沙坪二级水电站堆石混凝土坝防渗设计与研究

刘明华，涂承义，叶建群

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

堆石混凝土(Rock-Filled Concrete，简称RFC)技术是我国自主知识产权的新型混凝土技术，具有低碳环保、低水化热、工艺简便、造价低廉、施工速度快等特点。堆石混凝土是指先将满足一定粒径要求的块石(或卵石)自然堆满仓面，然后在堆石体表面浇筑满足特殊要求的自密实混凝土(Self-Compacting Concrete，简称SCC)，无需振捣仅依靠其自重充填堆石体的空隙，所形成完整密实的混凝土，其构成如图1所示[1-3]。

图1 自密实混凝土充填堆石体形成堆石混凝土示意图

堆石混凝土自身具有良好的抗渗性能，原则上可用于坝体自身防渗。但是在现阶段考虑到施工过程中，由于堆石冲洗不净，堆石铺填以后，堆石表面残留的少量泥土带到仓面表面，形成集中的薄弱环节，容易形成渗水通道，降低层面结合能力，可能造成的层间缺陷，需对防渗进行设计与研究。

1 工程概况

沙坪二级水电站位于四川省乐山市，是大渡河中游22个规划梯级中第20个梯级沙坪梯级的第二级，采用河床式开发。水库正常蓄水位554.00 m，总库容为2 084万m3，挡水建筑物最大坝高63.0 m，装机容量348 MW，多年平均发电量为16.10亿kW·h。枢纽主要由泄洪闸、河床式厂房、鱼道、右岸挡水坝段等建筑物组成。泄洪闸布置在右岸主河床，将砂卵石覆盖层全部挖除后采用堆石混凝土回填，基础置于基岩上。共设置5孔泄洪闸，堰顶高程528.00 m，孔口尺寸13.0 m×16.0 m(宽×高)。泄洪闸典型剖面见图2。

图2 泄洪闸典型剖面图

2 堆石混凝土防渗措施研究

大体积混凝土通常根据混凝土性能和结构要求进行分区，如龄期、抗渗标号、抗冻标号、抗冲刷要求、抗侵蚀性和低热性等。通过研究表明，堆石混凝土中相互搭接的堆石骨架有效提高了材料的综合性能，通常坝体采用统一标号的堆石混凝土，直接通过自身结构或是设置防渗层来满足大坝抗渗、抗冲刷和抗侵蚀性等的要求。堆石混凝土防渗层材料抗渗等级的最小允许值应满足：①H<30 m时，W4；②30 m≤H<70 m时，W6。当采用常态混凝土防渗层时，底部厚度宜为最大水头的1/30～1/60，顶部厚度不应小于0.3 m，宜配置温度钢筋，并做好分缝处理；当采用自密实混凝土防渗层时，顶部厚度宜为0.3～0.6 m，宜配置温度钢筋；坝高小于30 m时可不设防渗层，可采用坝体自身防渗，并对坝体与地基的连接做出防渗设计。

2.1 自密实混凝土的防渗参数与常态的对比

自密实混凝土是一种高性能混凝土，其耐久性能普遍高于常态混凝土或者碾压混凝土。日本东京大学土木系、清华大学水利系等国内外知名研究机构的混凝土实验室均通过研究表明自密实混凝土早期自身体积变形小、干缩小、水化热低、抗裂能力高，可以避免早期缺陷；硬化后混凝土抗渗能力高，渗透系数量级为10-12m/s；抗渗标号可达W30以上；抗冻标号可达F300以上，可有效抵制外界因素的影响，耐久性能优异。

2.2 自密实混凝土防渗层

堆石混凝土本身防渗性能优异，坝体本身可直接挡水。而从实际施工考虑，根据堆石混凝土的施工特点，一般采用防渗性能是常态混凝土2～3倍的自密实混凝土浇筑防渗层，从而进一步提高工程的安全系数，确保坝体的抗渗性能。

试验表明自密实混凝土的抗渗性能远高于同标号的其他常规混凝土，同时自密实混凝土胶凝材料用量较高，其水化热和自生体积变形略高于其他常规混凝土，不适宜用于厚度较大的结构。因此，采用自密实混凝土作为防渗层材料时其厚度应低于常规混凝土，出于对温度裂缝的考虑宜配制温度钢筋并控制最大厚度。

采用自密实混凝土防渗层与堆石混凝土坝体一体浇筑的方式，防渗层浇筑无需单独支立模板，仓内进行堆石时仅需在石块与模板之间预留出防渗层层厚即可。浇筑后的防渗层与堆石混凝土坝体的连接较好，无需在浇筑堆石混凝土前对防渗层内侧进行凿毛处理，施工工艺简便，施工速度快，抗渗性能好。

