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(jì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致壩體下游面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響大壩運(yùn)行安全，為此，在進(jìn)行堆石混凝土筑壩設(shè)計(jì)時(shí)，需對防滲結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)和研究。

1 防滲設(shè)計(jì)基本要求

根據(jù)在建和已建成堆石混凝土壩設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，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(jì)參數(shù)通常參照SL25—2006《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL314—2018《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行，壩體材料分區(qū)設(shè)計(jì)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(jí)配混凝土筑壩。因此，采用堆石混凝土筑壩設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)混凝土澆筑防滲層時(shí)，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(shí)，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(jí)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(jí)根據(jù)承受水頭確定：H<30m時(shí)，抗?jié)B等級(jí)取W4；30m≤H≤70m時(shí)，抗?jié)B等級(jí)取W6；70m≤H≤150m時(shí)，抗?jié)B等級(jí)取W8；SL319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求防滲層混凝土抗?jié)B等級(jí)根據(jù)其所在部位的水力梯度確定：i<10時(shí)，抗?jié)B等級(jí)取W4；10≤i≤30時(shí)，抗?jié)B等級(jí)取W6；30≤i≤50時(shí)，抗?jié)B等級(jí)取W8；i≥50時(shí)，抗?jié)B等級(jí)取W10。SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)根據(jù)承受水頭確定，參數(shù)取值與SL314—2018一致；同時(shí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jì)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(jí)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(diǎn)，堆石混凝土由自密實(shí)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(shí)，同一倉面會(huì)涉及塊石擺放、自密實(shí)混凝土灌入和常態(tài)混凝土澆筑三個(gè)施工要素，各要素施工先后順序直接影響大壩防滲設(shè)計(jì)思路、工程造價(jià)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(shí)，優(yōu)先澆筑常態(tài)混凝土防滲面板1～2個(gè)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(shí)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(shí)混凝土工程量，導(dǎo)致工程投資有所增加，但由于自密實(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)施工

倉面塊石擺放時(shí)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(shí)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(shí)混凝土同時(shí)施工，同時(shí)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(shí)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(shí)混凝土，難免會(huì)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(shí)際施工時(shí)一般很少采用先澆筑常態(tài)混凝土再澆筑自密實(shí)混凝土的施工方法。

2.2 自密實(shí)混凝土澆筑防滲層

堆石混凝土由自密實(shí)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(shí)混凝土的生產(chǎn)拌合尤為重要。自密實(shí)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(jí)配和外加劑選用方面均不相同，因此，為減少實(shí)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(jì)時(shí)，一般考慮在大壩上游面預(yù)留防滲區(qū)域澆筑自密實(shí)混凝土防滲。

(1)防滲混凝土與充填堆石自密實(shí)混凝土不一致

自密實(shí)混凝土作為壩體防滲結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)，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(shí)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(jì)時(shí)，壩體防滲層自密實(shí)混凝土與充填堆石自密實(shí)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(shí)混凝土施工，此時(shí)，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(shí)混凝土，再進(jìn)行下游堆石充填自密實(shí)混凝土施工。

(2)防滲混凝土與充填堆石自密實(shí)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(jì)時(shí)，防滲層自密實(shí)混凝土采用與壩體充填堆石自密實(shí)混凝土一致設(shè)計(jì)。此時(shí)，自密實(shí)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(shí)避免了不同類型自密實(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)充分考慮自密實(shí)混凝土單價(jià)高、自密實(shí)混凝土防滲層溫控防裂要求高、混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)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(shí)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(jì)實(shí)例

3.1 壩體防滲設(shè)計(jì)

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(shí)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(shí)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(shí)混凝土與壩體充填堆石自密實(shí)混凝土一致，并設(shè)置溫度鋼筋。倉面堆石混凝土施工時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)圖(單位：m)

表1 C15W6F50自密實(shí)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(jì)

根據(jù)已建或在建堆石混凝土筑壩施工經(jīng)驗(yàn)，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(huì)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(shí)際施工過程中，由于上游防滲層預(yù)留空間狹窄，同時(shí)受降雨、倉面石塊擺放時(shí)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(shí)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(jì)，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(shí)混凝土澆筑完成后及時(shí)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(jià)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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)，壩體上游防滲層自密實(shí)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(shí)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(diǎn)。余慶縣小烏江水庫工程在堆石混凝土壩上游采用自密實(shí)混凝土澆筑防滲層結(jié)構(gòu)防滲，并在自密實(shí)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(jì)和實(shí)施，為堆石混凝土筑壩防滲設(shè)計(jì)和施工提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒和解決思路，具有推廣和應(yīng)用價(jià)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(yàn)沿孔深透水率成果圖(單位：Lu)