赞比亚伊泰兹水电站湿喷混凝土施工技术研究

赞比亚伊泰兹水电站湿喷混凝土施工技术研究邓兆勋摘要本文系统介绍了赞比亚伊泰兹水电站工程湿喷混凝土的施工技术研究，通过机械选型、配合比设计试验、现场施工工艺试验研究和经济分析，制定了满足工程设计要求且经济合理的湿喷混凝土施工工艺措施。

关键词湿喷混凝土施工技术工艺研究综合分析1 概况伊泰兹水电站位于赞比亚中心省、距首都卢萨卡以西约320km的凯富河上，利用原有伊泰兹水库新建水力发电系统，包括引水遂洞，调压井、地面厂房及尾水渠，总装机容量120MW，属EPC项目。

根据标书和设计要求，引水隧洞、调压井及调压井高边坡采取挂网锚喷支护方式，标书明确规定喷射混凝土采用湿喷法施工。

边坡前期喷护混凝土强度等级C20，抗折强度等级为F3（3.0MPa），厂房及引水隧洞后期喷锚混凝土强度等级改为C25，抗折强度等级为F3.2（3.2MPa）。

为保证施工进度、质量以及良好的经济效益，施工过程中对湿喷混凝土施工技术进行了综合性研究，产生了良好的经济和社会效益。

2 机械选型的研究当前，国内外喷射混凝土大体分为干喷法、潮喷（水泥裹砂）法、湿喷法三种。

干喷法施工设备小，便于布置，不易卡管，最大骨料粒径一般为15mm，水泥单耗少，但混凝土强度波动大，回弹量大，粉尘多，不适合地下工程；湿喷法强度稳定，质量可靠，回弹小，粉尘少，地下、地面均适用，缺点是喷射最大骨料粒径一般为10mm，水泥单耗多；潮喷法是在干喷法的基础上，通过混凝土原材料二次加水工艺改进而成，优缺点介于干喷与湿喷之间。

通过三种施工方法的比选，湿法喷射只要解决最大喷射骨料粒径，降低水泥单耗，便具有了其它两种施工方法无法企及的优势。

为此，结合现场已有JS500型拌合站、XAMS850CD/12m3空压机、6m3混凝土搅拌罐运输车进行了设备配套选型：A．选择价格比国外同类产品低廉的国内产品；B．按干喷机标准选择最大可喷射骨料粒径15mm的湿喷设备；C．选择耐磨性好的转子、活塞式喂料机构。

D．选择具有较高的水平和垂直输送能力的设备，便于远距离输送；E．选择与已有设备配套的机型。

经过多方面的研究、比较，本项目采用中铁岩峰成都科技有限公司生产的TK500型转子活塞式湿喷机。

其主要技术参数见表1。

表1 TK500型湿喷机的技术参数表3 湿喷混凝土配合比设计与试验研究3.1 配合比设计原则3.1.1 选用较大粒径的骨料，以达到减小单位用水量，提高混凝土强度的目的。

3.1.2 选用合适的砂率，提高混凝土的可喷性，减小喷混凝土的回弹量。

3.1.3 选用高效减水剂以减少由于增大砂率后所增加的单位用水量。

3.2 原材料选择：根据设计文件的要求和现场施工情况，选择原材料。

3.2.1 水泥采用当地水泥厂LARFAGE生产的CEM Ⅰ 42.5N（普通硅酸盐）水泥，质量符合BS EN197要求。

3.2.2 砂采用天然河砂和人工砂。

天然河砂经过5mm筛筛分处理，细度模数F.M=3.15；人工砂为项目骨料破碎系统生产的人工砂，细度模数为2.68。

考虑到现场人工砂的生产量不足及河砂较粗的实际情况，各按50%混合后，细度模数为2.82，级配符合BS 882标准中的中砂要求。

3.2.3 石子项目破碎系统生产的人工碎石Dmax=14mm，质量符合BS882要求。

3.2.4 减水剂经过优选采用南非生产的Omega136高效减水剂。

质量符合BS5075，BSEN934要求。

3.2.5 速凝剂根据欧洲EFNARC标准“初凝不应超过5分钟，终凝不超过6～12分钟”的要求，先后对3个厂家提供的速凝剂进行了比较试验，选定JET10AF液体速凝剂，其掺量为6.5%。

