堆石混凝土系列技术在西部水电工程中的应用

金 峰，周 虎，李玲玉，黄杜若

（1.清华大学水利水电工程系，北京市 100084；2.北京华石纳固科技有限公司，北京市 100085）

1 堆石混凝土系列技术发展简介

20世纪80年代后期，日本东京大学岗村教授研制了自密实混凝土[1-2]。由于自密实混凝土施工简便，迅速在日本、北美和欧洲等发达国家的土木工程建设中得到推广应用，近年来，我国的自密实混凝土应用范围也不断拓展，在高层建筑、高铁、桥梁等领域发挥了越来越重要的作用。自密实混凝土硬化后性能与普通振捣混凝土类似，但新拌自密实混凝土的工作性能明显优于普通振捣混凝土，具有很高的流动性，同时具有良好的抗离析性能。新拌混凝土黏度提高有利于抗离析，但过高黏度会影响流动性，自密实混凝土的原材料、配合比及施工管理水平要求较高。另外，自密实混凝土需要较多浆体，水泥用量高，因而，水化温升高，收缩大，材料成本较高，并不适合大体积混凝土施工。

2003年，我国清华大学基于自密实混凝土技术，研发了堆石混凝土技术[3]：首先在浇筑仓内自然堆积大于300mm粒径的大块石，层厚一般为1～3m，然后在堆石顶面浇筑具有比普通自密实混凝土浇筑性能要求更高的高自密实性能混凝 土（high-performance self-compacting concrete，HSCC），依靠自流充填堆石空隙，形成完整密实的大体积混凝土（见图 1）。

图1 堆石混凝土浇筑示意图Figure 1 Casting sketch of RFC

堆石混凝土综合了自密实混凝土和浆砌石的优点，充分利用大量块石，大幅减少水泥用量，可以提高混凝土密度，降低水化热，减少收缩，从而取消振捣或碾压工序与冷却水管等温控措施。施工工艺的简化显著降低了设备要求和人工投入，加快施工进度，降低建设成本，是一种环境友好的新型筑坝技术。

2005年，在北京某地，建造了世界上第一座堆石混凝土小坝，坝高14.5m。2006年，河南宝泉抽水蓄能电站上库副坝开始应用堆石混凝土。2009年，山西清峪水库重力坝全面采用堆石混凝土建造，坝高达到42.6m，堆石混凝土方量约3.98万m3。随着堆石混凝土筑坝技术的不断发展，浇筑方量逐年上升（见图2），截至2020年底，据不完全统计，新建、在建堆石混凝土大坝已有114座，其中重力坝104座，拱坝10座，最大坝高90m。多座坝高超过100m的堆石混凝土大坝正在设计论证，巴基斯坦、布隆迪等国家也在准备建设堆石混凝土坝。

图2 堆石混凝土浇筑方量逐年增长（单位：万m3）Figure 2 Casting volume of RFC （unit：104 m3）

基于已有工程经验，水利部、国家能源局相继颁布的行业技术标准有《胶结颗粒料筑坝技术导则》[4]《堆石混凝土筑坝技术导则》[5]和《水电水利工程堆石混凝土施工规范》[6]；贵州省还针对堆石混凝土拱坝颁布了地方标准《堆石混凝土拱坝技术规范》[7]；国际大坝委员会堆石混凝土坝技术公报[8]也将在近期发布。

在堆石混凝土技术研发过程中，清华大学针对混凝土自密实性能开展了深入研究[9]，并在此基础上，相继研发了水下自护混凝土和自流控制灌浆技术。

水下自护混凝土采用了与传统的水下不分散混凝土不同的工作原理，它通过向准备浇筑混凝土的水体中添加水溶性高分子聚合物水下保护剂（underwater protective agent，UPA），将水体改性为极低浓度的水溶性高分子聚合物溶液（约100ppm①ppm表示百万分之一。），从而抑制混凝土拌合物中的水泥向水体中分散，避免水下混凝土离析；然后向水体中浇筑自密实混凝土，实现混凝土的水下清澈浇筑[10]。实际施工实践表明，水下自护混凝土不仅可以应用于静水，也可应用于低流速水体；不仅可以应用于淡水，也可应用于海洋；不仅可以应用于设置模板的封闭水体，也可以应用于开放水体，还可以在浑水中浇筑。图3演示试验说明了普通混凝土、掺加絮凝剂的不分散混凝土与水下自护混凝土三种技术的区别，试验时利用漏斗将配合比相同的新拌砂浆直接投入烧杯里的水体，可以清楚地观察到砂浆拌合物在水体中的浇筑情况。其中，（a）为没有添加絮凝剂的普通砂浆；（b）为添加了絮凝剂的水下不分散砂浆；（c）为没有添加絮凝剂的普通砂浆投入到100ppm水下保护剂溶液的情况。可以清楚地看到絮凝剂能够改善水泥分子的分散，但不能完全避免水泥分子进入水体，而水下保护剂能够完全防止水泥分子的分散，浇筑过程中水体保持完全清晰。

