东庄水利枢纽围堰选型研究

王民侠

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

东庄水库是陕西省内在建库容最大、坝高最高的水库，坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高230 m，电站装机11 万kW，施工总工期95 个月，估算总投资154.34 亿元。为给拱坝施工创造条件，布置上游围堰配合右岸导流洞拦导洪水，围堰施工处于关键线路，经综合比选后采用了胶结石渣料围堰型式。2022 年2 月15 日～5 月3 日完成堰体填筑，用时2.5 个月，比计划工期提前1 个月，平均月上升22 m，仅次于国内已建大华侨水电站胶结人工砂石围堰28 m/月的上升高度，位列国内第二，节省工期28%。经施工验证围堰堰型的选择和设计是合适的，为东庄拱坝提前施工奠定了良好基础。

1 项目概况

东庄水利枢纽[1]上游围堰为施工期挡水建筑物，根据保护对象、失事后果、使用年限和临时建筑物规模确定其级别。水库总库容32.76 亿m，为Ⅰ等大(1)型工程，上游围堰保护的拱坝为1 级建筑物;工程下游为峡谷河道，人烟稀少，无城镇和工矿企业，围堰失事后淹没基坑，对总工期及第一台机组发电造成较大经济损失;围堰使用年限为2.5 年;围堰高度大于50 m;围堰总库容2582 万m3，介于0.1 亿m3～1 亿m3之间。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》[1](SL 252-2017)第4.8.1 条规定，按高度围堰应为3 级建筑物，按其余指标均为4 级建筑物。第4.8.2 条规定，“列为3 级临时性水工建筑物时，符合该级别规定的指标不得少于两项。”综合考虑4.8.1 条和4.8.2 条，围堰级别确定为4 级。防洪标准为10 年一遇洪水，洪峰流量为5300 m3/s。

2 堰体选型

堰址距拱坝开挖边线距离较近，不具备布置均质土围堰和面板堆石围堰条件，经前期方案比选，碾压混凝土围堰造价较高本次不列入比较。该工程开挖灰岩石渣较多，骨料可就地取材，依据《胶结颗粒料筑坝技术导则》[3](SL 678-2014)，为体现“宜材适构、宜构适材”的设计理念，减少骨料加工和运输费用，同时为推广筑坝新技术的应用，围堰填筑材料在胶结颗粒料中的胶结石渣料和堆石混凝土之间进行选择。两种新材料均具有低碳环保、低水化热(温控简单)、工艺简便、造价低廉、施工快速的优点，胶结石渣料筑坝技术在陕西省内尚无工程应用实例，堆石混凝土坝陕西省目前应用于安康佰佳水电站、太白石沟水库、镇安抽水蓄能电站、东庄二道坝等四座水库。

2.1 胶结颗粒料

胶结颗粒料是一种介于散粒土石料和混凝土之间的新型材料，利用胶凝材料将颗粒胶结形成具有一定强度的材料，一般包括胶凝砂砾石(因本工程砂砾石缺乏，采用胶结石渣)、堆石混凝土等。

2.2 胶结石渣料

胶结石渣料是采用少量胶凝材料胶结石渣，骨料粒径一般不大于150 mm。本工程弃渣一次破碎后全级配直接利用，经掺砂拌和、摊铺、振动碾压形成具有一定强度的材料，抗压强度等级一般按180 d 龄期C4～C10 选用，材料性能能充分发挥，可避免超强造成浪费，具有安全、经济和环保的目的。主要以自重维持稳定，将防渗、防冻和保护等部分与主体分开，主体承压为主，但抗拉强度较低应避免结构受拉。

2.3 堆石混凝土

利用高自密实混凝土自重填注堆石空隙，无需振捣即可形成完整、密实、具有设计强度的大体积混凝土。堆石体积比一般为40%～50%，最高可达55%～60%，抗压强度等级90 d龄期为C10～C35。堆石料利用300 mm 以上的块石料，堆石厚度可控制在1.5 m ～2 m 左右。

3 围堰断面设计

3.1 胶结石渣料围堰

堰顶高程639.2 m，堰顶宽7.0 m，由于基础受力较为均衡，对基础强度要求较低，最大堰高55.2 m，最大底宽62.2 m，堰顶639.2 m～634.2 m 之间采用矩形断面，以下上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶0.6。本工程围堰完建期有迎汛可能，抗压强度等级按28 d 龄期考虑，使用期2.5 年，可不考虑防冻要求。堰体材料共分为三区:上游防渗层及堰基为Ⅰ区，采用C2810 W6 富浆胶结料;堰体内部为Ⅱ区，采用C284 W2 胶结料;堰顶及下游防护层、堰基为Ⅲ区，采用C2810 W2 富浆胶结料。在防渗层及保护层每15 m～20 m 设一道伸缩缝，堰体内部不设缝，胶结石渣料总方量6.7 万m3。堰体设计断面见图1，堰基抗滑稳定及应力计算[4]成果见表1。材料分区见表3。

图1 胶结石渣料堰体断面

表1 胶结石渣料堰基抗滑稳定及应力计算成果表

3.2 堆石混凝土围堰

堰顶高程639.2 m，堰顶宽7.0 m，由于基础受力不均衡，对基础强度要求较高，最大堰高56.2 m，最大底宽48.0 m，上游面直立，下游堰顶639.2 m～634.2 m 之间直立，以下坡比1∶0.8。堰体共分为四区:上游防渗层为Ⅰ区，采用C2815W6自密实混凝土;堰体内部为Ⅱ区，采用C2815W6 堆石混凝土;顶部为Ⅲ区，采用C20W4 常态混凝土;堰基为Ⅳ区，采用C20W6 常态混凝土。堰体每15 m～20 m 设一道伸缩缝，表面配置温度钢筋，堰体总方量约5.4 万m3。堰体设计断面见图2，堰基抗滑稳定及应力计算成果见表2，材料分区见表3。