3.3配合比的设计3.3.1 试验安排湿喷混凝土采用L9(34)正交表安排试验，考核混凝土不同龄期抗压强度、抗折强度性能。

正交设计的因素水平见表2。

表2 湿喷混凝土配合比试验因素水平表3.3.2 成型参数3.3.3 试验成果3.3.4 试验成果分析通过对表4结果分析：（1）水灰比是影响混凝土强度的决定因素，混凝土强度随着砂率的增大而减小，抗拉强度与抗压强度成正比关系。

（2）从拌和物性能看，混凝土随着砂率的增大虽然和易性有所增加，但水泥用量明显增大。

（3）混凝土28天抗压强度回归分析结果见表5。

表5 回归分析结果表3.4初选施工配合比配合比的配制强度按下式计算：fcu,0=（fcu,k+t×σ）×k1×k2其中：fcu,0——湿喷混凝土的配制强度（MPa）fcu,k——湿喷混凝土的设计强度等级（MPa）t——根据保证率确定的系数，保证率为95%时，t=1.645σ——标准离差系数，取4.0MPak1——喷射成型与振捣成型关联系数，一般k1=1.0～1.2，采用1.0k2——速凝剂对后期强度的影响系数，一般k2=0.91～1.43 采用1.1通过计算C20配制强度为29.3 MPa，C25配置强度34.7MPa。

初选施工配合比如下表6：4 现场施工工艺试验研究针对不同施工部位和目的，现场施工共进行了2次工艺试验。

4.1 调压井后边坡现场施工工艺试验4.1.1 试验目的在调压井进场道路的左边坡（坡比大约为1:0.25左右），进行湿喷混凝土（素喷）施工工艺试验。

其主要目的在于：a 验证室内喷混凝土配合比是否具有可施工性；b确认掺速凝剂与不掺外加剂对现场施工质量的影响；c寻找湿喷机正确的施工参数及与现有配套设备是否匹配；d培训当地员工，确认施工流程。

4.1.2 现场试验机械设备与仪器配备4.1.3 现场场地及考察项目安排现场选择与调压井坡比基本相同的施工部位25m2，按5m2每块，共分成5块。

编号分别命名为A、B、C、D、E。

所考察项目分配见表8。

4.1.4 初拟岩面施工程序松动岩块撬除→冲洗岩面→喷至设计厚度→养护。

4.1.5 试验过程及参数调整首先根据设备使用说明书、室内速凝剂掺量试验结果对喷锚机速凝剂计量泵进行标定，通过计算，湿喷机液体速凝剂计量剂泵刻度设置为68%，经试泵单位时间内泵送速凝剂与配合比一致。

在拌合站按表6中C20初选施工配合比生产2方混凝土，测其塌落度为105mm，用混凝土搅拌罐运输车运至现场，根据不同的时间测其塌落度。

将湿喷机压力调整为0.7MPa、喷射管接至2节（40m），开机喷掉湿润水后在A区试验面上施喷。

施喷过程中，湿喷机风压从0.4MPa每隔0.1MPa进行调整，观察喷射机及喷头、受喷面上混凝土的情况，同时喷头操作手将喷头与受喷面喷射角度从60°变换至120°，喷头与岩面的距离从0.5～2m之间变换，保持螺旋状喷射上升，观察混凝土的回弹情况。

