堆石混凝土筑壩防滲設(shè)計與應(yīng)用研究

張文毅，陳才明，張 鐲，王志強(qiáng)

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550001；2.余慶縣水務(wù)局，貴州 遵義 564400)

堆石混凝土作為一種新型筑壩材料，自身具有良好的抗?jié)B性能，其滲透系數(shù)可達(dá)到10-11m/s，但在已建成或在建的堆石混凝土壩中，很少采用堆石混凝土作為自身防滲結(jié)構(gòu)。在SL678—2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》中，僅規(guī)定壩高小于30m的堆石混凝土壩可采用壩體自身防滲。分析原因，主要是在堆石混凝土筑壩施工過程中，受施工塊石入倉石渣、粉塵以及塊石與倉面接觸脫空影響，在倉面會形成薄弱結(jié)合面，在長期庫水壓力下，滲水沿薄弱結(jié)合面逐步向下游擴(kuò)展形成大壩滲透通道，會導(dǎo)致壩體下游面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，嚴(yán)重時會影響大壩運行安全，為此，在進(jìn)行堆石混凝土筑壩設(shè)計時，需對防滲結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點設(shè)計和研究。

1 防滲設(shè)計基本要求

根據(jù)在建和已建成堆石混凝土壩設(shè)計和施工經(jīng)驗，并結(jié)合堆石混凝土施工工藝分析，堆石混凝土筑壩施工質(zhì)量總體可控，堆石混凝土筑壩設(shè)計參數(shù)通常參照SL25—2006《砌石壩設(shè)計規(guī)范》和SL314—2018《碾壓混凝土壩設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行，壩體材料分區(qū)設(shè)計通常采用“金包銀”模式，即在大壩上、下游迎水面澆筑一定厚度防滲混凝土防滲，內(nèi)部采用低強(qiáng)度、大級配混凝土筑壩。因此，采用堆石混凝土筑壩設(shè)計時可參照傳統(tǒng)碾壓混凝土壩和砌石壩在壩體上游面澆筑混凝土防滲層進(jìn)行防滲。

當(dāng)采用自密實混凝土澆筑防滲層時，其厚度可參照SL678—2014中規(guī)定取值，防滲層厚度取0.3～1.0m；當(dāng)采用常態(tài)混凝土澆筑防滲層時，其厚度可參照SL25—2006中規(guī)定取值，混凝土防滲面板底部厚度為最大水頭的1/30～1/60，頂部厚度不應(yīng)小于0.3m。防滲層混凝土抗?jié)B等級應(yīng)根據(jù)混凝土所在部位水頭或水力梯度進(jìn)行選擇， SL25—2006和SL314—2018中要求防滲層混凝土抗?jié)B等級根據(jù)承受水頭確定：H<30m時，抗?jié)B等級取W4；30m≤H≤70m時，抗?jié)B等級取W6；70m≤H≤150m時，抗?jié)B等級取W8；SL319—2018《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》中要求防滲層混凝土抗?jié)B等級根據(jù)其所在部位的水力梯度確定：i<10時，抗?jié)B等級取W4；10≤i≤30時，抗?jié)B等級取W6；30≤i≤50時，抗?jié)B等級取W8；i≥50時，抗?jié)B等級取W10。SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中要求大體積混凝土結(jié)構(gòu)擋水面混凝土抗?jié)B等級根據(jù)承受水頭確定，參數(shù)取值與SL314—2018一致；同時規(guī)定素混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的背水面混凝土抗?jié)B等級按水力梯度確定，參數(shù)取值與SL319—2018一致。防滲層混凝土強(qiáng)度等級在上述規(guī)范中并未做詳細(xì)要求，但在SL319—2018中要求壩體迎水面混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)根據(jù)抗?jié)B、抗裂、抗凍要求和施工條件確定。在GB/T50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求處于一般環(huán)境中的素混凝土結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C15。

2 防滲方式研究

2.1 常態(tài)混凝土澆筑防滲層

根據(jù)堆石混凝土施工特點，堆石混凝土由自密實性能混凝土充填塊石孔隙構(gòu)成，當(dāng)采用常態(tài)混凝土澆筑防滲層時，同一倉面會涉及塊石擺放、自密實混凝土灌入和常態(tài)混凝土澆筑三個施工要素，各要素施工先后順序直接影響大壩防滲設(shè)計思路、工程造價和壩體抗?jié)B性能。

