混凝土面板堆石坝在低温环境下施工要点分析

王继尧

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

混凝土面板堆石坝作为一种历史悠久坝型，具有施工简单、综合成本和技术要求低、安全稳定性高等特点， 因此在拦河水坝建设中占据60%以上的比例。 但很多严寒地区建成投入使用的混凝土面板堆石坝却存在裂缝发育较多、坝体渗漏严重等问题，因此如何消除低温对该坝型的施工质量影响， 成为设计中的重要问题之一。

1 工程概况

本文所研究水库工程位于新疆阿勒泰市境内乌拉斯河支流之上，设计控制流域面积120km2，水库总库容约1421万m3。 该水库主要由拦河大坝、泄洪洞、溢流道等组成，工程等级Ⅲ等，主要建筑物3级，临时建筑物4级。 本工程主要任务是拦蓄春洪，解决附近1.87万hm2耕地灌溉问题， 将河道防洪能力提高到30年一遇。 水库大坝设计为混凝土面板堆石坝， 坝高32m，长度128m。 但该水库处于高寒地区，且工期紧张，因此须面对在较低温度下施工问题。

2 特殊要求

2.1 对堆石材料要求高

低温环境下对坝体主体的填筑材料要求较高，本项目大坝为堆石坝， 首先要求必须采用质地坚硬岩石；其次，考虑到高寒地区因温度变化范围大而导致短时期内冻融交替频繁， 造成外露岩石内部存在冰冻块体， 因此要求尽可能利用现场爆破开采的岩石，可降低堆石料风化速度，提高堆石坝体质量［1］。

2.2 对混凝土和止水材料要求很高

阿勒泰地区进入深秋后温度低至-20 ℃情况也普遍存在， 因此该项目坝体对混凝土及治水材料的抗冻性较一般地区要高出很多。 在此结合其他工程经验，要求混凝土的抗冻指标为F300。

根据阿勒泰地区冻土冻胀机理多年观测数据，其最大冰拔力可达0.23MPa，换算后可得平均1m的止水结构所承受冰拔力约125kN。因此本项目要求止水材料应达到-40 ℃不脆裂， 且延伸率不低于300%，在此选用SR-3型止水剂［2］。

2.3 适当增加钢筋使用量

混凝土面板搭配钢筋可有效限制裂缝问题，在高寒地区可适当增加钢筋铺设密度。 由于库区水位不断变换会使混凝土易受冻胀破坏， 因此本项目设计在正常蓄水位至死水位范围增设钢筋（φ12mm），间距缩小至15cm。

3 施工要点

3.1 混凝土面板堆石坝结构分区分析

本项目拦河坝断面呈梯形， 坝顶设计8.0m宽道路，防浪墙高1.0m，上、下游坝坡均设计1∶1.5。 考虑到工程造价、载荷分布、各部位工作条件等问题，一般将堆石坝结构分区，具体原则如下：各区填料要满足水力过渡要求，从上游至下游，坝料渗透系数逐渐增加；为降低坝体变形量，从上游至下游，坝料变形模量逐渐较小，预防止水结构破坏；充分就地取材，降低工程成本。 本项目坝体分区示意如图1［3］。

Ⅰ区：位于上游底板处，为防渗补强区，采用水下抛填形式，可随水流进入坝基裂缝处，起到淤堵裂缝作用，提高防渗性。

Ⅱ区：位于混凝土面板下侧，为垫层区，同面板一同构成防渗体，而且可将水压力传递给堆石。高寒地区堆石坝对垫层料要求很高，尤其是料石级配。

Ⅲ区：该区为大坝主体，为堆石区，要求级配良好、低压缩性，其中ⅢA为过渡区，ⅢB为主堆石区，均采用凝灰角砾岩；ⅢC为次堆石区，采用凝灰岩；ⅢD砌石护坡，采用一般干净大石块即可［4］。

3.2 低温环境坝体堆石料填筑施工要点

3.2.1 石料选材

堆石料是承受水体载荷的主体， 要求具有低压缩性、 较强的抗压抗剪强度， 通过总结大量工程经验，最理想的堆石料为花岗岩、石英岩、石灰岩等，在若碾压施工足够达标，诸如粉砂岩、页岩等较软弱岩石也可以用于坝体填筑。

本项目堆石料来自溢洪道开挖及石料厂开采，主要为混合花岗岩，物理力学性质如表1。 本项目要求全风化覆盖层石料全部废弃， 强风化带石料作为副坝填筑料［5］。

表1 坝体堆石料物理力学性质

3.2.2 堆石料填筑施工

在施工环境较低情况下， 堆石料的铺设碾压作业必须在完全干燥情况下进行， 这就大大增加了施工难度。在满足工程要求的前提下，为了尽量降低施工成本，在此共设计9种施工方案，现场正交试验如表2。

