堆石混凝土筑坝防渗设计与应用研究

张文毅，陈才明，张 镯，王志强

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550001；2.余庆县水务局，贵州 遵义 564400)

堆石混凝土作为一种新型筑坝材料，自身具有良好的抗渗性能，其渗透系数可达到10-11m/s，但在已建成或在建的堆石混凝土坝中，很少采用堆石混凝土作为自身防渗结构。在SL678—2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》中，仅规定坝高小于30m的堆石混凝土坝可采用坝体自身防渗。分析原因，主要是在堆石混凝土筑坝施工过程中，受施工块石入仓石渣、粉尘以及块石与仓面接触脱空影响，在仓面会形成薄弱结合面，在长期库水压力下，渗水沿薄弱结合面逐步向下游扩展形成大坝渗透通道，会导致坝体下游面出现渗水现象，严重时会影响大坝运行安全，为此，在进行堆石混凝土筑坝设计时，需对防渗结构进行重点设计和研究。

1 防渗设计基本要求

根据在建和已建成堆石混凝土坝设计和施工经验，并结合堆石混凝土施工工艺分析，堆石混凝土筑坝施工质量总体可控，堆石混凝土筑坝设计参数通常参照SL25—2006《砌石坝设计规范》和SL314—2018《碾压混凝土坝设计规范》执行，坝体材料分区设计通常采用“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。因此，采用堆石混凝土筑坝设计时可参照传统碾压混凝土坝和砌石坝在坝体上游面浇筑混凝土防渗层进行防渗。

当采用自密实混凝土浇筑防渗层时，其厚度可参照SL678—2014中规定取值，防渗层厚度取0.3～1.0m；当采用常态混凝土浇筑防渗层时，其厚度可参照SL25—2006中规定取值，混凝土防渗面板底部厚度为最大水头的1/30～1/60，顶部厚度不应小于0.3m。防渗层混凝土抗渗等级应根据混凝土所在部位水头或水力梯度进行选择， SL25—2006和SL314—2018中要求防渗层混凝土抗渗等级根据承受水头确定：H<30m时，抗渗等级取W4；30m≤H≤70m时，抗渗等级取W6；70m≤H≤150m时，抗渗等级取W8；SL319—2018《混凝土重力坝设计规范》中要求防渗层混凝土抗渗等级根据其所在部位的水力梯度确定：i<10时，抗渗等级取W4；10≤i≤30时，抗渗等级取W6；30≤i≤50时，抗渗等级取W8；i≥50时，抗渗等级取W10。SL191—2008《水工混凝土结构设计规范》中要求大体积混凝土结构挡水面混凝土抗渗等级根据承受水头确定，参数取值与SL314—2018一致；同时规定素混凝土及钢筋混凝土结构的背水面混凝土抗渗等级按水力梯度确定，参数取值与SL319—2018一致。防渗层混凝土强度等级在上述规范中并未做详细要求，但在SL319—2018中要求坝体迎水面混凝土强度等级应根据抗渗、抗裂、抗冻要求和施工条件确定。在GB/T50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》中明确要求处于一般环境中的素混凝土结构，其强度等级不应低于C15。

2 防渗方式研究

2.1 常态混凝土浇筑防渗层

根据堆石混凝土施工特点，堆石混凝土由自密实性能混凝土充填块石孔隙构成，当采用常态混凝土浇筑防渗层时，同一仓面会涉及块石摆放、自密实混凝土灌入和常态混凝土浇筑三个施工要素，各要素施工先后顺序直接影响大坝防渗设计思路、工程造价和坝体抗渗性能。

(1)优先浇筑常态混凝土防渗面板

如图1所示，在进行仓面堆石混凝土施工时，优先浇筑常态混凝土防渗面板1～2个升层，即高度上升2～4m。混凝土达到一定强度后拆除模板，混凝土接触面按施工缝面进行凿毛处理，同时为确保施工缝面混凝土结合整体性，在防渗面板下游面梅花形布置插筋，插筋外露0.5～1.0m。待上述工序施工完成后，再进行堆石混凝土施工，防渗面板可作为堆石混凝土施工模板。该施工工艺可对防渗面板混凝土强度、抗渗抗冻指标及面板厚度调整灵活，特别适合对防渗要求较高的堆石混凝土坝。防渗面板插筋布置使得堆石摆放与防渗面板之间存在0.5～1.0m空隙，增加了自密实混凝土工程量，导致工程投资有所增加，但由于自密实混凝土本身具有良好的抗渗性能，提高了大坝整体抗渗性能。