(1)優(yōu)先澆筑常態(tài)混凝土防滲面板

如圖1所示，在進(jìn)行倉面堆石混凝土施工時，優(yōu)先澆筑常態(tài)混凝土防滲面板1～2個升層，即高度上升2～4m?；炷吝_(dá)到一定強(qiáng)度后拆除模板，混凝土接觸面按施工縫面進(jìn)行鑿毛處理，同時為確保施工縫面混凝土結(jié)合整體性，在防滲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，再進(jìn)行堆石混凝土施工，防滲面板可作為堆石混凝土施工模板。該施工工藝可對防滲面板混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B抗凍指標(biāo)及面板厚度調(diào)整靈活，特別適合對防滲要求較高的堆石混凝土壩。防滲面板插筋布置使得堆石擺放與防滲面板之間存在0.5～1.0m空隙，增加了自密實混凝土工程量，導(dǎo)致工程投資有所增加，但由于自密實混凝土本身具有良好的抗?jié)B性能，提高了大壩整體抗?jié)B性能。

圖1 優(yōu)先澆筑常態(tài)混凝土防滲面板示意圖

(2)優(yōu)先進(jìn)行堆石混凝土施工

倉面預(yù)留防滲面板位置優(yōu)先進(jìn)行堆石混凝土施工，堆石混凝土先澆筑1～2個升層或一次性澆筑至壩頂?；炷两佑|面按施工縫面進(jìn)行鑿毛處理，同時為增加施工縫面混凝土結(jié)合整體性，在澆筑的堆石混凝土壩面梅花形布置插筋，插筋外露0.5m～1.0m。待上述工序施工完成后，再進(jìn)行大壩上游防滲面板施工。同樣，該施工工藝可對防滲面板混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B抗凍指標(biāo)及面板厚度調(diào)整靈活，特別適合對防滲要求較高的堆石混凝土壩。與前述常態(tài)混凝土防滲面板優(yōu)先施工比較，該施工工藝上游防滲面板緊靠下游堆石混凝土壩面，防滲面板為大壩主要抗?jié)B結(jié)構(gòu)，但自密實混凝土用量相對較少，減小了工程投資。若采用堆石混凝土澆筑至壩頂后再統(tǒng)一進(jìn)行上游防滲面板施工，可避免常態(tài)混凝土與堆石混凝土施工相互干擾影響，有利于提高大壩施工效率。

(3)常態(tài)混凝土防滲面板與堆石混凝土同時施工

倉面塊石擺放時預(yù)留上游防滲面板位置，上游常態(tài)混凝土防滲面板與壩體堆石混凝土同時施工，同樣該施工工藝可對防滲面板混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B抗凍指標(biāo)及面板厚度調(diào)整靈活，特別適合對防滲要求較高的堆石混凝土壩。與前述兩種施工工藝相比較，該施工工藝減少了混凝土澆筑支模、混凝土接觸面處理工序，節(jié)省了插筋工程量。但是，由于需要滿足常態(tài)混凝土與自密實混凝土同時施工，同時上升，倉面需采用兩套混凝土澆筑設(shè)備，增加了施工設(shè)備投入，同時存在施工干擾。若采用一套混凝土澆筑設(shè)備，先澆筑常態(tài)混凝土再澆筑自密實混凝土，難免會造成人為施工冷縫，從而形成接觸薄弱面，對壩體整體性和施工質(zhì)量不利，實際施工時一般很少采用先澆筑常態(tài)混凝土再澆筑自密實混凝土的施工方法。

2.2 自密實混凝土澆筑防滲層

堆石混凝土由自密實混凝土充填堆石孔隙形成，作為堆石混凝土的重要組成部分，自密實混凝土的生產(chǎn)拌合尤為重要。自密實混凝土本身具有良好的抗?jié)B性能，與常態(tài)混凝土相比，在混凝土配合比、骨料級配和外加劑選用方面均不相同，因此，為減少實際施工中混凝土生產(chǎn)設(shè)備投入，避免不同混凝土施工干擾影響，通常在進(jìn)行堆石混凝土筑壩設(shè)計時，一般考慮在大壩上游面預(yù)留防滲區(qū)域澆筑自密實混凝土防滲。

