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摘要：主要研究小粒径石料填筑混凝土面板堆石坝技术。以新疆塔城白杨河水库枢纽大坝的填筑工程为研究对象对这项技术进行了研究。小粒径石料虽然在物理力学性质方面存在缺陷，但是这种级配差、硬度大的小粒径风化石在制定合理的施工参数，选择合适的上坝材料，是可以作为大坝堆石体材料的，小粒径石料在堆石坝填筑中的应用丰富了堆石坝填筑材料来源，对枢纽工程开挖料充分利用，有效降低了大坝填筑的材料成本。
关键词：小粒径石料砼面板堆石坝
中图分类号：C35文献标识码： A
白杨河引水工程由白杨镇水库与输水管道组成。白杨镇水库主要包括拦河大坝、输水隧洞、溢洪洞、导流冲沙隧洞，水库坝址以上集水面积为1782km2，设计总库容为4463×104m3，该水库属中型工程，工程等别为Ⅲ等，永久性主要建筑物级别为3级，永久性次要建筑物级别为4级，临时性水工建筑物级别为5级。水库工程设计洪水标准重现期为50年，洪峰流量290m3/s，校核洪水标准重现期为1000年，洪峰流量531m3/s。工程区地震动峰值加速度为0.052g，地震动反应普特征周期为0.35s,相应于地震基本烈度为Ⅵ度。
一、工程概况
白杨镇水库大坝坝型为砼面板砂砾石坝。坝址位于白杨河大桥上游约2km河道转弯一个缩窄的山谷处，该河谷比较狭窄，为不对称型河谷，谷底宽70～90m。大坝轴线大致呈东西方向，东偏北24°36′47″。坝顶高程958.68m，坝顶宽8m，坝顶长310m，最大坝高60.013m，水库正常蓄水位955.14m，设计洪水位956.12m，校核洪水位956.55m。坝顶上游设置“L”形防浪墙，基础与大坝面板相接，防浪墙顶高程959.88m，墙高3.2m，厚0.3m，墙顶高出坝顶路面1.2m，采用钢筋砼现浇，防浪墙每8.0m设置一条伸缩缝。坝顶铺设步行砖路面，路面净宽7.5m，为排除雨水，路面自上游向下游倾斜，坡度为2％。坝顶下游侧设路沿石，横断面尺寸为0.5×0.2m，路沿石高出坝顶0.2m，材料为C25砼。大坝桩号0-025-0+030和桩号0+210-0+290段趾板宽度为5m，大坝桩号0+030-0+210段趾板宽度为7m，采用C30F300W8混凝土现浇，趾板厚40cm。大坝上游坝坡为1：1.5，采用整体式现浇40～45cm厚C30F300W8钢筋砼面板，桩号0+060—0+252段每12m设一道伸缩缝，其余6m设一道伸缩缝，伸缩缝采用聚氨酯嵌缝，每块面板均是从坝底到坝顶连续浇筑，一次性浇筑成型，在混凝土面板上涂增强型聚氨酯密封止水材料（大坝专用），以增强坝面板抵抗冰拔、冰推及防冻害、防冻融的能力。下游坝坡1：1.45，网格梁尺寸为20cm×40cm的C20F200砼现浇，梁内铺边长30cm、厚6cm的预制砼六棱块。为便于安放检测设施，在下游坝坡上设两个马道，马道宽2m，高程分别为918m、935m。
二、小粒径石料相关研究
使用室内试验对小粒径石料的物理力学性质进行全面的研究。物理力学性质主要有岩石比重、吸水率、抗压强度、弹性模量以及堆石体抗剪强度、压缩模量、渗透实验等。
（一）小粒径石料颗粒构成
塔城地区白杨河小粒径堆石料颗粒构成见表1。
表1塔城地区小粒径堆石料颗粒组成
填筑区 小于某粒径重量百分比
100 80 60 40 20 10 5 2 1 0.5 0.2
垫层料 100 96.2 87.6 67.5 51.2 40.6 29.5 20.6 16.6 10.4
