沙坪二級(jí)水電站堆石混凝土壩防滲設(shè)計(jì)與研究

劉明華，涂承義，葉建群

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

堆石混凝土(Rock-Filled Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)RFC)技術(shù)是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型混凝土技術(shù)，具有低碳環(huán)保、低水化熱、工藝簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉、施工速度快等特點(diǎn)。堆石混凝土是指先將滿(mǎn)足一定粒徑要求的塊石(或卵石)自然堆滿(mǎn)倉(cāng)面，然后在堆石體表面澆筑滿(mǎn)足特殊要求的自密實(shí)混凝土(Self-Compacting Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)SCC)，無(wú)需振搗僅依靠其自重充填堆石體的空隙，所形成完整密實(shí)的混凝土，其構(gòu)成如圖1所示[1-3]。

圖1 自密實(shí)混凝土充填堆石體形成堆石混凝土示意圖

堆石混凝土自身具有良好的抗?jié)B性能，原則上可用于壩體自身防滲。但是在現(xiàn)階段考慮到施工過(guò)程中，由于堆石沖洗不凈，堆石鋪填以后，堆石表面殘留的少量泥土帶到倉(cāng)面表面，形成集中的薄弱環(huán)節(jié)，容易形成滲水通道，降低層面結(jié)合能力，可能造成的層間缺陷，需對(duì)防滲進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

1 工程概況

沙坪二級(jí)水電站位于四川省樂(lè)山市，是大渡河中游22個(gè)規(guī)劃梯級(jí)中第20個(gè)梯級(jí)沙坪梯級(jí)的第二級(jí)，采用河床式開(kāi)發(fā)。水庫(kù)正常蓄水位554.00 m，總庫(kù)容為2 084萬(wàn)m3，擋水建筑物最大壩高63.0 m，裝機(jī)容量348 MW，多年平均發(fā)電量為16.10億kW·h。樞紐主要由泄洪閘、河床式廠房、魚(yú)道、右岸擋水壩段等建筑物組成。泄洪閘布置在右岸主河床，將砂卵石覆蓋層全部挖除后采用堆石混凝土回填，基礎(chǔ)置于基巖上。共設(shè)置5孔泄洪閘，堰頂高程528.00 m，孔口尺寸13.0 m×16.0 m(寬×高)。泄洪閘典型剖面見(jiàn)圖2。

圖2 泄洪閘典型剖面圖

2 堆石混凝土防滲措施研究

大體積混凝土通常根據(jù)混凝土性能和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行分區(qū)，如齡期、抗?jié)B標(biāo)號(hào)、抗凍標(biāo)號(hào)、抗沖刷要求、抗侵蝕性和低熱性等。通過(guò)研究表明，堆石混凝土中相互搭接的堆石骨架有效提高了材料的綜合性能，通常壩體采用統(tǒng)一標(biāo)號(hào)的堆石混凝土，直接通過(guò)自身結(jié)構(gòu)或是設(shè)置防滲層來(lái)滿(mǎn)足大壩抗?jié)B、抗沖刷和抗侵蝕性等的要求。堆石混凝土防滲層材料抗?jié)B等級(jí)的最小允許值應(yīng)滿(mǎn)足：①H<30 m時(shí)，W4；②30 m≤H<70 m時(shí)，W6。當(dāng)采用常態(tài)混凝土防滲層時(shí)，底部厚度宜為最大水頭的1/30～1/60，頂部厚度不應(yīng)小于0.3 m，宜配置溫度鋼筋，并做好分縫處理；當(dāng)采用自密實(shí)混凝土防滲層時(shí)，頂部厚度宜為0.3～0.6 m，宜配置溫度鋼筋；壩高小于30 m時(shí)可不設(shè)防滲層，可采用壩體自身防滲，并對(duì)壩體與地基的連接做出防滲設(shè)計(jì)。

