王繼堯

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊830000）

混凝土面板堆石壩作為一種歷史悠久壩型，具有施工簡單、綜合成本和技術(shù)要求低、安全穩(wěn)定性高等特點， 因此在攔河水壩建設(shè)中占據(jù)60%以上的比例。 但很多嚴(yán)寒地區(qū)建成投入使用的混凝土面板堆石壩卻存在裂縫發(fā)育較多、壩體滲漏嚴(yán)重等問題，因此如何消除低溫對該壩型的施工質(zhì)量影響， 成為設(shè)計中的重要問題之一。

1 工程概況

本文所研究水庫工程位于新疆阿勒泰市境內(nèi)烏拉斯河支流之上，設(shè)計控制流域面積120km2，水庫總庫容約1421萬m3。 該水庫主要由攔河大壩、泄洪洞、溢流道等組成，工程等級Ⅲ等，主要建筑物3級，臨時建筑物4級。 本工程主要任務(wù)是攔蓄春洪，解決附近1.87萬hm2耕地灌溉問題， 將河道防洪能力提高到30年一遇。 水庫大壩設(shè)計為混凝土面板堆石壩， 壩高32m，長度128m。 但該水庫處于高寒地區(qū)，且工期緊張，因此須面對在較低溫度下施工問題。

2 特殊要求

2.1 對堆石材料要求高

低溫環(huán)境下對壩體主體的填筑材料要求較高，本項目大壩為堆石壩， 首先要求必須采用質(zhì)地堅硬巖石；其次，考慮到高寒地區(qū)因溫度變化范圍大而導(dǎo)致短時期內(nèi)凍融交替頻繁， 造成外露巖石內(nèi)部存在冰凍塊體， 因此要求盡可能利用現(xiàn)場爆破開采的巖石，可降低堆石料風(fēng)化速度，提高堆石壩體質(zhì)量［1］。

2.2 對混凝土和止水材料要求很高

阿勒泰地區(qū)進(jìn)入深秋后溫度低至-20 ℃情況也普遍存在， 因此該項目壩體對混凝土及治水材料的抗凍性較一般地區(qū)要高出很多。 在此結(jié)合其他工程經(jīng)驗，要求混凝土的抗凍指標(biāo)為F300。

根據(jù)阿勒泰地區(qū)凍土凍脹機(jī)理多年觀測數(shù)據(jù)，其最大冰拔力可達(dá)0.23MPa，換算后可得平均1m的止水結(jié)構(gòu)所承受冰拔力約125kN。因此本項目要求止水材料應(yīng)達(dá)到-40 ℃不脆裂， 且延伸率不低于300%，在此選用SR-3型止水劑［2］。

2.3 適當(dāng)增加鋼筋使用量

混凝土面板搭配鋼筋可有效限制裂縫問題，在高寒地區(qū)可適當(dāng)增加鋼筋鋪設(shè)密度。 由于庫區(qū)水位不斷變換會使混凝土易受凍脹破壞， 因此本項目設(shè)計在正常蓄水位至死水位范圍增設(shè)鋼筋（φ12mm），間距縮小至15cm。

3 施工要點

3.1 混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)分區(qū)分析

本項目攔河壩斷面呈梯形， 壩頂設(shè)計8.0m寬道路，防浪墻高1.0m，上、下游壩坡均設(shè)計1∶1.5。 考慮到工程造價、載荷分布、各部位工作條件等問題，一般將堆石壩結(jié)構(gòu)分區(qū)，具體原則如下：各區(qū)填料要滿足水力過渡要求，從上游至下游，壩料滲透系數(shù)逐漸增加；為降低壩體變形量，從上游至下游，壩料變形模量逐漸較小，預(yù)防止水結(jié)構(gòu)破壞；充分就地取材，降低工程成本。 本項目壩體分區(qū)示意如圖1［3］。

