堆石混凝土筑壩設(shè)計(jì)及應(yīng)用淺析

張文毅，翟張宏，王志強(qiáng)，張 鐲

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概述

堆石混凝土作為一種新型筑壩材料，特別適用于大體積混凝土澆筑，尤其在中、低混凝土重力壩中被廣泛推廣。堆石混凝土主要由堆石塊體和高自密實(shí)性能混凝土組成，在隨機(jī)堆放的石塊中灌入高自密實(shí)性能混凝土，利用其較好的流動(dòng)性自動(dòng)充填堆石塊空隙形成堆石混凝土，施工過程中無需人工振搗，施工機(jī)械率高，可減少倉面作業(yè)人員。堆石混凝土中石塊占比一般為55%～58%，膠凝材料用量小，水化熱溫升低，通常無需埋設(shè)冷卻水管通水降溫，極大簡化了壩體溫控防裂措施，溫控防裂效果好。

2 堆石混凝土重力壩設(shè)計(jì)

堆石混凝土重力壩設(shè)計(jì)可供參考的技術(shù)規(guī)范有NB/T 10077—2018《堆石混凝土筑壩技術(shù)導(dǎo)則》、SL 678—2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》，除此還應(yīng)遵照SL 319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。根據(jù)在建或已建工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)可參照SL 25—2006《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》或SL 314—2018《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。

2.1 壩體體型斷面設(shè)計(jì)

堆石混凝土重力壩斷面設(shè)計(jì)基本呈直角三角型，其體型斷面設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合壩址處地質(zhì)條件、巖層走向及物理力學(xué)指標(biāo)，計(jì)算確定壩體應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定、層間結(jié)合面抗剪、抗?jié)B滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。在建或已建工程堆石混凝土重力壩體型設(shè)計(jì)參數(shù)取值見表1。

表1 堆石混凝土重力壩體型斷面設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，堆石混凝土重力壩壩高基本控制在70m以下，壩頂寬度取4.0～6.0m。當(dāng)壩頂不作為通行交通時(shí)，考慮壩頂施工機(jī)械作業(yè)面，壩頂寬度取值不宜小于5.0m；大壩下游坡比一般按1∶0.75放坡。

余慶小烏江水庫堆石混凝土重力壩設(shè)計(jì)最大壩高47.2m，大壩壩頂寬度取5.0m，下游面坡比取1∶0.75，上游面在折線點(diǎn)高程795m以下坡比1∶0.2，高程795m以上鉛直。

2.2 壩體材料分區(qū)

借鑒已建或在建堆石混凝土重力壩設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，材料分區(qū)通常采用混凝土砌石重力壩“金包銀”模式，即在大壩上、下游迎水面澆筑一定厚度防滲混凝土防滲，內(nèi)部采用低強(qiáng)度、大級(jí)配混凝土筑壩。

余慶小烏江水庫工程進(jìn)行大壩材料分區(qū)時(shí)，在上游面預(yù)留0.5m厚度區(qū)域填充C15高自密實(shí)性能混凝土作為防滲層，中間采用C15堆石混凝土筑壩，下游面因水位較低未設(shè)防滲層，建基面澆筑1.0m厚C20W6F50常態(tài)墊層混凝土。

2.3 層間結(jié)合面抗剪

堆石混凝土層間結(jié)合面抗剪強(qiáng)度參數(shù)獲取較為困難，采用常規(guī)剪切試驗(yàn)難以真實(shí)反映抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值。在實(shí)際施工過程中堆石塊通過機(jī)械設(shè)備入倉，倉面浮渣、粉塵難以徹底清理，石塊相互嵌固隨機(jī)分布；試驗(yàn)制作堆石混凝土試樣，體積相對(duì)較小，可人為控制倉面清潔度和石塊出露數(shù)量等，層面結(jié)合粘結(jié)質(zhì)量好；因此，在進(jìn)行堆石混凝土重力壩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)提供的參數(shù)進(jìn)行折減使用。堆石混凝土層間結(jié)合面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取是堆石混凝土筑壩設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一，同時(shí)也是設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)和解決的問題。

