堡子灣水庫堆石混凝土壩設計與施工

孟漢才

（大同市水務局水土保持站，山西 大同 037004）

1 項目簡況

堡子灣水庫位于大同市陽高縣長城鄉(xiāng)堡子灣村東2.7 km的白登河支流黃水河上，是一座以工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主的?。?）型水庫，年供水量363.4萬m3，設計采用堆石混凝土重力壩，壩頂長度153 m，最大壩高41.1 m，最大壩底寬度34 m，總庫容166.6萬m3。大壩由左右岸非溢流壩段、溢流壩段、泄洪沖沙底孔壩段、壩內(nèi)取水口段等組成，總投資5 000萬元，設計工期2年。

2 大壩設計

2.1 設計特點

堆石混凝土壩是一種新壩型，近年來，在中小型水庫大壩中逐漸被推廣使用。由于預先在倉面堆積了大量塊石，不僅大大減少了單位體積內(nèi)的混凝土用量、降低了成本，而且也降低了大體積混凝土內(nèi)的絕熱升溫及持續(xù)時間，使混凝土大壩的裂縫大大減少，極大地改善了大壩大體積混凝土的性能。

2.2 參考依據(jù)

由于堆石凝土壩是一種新壩型，至今仍沒有一套成熟的設計規(guī)范，目前仍以《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL319-2005）作為參考。

2.3 斷面設計

考慮到堆石體抗凍性能較差的問題，堡子灣水庫堆石混凝土重力壩，設計斷面采用“金包銀”的方式，上游抗凍抗?jié)B常態(tài)混凝土防滲面板厚度1.5 m，下游常態(tài)混凝土防滲面板厚度1.0 m；《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL319-2005）中，下游壩坡采用1∶0.6～1∶0.8，考慮到堆石體的層間抗剪稍弱的問題，堡子灣水庫堆石混凝土重力壩下游壩坡采用1∶0.75；上游壩坡與重力壩一致，采用1∶0；考慮到堆石混凝土層面滲漏的問題，為減少蓄水后兩岸坡向壩體內(nèi)的滲漏量，沿左右岸坡坡面設計1 m厚的常態(tài)混凝土。

2.4 壩址工程地質(zhì)情況及灌漿設計

壩址位于堡子灣村下游2.7 km的黃水河峽谷處，壩址處為左右岸不對稱“U”型河，壩址所處河谷底較狹窄，寬約87 m，左右兩岸均為高陡巖質(zhì)岸坡，無階地。河床及漫灘地面高程1 208～1 212 m，地形較平坦，河谷底右側為河床，左側為河漫灘。河谷兩岸坡坡度30°～40°，左岸坡相對較緩，右岸坡較陡，山梁高程1 339.8～1 431.8 m，相對高差223 m。壩址區(qū)河流方向為N60°E，河水位高程1 208.0 m。壩基覆蓋層厚度6.0～12.0 m，為中等透水-強透水地層。基巖強風化層為中等透水層，弱風化-微風化層為弱透水層。壩基弱風化巖體相對完整，局部較破碎，抗剪強度、抗變形能力受結構面和巖石強度控制，壩基巖體總體上適宜混凝土壩基，但需要對局部巖體進行工程加固處理，同時對壩基巖體進行固結灌漿處理。

本設計壩體座落于弱風化基巖上。建基面總體以約2%的坡度向上游傾斜，為增強壩體與地基的結合，使壩基應力均勻擴散，提高壩體的抗滑穩(wěn)定性，壩體與基巖之間采用混凝土墊層連接，混凝土強度等級C20，最小厚度1.5 m（蓋重）。

帷幕灌漿在壩基上游側為單排帷幕，帷幕軸線距上游豎直壩面3.0 m，孔距2.0 m，灌漿帷幕底緣線按5LU線控制。壩址兩岸山高坡陡，帷幕灌漿在大壩沿壩軸線方向向右岸延伸65 m、左岸延伸40 m。河床壩段帷幕灌漿在縱向廊道中實施，河岸壩段通過壩頂鉆孔實施，兩岸采用開挖平洞實施灌漿。壩基及左右岸基礎全部進行固結灌漿，灌漿下緣線以強、弱風化巖石分界線下深1 m控制，孔、排距3.0 m，梅花形布設。

