堆石混凝土筑坝设计及应用浅析

张文毅，翟张宏，王志强，张 镯

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 概述

堆石混凝土作为一种新型筑坝材料，特别适用于大体积混凝土浇筑，尤其在中、低混凝土重力坝中被广泛推广。堆石混凝土主要由堆石块体和高自密实性能混凝土组成，在随机堆放的石块中灌入高自密实性能混凝土，利用其较好的流动性自动充填堆石块空隙形成堆石混凝土，施工过程中无需人工振捣，施工机械率高，可减少仓面作业人员。堆石混凝土中石块占比一般为55%～58%，胶凝材料用量小，水化热温升低，通常无需埋设冷却水管通水降温，极大简化了坝体温控防裂措施，温控防裂效果好。

2 堆石混凝土重力坝设计

堆石混凝土重力坝设计可供参考的技术规范有NB/T 10077—2018《堆石混凝土筑坝技术导则》、SL 678—2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》，除此还应遵照SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》执行。根据在建或已建工程设计经验，有关设计参数可参照SL 25—2006《砌石坝设计规范》或SL 314—2018《碾压混凝土坝设计规范》取值。

2.1 坝体体型断面设计

堆石混凝土重力坝断面设计基本呈直角三角型，其体型断面设计应结合坝址处地质条件、岩层走向及物理力学指标，计算确定坝体应力、抗滑稳定、层间结合面抗剪、抗渗满足设计规范要求。在建或已建工程堆石混凝土重力坝体型设计参数取值见表1。

表1 堆石混凝土重力坝体型断面设计统计表

由表1可知，堆石混凝土重力坝坝高基本控制在70m以下，坝顶宽度取4.0～6.0m。当坝顶不作为通行交通时，考虑坝顶施工机械作业面，坝顶宽度取值不宜小于5.0m；大坝下游坡比一般按1∶0.75放坡。

余庆小乌江水库堆石混凝土重力坝设计最大坝高47.2m，大坝坝顶宽度取5.0m，下游面坡比取1∶0.75，上游面在折线点高程795m以下坡比1∶0.2，高程795m以上铅直。

2.2 坝体材料分区

借鉴已建或在建堆石混凝土重力坝设计、施工经验，材料分区通常采用混凝土砌石重力坝“金包银”模式，即在大坝上、下游迎水面浇筑一定厚度防渗混凝土防渗，内部采用低强度、大级配混凝土筑坝。

余庆小乌江水库工程进行大坝材料分区时，在上游面预留0.5m厚度区域填充C15高自密实性能混凝土作为防渗层，中间采用C15堆石混凝土筑坝，下游面因水位较低未设防渗层，建基面浇筑1.0m厚C20W6F50常态垫层混凝土。

2.3 层间结合面抗剪

堆石混凝土层间结合面抗剪强度参数获取较为困难，采用常规剪切试验难以真实反映抗剪强度指标值。在实际施工过程中堆石块通过机械设备入仓，仓面浮渣、粉尘难以彻底清理，石块相互嵌固随机分布；试验制作堆石混凝土试样，体积相对较小，可人为控制仓面清洁度和石块出露数量等，层面结合粘结质量好；因此，在进行堆石混凝土重力坝设计时，应对试验提供的参数进行折减使用。堆石混凝土层间结合面抗剪强度指标的选取是堆石混凝土筑坝设计难点之一，同时也是设计人员必须面对和解决的问题。

文献[1]中提出在山西省内实施的堆石混凝土重力坝，大坝抗滑抗剪断计算时，其层间抗剪断强度指标根据SL 25—2006选取，C15堆石混凝土抗剪断强度指标抗剪断摩擦系数f′为0.8～1.1，抗剪断粘聚力c′为0.7～0.9MPa；文献[2]中对堆石混凝土结构施工冷缝做了抗剪性能研究，根据大型剪切试验成果，堆石混凝土施工冷缝抗剪断强度指标f′为1.22，c′为0.67MPa；文献[3]通过对堆石混凝土剪切试验性能进行研究，提出堆石混凝土层间结合面抗剪断强度指标f′为1.68，c′为1.69MPa，高于同等强度条件下的自密实性能混凝土和碾压混凝土。文献[4]在堆石混凝土技术最新研究进展中提出，C15堆石混凝土施工冷缝抗剪断强度指标f′为1.68，c′为1.69MPa；根据SL 314—2018附表，已建工程C15碾压混凝土层面抗剪断强度指标取值f′为1.01～1.48，c′为1.02～1.86MP。

