堆石自密实混凝土重力坝设计关键问题研究分析

堆石自密实混凝土重力坝设计关键问题研究分析

龚小锋

河南省水利勘测设计研究有限公司四川分公司，四川 成都 610000

摘要：水利工程是人类社会发展的重要基础设施，对于保障水资源供给、防洪抗旱、发电灌溉、航运交通、生态环境等方面都有着不可替代的作用。水利工程中，水坝是一种常见的建筑物，其主要功能是拦截河流，形成水库，调节水流，利用水能。根据坝体结构和受力特点，水坝可以分为重力坝、拱坝、拱重力坝等类型。其中，重力坝是一种依靠自身重量抵抗水压的坝型，具有结构简单、稳定可靠、适应性强等特点，是世界上最常用的坝型之一。而堆石自密实混凝土重力坝是一种利用堆石填充体作为骨料，用自密实混凝土作为胶结料，构成一体的重力坝。本文对此展开探讨，分析堆石自密实混凝土重力坝设计的关键问题。

关键词：堆石；自密实混凝土；重力坝；关键问题

一、堆石自密实混凝土重力坝的概念和特点

堆石自密实混凝土重力坝是指在堆石填充体中灌注自密实混凝土而形成的重力坝。堆石填充体是指由直径大于20cm的碎石或卵石组成的松散体，其空隙率一般在30%~40%之间。自密实混凝土是指具有良好流动性和稳定性，能够在无振捣或少振捣的情况下充分填充模板内部空间，并与骨料紧密结合的混凝土。堆石自密实混凝土重力坝的主要特点如下：

节省水泥。由于堆石填充体占据了大部分的体积，所以所需的胶结料量相对较少，从而节省了水泥消耗。据统计，堆石自密实混凝土重力坝每立方米所需的水泥量约为100kg，而传统的混凝土重力坝每立方米所需的水泥量约为300kg，节省了约66%的水泥。

降低成本。由于水泥消耗量的减少，以及堆石填充体的来源广泛、价格低廉，堆石自密实混凝土重力坝的造价相对较低。据估算，堆石自密实混凝土重力坝的单位造价约为传统的混凝土重力坝的60%~70%。

提高施工效率。由于自密实混凝土具有良好的流动性和稳定性，能够在无振捣或少振捣的情况下充分填充模板内部空间，并与骨料紧密结合，因此堆石自密实混凝土重力坝的施工速度相对较快。另外，由于堆石填充体的敷设和压实也比较简单，堆石自密实混凝土重力坝的施工周期也相对较短。据报道，堆石自密实混凝土重力坝的施工效率约为传统的混凝土重力坝的2~3倍。

适应地质条件。由于堆石自密实混凝土重力坝的结构灵活，能够适应不同的地形和地质条件，如岩基、软基、裂隙、断层等。堆石自密实混凝土重力坝能够有效地分散和传递基础应力，降低基础变形和沉降，提高坝基稳定性。

增强抗震能力。由于堆石自密实混凝土重力坝具有较高的空隙率和较低的模量，能够有效地吸收和消散地震波的能量，降低地震作用下的应力集中和裂缝发展，提高抗震性能。据试验表明，堆石自密实混凝土重力坝在强震作用下的安全系数约为传统的混凝土重力坝的1.5~2倍。

二、堆石自密实混凝土重力坝设计的关键因素

（一）堆石填料

堆石填料是影响堆石自密实混凝土重力坝设计的关键因素之一。堆石填料的选择、配比、厚度、形状等都会影响坝体的结构性能和施工效果。一般来说，堆石填料应该满足以下要求：

堆石填料应该选择硬度高、耐久性好、抗冻性强、无泥质等杂质的材料，如碎石、卵石等；堆石填料应该按一定的粒径分级，以保证充分利用空间，提高空隙率和渗透率。一般采用两级或三级分级，粒径范围为5-80mm；堆石填料应该按一定的比例配合使用，以保证各级粒径之间有足够的缓冲空间，避免产生大量细粒或空洞。一般采用5:3:2或4:3:3等比例；堆石填料的厚度应该根据坝高、坝宽、坝型等因素确定，以保证坝体的稳定性和经济性。一般来说，堆石填料的厚度应该占坝高的30-50%，坝宽的40-60%；堆石填料的形状应该尽量选择圆形或近似圆形的材料，以减少锐角和棱边，提高堆石骨架的整体性和自密实混凝土的充填性。如果使用不规则形状的材料，应该尽量打碎或切割，使其尺寸不超过粒径范围。

