥用量较多，絮凝剂费用(每m3混凝土UWB费用160元)和机械台班、人工费用增加较大。在费用构成中，机械、人工及其它费用约占25％，材料费用75％。降低工程造价是在水利工程中推广应用这一技术的关键。改进施工机具，提高工作效率是必要的。根据现场条件选取适当的配合比，减少絮凝剂用量；处理好浇筑基层(合理级配抛石及平整等)，从而减少混凝土浇筑量，可降低造价，提高工程效益。
　　水下混凝土施工是难度很大的水下工程技术。水下不分散混凝土被国外一些学者誉为“开辟水下混凝土史的新纪元”，本工程为在我省水利工程推广应用这一技术作了有益的尝试，当然，还有许多工作要做，还有许多问题要总结探讨。但无疑的是，水下不分散混凝土施工技术对护岸防冲工程是适宜的，它有光明的应用前景。

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