表2 堆石混凝土堰基抗滑稳定及应力计算成果表

表3 胶结石渣及堆石混凝土围堰材料分区表

图2 堆石混凝土堰体断面

4 施工条件分析

4.1 原材料

就近取用开挖灰岩石渣，胶结石渣料围堰将渣料破碎为150 mm 以下作为骨料，砂率25%;堆石混凝土筛除300 mm以下渣料作为骨料，骨料最大粒径按小于结构最小边长1/4控制。

4.2 配合比

胶结石渣料需绘制骨料级配包络线，从而得出最粗级配、最细级配及平均级配，为带级配，平均级配强度最小值需满足配制强度要求，最细级配最小值不低于设计强度。胶凝材料用量不低于80 kg/m3，其中水泥用量不低于32 kg/m3。拌和物出机口工作度VC值在 2 s～25 s。水科院试验室推荐配合比[5]见表4。

堆石混凝土所用高自密实性能混凝土配合比为单一级配，坍落度260 mm～280 mm，坍落扩展度650 mm～750 mm，V型漏斗通过时间7 s～25 s，自密实性能稳定性≥1 h。参考云南彝良县松林水库工程(坝高90 m，堆石岩性为灰岩)，胶凝材料用量170 kg，C15 堆石混凝土配合比见表5。

从表4、表5 可以看出，胶结石渣料胶凝材料用量约为堆石混凝土的47%，故堰体内部材料水化热更低，无需设置横缝，材料单价较堆石混凝土低35%左右。

表4 C4 W2 胶结石渣料配合比

表5 C15 W6 堆石混凝土配合比

4.3 施工拌和

胶结石渣采用大产量、高效率的连续式拌和设备，拌和能力可达200 m3/h;堆石混凝土中自密实混凝土采用常规拌和设备，堆石料须对施工工艺进行控制，以避免大骨料集中。

4.4 堰体填筑

胶结石渣料采用分层摊铺连续碾压而成，最大厚度不超过 700 mm;堆石混凝土无需碾压，利用自密实混凝土自重填充堆石空隙，层高1.5 m～2 m，每层完成后需有层间间歇等强时间。

4.5 施工工期

胶结石渣料围堰参考大华侨围堰28 m/月的上升速度，设计时按16 m/月安排工期，计划工期3.5 月，实际工期2.5 个月，平均月升22 m，月填筑2.7 万m3。

堆石混凝土参考乌东德水电站围堰(国内目前最快)每月11.2 m 的上升速度，计算工期为5 个月。

5 围堰选型分析

对胶结石渣料和堆石混凝土两种围堰型式进行对比分析，见表6。

表6 围堰型式比较表

续表6

从围堰设计断面来看，胶结石渣料断面面积略大，但堰基要求低，堰高较小，基础及边坡开挖量少，受力较均匀;从温控及分缝来看，胶结石渣料胶凝材料用量少53%，温控更简单;从原材料及配合比来看，用作围堰的胶结石渣料可将骨料最大粒径放宽至300 mm 以下，超径料经破碎后可作为骨料应用，能最大限度减少弃渣，对骨料级配要求较低;从材料强度来看，胶结石渣料强度能得到充分发挥，避免超强造成浪费;从拌和设备上看，胶结石渣料需专用拌和设备连续拌和，生产能力可达200 m3/h，但需购置150 余万元专用拌和设备。为简化生产工艺，围堰工程也常采用挖掘机进行现场拌和后入仓，由于本工程施工场地狭窄布置困难，同时考虑到施工工期紧、围堰高度超过50 m，对工程质量要求较高，采用了专用拌和设备;从浇筑施工来看，胶结石渣料可连续碾压施工，不设层间缝，堆石混凝土无需碾压，但需设置层间缝;从工期看，胶结石渣料填筑期计划3.5 个月，实际2.5 个月，比堆石混凝土节约工期50%;从堰体工程量看，堆石混凝土可减少19%工程量;从工程直接费看，两种材料均具有投资较省的优势，胶结石渣料因胶凝材料用量少，投资少255 万元，可节省13%投资;从运用前景来看，随着智慧水利、3 D 大坝打印技术的进一步发展，胶结石渣料具有更好的发展前景。

综上所述，胶结石渣料围堰具有工期更短、投资更省、胶凝材料用量更少、温控更简单，不配置钢筋、施工简便等优势，故推荐采用胶结石渣料填筑围堰，胶结石渣料围堰平面布置见图3。

图3 胶结石渣料围堰平面布置图

6 结语

根据国内围堰工程施工情况，胶结石渣最大粒径可放宽至300 mm 以下，可采用挖掘机简单拌和后直接入仓碾压，往往不采用专门拌和设备。本工程由于施工场地狭窄布置困难，工期紧、堰高超过50 m，对质量控制严格，采用了专用连续拌和设备，该设备要求采用150 mm 以下骨料。

胶结石渣料填筑围堰，可充分利用工程开挖弃渣，国内目前已有软岩作为骨料的先例，对砂率、含泥量等指标根据现场实际情况可适当放宽，尽可能减少骨料制备环节，具有就近取料、减少弃渣、施工快速、投资节省、环境友好等优势，从东庄围堰使用情况看，胶凝材料选用80 kg 时，28 d 龄期C4W2 胶结料强度可达到7 MPa 左右，180 d 龄期还有较大地增长空间，尚有进一步研究减少砂率和胶凝材料用量的可能性。

基于智慧水利的技术发展，可采用中央人工智能系统进行控制，各施工车辆采用无人驾驶技术，使用3 D 打印大坝技术后，胶结石渣料(砂砾石)筑坝技术将具有更好的应用前景。