2.2.1 自密实混凝土防渗层与堆石混凝土标号一致

根据堆石混凝土的施工特点，坝体防渗材料抗渗等级最小允许值为W6。一般C15标号的自密实混凝土抗渗等级即可达到W6～W8，因此在没有高抗冻要求和其他特别要求的情况下，为简化施工工序，防渗层可采用与坝体堆石混凝土一致的设计标号。自密实混凝土防渗层与坝体一体浇筑结构如图3所示。

2.2.2 自密实混凝土防渗层与堆石混凝土标号不一致

基于抗冻等因素考虑，当设计防渗层与坝体混凝土标号不一致时，可通过如下的方式实现一体化浇筑：

1)防渗层与坝体的混凝土生产采用相同的原材料，包括水泥、粉煤灰、砂石等；

2)在自密实混凝土配合比设计中，通过调整水泥、粉煤灰的比例来实现不同设计标号，保证配合比基本相同，所用外加剂型号相同，便于生产切换；

3)在浇筑时，先生产高标号的防渗层混凝土并浇筑，防渗层浇筑完成后进行剩余坝体低标号混凝土的浇筑，从而实现一体化浇筑。该方法会多浇筑一部分高标号的混凝土，如图4所示。

图3 自密实混凝土防渗层与堆石混凝土坝体一体化浇筑示意图

图4 不同标号自密实混凝土的防渗面板与坝体一体化浇筑示意图

结合自密实混凝土配合比设计的特性，相同原材料的情况下，不同设计标号可以通过调整水泥粉煤灰的比例来实现，二者经济性差别不大，水泥用量差别也不大，对于温升的影响较小。如表1所示，标号分别为C15和C20时的自密实混凝土中水泥和粉煤灰用量差别较小，水泥强度等级相同。

表1 C15和C20的自密实混凝土配合比表

综上所述，在没有其他特别要求的情况下，可采用自密实混凝土防渗层与坝体堆混凝土一致的设计标号进行一体化浇筑，优化施工方案，简化施工工序。实际核算中，可对采用一体化浇筑的成本与支立模板进行防渗层浇筑等常规方案进行对比，选择最经济可行的施工方案。

3 沙坪二级堆石混凝土防渗设计

3.1 堆石混凝土防渗设计

沙坪二级水电站泄洪闸下部的堆石混凝土坐落在基岩上，坝基防渗通过帷幕灌浆解决。试验表明，堆石混凝土试块具有良好的抗渗性能，但施工过程中由于堆石冲洗不净，堆石表面残留的少量泥土带到仓面表面，容易形成渗水通道，造成层间缺陷，故堆石混凝土防渗问题主要考虑结构缝及堆石混凝土层间施工缝的防渗。

为提高堆石混凝土层间抗渗的保证率，设计在上游设置厚为0.5 m的自密实混凝土防渗层，考虑防渗层采用自密实混凝土浇筑与堆石混凝土一次浇筑成型，用于防渗层的自密实混凝土抗渗等级不宜小于W6。考虑本工程上下游最大水头差22 m，较小；且泄洪闸的顺河向较长，为49 m；另为加快施工，上游防渗层未布置钢筋。

在坝段间的横缝上游设置两道止水：第一道铜片止水布置上游坝面下游1.5 m，为1.0 mm厚的“U”型铜片；第二道橡胶止水布置铜片止水下游0.8 m，1.0 cm厚，见图5。止水周边0.5 m范围不铺填堆石，以填充自密实混凝土，并在块石码放时在止水两侧设置临时防护，以保证止水的完好。

图5 堆石混凝土结构防渗剖面图

3.2 堆石混凝土渗压监测

堆石混凝土在523.50 m高程顺河向布置了4个渗压计，从5年多的监测成果来看，渗压水位变化渐趋于平缓，与库水位相关性不明显，说明堆石混凝土防渗性能整体较好。渗压计监测成果见图6。

图6 堆石混凝土渗压监测成果图

4 结 语

堆石混凝土作为混凝土材料的一种，在材料性能和筑坝原理方面与传统混凝土重力坝基本一致，但在坝体防渗有其自身的特点。堆石混凝土本身防渗性能优异，可直接挡水；但从实际施工考虑，为提高堆石混凝土层间抗渗的保证率，一般在上游面采用厚度0.5～1.0 m、防渗性能是常态混凝土2～3倍的自密实混凝土防渗层，从而确保坝体的抗渗性能。

2014年8月，沙坪二级电站泄洪闸下部堆石混凝土工程顺利完工，5年来的监测成果表明堆石混凝土抗渗指标满足设计要求，层间结合良好。堆石混凝土在沙坪二级水电站的应用为首次在大型水电站主体工程应用，经研究与工程实践，成功解决了工程难题，取得了良好的工程效果，推动了堆石混凝土筑坝技术的发展。