图1 优先浇筑常态混凝土防渗面板示意图

(2)优先进行堆石混凝土施工

仓面预留防渗面板位置优先进行堆石混凝土施工，堆石混凝土先浇筑1～2个升层或一次性浇筑至坝顶。混凝土接触面按施工缝面进行凿毛处理，同时为增加施工缝面混凝土结合整体性，在浇筑的堆石混凝土坝面梅花形布置插筋，插筋外露0.5m～1.0m。待上述工序施工完成后，再进行大坝上游防渗面板施工。同样，该施工工艺可对防渗面板混凝土强度、抗渗抗冻指标及面板厚度调整灵活，特别适合对防渗要求较高的堆石混凝土坝。与前述常态混凝土防渗面板优先施工比较，该施工工艺上游防渗面板紧靠下游堆石混凝土坝面，防渗面板为大坝主要抗渗结构，但自密实混凝土用量相对较少，减小了工程投资。若采用堆石混凝土浇筑至坝顶后再统一进行上游防渗面板施工，可避免常态混凝土与堆石混凝土施工相互干扰影响，有利于提高大坝施工效率。

(3)常态混凝土防渗面板与堆石混凝土同时施工

仓面块石摆放时预留上游防渗面板位置，上游常态混凝土防渗面板与坝体堆石混凝土同时施工，同样该施工工艺可对防渗面板混凝土强度、抗渗抗冻指标及面板厚度调整灵活，特别适合对防渗要求较高的堆石混凝土坝。与前述两种施工工艺相比较，该施工工艺减少了混凝土浇筑支模、混凝土接触面处理工序，节省了插筋工程量。但是，由于需要满足常态混凝土与自密实混凝土同时施工，同时上升，仓面需采用两套混凝土浇筑设备，增加了施工设备投入，同时存在施工干扰。若采用一套混凝土浇筑设备，先浇筑常态混凝土再浇筑自密实混凝土，难免会造成人为施工冷缝，从而形成接触薄弱面，对坝体整体性和施工质量不利，实际施工时一般很少采用先浇筑常态混凝土再浇筑自密实混凝土的施工方法。

2.2 自密实混凝土浇筑防渗层

堆石混凝土由自密实混凝土充填堆石孔隙形成，作为堆石混凝土的重要组成部分，自密实混凝土的生产拌合尤为重要。自密实混凝土本身具有良好的抗渗性能，与常态混凝土相比，在混凝土配合比、骨料级配和外加剂选用方面均不相同，因此，为减少实际施工中混凝土生产设备投入，避免不同混凝土施工干扰影响，通常在进行堆石混凝土筑坝设计时，一般考虑在大坝上游面预留防渗区域浇筑自密实混凝土防渗。

(1)防渗混凝土与充填堆石自密实混凝土不一致

自密实混凝土作为坝体防渗结构浇筑时，考虑迎水面防渗混凝土结构抗渗性、耐久性和抗冻性要求，通常防渗混凝土较坝体内部充填自密实混凝土要求高。为减少工程投资，通常在进行堆石混凝土筑坝设计时，坝体防渗层自密实混凝土与充填堆石自密实混凝土不一致。根据堆石混凝土坝施工工艺，同一仓面将涉及两种不同类型的自密实混凝土施工，此时，为保证坝体混凝土施工质量，首先浇筑要求较高的防渗层自密实混凝土，再进行下游堆石充填自密实混凝土施工。

(2)防渗混凝土与充填堆石自密实混凝土一致

为简化施工工序，便于现场施工，通常在进行堆石混凝土筑坝设计时，防渗层自密实混凝土采用与坝体充填堆石自密实混凝土一致设计。此时，自密实混凝土防渗层与坝体混凝土构成一体，增强了坝体整体抗渗性能，同时避免了不同类型自密实混凝土施工干扰。根据目前已建或在建堆石混凝土坝，采用该种方法进行堆石混凝土坝防渗设计和施工较为普遍。

2.3 堆石混凝土筑坝防渗方式选择

堆石混凝土筑坝防渗方式选择应综合经济、技术、施工工艺、现场管理等多方面进行比较选择。当防渗层采用常态混凝土浇筑时，应充分考虑防渗层面板支模、施工缝面凿毛处理、插筋打设等增加的工程投资。当防渗层采用自密实混凝土浇筑时，应充分考虑自密实混凝土单价高、自密实混凝土防渗层温控防裂要求高、混凝土养护时间较长等不利因素。根据已建或在建堆石混凝土坝，目前采用自密实混凝土浇筑为坝体防渗结构的方式较为普遍。

3 堆石混凝土筑坝防渗设计实例

3.1 坝体防渗设计

现以余庆小乌江水库工程为例，工程挡水大坝为堆石混凝土重力坝，坝体防渗体系由大坝上游面C15W6F50自密实混凝土防渗层、基础C20W6F50常态混凝土垫层和坝基防渗帷幕构成封闭系统。如图2所示。