Ⅰ區(qū)：位于上游底板處，為防滲補(bǔ)強(qiáng)區(qū)，采用水下拋填形式，可隨水流進(jìn)入壩基裂縫處，起到淤堵裂縫作用，提高防滲性。

Ⅱ區(qū)：位于混凝土面板下側(cè)，為墊層區(qū)，同面板一同構(gòu)成防滲體，而且可將水壓力傳遞給堆石。高寒地區(qū)堆石壩對墊層料要求很高，尤其是料石級配。

Ⅲ區(qū)：該區(qū)為大壩主體，為堆石區(qū)，要求級配良好、低壓縮性，其中ⅢA為過渡區(qū)，ⅢB為主堆石區(qū)，均采用凝灰角礫巖；ⅢC為次堆石區(qū)，采用凝灰?guī)r；ⅢD砌石護(hù)坡，采用一般干凈大石塊即可［4］。

3.2 低溫環(huán)境壩體堆石料填筑施工要點

3.2.1 石料選材

堆石料是承受水體載荷的主體， 要求具有低壓縮性、 較強(qiáng)的抗壓抗剪強(qiáng)度， 通過總結(jié)大量工程經(jīng)驗，最理想的堆石料為花崗巖、石英巖、石灰?guī)r等，在若碾壓施工足夠達(dá)標(biāo)，諸如粉砂巖、頁巖等較軟弱巖石也可以用于壩體填筑。

本項目堆石料來自溢洪道開挖及石料廠開采，主要為混合花崗巖，物理力學(xué)性質(zhì)如表1。 本項目要求全風(fēng)化覆蓋層石料全部廢棄， 強(qiáng)風(fēng)化帶石料作為副壩填筑料［5］。

表1 壩體堆石料物理力學(xué)性質(zhì)

3.2.2 堆石料填筑施工

在施工環(huán)境較低情況下， 堆石料的鋪設(shè)碾壓作業(yè)必須在完全干燥情況下進(jìn)行， 這就大大增加了施工難度。在滿足工程要求的前提下，為了盡量降低施工成本，在此共設(shè)計9種施工方案，現(xiàn)場正交試驗如表2。

表2 堆石料填筑施工正交試驗

通過試驗可得：①鋪料0.6m，碾壓10遍，填筑干容重為22.2～23.1kN/m3， 可達(dá)到ⅢB主堆石區(qū)標(biāo)準(zhǔn)；②鋪料0.8m，碾壓8遍，填筑干容重為19.9～22.1kN/m3，可達(dá)到ⅢC次堆石區(qū)標(biāo)準(zhǔn)；③ⅢA過渡區(qū)對容重要求最高，鋪料0.6m，碾壓12遍都無法達(dá)標(biāo)，最終設(shè)計鋪料0.4m，碾壓10遍。

3.3 低溫環(huán)境墊層鋪筑施工要點

3.3.1 墊層料級配要求

墊層是整個堆石壩技術(shù)含量最高的結(jié)構(gòu)之一，理論上其細(xì)料含量越高、滲透系數(shù)越小越好，但在高寒地區(qū)，這些都易造成混凝土面板的凍脹破壞［6］。 經(jīng)過很多學(xué)者總結(jié)， 目前墊料級配建議值如表3所示，本項目在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場試驗進(jìn)行調(diào)節(jié)， 總結(jié)出以下經(jīng)驗：

（1）墊層整體結(jié)構(gòu)考慮，墊層料最大粒徑不得大于75mm，并減少5mm以下粒徑含量。

（2） 石料中含泥量對墊層的滲透系數(shù)有著很大影響，本項目墊層料含泥量適宜范圍6%～8%，控制滲透系數(shù)為10-4cm/s。

表3 墊層料級配建議值

3.3.2 墊層料配比優(yōu)化設(shè)計

在低溫環(huán)境下，墊層鋪筑也不能灑水，本項目現(xiàn)場試驗證明：若沿用正常溫度施工設(shè)計，僅通過降低每層厚來達(dá)到要求容重值方法行不通。 本項目技術(shù)人員通過往墊料里摻合水洗砂、石粉來改善墊料級配。

