第一篇
原材料质量控制

锦屏一级水电站原材料及大坝混凝土质量控制特点

郭盛勇1 鲁少林2

（1—雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都610051;2—中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都610072）

摘要：锦屏一级水电工程305m混凝土双曲拱坝是目前世界上最高的双曲拱坝，坝址地区人工骨料料场不理想，加工的细骨料级配差、成品获得率低，粗骨料粒形差，通过不断试验、优化加工工艺，骨料质量稳步改善。通过对材料、施工、温控等方面高标准、严要求，采取严格的工程管理措施，建立了技术力量雄厚的试验中心，及时研究、解决工程中存在的问题，针对材料及工程施工出现的问题及时咨询、研究，确保了工程的顺利进行，混凝土质量达到优秀标准。

关键词：级配差；成品率低；粒形差；优化加工工艺；工程管理措施

1 工程概述

锦屏一级水电站为一等工程，枢纽建筑物由高305m的混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘及二道坝、右岸泄洪洞、右岸塔式进水口、引水系统、地下厂房及开关站等组成。坝体混凝土方量约474万m3，左岸垫座约58万m3。水库正常蓄水位1880m，死水位1800m，正常蓄水位以下库容77.65亿m3，调节库容49.1亿m3，属年调节水库。电站装机6台，单机容量600MW。

锦屏一级大坝垫座混凝土于2008年11月29日正式开始浇筑，大坝混凝土于2009年10月23日正式开始浇筑。到2012年3月底，大坝坝高已达到200m以上。

2 锦屏一级原材料特性

2.1 细骨料特点

三滩右岸人工骨料生产系统以生产细骨料为主，产能约470万t。生产的细骨料主要用于大坝混凝土，生产的粗骨料及部分细骨料用于二级西端拌和系统。

三滩料场地层为三叠系中上统杂谷脑组第二段第7、8层，岩性以灰色中细晶大理岩和浅灰—灰白色细晶大理岩为主，夹白色中晶大理岩条带或透镜体夹层，母岩强度偏低，其中白色大理岩强度＜灰白色大理岩强度＜灰色大理岩强度，大部分在60MPa左右，软化系数约0.8～0.9，锤击易成粉末。另外三滩料场各区之间岩石性能存在差异，开挖过程中同一区岩石特性也不同。

系统总体工艺分四段破碎：粗碎解决原岩的初碎；中碎以调整粗骨料级配为主兼大、中石的整形；粗碎与超细碎开路生产；中碎与细碎闭路生产，细碎主要承担制砂。系统所有筛分均采取干法生产工艺，砂中多余石粉采用选粉机风选法剔除。

三滩右岸人工骨料生产系统早期生产的细骨料特点有：

（1）生产的原状人工砂石粉含量高，在38%～73%之间。

（2）各级筛余呈现“两头多、中间少”情况，即0.315～2.5mm之间颗粒含量较低。早期生产过程中典型筛分曲线见图1。

（3）由于部分岩石强度较低，部分人工砂坚固性不满足规范要求。从大坝混凝土开始浇筑以来，人工砂的坚固性出现超出规范要求情况。将原岩质量和人工砂坚固性数据进行对比，随着白色中晶大理岩含量增加，人工砂的坚固性增大。开工以来人工砂坚固性分布频率图见图2。

（4）系统前期生产的人工砂细度模数在2.8左右，但石粉含量较高，平均值在20%以上；后期细度模数和石粉含量均得以降低。因此系统前期以降低石粉含量为重点，后期以稳定生产、减少细度模数和石粉含量波动为目的。

2.2 粗骨料的特点

印把子砂石加工系统主要承担锦屏一级大坝混凝土所需的骨料供应任务。料源为印把子沟下游约3km的大奔流沟砂岩料场。系统根据提供的骨料需求和平均高峰月强度设计，成品料生产能力约1600t/h，毛料处理能力约2000t/h。