文獻(xiàn)[1]中提出在山西省內(nèi)實(shí)施的堆石混凝土重力壩，大壩抗滑抗剪斷計(jì)算時(shí)，其層間抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)SL 25—2006選取，C15堆石混凝土抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)抗剪斷摩擦系數(shù)f′為0.8～1.1，抗剪斷粘聚力c′為0.7～0.9MPa；文獻(xiàn)[2]中對(duì)堆石混凝土結(jié)構(gòu)施工冷縫做了抗剪性能研究，根據(jù)大型剪切試驗(yàn)成果，堆石混凝土施工冷縫抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)f′為1.22，c′為0.67MPa；文獻(xiàn)[3]通過對(duì)堆石混凝土剪切試驗(yàn)性能進(jìn)行研究，提出堆石混凝土層間結(jié)合面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)f′為1.68，c′為1.69MPa，高于同等強(qiáng)度條件下的自密實(shí)性能混凝土和碾壓混凝土。文獻(xiàn)[4]在堆石混凝土技術(shù)最新研究進(jìn)展中提出，C15堆石混凝土施工冷縫抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)f′為1.68，c′為1.69MPa；根據(jù)SL 314—2018附表，已建工程C15碾壓混凝土層面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)取值f′為1.01～1.48，c′為1.02～1.86MP。

余慶小烏江水庫工程堆石混凝土重力壩設(shè)計(jì)時(shí)，通過反演計(jì)算推求壩體在最不利工況和斷面組合情況下的層間結(jié)合面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)分析，取設(shè)計(jì)水位工況下大壩底高程776m混凝土層間結(jié)合面進(jìn)行反演計(jì)算，取大壩結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k=3.0時(shí)，計(jì)算得到f′、c′值，見表2。

表2 堆石混凝土層間結(jié)合面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)合格值

由表1可知，該工程堆石混凝土層間結(jié)合面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)f′、c′合格值均小于SL 25—2006中的建議取值范圍。因此，壩體層間結(jié)合面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)f′、c′值參照SL 25—2006取值，其計(jì)算壩體層面抗剪斷安全系數(shù)結(jié)果偏大。堆石混凝土筑壩設(shè)計(jì)時(shí)，因堆石混凝土層面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)取值困難，設(shè)計(jì)從另一方面可考慮改變施工措施，針對(duì)堆石混凝土施工提出設(shè)計(jì)技術(shù)要求，確保堆石混凝土層面抗剪斷安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。余慶縣小烏江水庫堆石混凝土重力壩設(shè)計(jì)時(shí)，大壩采用常規(guī)體型斷面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要求入倉石塊集中卸料，挖掘機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)入倉，人工及時(shí)清理卸料點(diǎn)石渣和粉塵，施工倉面需進(jìn)行鑿毛或沖毛處理；同時(shí)要求倉面單位面積嵌固石塊出露面積不小于0.30m2(詳見第3.3節(jié))，通過堆石塊、充填高自密實(shí)性能混凝土抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)，推求壩體在最不利工況和斷面組合情況下的層間結(jié)合面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)f′=0.60，c′=0.68MPa，大于表2中要求的合格值，使壩體層面抗剪斷安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 堆石混凝土壩防滲設(shè)計(jì)

堆石混凝土在施工過程中，受施工堆石入倉石渣、粉塵、以及堆石塊與倉面接觸面脫空影響，會(huì)形成沿倉面的薄弱結(jié)合面，在長期庫水壓力下，該薄弱結(jié)合面滲水逐步向下游擴(kuò)展，最終形成壩體內(nèi)部滲透聯(lián)通通道，使壩體下游面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，影響大壩運(yùn)行安全。為此，堆石混凝土壩應(yīng)進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)，根據(jù)NB/T10077—2018，堆石混凝土壩應(yīng)在上游設(shè)置防滲層，防滲層厚度宜為0.5～1.0m，防滲層混凝土宜采用高自密實(shí)性能混凝土并配置防裂鋼筋，防滲層混凝土應(yīng)滿足抗?jié)B、抗凍及抗裂等要求。

