堡子湾水库堆石混凝土坝设计与施工

孟汉才

（大同市水务局水土保持站，山西 大同 037004）

1 项目简况

堡子湾水库位于大同市阳高县长城乡堡子湾村东2.7 km的白登河支流黄水河上，是一座以工业供水、农业灌溉为主的小（1）型水库，年供水量363.4万m3，设计采用堆石混凝土重力坝，坝顶长度153 m，最大坝高41.1 m，最大坝底宽度34 m，总库容166.6万m3。大坝由左右岸非溢流坝段、溢流坝段、泄洪冲沙底孔坝段、坝内取水口段等组成，总投资5 000万元，设计工期2年。

2 大坝设计

2.1 设计特点

堆石混凝土坝是一种新坝型，近年来，在中小型水库大坝中逐渐被推广使用。由于预先在仓面堆积了大量块石，不仅大大减少了单位体积内的混凝土用量、降低了成本，而且也降低了大体积混凝土内的绝热升温及持续时间，使混凝土大坝的裂缝大大减少，极大地改善了大坝大体积混凝土的性能。

2.2 参考依据

由于堆石凝土坝是一种新坝型，至今仍没有一套成熟的设计规范，目前仍以《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）作为参考。

2.3 断面设计

考虑到堆石体抗冻性能较差的问题，堡子湾水库堆石混凝土重力坝，设计断面采用“金包银”的方式，上游抗冻抗渗常态混凝土防渗面板厚度1.5 m，下游常态混凝土防渗面板厚度1.0 m；《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）中，下游坝坡采用1∶0.6～1∶0.8，考虑到堆石体的层间抗剪稍弱的问题，堡子湾水库堆石混凝土重力坝下游坝坡采用1∶0.75；上游坝坡与重力坝一致，采用1∶0；考虑到堆石混凝土层面渗漏的问题，为减少蓄水后两岸坡向坝体内的渗漏量，沿左右岸坡坡面设计1 m厚的常态混凝土。

2.4 坝址工程地质情况及灌浆设计

坝址位于堡子湾村下游2.7 km的黄水河峡谷处，坝址处为左右岸不对称“U”型河，坝址所处河谷底较狭窄，宽约87 m，左右两岸均为高陡岩质岸坡，无阶地。河床及漫滩地面高程1 208～1 212 m，地形较平坦，河谷底右侧为河床，左侧为河漫滩。河谷两岸坡坡度30°～40°，左岸坡相对较缓，右岸坡较陡，山梁高程1 339.8～1 431.8 m，相对高差223 m。坝址区河流方向为N60°E，河水位高程1 208.0 m。坝基覆盖层厚度6.0～12.0 m，为中等透水-强透水地层。基岩强风化层为中等透水层，弱风化-微风化层为弱透水层。坝基弱风化岩体相对完整，局部较破碎，抗剪强度、抗变形能力受结构面和岩石强度控制，坝基岩体总体上适宜混凝土坝基，但需要对局部岩体进行工程加固处理，同时对坝基岩体进行固结灌浆处理。

本设计坝体座落于弱风化基岩上。建基面总体以约2%的坡度向上游倾斜，为增强坝体与地基的结合，使坝基应力均匀扩散，提高坝体的抗滑稳定性，坝体与基岩之间采用混凝土垫层连接，混凝土强度等级C20，最小厚度1.5 m（盖重）。

帷幕灌浆在坝基上游侧为单排帷幕，帷幕轴线距上游竖直坝面3.0 m，孔距2.0 m，灌浆帷幕底缘线按5LU线控制。坝址两岸山高坡陡，帷幕灌浆在大坝沿坝轴线方向向右岸延伸65 m、左岸延伸40 m。河床坝段帷幕灌浆在纵向廊道中实施，河岸坝段通过坝顶钻孔实施，两岸采用开挖平洞实施灌浆。坝基及左右岸基础全部进行固结灌浆，灌浆下缘线以强、弱风化岩石分界线下深1 m控制，孔、排距3.0 m，梅花形布设。

2.5 坝体技术指标及分区

大坝所用的水泥、骨料、水、活性掺合料、外加剂要符合现行的国家标准及有关行业标准的规定，坝体混凝土分区技术指标见表1。

表1 坝体混凝土分区技术指标

2.6 设计及施工技术要求

2.6.1 堆石料

堆石料应新鲜、完整、质地坚硬，最小粒径不小于300 mm，最大粒径不超过结构断面最小边长的1/4；堆石混凝土强度标号为C9020，石料的饱和抗压强度须≥40 MPa；堆石料含泥量≤0.5%，不允许含泥块。

堆石的开采爆破应通过试验确定合理的爆破参数，开采的石料要进行简易筛分冲洗，严禁混入泥块、软弱岩块，不得从爆堆上直接取料上坝；堆石成品应采用自卸车、吊车等方式直接运输入仓，不得周转，入仓前要设置冲洗台，对车轮进行冲洗。

堆石入仓采用自卸汽车运输、挖掘机平仓，靠近模板部位的堆石应人工堆放，堆石施工中，堆石体外露面所含有的粒径小于200 mm的石块数量不应超过10块/m2，且不得集中；堆石分层厚度应经现场生产试验确定，最大厚度不宜超过2.0 m。

2.6.2 高自密实混凝土

高自密实混凝土粗骨料最大粒径不超过20 mm，针片状颗粒含量不超过8%。工作性能应采用坍落度试验、坍落扩展度试验、V形漏斗试验和自密性能稳定性试验检测，指标应符合表2要求。

