两河口水电站混凝土骨料特性及其对混凝土性能影响分析与对策

张贵科 王彬 王吉焕 丁惠华

（雅砻江流域水电开发有限公司两河口建设管理局（筹），四川 成都610051）

摘要：本文根据两河口水电站可研阶段及初期导流洞工程的混凝土骨料料源选择、骨料与混凝土性能试验检测成果，并结合初期导流洞混凝土工程实践，对两河口水电站混凝土骨料的主要问题、骨料特性对混凝土性能影响情况及其主要对策措施进行了探讨，对后续主体工程的人工骨料及混凝土工程的试验、施工、设计等方面提出初步建议。

关键词：两河口水电站；砂板岩；骨料特性；混凝土性能

1 工程概述

两河口水电站为雅砻江中、下游的“龙头”水库，水库正常蓄水位2865.00m，相应库容101.54亿m3，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力。枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞、地下厂房等建筑物组成。大坝顶高程2875.00m，最大坝高295.0m，电站装机容量300万kW，多年平均发电量113.68亿kW·h。

两河口水电站虽然为土石坝，但由于其高坝大库的特点，左岸泄洪系统和右岸引水发电系统规模巨大，枢纽工程混凝土及喷混凝土总量约374万m3（其中混凝土约314万m3，喷混凝土约60万m3），需成品骨料约860万t，需毛料约420万m3（自然方）。同时，两河口水电站多为结构混凝土，泄洪建筑物最大流速达53.33m/s，对混凝土标号和抗裂性能要求高。因此，两河口水电站混凝土工程具有总量大，多为结构混凝土，对混凝土的强度、抗裂、耐久性、抗蚀、抗冲磨性能要求高等特点。

2 骨料料源及骨料基本特性

由于缺乏大规模天然骨料料源，两河口水电站的主体工程混凝土骨料均采用人工骨料。

在预可研和可研阶段的料源勘察中，对坝址120km范围内的可供工程选择的混凝土骨料料源进行了勘察和试验工作，经过综合经济、技术对比分析，选择两河口坝区三叠系两河口组下段T3lh（1）1和T3lh（2）1地层的弱风化下带和新鲜岩石作为骨料料源，其岩性为变质砂岩和粉砂质板岩。结合石料场规划，开展了两河口石料场、庆大河石料场、瓦支沟石料场及枢纽区洞挖渣料作为人工骨料料源的试验检测工作，并开展了牙根二级电站花岗岩料源试验工作，最终选择了瓦支沟石料场作为主体工程混凝土骨料料源。两河口坝区及牙根二级电站混凝土骨料料源原岩及人工骨料主要性能见表1。

初期导流洞原规划由庆大河石料场开采毛料作为骨料料源，后经试验论证后采用初期导流洞Ⅰ标、602#公路、8#公路（大坝轴线上游侧）洞挖料，主要为弱下风化带～微新的）的变质砂岩和粉砂质板岩，经检测其饱和抗压强度为54.3～74.7MPa，平均值为59.2MPa；软化系数为0.86～0.92，平均值为0.90。洞挖料通过左下沟前期砂石加工系统生产人工骨料，其主要性能指标见表2。

根据表1、表2的骨料原岩和骨料特性以及《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》（DL/T 5388—2007）和《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2001），采用坝区石料场开采毛料或洞挖料加工的人工骨料均满足配制C9035强度等级的混凝土骨料指标，且大部分满足配制C9035～C9040强度等级混凝土对骨料性能的要求。

3 人工骨料对混凝土性能影响分析

3.1 人工组合骨料对混凝土性能影响

考虑到坝区岩性以变质砂岩夹粉砂质板岩为主，且局部存在软弱岩层，毛料开采过程中难以避免包含部分板岩或少量软岩，为分析其对混凝土性能的影响，在可研设计阶段，较系统地开展了掺加板岩和软岩的组合骨料对混凝土性能影响的研究，研究表明，掺加一定的板岩或软岩的组合骨料，混凝土性能均向变差的方向发展，但其影响程度总体不大，仍可以满足混凝土设计性能要求。组合骨料对混凝土性能影响情况见表3。

3.2 人工骨料粒形对混凝土性能影响

由于两河口坝区岩层岩性以变质砂岩和粉砂质板岩为主，骨料试验检测成果显示，人工骨料存在粒形较差，针片含量偏高，骨料空隙率及细骨料细度模数偏大等问题。混凝土骨料粒形、级配较差带来混凝土施工性能较差，主要表现为混凝土和易性较差，为改善其和易性，需加大胶凝材料用量，进而增加混凝土水化热温升和开裂风险。

根据初期导流洞混凝土配合比试验成果，两河口水电站常态C10混凝土与其他工程胶凝材料用量比较情况见表4。

3.3 人工骨料碱活性对混凝土性能影响

在预可研和可研阶段，均对混凝土骨料的碱活性进行了试验研究，同时根据初期导流洞混凝土骨料料源调整情况开展了洞挖渣料作为骨料料源的专项试验研究，重点研究骨料碱活性及其抑制措施，两河口人工骨料碱活性试验成果见表5。