小烏江水庫工程堆石混凝土大壩防滲層厚度取0.5m，防滲層采用C15W6F50高自密實(shí)性能混凝土。施工過程中在大壩上游預(yù)留防滲層空間禁止堆石，防滲層與壩體澆筑為一體。為防止防滲層開裂，防滲層按12～15m進(jìn)行分縫，并配置溫度防裂鋼筋。因防滲層與壩體均采用分層澆筑施工，為減小防滲層層間結(jié)合面施工不利影響，到達(dá)防滲效果，本工程施工時(shí)在大壩上游面防滲層間結(jié)合面植入鍍鋅鐵皮，如圖1所示，鍍鋅鐵皮寬0.3m，厚度1.0mm，鍍鋅鐵皮在防滲層混凝土澆筑完成后及時(shí)沿上游面順直植入，鍍鋅鐵皮外露0.15m，兩端與防滲層分縫銅止水相接，使壩體上游防滲層結(jié)合面形成止水封閉系統(tǒng)。根據(jù)兩岸壩頂防滲帷幕灌漿實(shí)施效果，壩體上游防滲層表面未發(fā)現(xiàn)冒漿、泌水及開裂現(xiàn)象，僅在壩體下游堆石混凝土層間結(jié)合面局部區(qū)域有冒漿，如圖2所示，表明壩體上游防滲層具有較好的抗?jié)B性能。

圖1 大壩防滲區(qū)鍍鋅鐵皮植入施工效果圖

圖2 岸坡壩頂防滲帷幕施工圖

3 堆石混凝土重力壩施工

3.1 堆石料入倉

堆石料入倉時(shí)需對(duì)石塊的強(qiáng)度和粒徑進(jìn)行要求，石塊入倉時(shí)隨機(jī)堆放，嚴(yán)禁人工塞縫。堆石料常用入倉方式有：自卸汽車直接入倉、自卸汽車運(yùn)至工作面卸料后反鏟挖掘機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)入倉以及塔機(jī)直接吊運(yùn)入倉。自卸汽車直接入倉時(shí)，倉面掉落石渣和粉塵多，清理難度大，澆筑層面粘結(jié)質(zhì)量差，堆石混凝土壩施工中一般不采用該入倉方式；堆石料通過自卸汽車運(yùn)至工作面卸料后再通過反鏟挖掘機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)入倉，該入倉方式可通過人工及時(shí)清理倉面卸料點(diǎn)石渣和粉塵，但在轉(zhuǎn)運(yùn)平倉過程中會(huì)有少量新的石渣和粉塵產(chǎn)生，澆筑層面粘結(jié)質(zhì)量總體較好，施工質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)運(yùn)用于堆石混凝土重力壩施工中；堆石料采用建筑塔機(jī)直接吊運(yùn)入倉時(shí)，石渣和粉塵可從源頭控制，減少了倉面施工機(jī)械作業(yè)影響，層面粘結(jié)質(zhì)量好，但建筑塔機(jī)起吊效率低，堆石混凝土月澆筑強(qiáng)度小，一般在施工質(zhì)量要求較高、倉面較小或堆石混凝土拱壩施工中應(yīng)用較多。

余慶小烏江水庫工程大壩共計(jì)澆筑堆石混凝土約7萬m3，最高月澆筑強(qiáng)度約1萬m3，設(shè)計(jì)要求堆石料粒徑為30～100cm，飽和抗壓強(qiáng)度不小于30MPa，堆石料采用自卸汽車運(yùn)至工作面卸料后反鏟挖掘機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)入倉，通過施工實(shí)踐，倉面一臺(tái)2m3反鏟挖掘機(jī)經(jīng)6～8h可平倉約800m3堆石塊，大壩月平均上升高度為4.0m。

3.2 高自密實(shí)性能混凝土施工

堆石料入倉完成后，即可進(jìn)行高自密實(shí)性能混凝土的灌入施工，高自密實(shí)性能混凝土的運(yùn)輸通常采用混凝土罐車或直接泵送入倉，混凝土罐車運(yùn)輸靈活度高，適合遠(yuǎn)距離運(yùn)輸；直接泵送入倉通常受混凝土拌合站布置影響，一般適合于水平距離不大于200m的輸送。

余慶小烏江水庫工程混凝土拌合站布置于左岸壩頂上游825m高程，高自密實(shí)性能混凝土通過在混凝土拌合站設(shè)置一條DN500mm的溜管轉(zhuǎn)低高程790m泵車后接DN100mm泵管輸送入倉，在倉面布置一臺(tái)布料機(jī)進(jìn)行靈活布料，混凝土水平輸送距離約180m左右。布料機(jī)放置于澆筑倉面中心，通過人工拉動(dòng)布料機(jī)臂對(duì)倉面從上游向下游進(jìn)行“Z”字型逐點(diǎn)澆筑。高自密實(shí)性能混凝土澆筑過程中應(yīng)實(shí)時(shí)觀察其流動(dòng)性和粘結(jié)性，以便及時(shí)對(duì)混凝土配合比用水量和外加劑用量進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)實(shí)際施工效果，高自密實(shí)性能混凝土泵送時(shí)較一般常態(tài)二級(jí)配混凝土要求高，易發(fā)生堵管現(xiàn)象，當(dāng)間歇時(shí)間大于1h，建議先洗管再繼續(xù)施工。