过渡料 100 96.5 85.4 71.6 52.6 34.6 18.3 11.5 8.6 5.9 3.8
主堆石 92.6 77.5 62.3 51.6 19.6 10.7 5.6 2.8 1.3 0.9 0.3
小粒径石料颗粒级配曲线不满足堆石体设计包络曲线，但是坝料级配良好。
（二）小粒径石料物理力学性质
室内基本物理力学性质主要包括比重、吸水率、干抗压强度和饱和抗压强度以及弹性模量等指标，塔城地区白杨河小粒径石料的基本物理力学指标如表2。
表2石料基本力学性质指标
编号 比重（g/cm3） 吸水率（%） 干抗压强度（MPa） 饱和抗压强度（MPa） 弹性模量x104
1 2.98 1.88 118.6 90.5 6.92
2 1.72 1.75 122.6 92.4 7.26
根据室内实验结果，发现破碎玄武岩半风化石料饱和以及抗压强度大，为坚硬岩石，因而塔城地区小粒径石料强度能够满足填筑石料抗压强度要求。
三、小粒径石料填筑混凝土面板堆石坝应力变形研究
白杨河水库坝体左岸为滑坡体，为了保证边坡稳定，滑坡体使用大开挖方案。
（一）静力有限元分析
选择整个坝体基岩体以下50m，坝脚上下游各50米范围作为分析区域。面板堆石坝使用堆石作为筑坝材料，受压时棱角受到破坏，使堆石料显示出明显的剪缩特性，自重作用下主应力方向向下，这种因素使得堆石料在水压力作用下，颗粒位移向下游，垂直方向则有着明显的向下趋势，因而设计面板堆石坝时应该考虑堆石料剪缩特性，建立弹塑性模型。本次分析使用增量弹塑性本构模型，应力增量和应变增量之间关系如下：d{𝜎}=[D]epd{ε}。
混凝土面板堆石坝最重要的是混凝土面板的工作状态，在蓄水运行时面板内应力和变形是最为关心的问题。根据模型计算，水库蓄水期间，混凝土面板的压力主要表现为压应力，但是在坝底趾板附近存在着0.68MPa的拉应力，在混凝土抗拉强度一下，可以认为混凝土面板能够满足安全运行。
根据计算模拟，坝体施工结束之后，坝体内垂直方向应力最大值为1.347MPa，位置在坝底，向两边逐渐减小。总应力分布从坝顶向坝体底部逐渐增大，坝体内没有拉应力。大坝蓄水之后，水压力会导致压应力增加，坝体施工完成后位移分布规律基本上是，坝体y方向最大沉降出现在坝体中部约1/2高度，为扩散状并且逐渐向四周减小，坝体X方向的唯一很小，并且基本沿则中轴线对称，并且上下游坝面外鼓出，最大位移3.1cm。经过比对，我们认为白杨河水库大坝的坝体应力位移在正常的范围内。
（二）坝坡稳定性
坝坡稳定性分析目前主要使用假定圆弧分土条方法进行。为了保证计算精度，把滑动体分为10个条，对不用位置的滑动面安全系数进行分别求取，选择安全系数最小的滑动面作为坝坡稳定性的判断依据。动力稳定性计算使用拟静力法进行。通过计算，发现最危险滑动面在圆心角=55.6402，滑半径R=130m滑弧上，静力状态先滑动面安全系数1.720，地震状态下安全系数1.42，大于土石坝要求的安全系数1.2，我们可以认为，白杨河水库大坝是稳定的。
四、白杨河大坝坝体填筑施工
白杨河水库堆石面板坝总填筑量在101万m3，砂砾石垫层料4.5万m3，竖向排水料2.3万m3，大坝填筑施工全断面均匀填筑施工技术，从优化料场选择、坝料规划到填筑整个过程进行合理的安排，保证了坝体的填筑质量。
（一）选择料场