(1)防滲混凝土與充填堆石自密實混凝土不一致

自密實混凝土作為壩體防滲結(jié)構(gòu)澆筑時，考慮迎水面防滲混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性、耐久性和抗凍性要求，通常防滲混凝土較壩體內(nèi)部充填自密實混凝土要求高。為減少工程投資，通常在進(jìn)行堆石混凝土筑壩設(shè)計時，壩體防滲層自密實混凝土與充填堆石自密實混凝土不一致。根據(jù)堆石混凝土壩施工工藝，同一倉面將涉及兩種不同類型的自密實混凝土施工，此時，為保證壩體混凝土施工質(zhì)量，首先澆筑要求較高的防滲層自密實混凝土，再進(jìn)行下游堆石充填自密實混凝土施工。

(2)防滲混凝土與充填堆石自密實混凝土一致

為簡化施工工序，便于現(xiàn)場施工，通常在進(jìn)行堆石混凝土筑壩設(shè)計時，防滲層自密實混凝土采用與壩體充填堆石自密實混凝土一致設(shè)計。此時，自密實混凝土防滲層與壩體混凝土構(gòu)成一體，增強(qiáng)了壩體整體抗?jié)B性能，同時避免了不同類型自密實混凝土施工干擾。根據(jù)目前已建或在建堆石混凝土壩，采用該種方法進(jìn)行堆石混凝土壩防滲設(shè)計和施工較為普遍。

2.3 堆石混凝土筑壩防滲方式選擇

堆石混凝土筑壩防滲方式選擇應(yīng)綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、施工工藝、現(xiàn)場管理等多方面進(jìn)行比較選擇。當(dāng)防滲層采用常態(tài)混凝土澆筑時，應(yīng)充分考慮防滲層面板支模、施工縫面鑿毛處理、插筋打設(shè)等增加的工程投資。當(dāng)防滲層采用自密實混凝土澆筑時，應(yīng)充分考慮自密實混凝土單價高、自密實混凝土防滲層溫控防裂要求高、混凝土養(yǎng)護(hù)時間較長等不利因素。根據(jù)已建或在建堆石混凝土壩，目前采用自密實混凝土澆筑為壩體防滲結(jié)構(gòu)的方式較為普遍。

3 堆石混凝土筑壩防滲設(shè)計實例

3.1 壩體防滲設(shè)計

現(xiàn)以余慶小烏江水庫工程為例，工程擋水大壩為堆石混凝土重力壩，壩體防滲體系由大壩上游面C15W6F50自密實混凝土防滲層、基礎(chǔ)C20W6F50常態(tài)混凝土墊層和壩基防滲帷幕構(gòu)成封閉系統(tǒng)。如圖2所示。

考慮到自密實混凝土澆筑壩體防滲層溫控防裂要求高，在滿足相關(guān)規(guī)范要求和便于施工的前提下，防滲層盡量采用薄層結(jié)構(gòu)，本工程壩體防滲層厚度取0.5m，防滲層結(jié)構(gòu)分縫間距控制12～15m，防滲層自密實混凝土與壩體充填堆石自密實混凝土一致，并設(shè)置溫度鋼筋。倉面堆石混凝土施工時，在倉面上游預(yù)留0.5m厚度空間不擺放石塊，待倉面塊石擺放完成后，首先進(jìn)行防滲層C15W6F50自密實混凝土澆筑，防滲層混凝土澆筑完成后緊接著進(jìn)行下游壩體塊石充填C15W6F50自密實混凝土施工，最終防滲層與壩體混凝土結(jié)合為一體，本工程C15W6F50自密實混凝土配合比見表1。

圖2 小烏江水庫工程大壩防滲設(shè)計圖(單位：m)