表2 堆石料填筑施工正交试验

通过试验可得：①铺料0.6m，碾压10遍，填筑干容重为22.2～23.1kN/m3， 可达到ⅢB主堆石区标准；②铺料0.8m，碾压8遍，填筑干容重为19.9～22.1kN/m3，可达到ⅢC次堆石区标准；③ⅢA过渡区对容重要求最高，铺料0.6m，碾压12遍都无法达标，最终设计铺料0.4m，碾压10遍。

3.3 低温环境垫层铺筑施工要点

3.3.1 垫层料级配要求

垫层是整个堆石坝技术含量最高的结构之一，理论上其细料含量越高、渗透系数越小越好，但在高寒地区，这些都易造成混凝土面板的冻胀破坏［6］。 经过很多学者总结， 目前垫料级配建议值如表3所示，本项目在此基础上结合现场试验进行调节， 总结出以下经验：

（1）垫层整体结构考虑，垫层料最大粒径不得大于75mm，并减少5mm以下粒径含量。

（2） 石料中含泥量对垫层的渗透系数有着很大影响，本项目垫层料含泥量适宜范围6%～8%，控制渗透系数为10-4cm/s。

表3 垫层料级配建议值

3.3.2 垫层料配比优化设计

在低温环境下，垫层铺筑也不能洒水，本项目现场试验证明：若沿用正常温度施工设计，仅通过降低每层厚来达到要求容重值方法行不通。 本项目技术人员通过往垫料里掺合水洗砂、石粉来改善垫料级配。

本项目所用水洗砂含水量为1.7%～2.1%， 且含泥量很小，在低温环境下不易冻块，经过多次试验对比，本项目最终确定垫料配比：初碎石∶水洗砂∶石粉=5∶1∶1［7］。 通过试验，确定该配比下垫料经碾压干容重达21.9kN/m3，达到了标准要求。 具体铺筑施工要求如下：

（1）垫层料从制备到摊铺全部在白天进行，其中摊铺碾压施工时间控制在13∶00 ～16∶00范围，每层铺设厚度0.3m，碾压遍数10遍。

（2）对垫层料施工质量抽检比例不低于10%，且逐层检查。 经统计总体抽检合格率达92%，不合格区域要全部清除后再补充。

3.4 施工要点

3.4.1 混凝土材料要求

（1）由于本项目所处环境关系，对水泥性能在低温时有较高要求， 本项目对天山水泥公司出产的32.5级和42.5级抗硫酸盐水泥、32.5级低碱水泥进行了对比，确定42.5级抗硫酸盐水泥最好。

（2）本项目对木钙、SK型引气剂、三醇胺等3种外加减水剂对混凝土性能影响进行了试验对比， 为保证试验准确度， 各类外加剂每个对比参数试块均设计5个，试块尺寸：150 mm×150 mm×150mm，取有效数值的平均数作为最终值。 具体对比参数及数据结果如表4。

表4 不同外加剂对混凝土性能影响对比

由表4可知：①从掺量考虑，SK型引气剂最大，三醇胺最小，但三醇胺价格高，经济性差；②从减水率效果分析，三醇胺＞SK型引气剂＞木钙，且木钙对提高混凝土抗压强度效果不明显，因此排除木钙；③SK型引气剂下混凝土坍落度和含气量均处于较好水平， 综合比较本项目选取SK型引气剂作为外加减水剂。

3.4.2 混凝土配比及施工要点

（1）本项目混凝土配比也是通过试验确定，最终推荐配比为：水灰比0.338、砂率40%、坍落度5cm、SK型外加剂0.32%。经测试其抗冻性可达快冻300次，大于抗冻指标F300。

（2）本项目混凝土面板采用滑模施工，低温施工时需采取必要的保温措施。 本项目采用“苯板+钢筋压重”方案，具体如下：在浇筑混凝土板时预埋钢筋钩（φ10），间排距为2m×8m，埋深5cm，外露8cm；苯板铺设完成后再将φ22钢筋压在苯板上， 并用14#铁丝捆扎牢固，使苯板紧贴混凝土面。

4 结语

混凝土面板堆石坝设计和施工技术简单， 导致该坝型引入高寒地区后问题频出， 根本原因在于没有充分考虑低温环境这一影响因素。 低温环境对混凝土面板堆石坝的特殊， 本项目将坝体分成了3个区，对每个分区的设计要求进行了说明；通过对比确定了将SK型引气剂作为减水剂。 该水库工程投入使用两年以来，各项指标正常，没有出现裂缝、渗漏问题，取得了较好的经济社会效益，充分说明了本项目设计和施工的科学合理性。