2.5 壩體技術指標及分區(qū)

大壩所用的水泥、骨料、水、活性摻合料、外加劑要符合現(xiàn)行的國家標準及有關行業(yè)標準的規(guī)定，壩體混凝土分區(qū)技術指標見表1。

表1 壩體混凝土分區(qū)技術指標

2.6 設計及施工技術要求

2.6.1 堆石料

堆石料應新鮮、完整、質(zhì)地堅硬，最小粒徑不小于300 mm，最大粒徑不超過結構斷面最小邊長的1/4；堆石混凝土強度標號為C9020，石料的飽和抗壓強度須≥40 MPa；堆石料含泥量≤0.5%，不允許含泥塊。

堆石的開采爆破應通過試驗確定合理的爆破參數(shù)，開采的石料要進行簡易篩分沖洗，嚴禁混入泥塊、軟弱巖塊，不得從爆堆上直接取料上壩；堆石成品應采用自卸車、吊車等方式直接運輸入倉，不得周轉，入倉前要設置沖洗臺，對車輪進行沖洗。

堆石入倉采用自卸汽車運輸、挖掘機平倉，靠近模板部位的堆石應人工堆放，堆石施工中，堆石體外露面所含有的粒徑小于200 mm的石塊數(shù)量不應超過10塊/m2，且不得集中；堆石分層厚度應經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)試驗確定，最大厚度不宜超過2.0 m。

2.6.2 高自密實混凝土

高自密實混凝土粗骨料最大粒徑不超過20 mm，針片狀顆粒含量不超過8%。工作性能應采用坍落度試驗、坍落擴展度試驗、V形漏斗試驗和自密性能穩(wěn)定性試驗檢測，指標應符合表2要求。

表2 自密實性能混凝土的工作性能表

高自密實性能混凝上采用強制式攪拌機進行拌合，與生產(chǎn)常態(tài)混凝土相比應適當延長攪拌時間。運輸須使用混凝土攪拌車，運輸車在接料前應將車內(nèi)的殘留其它品種的高自密實性能混凝土清洗干凈，并將車內(nèi)積水排盡，運輸過程中嚴禁向車內(nèi)的高自密實性能混凝土加水，運輸時間應滿足規(guī)定要求，須在60 min內(nèi)卸料完畢。高自密實性能混凝土的初凝時間應根據(jù)運輸時間和現(xiàn)場情況加以控制，如需延長運送時間，應采用相應技術措施，并通過試驗驗證。高自密實性能混凝土卸料前，需對高自密實性能混凝土擴展度進行調(diào)整時，應加入經(jīng)試驗確定的高性能減水劑，攪拌運輸車應高速旋轉3 min，使高自密實性能混凝土拌和均勻，經(jīng)檢測合格后方可卸料。高自密實性能混凝土澆筑采用泵送混凝土進行，澆筑時的最大自由落下高度不宜超過5 m?；炷翝仓c應均勻布置，澆筑點間距不宜超過3 m，在澆筑過程中應遵循單向逐點澆筑的原則，每個澆筑點澆滿后方可移動至下一澆筑點澆筑，澆筑點不應重復使用。

2.6.3 倉面處理

高自密實性能混凝土澆筑宜使適量塊石高出澆筑面50～150 mm，同時高自密實性能混凝土澆筑頂面可不采用人工平整，以加強層面結合。堆石混凝土抗壓強度達到2.5 MPa以前，不得進行下一倉面的準備工作。墊層混凝土上部與堆石混凝土結合的倉面，在墊層混凝土初凝前應埋入適量石塊，石塊露出澆筑面的高度為50～150 mm且不宜超過自身高度的1/3，并確保埋入石塊及其周邊混凝土的密實度。