3.3 層間結(jié)合面處理

3.3.1倉面石塊出露要求

堆石混凝土筑壩通常采取分層澆筑施工，分層厚度根據(jù)各工程實(shí)際情況而定，目前普遍按2.0m進(jìn)行分層，對(duì)于分層結(jié)合倉面，通常要求有一定數(shù)量石塊出露下層倉面，以便在進(jìn)行上層堆石施工時(shí)，上、下層石塊相互嵌固形成咬合結(jié)構(gòu)面，充分利用嵌固石塊本身較高的抗剪斷強(qiáng)度，增加倉面層間結(jié)合面的整體抗剪斷能力，從而提高大壩結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全性。

3.3.2倉面石塊出露最佳面積控制

根據(jù)技術(shù)規(guī)范，并結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，目前堆石混凝土施工均未對(duì)倉面出露石塊數(shù)量、面積等做定量要求，更多是偏向于石塊露出高度、埋設(shè)深度、石塊質(zhì)量等要求。倉面出露石塊數(shù)量、面積對(duì)于堆石混凝土層間結(jié)合面抗剪斷十分重要。假設(shè)堆石塊粒徑相對(duì)均勻，通過分析當(dāng)下層倉面嵌固石塊出露面積超過倉面總面積50%后，必然在出露石塊頂面出現(xiàn)剪斷薄弱層面，如圖3所示，此時(shí)倉面石塊出露面積越多，對(duì)壩體的結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定越不利；同樣倉面石塊出露面積偏少，會(huì)減少倉面嵌固石塊咬合數(shù)量，從而降低倉面層間抗剪斷能力。

圖3 倉面嵌固石塊出露面積超50%示意圖

根據(jù)圖3，倉面剪斷面積S倉面由三部分組成，即倉面嵌固石塊剪斷面積S石、倉面高自密實(shí)性能混凝土填充結(jié)合面積S填、堆石塊與倉面接觸面積S空，即S倉面=S石+S填+S空；倉面層間抗剪斷能力F層面同樣由三部分組成，即倉面嵌固石塊抗剪斷力F石、倉面高密實(shí)性能混凝土填充結(jié)合面抗剪斷力F填、堆石塊與倉面接觸面抗剪斷摩擦力F空，即F倉面=F石+F填+F空。對(duì)于倉面各部分抗剪斷力占據(jù)比例，定量分析困難，因此，為便于推求倉面嵌固石塊出露最佳面積，不妨假定倉面層間抗剪斷力全部靠剪斷嵌固石塊提供，在已知嵌固石塊抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)條件下，通過壩體抗滑抗剪斷公式反演計(jì)算倉面嵌固石塊抗剪斷面積，并結(jié)合堆石料入倉方式、堆石率等綜合評(píng)判提出倉面嵌固石塊出露最佳面積率。以下將以余慶縣小烏江水庫工程堆石混凝土重力壩為例，定量分析堆石混凝土施工倉面石塊出露最佳面積率。

本工程堆石塊抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)值f’=1.35、c’=1.57MPa，取設(shè)計(jì)工況下大壩底高程776.00m層面進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)大壩抗滑抗剪斷安全系數(shù)k=3.0時(shí)，計(jì)算結(jié)果S石/S倉面=0.39，即倉面石塊出露面積需占倉面總面積的39%。

考慮S填、S空對(duì)倉面抗剪斷能力的貢獻(xiàn)，即(S填+S空)/S倉面=0.61，堆石塊入倉時(shí)隨機(jī)堆放，可進(jìn)一步假定堆石塊與充填入的高自密實(shí)性能混凝土在空間上均勻分布，設(shè)計(jì)要求堆石混凝土中堆石率為55%～58%，即可求得：S填/S倉面=0.25，S空/S倉面=0.36。