余庆小乌江水库工程堆石混凝土重力坝设计时，通过反演计算推求坝体在最不利工况和断面组合情况下的层间结合面抗剪断强度指标，根据分析，取设计水位工况下大坝底高程776m混凝土层间结合面进行反演计算，取大坝结构抗滑稳定安全系数k=3.0时，计算得到f′、c′值，见表2。

表2 堆石混凝土层间结合面抗剪断强度指标合格值

由表1可知，该工程堆石混凝土层间结合面抗剪断强度指标f′、c′合格值均小于SL 25—2006中的建议取值范围。因此，坝体层间结合面抗剪断强度指标f′、c′值参照SL 25—2006取值，其计算坝体层面抗剪断安全系数结果偏大。堆石混凝土筑坝设计时，因堆石混凝土层面抗剪断强度指标取值困难，设计从另一方面可考虑改变施工措施，针对堆石混凝土施工提出设计技术要求，确保堆石混凝土层面抗剪断安全系数满足规范要求。余庆县小乌江水库堆石混凝土重力坝设计时，大坝采用常规体型断面设计，设计要求入仓石块集中卸料，挖掘机转运入仓，人工及时清理卸料点石渣和粉尘，施工仓面需进行凿毛或冲毛处理；同时要求仓面单位面积嵌固石块出露面积不小于0.30m2(详见第3.3节)，通过堆石块、充填高自密实性能混凝土抗剪断强度指标，推求坝体在最不利工况和断面组合情况下的层间结合面抗剪断强度指标f′=0.60，c′=0.68MPa，大于表2中要求的合格值，使坝体层面抗剪断安全系数满足设计要求。

2.4 堆石混凝土坝防渗设计

堆石混凝土在施工过程中，受施工堆石入仓石渣、粉尘、以及堆石块与仓面接触面脱空影响，会形成沿仓面的薄弱结合面，在长期库水压力下，该薄弱结合面渗水逐步向下游扩展，最终形成坝体内部渗透联通通道，使坝体下游面出现渗水现象，影响大坝运行安全。为此，堆石混凝土坝应进行防渗设计，根据NB/T10077—2018，堆石混凝土坝应在上游设置防渗层，防渗层厚度宜为0.5～1.0m，防渗层混凝土宜采用高自密实性能混凝土并配置防裂钢筋，防渗层混凝土应满足抗渗、抗冻及抗裂等要求。

小乌江水库工程堆石混凝土大坝防渗层厚度取0.5m，防渗层采用C15W6F50高自密实性能混凝土。施工过程中在大坝上游预留防渗层空间禁止堆石，防渗层与坝体浇筑为一体。为防止防渗层开裂，防渗层按12～15m进行分缝，并配置温度防裂钢筋。因防渗层与坝体均采用分层浇筑施工，为减小防渗层层间结合面施工不利影响，到达防渗效果，本工程施工时在大坝上游面防渗层间结合面植入镀锌铁皮，如图1所示，镀锌铁皮宽0.3m，厚度1.0mm，镀锌铁皮在防渗层混凝土浇筑完成后及时沿上游面顺直植入，镀锌铁皮外露0.15m，两端与防渗层分缝铜止水相接，使坝体上游防渗层结合面形成止水封闭系统。根据两岸坝顶防渗帷幕灌浆实施效果，坝体上游防渗层表面未发现冒浆、泌水及开裂现象，仅在坝体下游堆石混凝土层间结合面局部区域有冒浆，如图2所示，表明坝体上游防渗层具有较好的抗渗性能。

图1 大坝防渗区镀锌铁皮植入施工效果图

图2 岸坡坝顶防渗帷幕施工图

3 堆石混凝土重力坝施工

3.1 堆石料入仓

堆石料入仓时需对石块的强度和粒径进行要求，石块入仓时随机堆放，严禁人工塞缝。堆石料常用入仓方式有：自卸汽车直接入仓、自卸汽车运至工作面卸料后反铲挖掘机转运入仓以及塔机直接吊运入仓。自卸汽车直接入仓时，仓面掉落石渣和粉尘多，清理难度大，浇筑层面粘结质量差，堆石混凝土坝施工中一般不采用该入仓方式；堆石料通过自卸汽车运至工作面卸料后再通过反铲挖掘机转运入仓，该入仓方式可通过人工及时清理仓面卸料点石渣和粉尘，但在转运平仓过程中会有少量新的石渣和粉尘产生，浇筑层面粘结质量总体较好，施工质量可控等优点，目前被广泛应运用于堆石混凝土重力坝施工中；堆石料采用建筑塔机直接吊运入仓时，石渣和粉尘可从源头控制，减少了仓面施工机械作业影响，层面粘结质量好，但建筑塔机起吊效率低，堆石混凝土月浇筑强度小，一般在施工质量要求较高、仓面较小或堆石混凝土拱坝施工中应用较多。

