沙坪二級水電站堆石混凝土壩防滲設計與研究

劉明華，涂承義，葉建群

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

堆石混凝土(Rock-Filled Concrete，簡稱RFC)技術是我國自主知識產權的新型混凝土技術，具有低碳環保、低水化熱、工藝簡便、造價低廉、施工速度快等特點。堆石混凝土是指先將滿足一定粒徑要求的塊石(或卵石)自然堆滿倉面，然后在堆石體表面澆筑滿足特殊要求的自密實混凝土(Self-Compacting Concrete，簡稱SCC)，無需振搗僅依靠其自重充填堆石體的空隙，所形成完整密實的混凝土，其構成如圖1所示[1-3]。

圖1 自密實混凝土充填堆石體形成堆石混凝土示意圖

堆石混凝土自身具有良好的抗滲性能，原則上可用于壩體自身防滲。但是在現階段考慮到施工過程中，由于堆石沖洗不凈，堆石鋪填以后，堆石表面殘留的少量泥土帶到倉面表面，形成集中的薄弱環節，容易形成滲水通道，降低層面結合能力，可能造成的層間缺陷，需對防滲進行設計與研究。

1 工程概況

沙坪二級水電站位于四川省樂山市，是大渡河中游22個規劃梯級中第20個梯級沙坪梯級的第二級，采用河床式開發。水庫正常蓄水位554.00 m，總庫容為2 084萬m3，擋水建筑物最大壩高63.0 m，裝機容量348 MW，多年平均發電量為16.10億kW·h。樞紐主要由泄洪閘、河床式廠房、魚道、右岸擋水壩段等建筑物組成。泄洪閘布置在右岸主河床，將砂卵石覆蓋層全部挖除后采用堆石混凝土回填，基礎置于基巖上。共設置5孔泄洪閘，堰頂高程528.00 m，孔口尺寸13.0 m×16.0 m(寬×高)。泄洪閘典型剖面見圖2。

圖2 泄洪閘典型剖面圖

2 堆石混凝土防滲措施研究

大體積混凝土通常根據混凝土性能和結構要求進行分區，如齡期、抗滲標號、抗凍標號、抗沖刷要求、抗侵蝕性和低熱性等。通過研究表明，堆石混凝土中相互搭接的堆石骨架有效提高了材料的綜合性能，通常壩體采用統一標號的堆石混凝土，直接通過自身結構或是設置防滲層來滿足大壩抗滲、抗沖刷和抗侵蝕性等的要求。堆石混凝土防滲層材料抗滲等級的最小允許值應滿足：①H<30 m時，W4；②30 m≤H<70 m時，W6。當采用常態混凝土防滲層時，底部厚度宜為最大水頭的1/30～1/60，頂部厚度不應小于0.3 m，宜配置溫度鋼筋，并做好分縫處理；當采用自密實混凝土防滲層時，頂部厚度宜為0.3～0.6 m，宜配置溫度鋼筋；壩高小于30 m時可不設防滲層，可采用壩體自身防滲，并對壩體與地基的連接做出防滲設計。

2.1 自密實混凝土的防滲參數與常態的對比

自密實混凝土是一種高性能混凝土，其耐久性能普遍高于常態混凝土或者碾壓混凝土。日本東京大學土木系、清華大學水利系等國內外知名研究機構的混凝土實驗室均通過研究表明自密實混凝土早期自身體積變形小、干縮小、水化熱低、抗裂能力高，可以避免早期缺陷；硬化后混凝土抗滲能力高，滲透系數量級為10-12m/s；抗滲標號可達W30以上；抗凍標號可達F300以上，可有效抵制外界因素的影響，耐久性能優異。

2.2 自密實混凝土防滲層

堆石混凝土本身防滲性能優異，壩體本身可直接擋水。而從實際施工考慮，根據堆石混凝土的施工特點，一般采用防滲性能是常態混凝土2～3倍的自密實混凝土澆筑防滲層，從而進一步提高工程的安全系數，確保壩體的抗滲性能。

試驗表明自密實混凝土的抗滲性能遠高于同標號的其他常規混凝土，同時自密實混凝土膠凝材料用量較高，其水化熱和自生體積變形略高于其他常規混凝土，不適宜用于厚度較大的結構。因此，采用自密實混凝土作為防滲層材料時其厚度應低于常規混凝土，出于對溫度裂縫的考慮宜配制溫度鋼筋并控制最大厚度。

采用自密實混凝土防滲層與堆石混凝土壩體一體澆筑的方式，防滲層澆筑無需單獨支立模板，倉內進行堆石時僅需在石塊與模板之間預留出防滲層層厚即可。澆筑后的防滲層與堆石混凝土壩體的連接較好，無需在澆筑堆石混凝土前對防滲層內側進行鑿毛處理，施工工藝簡便，施工速度快，抗滲性能好。