大奔流料场地层由三叠系中上统杂谷脑组第2段和第3段组成。第3段为变质砂岩、粉砂质板岩，分为3个亚层；第1亚层是料场开采层，为厚～巨厚层青灰色变质石英砂岩，中间夹一层板岩。

料场有用层为第3段第1小层青灰色变质石英砂岩，厚约151m，共有9个子层，其中子层为青灰色厚—中厚层变质石英细砂岩，总厚度约124.5m，锈染、锈面相对较少，子层为变质石英砂岩夹板岩，爆破后岩石块度小，含有大量的锈染、锈面石。该岩层平行于开挖坡面分布在整个料场中，厚约3～7m。

印把子人工骨料生产系统生产的粗骨料的特点有：

（1）料场的砂岩通过试验有较强的碱硅酸盐反应，较一般的花岗岩、玄武岩碱硅酸盐反应更为强烈。

（2）前期粗骨料针片状、类针片状较多含量较多。粗骨料针片状、类针片状含量偏大、骨料多棱角有关导致部分压碎指标较大。

（3）2010年4月前，开挖料以厚层砂岩为主，含有少量的板岩，成品骨料中的锈染石、锈面石不明显。2010年4月后，随着料场开采面的下降，第2、第4、第6小层全部出露，薄层砂岩及大理岩的含量有所增加，成品骨料的锈染石、锈面石含量明显增多。

（4）锦屏一级印把子砂石系统生产的砂岩粗骨料通过长胶带机运输至1885高线混凝土拌和系统，由于长距离胶带机运输和跌落导致粗骨料裹粉增加，表现为粗骨料含泥量偏大。在早期施工的垫座混凝土芯样断裂处可以看到混凝土内部粗骨料表面（特别是大石和特大石）存在明显裹粉。典型芯样中骨料裹粉情况见图3。

3 锦屏一级大坝混凝土的特点

混凝土配合比设计时，在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能地降低混凝土的单位用水量，采用低坍落度、低水胶比并掺用高效减水剂和高性能引气剂，提高混凝土中粉煤灰掺量，生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值”的抗裂混凝土，对高拱坝混凝土尤其应该如此。

（1）锦屏大坝混凝土的特点之一是抗拉变形要求较高，锦屏一级水电站双曲拱坝的坝高超过了305m，且大坝的厚高比很小，在运行阶段大坝将产生较高的拉应力，这就要求混凝土具有较高的抗拉强度和抗拉变形能力。三个强度等级的混凝土极限拉伸值要求分别为100×10-6、105×10-6、110×10-6。

（2）锦屏大坝混凝土的另一个特点是要具有微膨胀特性，混凝土自生体积变形要求为-10×10-6～40×10-6之间。混凝土的自生体积变形已经成为混凝土原材料选择和配合比设计考虑的一个指标，期望能够通过控制和利用混凝土的自生体积变形，来改善和提高混凝土的抗裂性。自生体积变形10×10-6约相当于温度变化1℃引起的变形，混凝土具有微膨胀性可有效降低裂缝产生的风险。

（3）锦屏大坝混凝土还需要抑制碱活性。印把子料场的砂岩通过试验有较强的碱硅酸盐反应，虽然通过采用大理岩人工砂+砂岩粗骨料的组合骨料可有效降低碱活性膨胀值，但为保证大坝的长期安全运行，仍需要采取掺粉煤灰的措施。

（4）锦屏大坝混凝土对最高温度提出了要求。对于大体积混凝土，在采取温控措施的情况下，混凝土内部温度仍会不断上升，为避免内外温差较大产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝，在材料及配合比设计阶段需要控制混凝土的水化热，浇筑的混凝土需采取通水冷却措施。

（5）锦屏工程的质量目标是争创优质工程，大坝混凝土还应满足水工混凝土的一般要求，尽量减少波动，混凝土生产控制水平达到优良等级。

4 质量、管理措施及效果

为解决工程中遇到的难题，实现锦屏工程的质量目标。

4.1 成立、完善了技术力量雄厚的试验中心

二滩水电开发有限责任公司通过招标成立了锦屏水电站试验检测中心（西端），成立之初就对中心的人员、设备、环境等方面提出了很高的要求。

（1）仪器、设备：通过调研中心前期配置了较先进的试验检测仪器、设备，后期陆续补充了直读式水泥水化热测定仪、混凝土热特性综合测量系统、混凝土干缩自动测试系统、骨料碱活性检验设备等，中心的检测项目逐步完善，设备及检测项目处于同类试验室的领先水平。