本項目所用水洗砂含水量為1.7%～2.1%， 且含泥量很小，在低溫環(huán)境下不易凍塊，經(jīng)過多次試驗對比，本項目最終確定墊料配比：初碎石∶水洗砂∶石粉=5∶1∶1［7］。 通過試驗，確定該配比下墊料經(jīng)碾壓干容重達(dá)21.9kN/m3，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。 具體鋪筑施工要求如下：

（1）墊層料從制備到攤鋪全部在白天進(jìn)行，其中攤鋪碾壓施工時間控制在13∶00 ～16∶00范圍，每層鋪設(shè)厚度0.3m，碾壓遍數(shù)10遍。

（2）對墊層料施工質(zhì)量抽檢比例不低于10%，且逐層檢查。 經(jīng)統(tǒng)計總體抽檢合格率達(dá)92%，不合格區(qū)域要全部清除后再補(bǔ)充。

3.4 施工要點

3.4.1 混凝土材料要求

（1）由于本項目所處環(huán)境關(guān)系，對水泥性能在低溫時有較高要求， 本項目對天山水泥公司出產(chǎn)的32.5級和42.5級抗硫酸鹽水泥、32.5級低堿水泥進(jìn)行了對比，確定42.5級抗硫酸鹽水泥最好。

（2）本項目對木鈣、SK型引氣劑、三醇胺等3種外加減水劑對混凝土性能影響進(jìn)行了試驗對比， 為保證試驗準(zhǔn)確度， 各類外加劑每個對比參數(shù)試塊均設(shè)計5個，試塊尺寸：150 mm×150 mm×150mm，取有效數(shù)值的平均數(shù)作為最終值。 具體對比參數(shù)及數(shù)據(jù)結(jié)果如表4。

表4 不同外加劑對混凝土性能影響對比

由表4可知：①從摻量考慮，SK型引氣劑最大，三醇胺最小，但三醇胺價格高，經(jīng)濟(jì)性差；②從減水率效果分析，三醇胺＞SK型引氣劑＞木鈣，且木鈣對提高混凝土抗壓強(qiáng)度效果不明顯，因此排除木鈣；③SK型引氣劑下混凝土坍落度和含氣量均處于較好水平， 綜合比較本項目選取SK型引氣劑作為外加減水劑。

3.4.2 混凝土配比及施工要點

（1）本項目混凝土配比也是通過試驗確定，最終推薦配比為：水灰比0.338、砂率40%、坍落度5cm、SK型外加劑0.32%。經(jīng)測試其抗凍性可達(dá)快凍300次，大于抗凍指標(biāo)F300。

（2）本項目混凝土面板采用滑模施工，低溫施工時需采取必要的保溫措施。 本項目采用“苯板+鋼筋壓重”方案，具體如下：在澆筑混凝土板時預(yù)埋鋼筋鉤（φ10），間排距為2m×8m，埋深5cm，外露8cm；苯板鋪設(shè)完成后再將φ22鋼筋壓在苯板上， 并用14#鐵絲捆扎牢固，使苯板緊貼混凝土面。

4 結(jié)語

混凝土面板堆石壩設(shè)計和施工技術(shù)簡單， 導(dǎo)致該壩型引入高寒地區(qū)后問題頻出， 根本原因在于沒有充分考慮低溫環(huán)境這一影響因素。 低溫環(huán)境對混凝土面板堆石壩的特殊， 本項目將壩體分成了3個區(qū)，對每個分區(qū)的設(shè)計要求進(jìn)行了說明；通過對比確定了將SK型引氣劑作為減水劑。 該水庫工程投入使用兩年以來，各項指標(biāo)正常，沒有出現(xiàn)裂縫、滲漏問題，取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會效益，充分說明了本項目設(shè)計和施工的科學(xué)合理性。