余庆小乌江水库工程大坝共计浇筑堆石混凝土约7万m3，最高月浇筑强度约1万m3，设计要求堆石料粒径为30～100cm，饱和抗压强度不小于30MPa，堆石料采用自卸汽车运至工作面卸料后反铲挖掘机转运入仓，通过施工实践，仓面一台2m3反铲挖掘机经6～8h可平仓约800m3堆石块，大坝月平均上升高度为4.0m。

3.2 高自密实性能混凝土施工

堆石料入仓完成后，即可进行高自密实性能混凝土的灌入施工，高自密实性能混凝土的运输通常采用混凝土罐车或直接泵送入仓，混凝土罐车运输灵活度高，适合远距离运输；直接泵送入仓通常受混凝土拌合站布置影响，一般适合于水平距离不大于200m的输送。

余庆小乌江水库工程混凝土拌合站布置于左岸坝顶上游825m高程，高自密实性能混凝土通过在混凝土拌合站设置一条DN500mm的溜管转低高程790m泵车后接DN100mm泵管输送入仓，在仓面布置一台布料机进行灵活布料，混凝土水平输送距离约180m左右。布料机放置于浇筑仓面中心，通过人工拉动布料机臂对仓面从上游向下游进行“Z”字型逐点浇筑。高自密实性能混凝土浇筑过程中应实时观察其流动性和粘结性，以便及时对混凝土配合比用水量和外加剂用量进行调整。根据实际施工效果，高自密实性能混凝土泵送时较一般常态二级配混凝土要求高，易发生堵管现象，当间歇时间大于1h，建议先洗管再继续施工。

3.3 层间结合面处理

3.3.1仓面石块出露要求

堆石混凝土筑坝通常采取分层浇筑施工，分层厚度根据各工程实际情况而定，目前普遍按2.0m进行分层，对于分层结合仓面，通常要求有一定数量石块出露下层仓面，以便在进行上层堆石施工时，上、下层石块相互嵌固形成咬合结构面，充分利用嵌固石块本身较高的抗剪断强度，增加仓面层间结合面的整体抗剪断能力，从而提高大坝结构抗滑稳定安全性。

3.3.2仓面石块出露最佳面积控制

根据技术规范，并结合现有设计、施工经验，目前堆石混凝土施工均未对仓面出露石块数量、面积等做定量要求，更多是偏向于石块露出高度、埋设深度、石块质量等要求。仓面出露石块数量、面积对于堆石混凝土层间结合面抗剪断十分重要。假设堆石块粒径相对均匀，通过分析当下层仓面嵌固石块出露面积超过仓面总面积50%后，必然在出露石块顶面出现剪断薄弱层面，如图3所示，此时仓面石块出露面积越多，对坝体的结构抗滑稳定越不利；同样仓面石块出露面积偏少，会减少仓面嵌固石块咬合数量，从而降低仓面层间抗剪断能力。

图3 仓面嵌固石块出露面积超50%示意图

根据图3，仓面剪断面积S仓面由三部分组成，即仓面嵌固石块剪断面积S石、仓面高自密实性能混凝土填充结合面积S填、堆石块与仓面接触面积S空，即S仓面=S石+S填+S空；仓面层间抗剪断能力F层面同样由三部分组成，即仓面嵌固石块抗剪断力F石、仓面高密实性能混凝土填充结合面抗剪断力F填、堆石块与仓面接触面抗剪断摩擦力F空，即F仓面=F石+F填+F空。对于仓面各部分抗剪断力占据比例，定量分析困难，因此，为便于推求仓面嵌固石块出露最佳面积，不妨假定仓面层间抗剪断力全部靠剪断嵌固石块提供，在已知嵌固石块抗剪断强度指标条件下，通过坝体抗滑抗剪断公式反演计算仓面嵌固石块抗剪断面积，并结合堆石料入仓方式、堆石率等综合评判提出仓面嵌固石块出露最佳面积率。以下将以余庆县小乌江水库工程堆石混凝土重力坝为例，定量分析堆石混凝土施工仓面石块出露最佳面积率。