试验成果表明，两河口人工骨料碱活性问题较锦屏和双江口工程更为突出，由此可能带来的混凝土工程耐久性降低、闸室门槽膨胀变形导致闸门启闭困难等问题，需要高度重视。

3.4 人工骨料用于高标号及抗冲磨混凝土问题

根据骨料料源和骨料物性分析，板岩含量高的原岩抗压强度偏低，部分原岩的饱和抗压强度不足60MPa，若用于C9040以上较高强度的混凝土骨料时需慎重研究，另外在建公路桥梁工程中可能有高标号混凝土，其骨料问题应提前研究解决方案。

同时，两河口水电站泄洪建筑物流速大，对混凝土的强度、抗冲磨、抗冻性能要求高，因此，应结合骨料碱活性抑制措施、抗冲磨措施、优先掺合料和外加剂等方面综合研究泄洪建筑物的骨料供应和混凝土设计方案。

4 初期导流洞混凝土工程的主要对策措施

4.1 概况

两河口水电站在右岸设1#和2#两条初期导流洞，1#、2#导流洞长度分别1724.653m、1983.428m，出口段与电站尾水洞结合段的长度分别为524.653m、713.428m，洞身断面为城门洞型，断面尺寸12×14（宽×高），初期导流洞设计洪水标准为Qp=2%=5240m3/s，相应最大流速约为18m/s。初期导流洞工程设计混凝土总量为37.7万m3，主要混凝土品种及工程量见表6。

4.2 混凝土施工中的主要技术问题及其解决方案

4.2.1 混凝土骨料料源调整

两河口初期导流洞与尾水洞结合段为永久工程，原设计规划由庆大河石料场开采毛料加工混凝土骨料。但根据可研阶段的料源规划报告咨询意见，建议进一步深入开展瓦支沟石料场替代庆大河石料场的可行性研究，以取消庆大河石料场；同时，受现场施工条件和工程进度制约，开采庆大河石料场对在建项目影响大，且工期上难以满足初期导流洞混凝土施工进度要求。为此，委托设计院开展了利用初期导流洞洞挖料作为骨料料源的试验研究，重点开展了骨料碱活性及其抑制措施、混凝土基本配合比的试验工作。经过试验论证，表明采用洞挖料作为混凝土骨料料源是可行的，从而不再开采庆大河石料场，经调整优化骨料料源，节约工程投资约7000万元。

4.2.2 混凝土碱活性抑制措施

两河口坝区原岩生产的骨料碱活性突出，与尾水洞结合段的永久工程需考虑碱活性抑制措施。在可研阶段对混凝土碱活性抑制试验进行了较全面地研究，其主要成果见表7。

在可研试验成果的基础上，针对初期导流洞骨料料源变化，进一步开展了采用Ⅱ级粉煤灰抑制混凝土骨料碱活性试验，试验表明粉煤灰掺量为25%、30%和35%时，对14d砂浆棒膨胀抑制率分别为94.3% 98.5%（平均96.6%）、95.6% 99.1%（平均97.6%）、96.6% 99.8%（平均98.7%）；对28d砂浆棒膨胀抑制率分别为92.3% 97.2%（平均95.1%）、93.3% 98.8%（平均96.4%）、93.8% 99.0%（平均97.4%）。

经评审，初期导流洞混凝土碱活性抑制方案采用了掺30%的Ⅱ级粉煤灰。

4.2.3 混凝土原材料调整与优化

（1）骨料技术指标优化。

针对前期砂石系统料源及成品骨料检测情况，对骨料技术指标主要进行了以下优化调整：细骨料石粉含量由原设计6%～10%调整为≤14%，细度模数由原设计2.6±0.1调整为26±0.2；粗骨料针片状规范要求≤15%调整为≤20%；喷混凝土豆石规格由设计5～10mm调整为5～15mm。

（2）水泥与粉煤灰技术指标优化。

针对初期导流洞施工期间的水泥、粉煤灰的供应形势及工程混凝土质量性能要求，从采购供应成本等多方面综合考虑，经与设计院沟通，对水泥、粉煤灰技术指标进行了调整优化。

工程混凝土采用的普硅水泥除满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）要求外，对比表面积由250～340m2/kg调整为250～350m2/kg；碱含量由≤0.50%调整为≤0.60%；28d强度抗压强度由≥45MPa、波动范围≤3MPa调整为45±3.5MPa内的、保证率不小于85%且不超过53MPa。

粉煤灰由Ⅰ级调整为Ⅱ级，其主要技术指标为烧失量≤5.0%，需水量比≤95.0%，碱含量≤2.5%，氧化钙含量≤5.0%，游离氧化钙含量≤1.0%，含水量≤1.0%，三氧化硫含量≤3.0%，细度（45μm方孔筛筛余）≤20.0%。