最后将喷射管加长至3节（60m），按垂直向上20m、垂直向下20m、水平距离60m三个方向，继续进行喷射。

该轮湿喷结束后，得出如下结论：a机口混凝土90～110mm、现场70～90mm的坍落度较大，施工过程中从转子泄浆孔流出大量的浆液，受喷面上的混凝土有流淌现象。

现场混凝土保持40～70mm的坍落度，施工效果最佳。

b湿喷机的工作风压设置为0.6MPa，连续供风量≥10m3效果较佳。

c喷射距离以距岩面0.8～1.2m较优，过大或过小，均使混凝土的回弹较大；喷射角度以90°（即与岩面垂直）为最佳，能够保持在80°～90°即可，超出此范围则混凝土回弹增大，混凝土性能必受影响。

d喷射管加长至3节（60m）后，三个方向都勉强可以施喷，但喷嘴出料脉冲、管路跳管、喷射机气料仓大量烟状气体喷出等堵管现象发生。

施工中建议喷管长不得大于3节（60m）。

根据A区试验找到的施工参数，分别根据表6坍落度调整至70～90mm后的配合比生产混凝土；按表8的考察项目，用计量过混凝土质量的标准容重筒上料对B、C、D、E分区进行施喷。

一次喷至设计厚度10cm后，收集塑料布上的回弹料，并进行称量；将抗折试模收面，与大板试模一起用塑料布覆盖。

混凝土初凝2小时后，对B、C、D、E共4个分区的下半部分进行洒水养护，三天后观察混凝土表面情况，试件按BS标准到达龄期后进行相应试验。

B、C、D、E分区的试验成果见下表9、表10。

从以上结果表明：不掺速凝剂的喷混凝土，虽然挂墙能力、回弹量、养护不好的情况下的抗裂能力不及掺速凝剂的混凝土，但混凝土的强度优于掺速凝剂的强度，在加强养护的情况下仍然具有可施工性和较好的质量保证。

且两种混凝土与岩石的结合面都比较密实，从质量、施工、经济（在当本项目每方混凝土速凝剂的成本在40美元左右）等多方面考虑，边坡和隧洞边墙可不使用速凝剂，但其它材料比例不变。

4.2 隧洞顶拱施工工艺试验4.2.1 试验机械设备和仪器所用设备基本与表7相同，不同之处由于厂房基础开挖作业路况较差，运输设备改为装载机。

施工支洞施工平台采用脚手架搭设，1号引水隧洞采用移动平台。

4.2.2 场地安排说明a施工支洞洞口，因岩石内夹杂强度较弱的千枚岩，且多处渗水，岩面潮湿。

b 1#引水洞出口段，岩石为斑状花岗岩，岩况较好，岩面干燥。

4.2.3 试验项目4.2.4 初拟施工工序网喷工序：松动岩块撬除→高压风冲洗岩面→挂网→按3～5cm每层施喷→喷至设计厚度→养护。

素喷工序：松动岩块撬除→高压风冲洗岩面→喷至5cm设计厚度→养护。

4.2.5 试验过程试验开始前首先将塑料布平铺在施工平台的上，同样利用容重筒计量混凝土。

按初拟施工工序进行试验、施工。

4.2.5.1 施工支洞试验施工支洞由于位于千枚岩部位，渗水严重。

将岩面清理干净后分别进行不加速凝剂混凝土和掺加速凝剂混凝土的喷射施工。

喷射完毕后，立即收集塑料布上的回弹料，进行称重。

同时观察岩面混凝土的情况。

试验结果见表12。

通过以上试验得出如下结论：a网喷工序需要更改为:松动岩块撬除→渗水部位插管引流→高压风冲洗岩面→挂网→按3～5cm每层施喷→喷至设计厚度→养护。

b顶拱施喷混凝土必须掺加速凝剂。

4.2.5.2 1#引水洞口试验1#引水洞口因岩面较好，属于素喷5cm范围。

对该部位试验后结果见表13。

从表13看出：岩面较好的部位（素喷部位），不掺速凝剂的混凝土虽然回弹量大于掺加掺加速凝剂的混凝土，但从施工进度和经济方面考虑，可以不掺加速凝剂。

5 结语本项目根据试验研究的工艺和参数，现场已完成大面积喷射混凝土施工，随着操作工人技术水平的不断提高，喷射速度不断加快，在雨季来临之前已经喷射近万平米，较好的完成了工程整体施工计划要求且喷射质量均符合技术要求，尤其是喷射硬化后的混凝土经爆破飞石的多次击打，均未出现任何破损，满足了工程需要。