表1 C15W6F50自密實混凝土配合比 單位：kg

3.2 壩體防滲結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)已建或在建堆石混凝土筑壩施工經(jīng)驗，堆石混凝土壩通常按2m分層澆筑施工，因此，在壩體上游防滲層澆筑上升過程中會存在層間結(jié)合薄弱面，層間結(jié)合面的處理直接關(guān)系壩體整體防滲效果。而在實際施工過程中，由于上游防滲層預(yù)留空間狹窄，同時受降雨、倉面石塊擺放時石渣、粉塵、泥塊掉落等影響，防滲層倉面需要反復(fù)排水、清除石渣、粉塵等雜物，耗時耗力且難以清理干凈。通過對多座已建堆石混凝土壩進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，大壩上游防滲層層間結(jié)合面滲水、縫面夾雜石渣、縫面混凝土蜂窩麻面、填充不飽滿、壩體下游結(jié)合面滲水等質(zhì)量缺陷問題較為普遍。

為減小不利影響，避免出現(xiàn)防滲層層間結(jié)合面滲水等問題，使防滲層充分發(fā)揮應(yīng)有的防滲功能，到達(dá)抗?jié)B效果。本工程結(jié)合現(xiàn)場施工條件，對防滲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，該改進(jìn)結(jié)構(gòu)是通過在大壩上游面防滲層層間結(jié)合面植入鍍鋅鐵皮，鍍鋅鐵皮寬0.3m，厚1.0mm，鍍鋅鐵皮在防滲層自密實混凝土澆筑完成后及時沿防滲層中間部位順直植入，植入深度0.15m，外露0.15m，鍍鋅鐵皮兩端與壩體防滲層結(jié)構(gòu)分縫銅止水相互搭接，使壩體上游防滲層層間結(jié)合面通過鍍鋅鐵皮與分縫銅止水形成封閉止水系統(tǒng)。鍍鋅鐵皮造價低廉，市場購買方便，植入施工簡單，可操作性強(qiáng)，現(xiàn)場植入時可采取混凝土邊澆筑邊植入的方式進(jìn)行，鍍鋅鐵皮現(xiàn)場植入效果如圖3所示，鍍鋅鐵皮的植入有效增強(qiáng)了大壩整體抗?jié)B性能。

圖3 大壩防滲區(qū)鍍鋅鐵皮植入施工效果圖

3.3 防滲檢測效果

根據(jù)兩岸岸坡在壩頂進(jìn)行防滲帷幕灌漿實施效果，壩體上游防滲層表面未發(fā)現(xiàn)冒漿、泌水、開裂等現(xiàn)象，在壩體下游堆石混凝土層間結(jié)合面局部區(qū)域出現(xiàn)冒漿、泌水現(xiàn)象，表明堆石混凝土壩體層間結(jié)合面局部部位存在薄弱滲漏通道，而上游防滲層層間結(jié)合面因植入鍍鋅鐵皮具有良好的抗?jié)B性能。

擋水大壩施工完成后，在壩頂布置了1#、2#、6#、7#和8#鉆孔對大壩混凝土透水率進(jìn)行檢測，其中1#和2#孔檢測壩體上游防滲層自密實混凝土透水率，6#、7#和8#孔檢測壩體堆石混凝土透水率，檢測孔布置位置如圖4所示。通過現(xiàn)場壓水試驗，壩體上游防滲層自密實混凝土透水率最大值為0.1Lu，壩體堆石混凝土透水率最大值為1.24Lu，且大壩上游防滲層層間結(jié)合面未見滲水、開裂等現(xiàn)象，防滲層抗?jié)B效果良好?，F(xiàn)場壓水檢測成果如圖5所示。

4 結(jié)語

堆石混凝土壩通常采用自密實混凝土或常態(tài)混凝土澆筑壩體防滲層結(jié)構(gòu)防滲，兩種混凝土防滲層結(jié)構(gòu)施工程序和施工工藝有所差異，各有優(yōu)缺點。余慶縣小烏江水庫工程在堆石混凝土壩上游采用自密實混凝土澆筑防滲層結(jié)構(gòu)防滲，并在自密實混凝土防滲層層間結(jié)合面植入鍍鋅鐵皮止水，取得了很好的防滲效果。堆石混凝土壩防滲結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計和實施，為堆石混凝土筑壩防滲設(shè)計和施工提供了經(jīng)驗借鑒和解決思路，具有推廣和應(yīng)用價值，供讀者借鑒。

圖4 大壩混凝土質(zhì)量檢測孔布置圖(單位：m)

圖5 大壩現(xiàn)場壓水試驗沿孔深透水率成果圖(單位：Lu)