2.1 自密實(shí)混凝土的防滲參數(shù)與常態(tài)的對(duì)比

自密實(shí)混凝土是一種高性能混凝土，其耐久性能普遍高于常態(tài)混凝土或者碾壓混凝土。日本東京大學(xué)土木系、清華大學(xué)水利系等國(guó)內(nèi)外知名研究機(jī)構(gòu)的混凝土實(shí)驗(yàn)室均通過(guò)研究表明自密實(shí)混凝土早期自身體積變形小、干縮小、水化熱低、抗裂能力高，可以避免早期缺陷；硬化后混凝土抗?jié)B能力高，滲透系數(shù)量級(jí)為10-12m/s；抗?jié)B標(biāo)號(hào)可達(dá)W30以上；抗凍標(biāo)號(hào)可達(dá)F300以上，可有效抵制外界因素的影響，耐久性能優(yōu)異。

2.2 自密實(shí)混凝土防滲層

堆石混凝土本身防滲性能優(yōu)異，壩體本身可直接擋水。而從實(shí)際施工考慮，根據(jù)堆石混凝土的施工特點(diǎn)，一般采用防滲性能是常態(tài)混凝土2～3倍的自密實(shí)混凝土澆筑防滲層，從而進(jìn)一步提高工程的安全系數(shù)，確保壩體的抗?jié)B性能。

試驗(yàn)表明自密實(shí)混凝土的抗?jié)B性能遠(yuǎn)高于同標(biāo)號(hào)的其他常規(guī)混凝土，同時(shí)自密實(shí)混凝土膠凝材料用量較高，其水化熱和自生體積變形略高于其他常規(guī)混凝土，不適宜用于厚度較大的結(jié)構(gòu)。因此，采用自密實(shí)混凝土作為防滲層材料時(shí)其厚度應(yīng)低于常規(guī)混凝土，出于對(duì)溫度裂縫的考慮宜配制溫度鋼筋并控制最大厚度。

采用自密實(shí)混凝土防滲層與堆石混凝土壩體一體澆筑的方式，防滲層澆筑無(wú)需單獨(dú)支立模板，倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行堆石時(shí)僅需在石塊與模板之間預(yù)留出防滲層層厚即可。澆筑后的防滲層與堆石混凝土壩體的連接較好，無(wú)需在澆筑堆石混凝土前對(duì)防滲層內(nèi)側(cè)進(jìn)行鑿毛處理，施工工藝簡(jiǎn)便，施工速度快，抗?jié)B性能好。

2.2.1 自密實(shí)混凝土防滲層與堆石混凝土標(biāo)號(hào)一致

根據(jù)堆石混凝土的施工特點(diǎn)，壩體防滲材料抗?jié)B等級(jí)最小允許值為W6。一般C15標(biāo)號(hào)的自密實(shí)混凝土抗?jié)B等級(jí)即可達(dá)到W6～W8，因此在沒(méi)有高抗凍要求和其他特別要求的情況下，為簡(jiǎn)化施工工序，防滲層可采用與壩體堆石混凝土一致的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)。自密實(shí)混凝土防滲層與壩體一體澆筑結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2 自密實(shí)混凝土防滲層與堆石混凝土標(biāo)號(hào)不一致

基于抗凍等因素考慮，當(dāng)設(shè)計(jì)防滲層與壩體混凝土標(biāo)號(hào)不一致時(shí)，可通過(guò)如下的方式實(shí)現(xiàn)一體化澆筑：

1)防滲層與壩體的混凝土生產(chǎn)采用相同的原材料，包括水泥、粉煤灰、砂石等；

2)在自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)整水泥、粉煤灰的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)，保證配合比基本相同，所用外加劑型號(hào)相同，便于生產(chǎn)切換；

3)在澆筑時(shí)，先生產(chǎn)高標(biāo)號(hào)的防滲層混凝土并澆筑，防滲層澆筑完成后進(jìn)行剩余壩體低標(biāo)號(hào)混凝土的澆筑，從而實(shí)現(xiàn)一體化澆筑。該方法會(huì)多澆筑一部分高標(biāo)號(hào)的混凝土，如圖4所示。

圖3 自密實(shí)混凝土防滲層與堆石混凝土壩體一體化澆筑示意圖

圖4 不同標(biāo)號(hào)自密實(shí)混凝土的防滲面板與壩體一體化澆筑示意圖

結(jié)合自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的特性，相同原材料的情況下，不同設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)可以通過(guò)調(diào)整水泥粉煤灰的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)，二者經(jīng)濟(jì)性差別不大，水泥用量差別也不大，對(duì)于溫升的影響較小。如表1所示，標(biāo)號(hào)分別為C15和C20時(shí)的自密實(shí)混凝土中水泥和粉煤灰用量差別較小，水泥強(qiáng)度等級(jí)相同。