（2）人员配置：高峰时段中心的高级职称人员达6人，中级职称及初级职称人员达12人，人员配置在工地试验室中也处于领先水平，为各项工作的及时、高质量完成提供了保证。

（3）管理制度：根据锦屏工程的具体情况，逐步完善、落实了技术、质量和内务管理制度。

（4）质量保证体系：为加强中心的体系管理，组织职工对质量手册、程序文件、《检验和校准实验室认可准则》进行学习，根据学习情况，结合自身的工作性质，以工作间为单位书面提交学习体会，并在工作中认真落实。人员素质是中心工作开展的关键，在严格执行各项规章制度的同时，中心组织了两次建筑材料系统培训，并进行了多次试验操作培训、考核。

4.2 管理措施

（1）规范工作程序：为规范锦屏水电工程参建各方的试验检测工作程序，从有利于工程施工质量控制的角度出发，在征询参建各方意见的基础上，印发了《锦屏水电工程试验检测工作规程》，明确施工单位、监理机构、业主试验检测机构试验检测工作职责、内容和要求。

（2）专业巡检：按照《锦屏水电工程施工质量内部巡检检查办法》每季度开展一次内部质量检查，主要对质量保证体系、人员、仪器设备、试验检测、样品管理、工作量、服务质量、工作结果、资料档案管理、环境与设施、上季度检查中存在问题整改落实情况等进行检查。各承建单位对检查中发现的问题高度重视，认真落实整改措施，实现了工地各试验室持续进步、发展的目标。

（3）月例会制度：组织锦屏一级大坝检测例会，对混凝土检测指标定期统计分析，以了解混凝土质量及波动状况，提出质量控制建议。

（4）比对试验：组织或参与工地、流域比对试验，针对比对结果，试验检测中心人员认真组织总结分析，对超差项目进行验证，查找设备、人员、方法、环境等方面存在的问题，促进各试验室检测水平的稳步提高。

（5）培训及合同资质认证：各工地试验室人员参与全工地的集中培训，各试验室根据需要组织本试验室的培训工作。在培训的基础上，管理局质量办公室会同试验检测中心、监理对各工地试验室人员进行合同资质认证，以保证检测人员能力满足相应岗位对检测能力的要求。

4.3 细骨料生产工艺改进及控制措施

针对三滩大理岩人工砂存在的问题，采取的主要措施如下。

（1）针对原状砂石粉含量高的特点，通过进行制砂、风选试验，提高了成品率。

（2）针对人工砂级配不良的情况，通过制砂试验确定最优工况，生产过程加密抽检及时调整系统工况，改善了人工砂级配，0.315～2.5mm之间颗粒含量由25%左右增加到接近40%。优化前后级配对比见图4。

（3）针对部分人工砂坚固性不满足规范要求情况，开采过程中对条带状分布的白色中晶大理岩进行了剔除，坚固性超标问题明显减少。

（4）严格实行先检测后出厂制度，检测不合格产品一律禁止出厂。为保证出厂人工砂稳定性，对骨料检测指标差异较大的采取多次搭配直到检测合格才允许供料。

通过采取以上措施，三滩人工砂后期质量波动逐步减小。细度模数、石粉含量变化过程线见图5、图6。

4.4 粗骨料生产采取的措施

针对印把子砂岩粗骨料粒形较差，部分时段锈染石、锈面石、板岩等含量高，粗骨料裹粉影响混凝土与骨料粘结的情况，采取的主要措施如下。

（1）不合格毛料剔除：进行覆盖层剥离；对有用料中夹杂的无用料且无用料集中时，采用择料法先将有用料运到竖井，再将无用料弃除；根据风化料和岩石裂隙夹泥等遇水强度变低的特性，在粗碎生产半成品时加入大量的水，并通过系统内两次冲洗筛分，减少无用料含量。针对锈染石、锈面石、大理岩、板岩颗粒含量较高的情况，成立了料场质量鉴定工作组，严格剔除，各种软弱颗粒含量变化见图7～图10。