图3 不同技术砂浆水下浇筑对比演示试验Figure 3 Demonstration test for different underwater concrete technologies

自流控制灌浆技术则是基于自密实混凝土技术，根据灌浆对象的裂隙或孔隙特征，采用自密实水泥（粉煤灰）浆、砂浆或混凝土，利用其自密实性能，进行无压力灌浆。灌浆过程中，依靠对浆体自密实性能控制，实现对灌浆范围的控制。

下面简要介绍上述技术在西部水电工程中的应用。

2 堆石混凝土坝技术

2.1 佰佳水电站工程

佰佳水电站位于陕西省安康市镇坪县境内，正常蓄水位787m高程，死水位770m高程，总库容2285万m3，总装机容量4.98万kW，属于Ⅲ等中型工程。主坝采用堆石混凝土双曲拱坝，坝顶高程789m，最大坝高69m，坝顶厚度5m，外弧长200.89m，是已建成的最高堆石混凝土拱坝。另外，贵州宝源堆石混凝土拱坝，坝高89.5m，已通过设计审查，近期将开工建设。

佰佳堆石混凝土拱坝于2013年1月开始混凝土浇筑，电站于2015年11月开始发电，累计浇筑堆石混凝土方量约10万m3，浇筑过程及完建照片见图4。根据工程测算，堆石混凝土综合单价（考虑节约的温控费用）节省约140元/m3，还利用坝基开挖的弃石料5万m3作为堆石料，节约成本约350万元，佰佳水电站提前3个月蓄水发电，新增销售额约为1260万元，佰佳水电站采用堆石混凝土的综合经济效益约3010万元。

图4 佰佳水电站堆石混凝土浇筑过程Figure 4 Casting process of RFC in Baijia hydropower station

2.2 沙坪二级水电站工程

沙坪二级水电站位于四川省乐山市峨边彝族自治县和金口河区境内，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，上接沙坪一级水电站，下邻已建龚嘴水电站，为Ⅱ等大（2）型工程，枢纽主要由泄洪闸、鱼道、右岸挡水坝段、河床式厂房等建筑物组成。混凝土闸坝坝顶高程557.0m，最大坝高63.0m，闸坝基础采用堆石混凝土，首次在大中型水电站主体工程中应用堆石混凝土。2014年5月，开始堆石混凝土浇筑，8月24日完成堆石混凝土浇筑，方量约3万m3，产生直接经济效益185.06万元，还节约工期3个月。

图5 沙坪二级水电站闸坝基础堆石混凝土施工Figure 5 RFC construction in Shaping-Ⅱhydropower station

2.3 溪源水库工程

溪源水库工程位于福建省永安市，是一座灌溉为主兼有供水等综合效益的水利枢纽工程，水库正常蓄水位428m，总库容1510万m3，为Ⅲ等中型水库。工程主要由拦河坝、引水系统等建筑组成。拦河坝为堆石混凝土重力坝，坝高77m，坝顶宽度7m，坝底宽度63m，坝顶长339m。工程项目于2016年5月27日开工，2020年12月28日大坝主体全面完工，是福建省首座完工的堆石混凝土高坝工程。

图6 溪源水库堆石混凝土重力坝全景图Figure 6 Photo of Xiyuan RFC gravity dam

3 水下自护混凝土技术

3.1 野三河水电站工程坝肩溶洞封堵

野三河水电站位于湖北省恩施土家族苗族自治州，始建于2008年，为Ⅲ等中型工程。电站建于岩溶地区，地质情况复杂，岩体内溶腔发育，右岸山体夹杂薄层页岩。2010年4月，在水库蓄水过程中，页岩夹层被水压击穿，与发育溶腔连通，在右岸山体坝顶以下约70m处形成渗漏通道，全长200m，溶腔最大直径约2m，并逐步发展成涌水通道，出口流量最大为3～5m3/s，年损失发电量约2000万kWh。相继采用常规灌浆、水下不分散混凝土等技术进行封堵，均因溶腔内流量、流速较大，封堵材料注入口过小，无法在水中有效固结实现封堵（见图 7）。