3 大壩施工

3.1 堆石混凝土試驗

正式開始堆石混凝土之前，在壩體以外的空地進行了堆石混凝土的現(xiàn)場試驗，以檢驗高自密實混凝土的流動性及密實性。試驗方案為：選擇長6 m、寬3 m，的兩塊場地，鋪筑墊層后，立模分別進行厚度1.5 m、2 m的堆石混凝土試驗。按照試驗選定的配合比澆筑完高自密實混凝土后，15 d后進行切割剖面，檢查內(nèi)部混凝土有無氣泡、空腔、骨料堆積等現(xiàn)象，然后再鉆孔進行注水試驗，檢查高自密實混凝土的密實性。經(jīng)過切割觀察，切割面沒有任何的氣泡、空腔、骨料堆積等現(xiàn)象；注水試驗高自密實混凝土的抗?jié)B指標達到10-10cm/s，說明高自密實混凝土的流動性及密實性均滿足設計要求。因此選擇層厚為2 m的堆石方案，以便加快施工進度。

3.2 堆石入倉

堆石運輸采用15 t自卸汽車，在進入倉面之前要經(jīng)過高壓水沖洗，防止泥土帶入倉面。堆石運至壩面后，再用挖機二次挖運入倉，對于二次挖運產(chǎn)生的碎渣，要隨時配合人工清除，嚴禁自卸汽車直接入倉。為了防止塊石入倉時對面板混凝土造成擠壓破壞以及高自密實混凝土流動性對面板產(chǎn)生的側壓力的影響，應支模先進行堆石混凝土的澆筑，拆模后再進行上游面板混凝土的澆筑。

3.3 高自密實混凝土澆筑

模板及堆石準備好后，即可開倉進行高自密實混凝土澆筑。澆筑時，混凝土澆筑點從下游堆石向上游堆石依次移動，但必須是在下游澆筑點的高自密實混凝土已經(jīng)澆筑至倉面高程后才能向上游點移動，嚴禁澆筑點來回移動澆筑。由于高自密實混凝土不能通過震搗密實，完全依靠自流達到密實，按照現(xiàn)場試驗的結果，澆筑點最大間距排距控制不得超過3 m，以保證高自密實混凝土有足夠的流動性，以達到自流密實。同時，為了提高自密實混凝土的流動性，外加劑采用了清華大學教授研發(fā)的高效能外加劑，以提高自密實混凝土的流動性。此外，由于堆石混凝土每次澆筑層厚2 m，整個大壩分16層堆石混凝土即澆筑結束，加快了施工速度。

3.4 倉面處理

堆石混凝土澆筑完成后，要對表面的浮渣、水泥漿等進行沖毛處理，以便增加堆石混凝土的層間結合。由于是汽車進料運送塊石，堆石混凝土表面的不平整度，給運料帶來了不少的麻煩；其次，表面不平整時，挖機二次倒運進倉時，倉面產(chǎn)生的石渣清理變得比較困難；再者，層面尖突的塊石，插入上層的堆石混凝土中，雖然增加了層面間的結合，但隨著壩體的長期應力松弛，有可能對壩體內(nèi)部混凝土產(chǎn)生不利影響，使得壩體內(nèi)部產(chǎn)生更多裂縫，危及大壩安全。經(jīng)過與設計單位協(xié)商，取消了堆石混凝土表面出露塊石50～150 mm高度的要求，堆石混凝土表面基本澆筑成了平緩的平面。

4 結語

堆石混凝土壩相比于混凝土壩具有造價低、施工速度快、就地取材、降低水化熱、無需溫控措施以及減少壩體裂縫的優(yōu)點。通過堡子灣水庫堆石混凝土壩，對現(xiàn)有的堆石混凝土壩的部分技術要求進行了進一步完善，有利于堆石混凝土壩的進一步推廣及應用。

堡子灣水庫完工后，配套管道樞紐工程，每年可向陽高工業(yè)園區(qū)提供工業(yè)用水130萬m3，改善灌溉面積0.18萬hm2。按照測算的工業(yè)供水末端水價5.13元/m3、農(nóng)業(yè)用水單價0.25元/m3計算，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益約800萬元，具有一定的經(jīng)濟效益。如與附近的守口堡水庫聯(lián)合使用供水管線（守口堡水庫也有向陽高工業(yè)園區(qū)供水的任務），經(jīng)濟效益會更加明顯。