（2）毛料粗破控制：通过进行颚破（C125）、旋回破（MKII 42-65）调试试验，比较生产的级配与针片状颗粒含量情况，确定颚破破碎机生产时口径定为140mm，旋回破采用150mm的排料口生产。

（3）中、细碎破碎机整形：中碎对40～80mm以下粒径进行整形，细碎对中小石进行整形，通过对中细碎进行单机调试，分析中细碎最佳生产工况。最终确定中碎圆锥破（HP500EC）采用45mm或50mm的开口进行生产，细碎圆锥破（H4800C）采用25mm的开口生产。

（4）筛分机调整：筛分机的给料量、筛孔尺寸、倾角、振幅都是控制粗骨料超逊径指标的重要参数，2010年4月完成对筛分机的给料量、孔径进行优化调整。

（5）裹粉、含泥量控制：在一筛增加了2台洗石机，特大石、小石裹粉控制较好，大、中石含泥量依然偏大，冲洗的污水有部分随骨料进入成品料仓；随后在特大石、大石、中石入仓胶带机机尾各增加1台冲洗筛进行冲洗过滤，各级成品骨料的含泥量均达到规范要求。

（6）特大石质量控制：通过调整旋回破参数，增加反击破对特大石进行二次整形，特大石获得率及粒形得以大幅度改善。特大石产量由16%提高至21%、长条状粒径含量由21%降低至8%。

4.5 混凝土质量控制措施

针对锦屏工程一级大坝混凝土的设计要求及特点，采取以下主要措施：

（1）针对抗拉变形要求较高的特点，采取的措施有：水泥熟料中C4AF含量控制在不小于15%，以提高混凝土抗拉强度；对于拉应力、抗拉变形较大的部位使用纤维混凝土，纤维选用PVA中弹纤维；根据现场检测成果，掺纤维后混凝土28d劈拉强度平均提高约9%、180d平均提高约5%，弹性模量略低于未掺纤维混凝土，掺纤维后混凝土28d极限拉伸值平均提高约3%、180d平均提高约9%。

（2）针对混凝土需要具有微膨胀的特点，采取的措施有：水泥中内含MgO含量应控制在3.5%～5.0%; MgO在高温下停留时间越长，方镁石的水化活性越小，水化越慢，为防止MgO出现过烧的情况，水泥生产过程中采取缩短水泥熟料烧成时间的措施，以保证混凝土的膨胀速率。通过以上措施，混凝土50d龄期以后开始由收缩转入膨胀状态，180d龄期以后趋于稳定。180d龄期自生体积变形测值基本满足设计要求-10×10-6～40×10-6。大坝混凝土自生体积变形典型过程线见图11。

（3）为抑制碱活性，采取的措施有：①控制水泥中碱含量不大于0.5%; ②降低大坝混凝土中活性骨料用量，即采用大理岩砂+砂岩粗骨料的组合骨料方案；③提高大坝混凝土中粉煤灰掺量，用粉煤灰抑制碱活碱；试验结果表明，掺20%的粉煤灰可有效抑制碱活性膨胀，随着粉煤灰掺量的增加，抑制碱活性膨胀的效果将提高，锦屏一级大坝混凝土粉煤灰掺量达到35%，可保证工程长期安全运行。