2.2.1 自密實混凝土防滲層與堆石混凝土標號一致

根據堆石混凝土的施工特點，壩體防滲材料抗滲等級最小允許值為W6。一般C15標號的自密實混凝土抗滲等級即可達到W6～W8，因此在沒有高抗凍要求和其他特別要求的情況下，為簡化施工工序，防滲層可采用與壩體堆石混凝土一致的設計標號。自密實混凝土防滲層與壩體一體澆筑結構如圖3所示。

2.2.2 自密實混凝土防滲層與堆石混凝土標號不一致

基于抗凍等因素考慮，當設計防滲層與壩體混凝土標號不一致時，可通過如下的方式實現一體化澆筑：

1)防滲層與壩體的混凝土生產采用相同的原材料，包括水泥、粉煤灰、砂石等；

2)在自密實混凝土配合比設計中，通過調整水泥、粉煤灰的比例來實現不同設計標號，保證配合比基本相同，所用外加劑型號相同，便于生產切換；

3)在澆筑時，先生產高標號的防滲層混凝土并澆筑，防滲層澆筑完成后進行剩余壩體低標號混凝土的澆筑，從而實現一體化澆筑。該方法會多澆筑一部分高標號的混凝土，如圖4所示。

圖3 自密實混凝土防滲層與堆石混凝土壩體一體化澆筑示意圖

圖4 不同標號自密實混凝土的防滲面板與壩體一體化澆筑示意圖

結合自密實混凝土配合比設計的特性，相同原材料的情況下，不同設計標號可以通過調整水泥粉煤灰的比例來實現，二者經濟性差別不大，水泥用量差別也不大，對于溫升的影響較小。如表1所示，標號分別為C15和C20時的自密實混凝土中水泥和粉煤灰用量差別較小，水泥強度等級相同。

表1 C15和C20的自密實混凝土配合比表

綜上所述，在沒有其他特別要求的情況下，可采用自密實混凝土防滲層與壩體堆混凝土一致的設計標號進行一體化澆筑，優化施工方案，簡化施工工序。實際核算中，可對采用一體化澆筑的成本與支立模板進行防滲層澆筑等常規方案進行對比，選擇最經濟可行的施工方案。

3 沙坪二級堆石混凝土防滲設計

3.1 堆石混凝土防滲設計

沙坪二級水電站泄洪閘下部的堆石混凝土坐落在基巖上，壩基防滲通過帷幕灌漿解決。試驗表明，堆石混凝土試塊具有良好的抗滲性能，但施工過程中由于堆石沖洗不凈，堆石表面殘留的少量泥土帶到倉面表面，容易形成滲水通道，造成層間缺陷，故堆石混凝土防滲問題主要考慮結構縫及堆石混凝土層間施工縫的防滲。

為提高堆石混凝土層間抗滲的保證率，設計在上游設置厚為0.5 m的自密實混凝土防滲層，考慮防滲層采用自密實混凝土澆筑與堆石混凝土一次澆筑成型，用于防滲層的自密實混凝土抗滲等級不宜小于W6。考慮本工程上下游最大水頭差22 m，較小；且泄洪閘的順河向較長，為49 m；另為加快施工，上游防滲層未布置鋼筋。

在壩段間的橫縫上游設置兩道止水：第一道銅片止水布置上游壩面下游1.5 m，為1.0 mm厚的“U”型銅片；第二道橡膠止水布置銅片止水下游0.8 m，1.0 cm厚，見圖5。止水周邊0.5 m范圍不鋪填堆石，以填充自密實混凝土，并在塊石碼放時在止水兩側設置臨時防護，以保證止水的完好。

圖5 堆石混凝土結構防滲剖面圖

3.2 堆石混凝土滲壓監測

堆石混凝土在523.50 m高程順河向布置了4個滲壓計，從5年多的監測成果來看，滲壓水位變化漸趨于平緩，與庫水位相關性不明顯，說明堆石混凝土防滲性能整體較好。滲壓計監測成果見圖6。

圖6 堆石混凝土滲壓監測成果圖

4 結 語

堆石混凝土作為混凝土材料的一種，在材料性能和筑壩原理方面與傳統混凝土重力壩基本一致，但在壩體防滲有其自身的特點。堆石混凝土本身防滲性能優異，可直接擋水；但從實際施工考慮，為提高堆石混凝土層間抗滲的保證率，一般在上游面采用厚度0.5～1.0 m、防滲性能是常態混凝土2～3倍的自密實混凝土防滲層，從而確保壩體的抗滲性能。

2014年8月，沙坪二級電站泄洪閘下部堆石混凝土工程順利完工，5年來的監測成果表明堆石混凝土抗滲指標滿足設計要求，層間結合良好。堆石混凝土在沙坪二級水電站的應用為首次在大型水電站主體工程應用，經研究與工程實踐，成功解決了工程難題，取得了良好的工程效果，推動了堆石混凝土筑壩技術的發展。