图7 野三河水电站渗漏部位Figure 7 Seepage in Yesanhe hydropower station

2012年，根据专家意见和工程前期封堵情况，决定采用水下自护混凝土技术作为水下溶腔封堵的技术方案，以期利用自密实混凝土高流动性、超强填充性能和高抗冲散能力，并利用水下保护剂提供的高抗分散能力，适当降低溶腔流速，直接从坝顶钻孔灌注水下保护剂和自密实混凝土，实现有效封堵（见图8）。

图8 浇筑方案示意图 （单位：m）Figure 8 Sketch of casting （unit：m）

在前期工作基础上，2013年1月，在适当降低水位（水深约30m）的条件下，实施封堵（见图9）。封堵后对封堵区域进行钻孔取芯，表明水下自护混凝土在水下未发生分散，与溶腔形成了有效的黏结，芯样完整、光滑密实，具有高强度，封堵取得圆满成功（见图10）。

图9 施工过程照片Figure 9 Photo of construction process

图10 封堵后渗漏部位图Figure 10 Seepage after SPUC completed

3.2 龙背湾水电站工程

龙背湾水电站位于湖北省十堰市官渡河中上游，开发任务以发电为主，水库正常蓄水位520.00m，死水位485.00m，总库容8.3亿m3，为多年调节水库，是官渡河的龙头水电站。龙背湾水电站大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高158.3m，坝顶长度465m，泄洪设施为开敞式溢洪道3孔，设计泄洪流量6440m3/s。

2017年，在泄洪后检查中发现溢洪道至放空洞出口挡墙下方出现约60m长贴坡混凝土淘刷、冲毁现象（见图11）。为确保贴坡混凝土上挡墙、山体安全，根据《龙背湾水电站溢洪道出口水毁部分修复方案专题咨询会》意见，采用C30水下混凝土恢复原贴坡钢筋混凝土。

淘刷部位处于水下，必须采用水下混凝土浇筑。考虑到溢洪道下游贴坡混凝土被淘刷、冲毁，处于悬空状态，如果在混凝土贴坡上钻孔，钻孔过程中的震动和机械自重极易导致贴坡混凝土塌陷，出于安全考虑和保证混凝土浇筑质量，采用了水下自护混凝土技术。由于水下自护混凝土具有优良的自密实性能和水下浇筑性能，修补方案取消了横向分仓模板，为避免分层浇筑造成的层面缺陷，采用全仓连续浇筑、一次成型的方案，根据不同位置，采用了不同浇筑方案（见图 12）。

图12 现场浇筑方案示意图Figure 12 Casting sketch

实际施工时，首先对水下保护剂进行稀释，投入模板内水体，然后开始进行混凝土水下浇筑。2018年7月9日上午9时58分开仓，7月12日中午12时30分收仓，全程历史75h（4天3夜无间断），水毁面板和两边仍存板块下脱空区域合计一仓，共浇筑水下混凝土约880m³。龙背湾水电站溢洪道修补完成后，恢复正常运行。

图13 浇筑过程及浇筑完成后照片Figure 13 Photos of casting and completed

4 自流控制灌浆技术

4.1 斜卡水电站工程

斜卡水电站位于四川省甘孜州九龙县境内，是九龙河左岸支流踏卡河“一库两级”规划开发方案中的龙头水库电站，电站装机容量130MW，多年平均发电量5.21亿kWh，水库总库容8485万m3，具有季调节能力。斜卡电站首部枢纽由拦河大坝、放空（导流）和溢洪洞等泄水建筑物组成。拦河大坝为混凝土面板堆石坝，水库正常蓄水位3165.00m，校核洪水位3165.10m，坝顶高程3168.00m，最大坝高110.0m，坝顶长度550m。