（4）锦屏大坝混凝土最高温度要求，采取的措施有：①水泥3d、7d水化热分别控制在≤ 251kJ/kg、≤283kJ/kg，水泥比表面积控制在≤320m2/kg，以控制水泥的水化热和水化速度；②采用高减水率（控制标准≥18%）的萘系缓凝高效减水剂，降低混凝土胶凝材料用量、延缓水泥水化的时间；③粉煤灰掺量达35%，降低混凝土的绝热温升值；④出机口温度按不低于5℃、不超过7℃控制，当外界气温低于10℃时，混凝土出机口温度按7～9℃控制，浇筑温度按不超过11℃控制；浇筑后进行通水冷却。通过采取以上措施，最高温度控制平均符合率达95%以上。

（5）为减小混凝土各项指标波动，浇筑均质性好的混凝土，采取的措施有：①水泥28d强度控制在48±3MPa; ②人工砂含水率控制在小于等于3%，严于水工混凝土规范要求，以减少人工砂含水率不均匀导致混凝土质量的波动；③控制混凝土拌和用水量波动，使水胶比不超过设计值±0.02的范围，出现异常是采取现场实际使用的原材料及时进行混凝土配合比校正试验。

大坝混凝土各项指标统计见表1，混凝土分布直方图见图12、图13，混凝土抗压强度波动过程线见图14、图15。

根据检测成果看，混凝土有较高的极限拉伸值，弹模比其他工程相同等级的混凝土略低，混凝土抗压强度符合正态分布曲线。

统计C18035、C18040混凝土28d抗压强度标准差分别为2.84MPa、3.03MPa，均达到优秀标准（以上为试验中心、长江委监理、葛洲坝锦屏试验室、中水七局锦屏试验室4家资料统计成果）。

4.6 技术服务工作

试验检测中心依托自己的专业技术优势，为工程提供技术服务。

（1）在锦屏一级大坝混凝土施工配合比设计阶段，试验检测中心与成都院科研所、葛洲坝锦屏一级大坝右岸工程项目部试验室共同承担了施工配合比平行试验，通过对试验资料分析，推荐了具有高耐久性、抗裂性、低热性、良好工作性和经济合理的大坝混凝土配合比。

（2）试验中心依托自己专业技术、设备的优势，进行了较多混凝土专项研究，主要包括《大理岩制砂试验研究》、《石粉含量对大坝混凝土影响试验研究》、《掺纤维大坝混凝土抗裂性能试验研究》、《大坝混凝土骨料级配体系优化研究》、《减水剂对大坝混凝土性能影响试验研究》、《骨料对混凝土性能影响试验研究》、《锈染、锈面、板岩、大理岩骨料对大坝混凝土影响试验研究》等，为及时解决工程存在问题和工程决策提供了依据。

（3）试验中心利用自己的专业技术知识，对工程相关问题提供专业分析报告，解决工程施工中出现的问题，为管理局提供材料方面的技术支撑。

（4）提供大坝混凝土生产质量试验检测阶段性分析评价报告、专项汇总分析报告共7次，为参建各方、咨询团了解大坝混凝土施工质量提供了依据，为锦屏一级大坝温控仿真分析提供了参数。

5 结语

锦屏一级水电工程具有高边坡、高地应力、深部卸荷裂隙的特点，地质条件复杂，其305m混凝土双曲拱坝是目前世界最高的双曲拱坝。坝址地区人工骨料料场不理想，加工的细骨料级配差、成品获得率低，粗骨料粒形差、级配与配合比要求的级配存在差距。通过不断试验，优化加工工艺，骨料质量稳步改善，粗骨级配逐步接近配合比要求。

锦屏工程建立了技术力量雄厚、设备先进、检测项目齐全的试验中心，为及时研究、解决工程中存在的问题提供了保证。

通过对材料、施工、温控等方面制定高于规范的质量标准，采取严格的工程管理措施，工程施工出现的问题及时咨询、研究，确保了工程的顺利进行。

参考文献

[1] 李洋，陈霞，王述银．现代水工大体积混凝土材料研究进展，人民长江，2012（9）.

[2] 李光伟，杨忠义，覃祥建，李晓勇．拱坝大体积混凝土热物理参数的试验研究．水电站设计，2008（3）.

[3] 方坤河．过烧氧化镁的水化及其对混凝土自生体积变形的影响．水力发电学报，2004（4）.