本工程堆石块抗剪断强度指标值f’=1.35、c’=1.57MPa，取设计工况下大坝底高程776.00m层面进行计算，当大坝抗滑抗剪断安全系数k=3.0时，计算结果S石/S仓面=0.39，即仓面石块出露面积需占仓面总面积的39%。

考虑S填、S空对仓面抗剪断能力的贡献，即(S填+S空)/S仓面=0.61，堆石块入仓时随机堆放，可进一步假定堆石块与充填入的高自密实性能混凝土在空间上均匀分布，设计要求堆石混凝土中堆石率为55%～58%，即可求得：S填/S仓面=0.25，S空/S仓面=0.36。

受仓面石渣、粉尘影响，对S填、S空仓面占比进行适当折减，折减系数取0.8，折减后S填/S仓面=0.20，S空/S仓面=0.28。因堆石块与仓面接触面抗剪断摩擦系数受仓面粗糙程度影响，参数选取困难，为此，可进一步假定S空引起的抗剪断力F空=0，即仓面抗剪断力F仓面=F石+F填。

试验提供C15高自密实性能混凝土层面抗剪断参数f′=0.95，c′=1.05，考虑S填对仓面抗剪断力的贡献，再次反演计算得出：S石/S仓面=0.25，即仓面石块出露面积需占仓面总面积的25%。

在实际施工过程中，仓面石块出露面积越多，坝面越不平，自卸汽车水平运输堆石料越困难。本工程选取仓面石块出露最佳面积率r=30%，即要求单位仓面面积嵌固石块出露面积为0.30m2；同时为便于仓面石料水平运输，在靠近坝体下游预留相对平整的仓面作为堆石料运输通道，本工程仓面嵌固石块出露情况如图4所示。

3.4 温控防裂控制

采用堆石混凝土筑坝时，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，水化热温升小。根据已建工程施工经验，堆石混凝土筑坝无需埋设冷却水管通水降温，仅做好混凝土仓面撒水养护即可；对于坝体上游高自密实性能混凝土防渗层，可设置防渗层分缝，配置防渗层温度防裂钢筋，做混凝土表面

图4 实际施工仓面石块嵌固出露情况图

养护；堆石混凝土筑坝温控防裂措施较为简单。

余庆小乌江水库工程堆石混凝土重力坝在实际施工中，上游防渗层按照12～15m分缝，并在上游面层设置温度防裂钢筋网；防渗层采用C15W6F50高自密实性能混凝土浇筑，其配合比见表3，单方混凝土水泥用量为159kg，采用大量粉煤灰替代水泥，粉煤灰参合占比66%以上，单方混凝土粉煤灰参合料为312kg。根据现场实施效果，截止大坝封顶，在大坝上游防渗层均未发现裂缝、开裂现象。防渗层下游坝体部分采用C15堆石混凝土筑坝，坝体按20～40m设置横缝，施工时按2.0m分层进行浇筑，并在坝体内部分高层埋设温度计监测堆石混凝土温升情况。根据实施效果，坝体实际堆石率为58%左右，高自密实性能混凝土充填效果良好；根据温度计监测结果，统计堆石混凝土绝热温升为8～15℃，内部最高温度为36℃；截止大坝堆石混凝土浇筑完成，均未发现坝体裂缝等质量缺陷现象。

表3 C15W6F50高自密实性能混凝土配合比

4 结语

堆石混凝土具有施工工艺简单、机械效率高、温控防裂效果好等优点，但作为新型混凝土筑坝材料，还需进一步研究堆石混凝土筑坝设计及施工过程中的各种不利因素：在设计阶段如何选取合理的堆石混凝土层间结合面抗剪强度指标；如何提高堆石混凝土层间结合面粘结强度，怎样提高坝体上游防渗层抗渗性能，减小水库蓄水大坝层间结合薄弱面渗漏风险；堆石混凝土坝浇筑质量如何评定，需要有统一的评定标准；在仓面堆石料入仓过程中如何有效减少仓面石渣、粉尘的产生等等。针对上述问题，需结合工程实际提出切实可行的工程措施，以指导现场实际施工。