考虑到自密实混凝土浇筑坝体防渗层温控防裂要求高，在满足相关规范要求和便于施工的前提下，防渗层尽量采用薄层结构，本工程坝体防渗层厚度取0.5m，防渗层结构分缝间距控制12～15m，防渗层自密实混凝土与坝体充填堆石自密实混凝土一致，并设置温度钢筋。仓面堆石混凝土施工时，在仓面上游预留0.5m厚度空间不摆放石块，待仓面块石摆放完成后，首先进行防渗层C15W6F50自密实混凝土浇筑，防渗层混凝土浇筑完成后紧接着进行下游坝体块石充填C15W6F50自密实混凝土施工，最终防渗层与坝体混凝土结合为一体，本工程C15W6F50自密实混凝土配合比见表1。

图2 小乌江水库工程大坝防渗设计图(单位：m)

表1 C15W6F50自密实混凝土配合比 单位：kg

3.2 坝体防渗结构改进设计

根据已建或在建堆石混凝土筑坝施工经验，堆石混凝土坝通常按2m分层浇筑施工，因此，在坝体上游防渗层浇筑上升过程中会存在层间结合薄弱面，层间结合面的处理直接关系坝体整体防渗效果。而在实际施工过程中，由于上游防渗层预留空间狭窄，同时受降雨、仓面石块摆放时石渣、粉尘、泥块掉落等影响，防渗层仓面需要反复排水、清除石渣、粉尘等杂物，耗时耗力且难以清理干净。通过对多座已建堆石混凝土坝进行现场调研，大坝上游防渗层层间结合面渗水、缝面夹杂石渣、缝面混凝土蜂窝麻面、填充不饱满、坝体下游结合面渗水等质量缺陷问题较为普遍。

为减小不利影响，避免出现防渗层层间结合面渗水等问题，使防渗层充分发挥应有的防渗功能，到达抗渗效果。本工程结合现场施工条件，对防渗结构进行了改进设计，该改进结构是通过在大坝上游面防渗层层间结合面植入镀锌铁皮，镀锌铁皮宽0.3m，厚1.0mm，镀锌铁皮在防渗层自密实混凝土浇筑完成后及时沿防渗层中间部位顺直植入，植入深度0.15m，外露0.15m，镀锌铁皮两端与坝体防渗层结构分缝铜止水相互搭接，使坝体上游防渗层层间结合面通过镀锌铁皮与分缝铜止水形成封闭止水系统。镀锌铁皮造价低廉，市场购买方便，植入施工简单，可操作性强，现场植入时可采取混凝土边浇筑边植入的方式进行，镀锌铁皮现场植入效果如图3所示，镀锌铁皮的植入有效增强了大坝整体抗渗性能。

图3 大坝防渗区镀锌铁皮植入施工效果图

3.3 防渗检测效果

根据两岸岸坡在坝顶进行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、开裂等现象，在坝体下游堆石混凝土层间结合面局部区域出现冒浆、泌水现象，表明堆石混凝土坝体层间结合面局部部位存在薄弱渗漏通道，而上游防渗层层间结合面因植入镀锌铁皮具有良好的抗渗性能。

挡水大坝施工完成后，在坝顶布置了1#、2#、6#、7#和8#钻孔对大坝混凝土透水率进行检测，其中1#和2#孔检测坝体上游防渗层自密实混凝土透水率，6#、7#和8#孔检测坝体堆石混凝土透水率，检测孔布置位置如图4所示。通过现场压水试验，坝体上游防渗层自密实混凝土透水率最大值为0.1Lu，坝体堆石混凝土透水率最大值为1.24Lu，且大坝上游防渗层层间结合面未见渗水、开裂等现象，防渗层抗渗效果良好。现场压水检测成果如图5所示。

4 结语

堆石混凝土坝通常采用自密实混凝土或常态混凝土浇筑坝体防渗层结构防渗，两种混凝土防渗层结构施工程序和施工工艺有所差异，各有优缺点。余庆县小乌江水库工程在堆石混凝土坝上游采用自密实混凝土浇筑防渗层结构防渗，并在自密实混凝土防渗层层间结合面植入镀锌铁皮止水，取得了很好的防渗效果。堆石混凝土坝防渗结构的改进设计和实施，为堆石混凝土筑坝防渗设计和施工提供了经验借鉴和解决思路，具有推广和应用价值，供读者借鉴。

图4 大坝混凝土质量检测孔布置图(单位：m)

图5 大坝现场压水试验沿孔深透水率成果图(单位：Lu)