受倉面石渣、粉塵影響，對(duì)S填、S空倉面占比進(jìn)行適當(dāng)折減，折減系數(shù)取0.8，折減后S填/S倉面=0.20，S空/S倉面=0.28。因堆石塊與倉面接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)受倉面粗糙程度影響，參數(shù)選取困難，為此，可進(jìn)一步假定S空引起的抗剪斷力F空=0，即倉面抗剪斷力F倉面=F石+F填。

試驗(yàn)提供C15高自密實(shí)性能混凝土層面抗剪斷參數(shù)f′=0.95，c′=1.05，考慮S填對(duì)倉面抗剪斷力的貢獻(xiàn)，再次反演計(jì)算得出：S石/S倉面=0.25，即倉面石塊出露面積需占倉面總面積的25%。

在實(shí)際施工過程中，倉面石塊出露面積越多，壩面越不平，自卸汽車水平運(yùn)輸堆石料越困難。本工程選取倉面石塊出露最佳面積率r=30%，即要求單位倉面面積嵌固石塊出露面積為0.30m2；同時(shí)為便于倉面石料水平運(yùn)輸，在靠近壩體下游預(yù)留相對(duì)平整的倉面作為堆石料運(yùn)輸通道，本工程倉面嵌固石塊出露情況如圖4所示。

3.4 溫控防裂控制

采用堆石混凝土筑壩時(shí)，堆石混凝土中堆石率一般在55%～58%，填充混凝土占比小，水泥用量少，水化熱溫升小。根據(jù)已建工程施工經(jīng)驗(yàn)，堆石混凝土筑壩無需埋設(shè)冷卻水管通水降溫，僅做好混凝土倉面撒水養(yǎng)護(hù)即可；對(duì)于壩體上游高自密實(shí)性能混凝土防滲層，可設(shè)置防滲層分縫，配置防滲層溫度防裂鋼筋，做混凝土表面

圖4 實(shí)際施工倉面石塊嵌固出露情況圖

養(yǎng)護(hù)；堆石混凝土筑壩溫控防裂措施較為簡單。

余慶小烏江水庫工程堆石混凝土重力壩在實(shí)際施工中，上游防滲層按照12～15m分縫，并在上游面層設(shè)置溫度防裂鋼筋網(wǎng)；防滲層采用C15W6F50高自密實(shí)性能混凝土澆筑，其配合比見表3，單方混凝土水泥用量為159kg，采用大量粉煤灰替代水泥，粉煤灰參合占比66%以上，單方混凝土粉煤灰參合料為312kg。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)施效果，截止大壩封頂，在大壩上游防滲層均未發(fā)現(xiàn)裂縫、開裂現(xiàn)象。防滲層下游壩體部分采用C15堆石混凝土筑壩，壩體按20～40m設(shè)置橫縫，施工時(shí)按2.0m分層進(jìn)行澆筑，并在壩體內(nèi)部分高層埋設(shè)溫度計(jì)監(jiān)測(cè)堆石混凝土溫升情況。根據(jù)實(shí)施效果，壩體實(shí)際堆石率為58%左右，高自密實(shí)性能混凝土充填效果良好；根據(jù)溫度計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)堆石混凝土絕熱溫升為8～15℃，內(nèi)部最高溫度為36℃；截止大壩堆石混凝土澆筑完成，均未發(fā)現(xiàn)壩體裂縫等質(zhì)量缺陷現(xiàn)象。

表3 C15W6F50高自密實(shí)性能混凝土配合比

4 結(jié)語

堆石混凝土具有施工工藝簡單、機(jī)械效率高、溫控防裂效果好等優(yōu)點(diǎn)，但作為新型混凝土筑壩材料，還需進(jìn)一步研究堆石混凝土筑壩設(shè)計(jì)及施工過程中的各種不利因素：在設(shè)計(jì)階段如何選取合理的堆石混凝土層間結(jié)合面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；如何提高堆石混凝土層間結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度，怎樣提高壩體上游防滲層抗?jié)B性能，減小水庫蓄水大壩層間結(jié)合薄弱面滲漏風(fēng)險(xiǎn)；堆石混凝土壩澆筑質(zhì)量如何評(píng)定，需要有統(tǒng)一的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；在倉面堆石料入倉過程中如何有效減少倉面石渣、粉塵的產(chǎn)生等等。針對(duì)上述問題，需結(jié)合工程實(shí)際提出切實(shí)可行的工程措施，以指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際施工。