斜卡水电站地质条件复杂，坝址岩层裂隙发育贯通，且裂隙节理走向复杂，坝区地下水丰富，存在孔隙潜水和基岩裂隙水（见图14）。在帷幕灌浆时，直接采用水泥灌浆，因裂隙贯通导致浆液流失，难以固结封堵裂隙，灌浆不易达到设计压力，需反复钻灌和待凝，不仅施工复杂，耗浆量大，且灌浆试验证明难以满足设计要求。而采用膏状浆液及其他灌浆方式，施工复杂，设备要求高，综合成本较高。为了解决灌浆材料在大裂隙中的灌注距离控制和地下水环境中灌浆材料离析等问题，2010年，中国电建水电七局基础分局与清华大学合作开展了自流控制灌浆现场试验研究。自流控制灌浆技术具有自流灌浆无压力、在不同尺寸裂隙下流动填充性可调节、水下不分散、综合成本低等特点，经济高效地解决了斜卡水电站岩基大裂隙的封堵难题。实际施工时，仅需针对不同裂隙情况，制备相应性能的自密实砂浆，运输至装料漏斗，在无压状态下依靠重力，从漏斗经溜管缓慢流入灌浆孔孔口进行灌浆（见图15）。

图14 基础岩体裂隙Figure 14 Discontinuities in rock foundation

图15 自流控制灌浆施工Figure 15 Construction of SCG

2011年5月开始，斜卡水电站正式使用自流可控灌浆技术处理岩基裂隙，截至2013年8月28日的灌浆总量达27.21万m，灌注5219.65m3自流可控灌浆砂浆。对已灌浆区域进行钻孔取芯、孔内电视、压水试验及超声波检测等方式进行质量检测，表明灌入的砂浆与岩层结合紧密，灌浆质量符合设计要求。斜卡水电站经多年运行，防渗帷幕质量优良，证明自流控制灌浆处理技术是非常成功的。

4.2 石堡子水库工程

石堡子水库位于甘肃省平凉市华亭县安口镇境内，为华亭煤业集团有限责任公司煤制甲醇公司供水水库，总库容710万m3，为Ⅳ等小（1）型工程，水库正常蓄水位1423.90m。主坝为混凝土面板堆石坝，坝顶长185.3m，坝顶宽6m，最大坝高43.91m。水库工程大坝于2007年6月28日正式开工，2009年9月30日完工。2014年8月，南京水科院组织专家对石堡子水库进行大坝安全检测，鉴定为“三类坝”，鉴定结果显示大坝坝体防渗面板出现裂缝且底部脱空明显，止水损坏，坝体渗漏量大；坝体填筑质量差、变形过大，防渗体系破坏，大坝存在严重病险（见图16），建议进行除险加固处理。中国电建集团西北勘测设计研究院与清华大学合作，开展了利用自流控制灌浆技术进行堆石坝加固的相关研究，针对堆石坝体孔隙率较高，采取坝体钻孔进行自流控制灌浆，以提高坝体密实度，增强大坝模量，控制大坝变形。

图16 大坝坝顶变形及开裂照片Figure 16 Deformation and cracking at dam crest

在大坝1422m高程设置灌浆平台，布置充填灌浆孔和检查孔。在灌浆孔中下花管，通过花管进行灌浆，在灌浆过程中需要考虑坝体孔隙尺度，根据现场灌浆试验确定的参数选择不同流动性的灌浆材料，孔隙尺度由小至大应分别选择超高流动性、高流动性和低流动性灌浆料进行灌浆，以确保自密实砂浆在孔隙中的通过充填能力（见图17）。

图17 大坝自流可控灌浆施工Figure 17 Construction of SGC in dam

2017年12月17日开始钻孔，2018年1月14日钻孔结束，2018年1月15日灌浆结束，共完成灌浆孔478个，总进尺17476m，完成检查孔14个，总进尺495.3m，完成灌浆24956t，平均单耗1.43t/m。对坝体灌浆质量进行了钻孔检测，采用孔内电视和深层核子密度仪，孔内电视检测孔隙率平均值为19.6%，深层核子密度仪检测孔隙率平均值为20.2%，全部达到设计提出的小于23%孔隙率要求，与加固前坝体28%孔隙率相比，石堡子水库面板堆石坝的安全性得到显著加强，自流可控灌浆技术进行除险加固，很好地满足了工程需求，并较好地控制了工程投资。

5 结束语

堆石混凝土系列技术的研发和工程应用证明，堆石混凝土、水下自护混凝土和自流控制灌浆等创新技术具有显著的经济优势，质量优良，工艺简单，环境友好，丰富的研究成果和宝贵的工程应用经验为堆石混凝土系列技术的推广应用奠定了坚实基础，这些基于堆石混凝土技术的系列新技术必将为我国和“一带一路”国家的水利水电工程建设发挥更大作用。