（二）自密实混凝土

自密实混凝土是影响堆石自密实混凝土重力坝设计的关键因素之二。自密实混凝土的配合比、流动性、充填性、强度、耐久性等都会影响坝体的结构性能和施工效果。一般来说，自密实混凝土应该满足以下要求：

自密实混凝土的配合比应该根据堆石骨架的空隙率、渗透率、粒径分布等因素确定，以保证自密实混凝土能够充分流动和充填，避免出现蜂窝、空洞等缺陷。一般来说，自密实混凝土的水灰比应该控制在0.35-0.45之间，水胶比应该控制在0.45-0.55之间，粉料掺量应该占胶凝材料总量的30-40%；自密实混凝土的流动性应该根据堆石骨架的空隙率、渗透率、粒径分布等因素确定，以保证自密实混凝土能够在重力作用下自行流动和充填，无需振捣或压实。一般来说，自密实混凝土的流动性应该满足以下标准：坍落度为200-250mm，V型漏斗时间为6-12s，L型箱时间为0.8-1.2s；自密实混凝土的充填性应该根据堆石骨架的空隙率、渗透率、粒径分布等因素确定，以保证自密实混凝土能够紧密地包裹堆石骨架，形成一个连续的整体，提高坝体的抗渗性和耐久性。一般来说，自密实混凝土的充填性应该满足以下标准：U型箱充填率为90%以上，J型环充填率为85%以上；自密实混凝土的强度应该根据坝体承受的荷载和应力等因素确定，以保证坝体的安全性和可靠性

[1]。

三、堆石自密实混凝土重力坝设计的实例分析

为了进一步说明堆石自密实混凝土重力坝设计的关键意义，本文将以中国四川省乐山市嘉定江水电站为例进行分析。嘉定江水电站是一座利用嘉定江水能资源建设的中型水电站，其主要工程包括堆石自密实混凝土重力坝、泄洪隧洞、发电厂房等。其中，堆石自密实混凝土重力坝是该工程的核心部分，其设计如下：

堆石自密实混凝土重力坝的总长为180米，最大坝高为60米，坝顶宽度为6米，坝底宽度为36米，坝体总体积为12.6万立方米[2]。

堆石填充体由当地采集的碎石经机械压实而成，其平均孔隙率为40%，平均抗压强度为15兆帕，平均渗透系数为0.1立方米/秒。

自密实混凝土面板由C50级高强度低渗透性混凝土浇筑而成，其平均厚度为0.8米，平均宽度为3米，平均长度为15米，平均倾角为30度。

堆石填充体和自密实混凝土面板采用嵌入式配合方式，在堆石填充体中预留出相应的槽口，在自密实混凝土面板中设置出相应的突起，在浇筑时将两者紧密嵌合在一起[3]。

通过上述设计，嘉定江水电站堆石自密实混凝土重力坝合理地确定了堆石填充体和自密实混凝土面板的尺寸、形式、位置、数量等参数，使得堆石自密实混凝土重力坝能够有效地抵抗嘉定江的最大洪水压力，并且能够承受8级地震的影响，不出现裂缝和滑移等现象。

四、结束语

综上所述，堆石自密实混凝土重力坝是一种具有广阔发展前景的水利工程结构，但也存在一些设计关键问题，需要进一步的研究和探索。本文从几个角度对堆石自密实混凝土重力坝进行了初步的分析和讨论，希望能为相关领域的学者和工程师提供一些参考和启示。

参考文献：

[1]糜凯华,邓水明.自密实堆石混凝土在洛艾水库中的应用分析[C]//中国大坝工程学会.水库大坝智慧化建设与高质量发展.中国建筑工业出版社,2023:586-591.

[2]邓钊,王聪.自密实堆石混凝土重力坝施工配合比设计研究与实践[C]//中国大坝工程学会.水库大坝智慧化建设与高质量发展.中国建筑工业出版社,2023:599-607.

[3]赵京燕.自密实堆石混凝土重力坝施工关键技术研究与实践[C]//中国大坝工程学会.水库大坝智慧化建设与高质量发展.中国建筑工业出版社,2023:482-489.