表1 C15和C20的自密實(shí)混凝土配合比表

綜上所述，在沒(méi)有其他特別要求的情況下，可采用自密實(shí)混凝土防滲層與壩體堆混凝土一致的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)進(jìn)行一體化澆筑，優(yōu)化施工方案，簡(jiǎn)化施工工序。實(shí)際核算中，可對(duì)采用一體化澆筑的成本與支立模板進(jìn)行防滲層澆筑等常規(guī)方案進(jìn)行對(duì)比，選擇最經(jīng)濟(jì)可行的施工方案。

3 沙坪二級(jí)堆石混凝土防滲設(shè)計(jì)

3.1 堆石混凝土防滲設(shè)計(jì)

沙坪二級(jí)水電站泄洪閘下部的堆石混凝土坐落在基巖上，壩基防滲通過(guò)帷幕灌漿解決。試驗(yàn)表明，堆石混凝土試塊具有良好的抗?jié)B性能，但施工過(guò)程中由于堆石沖洗不凈，堆石表面殘留的少量泥土帶到倉(cāng)面表面，容易形成滲水通道，造成層間缺陷，故堆石混凝土防滲問(wèn)題主要考慮結(jié)構(gòu)縫及堆石混凝土層間施工縫的防滲。

為提高堆石混凝土層間抗?jié)B的保證率，設(shè)計(jì)在上游設(shè)置厚為0.5 m的自密實(shí)混凝土防滲層，考慮防滲層采用自密實(shí)混凝土澆筑與堆石混凝土一次澆筑成型，用于防滲層的自密實(shí)混凝土抗?jié)B等級(jí)不宜小于W6?？紤]本工程上下游最大水頭差22 m，較?。磺倚购殚l的順河向較長(zhǎng)，為49 m；另為加快施工，上游防滲層未布置鋼筋。

在壩段間的橫縫上游設(shè)置兩道止水：第一道銅片止水布置上游壩面下游1.5 m，為1.0 mm厚的“U”型銅片；第二道橡膠止水布置銅片止水下游0.8 m，1.0 cm厚，見(jiàn)圖5。止水周邊0.5 m范圍不鋪填堆石，以填充自密實(shí)混凝土，并在塊石碼放時(shí)在止水兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)防護(hù)，以保證止水的完好。

圖5 堆石混凝土結(jié)構(gòu)防滲剖面圖

3.2 堆石混凝土滲壓監(jiān)測(cè)

堆石混凝土在523.50 m高程順河向布置了4個(gè)滲壓計(jì)，從5年多的監(jiān)測(cè)成果來(lái)看，滲壓水位變化漸趨于平緩，與庫(kù)水位相關(guān)性不明顯，說(shuō)明堆石混凝土防滲性能整體較好。滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)圖6。

圖6 堆石混凝土滲壓監(jiān)測(cè)成果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

堆石混凝土作為混凝土材料的一種，在材料性能和筑壩原理方面與傳統(tǒng)混凝土重力壩基本一致，但在壩體防滲有其自身的特點(diǎn)。堆石混凝土本身防滲性能優(yōu)異，可直接擋水；但從實(shí)際施工考慮，為提高堆石混凝土層間抗?jié)B的保證率，一般在上游面采用厚度0.5～1.0 m、防滲性能是常態(tài)混凝土2～3倍的自密實(shí)混凝土防滲層，從而確保壩體的抗?jié)B性能。

2014年8月，沙坪二級(jí)電站泄洪閘下部堆石混凝土工程順利完工，5年來(lái)的監(jiān)測(cè)成果表明堆石混凝土抗?jié)B指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，層間結(jié)合良好。堆石混凝土在沙坪二級(jí)水電站的應(yīng)用為首次在大型水電站主體工程應(yīng)用，經(jīng)研究與工程實(shí)踐，成功解決了工程難題，取得了良好的工程效果，推動(dòng)了堆石混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展。