（3）HF外加剂使用。

组织对贵阳院、昆明院、成都院等设计单位及洪家渡水电站、苏家河口水电站等工程抗冲磨混凝土中HF外加剂使用情况进行了调研，调研情况表明，虽然HF外加剂对提高混凝土抗冲磨性能不如掺硅粉混凝土、掺纤维混凝土，但HF混凝土的和易性及施工性能较好。相关工程及两河口初期导流洞工程中使用HF外加剂情况表明：HF外加剂掺量大时易出现坍落度过大且有泌水现象；相同水胶比条件下，HF+粉煤灰混凝土的用水量较大，由此带来水泥用量较大，水化热温升和干缩较大。

4.2.4 混凝土配合比优化

两河口初期导流洞骨料碱活性抑制及基本配合比试验成果显示：在保证混凝土配制强度的情况下，泵送混凝土中粉煤灰掺量由25%调整到30%（或30%调整到35%）混凝土水胶比需平均减小约0.03，每方混凝土平均少用1.3kg水泥和多用21.1kg粉煤灰；HF混凝土中粉煤灰掺量由25%调整到30%，混凝土水胶比需平均减小约0.02，每方混凝土平均少用2.4kg水泥和多用24.6kg粉煤灰；泵送混凝土设计龄期由28d调整到60d，或60d调整到90d，水胶比可平均放大约0.03，每方混凝土中能平均少用16.1kg的水泥和7.1kg的粉煤灰；HF混凝土设计龄期由28d调整到60d，或60d调整到90d，水胶比可平均放大约0.02，每方混凝土中能平均少用12.4kg的水泥和4.1kg的粉煤灰。

根据以上成果，组织开展了初期导流洞混凝土施工配合比的优化工作，通过掺加粉煤灰、延长设计龄期等措施，减小了水泥用量，不仅节约了成本，而且减少了水化热温升带来的混凝土开裂风险，以HFC35W8F100及C25W8F100混凝土为例，配合优化对比情况见表8。

4.3 初期导流洞混凝土质量检测情况

初期导流洞主要混凝土质量检测情况见表9，由检测成果分析，混凝土性能满足设计及相应的规范规程要求。

5 结论与建议

根据两河口水电站可研阶段的设计成果及初期导流洞工程的实践，两河口坝址的骨料料源可以满足配置C2840级配的混凝土要求，但受料源含板岩等因素的影响，其针片含量及空隙率较大，料源中夹有软弱岩层时配置更高标号混凝土时需进行相应研究，同时，骨料碱活性问题突出，因此，混凝土水泥用量较大，骨料碱活性问题需进一步深入研究。为保证主体工程混凝土质量，建议采取以下措施：

（1）合理规划瓦支沟石料场的开采分区和开采使用计划，优先选用下游T31（2）lh层砂岩含量高、新鲜的岩层作为主体工程混凝土骨料料源。

（2）鉴于目前利用变质粉砂岩和粉砂质板岩加工混凝土人工骨料在国内大、中型水电工程中较为少见，在工艺流程、设备选型中尚缺乏足够的技术参数，故需通过生产性试验，以收集各种技术参数，为两河口水电站主体工程人工骨料加工系统设计提供参考。同时，根据试验成果，在今后主体工程混凝土骨料生产系统的招标文件中应明确主要设备选型（特别是破碎设备）、工艺流程（考虑增加骨料整形工艺流程）等相关要求。

（3）泄洪系统高速水流区域、闸门等部位对混凝土碱活性控制要求高的部位，应进一步开展研究复掺粉灰和硅粉、采用低碱水泥、复掺粉煤灰和纤维、优选混凝土外加剂品种及其组合、选用牙根花岗岩非活骨料替代等多方案的技术、经济可行性综合比选论证，并结合碱活性对不同部位混凝土的影响后果评价，分别提出相应的混凝土总碱量要求。

（4）对桥梁、高速水流抗冲磨混凝土等可能使用高标号混凝土的骨料料源，应提前开展相应的试验研究，做好技术储备。

（5）推进砂石骨料加工系统、拌和楼系统的试验检测标准化建设，在招标文件中明确对试验室检测能力、人员、仪器设备配置（由于混凝土骨料具有碱活性，需采用低碱水泥和掺高性能粉煤灰，因此混凝土生产系统试验室需具备水泥、粉煤灰等原材料的化学分析能力）、试验检测操作、拌和楼生产配合比调整的控制管理流程，规范原材料及混凝土拌和物的质量管理。

（6）在混凝土设计中，为方便施工及质量控制，应优化混凝土分区，减少混凝土品种；结合混凝土工程使用时间，确定合理混凝土设计龄期，开展混凝土基本配合比的优化试验，尽量减小水泥用量；结合水泥、粉煤灰的供应规划与供应形势以及混凝土性能要求，在满足混凝土性能的条件下合理确定原材料技术指标。

参考文献

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[3] 四川省雅砻江两河口水电站混凝土骨料料源选择补充专题研究报告（瓦支沟石料场替代庆大河石料场）．中国水电顾问集团成都勘测设计研究院．2011年6月．

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[5] 雅砻江两河口水电站初期导流洞工程过流验收试验检测报告．昆明勘测设计研究院两河口水电站前期试验检测中心．

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