表2 自密实性能混凝土的工作性能表

高自密实性能混凝上采用强制式搅拌机进行拌合，与生产常态混凝土相比应适当延长搅拌时间。运输须使用混凝土搅拌车，运输车在接料前应将车内的残留其它品种的高自密实性能混凝土清洗干净，并将车内积水排尽，运输过程中严禁向车内的高自密实性能混凝土加水，运输时间应满足规定要求，须在60 min内卸料完毕。高自密实性能混凝土的初凝时间应根据运输时间和现场情况加以控制，如需延长运送时间，应采用相应技术措施，并通过试验验证。高自密实性能混凝土卸料前，需对高自密实性能混凝土扩展度进行调整时，应加入经试验确定的高性能减水剂，搅拌运输车应高速旋转3 min，使高自密实性能混凝土拌和均匀，经检测合格后方可卸料。高自密实性能混凝土浇筑采用泵送混凝土进行，浇筑时的最大自由落下高度不宜超过5 m。混凝土浇筑点应均匀布置，浇筑点间距不宜超过3 m，在浇筑过程中应遵循单向逐点浇筑的原则，每个浇筑点浇满后方可移动至下一浇筑点浇筑，浇筑点不应重复使用。

2.6.3 仓面处理

高自密实性能混凝土浇筑宜使适量块石高出浇筑面50～150 mm，同时高自密实性能混凝土浇筑顶面可不采用人工平整，以加强层面结合。堆石混凝土抗压强度达到2.5 MPa以前，不得进行下一仓面的准备工作。垫层混凝土上部与堆石混凝土结合的仓面，在垫层混凝土初凝前应埋入适量石块，石块露出浇筑面的高度为50～150 mm且不宜超过自身高度的1/3，并确保埋入石块及其周边混凝土的密实度。

3 大坝施工

3.1 堆石混凝土试验

正式开始堆石混凝土之前，在坝体以外的空地进行了堆石混凝土的现场试验，以检验高自密实混凝土的流动性及密实性。试验方案为：选择长6 m、宽3 m，的两块场地，铺筑垫层后，立模分别进行厚度1.5 m、2 m的堆石混凝土试验。按照试验选定的配合比浇筑完高自密实混凝土后，15 d后进行切割剖面，检查内部混凝土有无气泡、空腔、骨料堆积等现象，然后再钻孔进行注水试验，检查高自密实混凝土的密实性。经过切割观察，切割面没有任何的气泡、空腔、骨料堆积等现象；注水试验高自密实混凝土的抗渗指标达到10-10cm/s，说明高自密实混凝土的流动性及密实性均满足设计要求。因此选择层厚为2 m的堆石方案，以便加快施工进度。

3.2 堆石入仓

堆石运输采用15 t自卸汽车，在进入仓面之前要经过高压水冲洗，防止泥土带入仓面。堆石运至坝面后，再用挖机二次挖运入仓，对于二次挖运产生的碎渣，要随时配合人工清除，严禁自卸汽车直接入仓。为了防止块石入仓时对面板混凝土造成挤压破坏以及高自密实混凝土流动性对面板产生的侧压力的影响，应支模先进行堆石混凝土的浇筑，拆模后再进行上游面板混凝土的浇筑。

3.3 高自密实混凝土浇筑

模板及堆石准备好后，即可开仓进行高自密实混凝土浇筑。浇筑时，混凝土浇筑点从下游堆石向上游堆石依次移动，但必须是在下游浇筑点的高自密实混凝土已经浇筑至仓面高程后才能向上游点移动，严禁浇筑点来回移动浇筑。由于高自密实混凝土不能通过震捣密实，完全依靠自流达到密实，按照现场试验的结果，浇筑点最大间距排距控制不得超过3 m，以保证高自密实混凝土有足够的流动性，以达到自流密实。同时，为了提高自密实混凝土的流动性，外加剂采用了清华大学教授研发的高效能外加剂，以提高自密实混凝土的流动性。此外，由于堆石混凝土每次浇筑层厚2 m，整个大坝分16层堆石混凝土即浇筑结束，加快了施工速度。

3.4 仓面处理

堆石混凝土浇筑完成后，要对表面的浮渣、水泥浆等进行冲毛处理，以便增加堆石混凝土的层间结合。由于是汽车进料运送块石，堆石混凝土表面的不平整度，给运料带来了不少的麻烦；其次，表面不平整时，挖机二次倒运进仓时，仓面产生的石渣清理变得比较困难；再者，层面尖突的块石，插入上层的堆石混凝土中，虽然增加了层面间的结合，但随着坝体的长期应力松弛，有可能对坝体内部混凝土产生不利影响，使得坝体内部产生更多裂缝，危及大坝安全。经过与设计单位协商，取消了堆石混凝土表面出露块石50～150 mm高度的要求，堆石混凝土表面基本浇筑成了平缓的平面。

4 结语

堆石混凝土坝相比于混凝土坝具有造价低、施工速度快、就地取材、降低水化热、无需温控措施以及减少坝体裂缝的优点。通过堡子湾水库堆石混凝土坝，对现有的堆石混凝土坝的部分技术要求进行了进一步完善，有利于堆石混凝土坝的进一步推广及应用。

堡子湾水库完工后，配套管道枢纽工程，每年可向阳高工业园区提供工业用水130万m3，改善灌溉面积0.18万hm2。按照测算的工业供水末端水价5.13元/m3、农业用水单价0.25元/m3计算，每年可产生经济效益约800万元，具有一定的经济效益。如与附近的守口堡水库联合使用供水管线（守口堡水库也有向阳高工业园区供水的任务），经济效益会更加明显。