原计划堆石料料场在溢洪道的开挖区，坝体填筑之前根据实际情况可进行适当的调整。料场规划要保证料源负荷要求，并且料源充足，便于直接上坝。料场布置需要拥有尽量大的开采范围，能够轮流作业，施工交通网络顺畅，还要能够和施工设备配套。由于堆石料的运输费用达到了坝体填筑总费用的60%，因而料场越近，经济效益越好。
（二）道路布置
大坝坝料主要运输设备是20t和32t自卸汽车，道路布置需要考虑能够满足高强度运输的要求并且尽量减小运输距离，道路的修筑与路线更改需要和进度计划适应，高程不同应布置不同的上坝路线，还要保证料场之间、坝上下游之间畅通。
左岸是进入坝区主干线，为8m宽砂砾石路面，在工程准备期就已经建成，左岸沿河道路是构造溢洪道主料场和上坝主交通线，宽10m，最大纵坡10%。
（三）大坝填筑
首先进行坝体全断面分层分区整体规划，开展施工组织和施工工艺以及质量保证体系建设，通过技术、管理、经济等多种手段保证填筑质量
垫层料使用掺加30%人工砂的混合料，過渡料选择料场中细粒含量很大的石料，使用半风化玄武岩作为主、次堆石料，岩石破碎粒径20-60mm含量较大，级配均匀，含泥量在1%一下，小于5mm含量在3-8%。垫层量过渡料铺筑使用25t自行式振动碾碾压10遍，主次堆石体碾压采用25t拖式光面振动碾碾压10遍。铺料厚度控制需要使用测量放样和标尺检查的方式进行，合格之后才能够开展下一道工序，否则需要进行修整。
斜坡碾压在垫层料上游坡面进行，碾压前首先进行坡面修正。要求修正后坡面在法线方向上要高于设计5-10cm，同样使用10t斜坡振动平碾进行碾压，滚筒式斜坡碾使用放置在坝面上的1.6m3挖掘机进行锚固，挖掘机上有改向设备，先进行静碾，后进行振碾。
结束语：小粒径石料通过合适的级配，编制合理科学的施工方案，是能够用于砼面板堆石坝填筑的，因而可以有效提高水库枢纽工程开挖料的利用率，节省了材料成本，获得很高的经济效益。
参考文献：
[1]周国强.龙首二级(西流水)混凝土面板堆石坝坝料填筑标准研究[J].甘肃水利水电技术,2013,3,39(3)
[2]杜小佩,徐建林.白水坑水库混凝土堆石坝垫层区施工工艺探讨[J].浙江水利水电专科学校学报,2012,9,14(3)
[3]刘宏梅.透水堆石坝的渗流稳定[J].水利水电科学研究院科学研究论文集第32集,水利电力出版社,2012.
[4]王全江,郭秀芳,张来文.团结水电站心墙防渗堆石坝筑坝材料的设计与应用[J].黑龙江水利科技,2012.
关键词：小粒径石料砼面板堆石坝
中图分类号：C35文献标识码： A
白杨河引水工程由白杨镇水库与输水管道组成。白杨镇水库主要包括拦河大坝、输水隧洞、溢洪洞、导流冲沙隧洞，水库坝址以上集水面积为1782km2，设计总库容为4463×104m3，该水库属中型工程，工程等别为Ⅲ等，永久性主要建筑物级别为3级，永久性次要建筑物级别为4级，临时性水工建筑物级别为5级。水库工程设计洪水标准重现期为50年，洪峰流量290m3/s，校核洪水标准重现期为1000年，洪峰流量531m3/s。工程区地震动峰值加速度为0.052g，地震动反应普特征周期为0.35s,相应于地震基本烈度为Ⅵ度。
一、工程概况
白杨镇水库大坝坝型为砼面板砂砾石坝。坝址位于白杨河大桥上游约2km河道转弯一个缩窄的山谷处，该河谷比较狭窄，为不对称型河谷，谷底宽70～90m。大坝轴线大致呈东西方向，东偏北24°36′47″。坝顶高程958.68m，坝顶宽8m，坝顶长310m，最大坝高60.013m，水库正常蓄水位955.14m，设计洪水位956.12m，校核洪水位956.55m。坝顶上游设置“L”形防浪墙，基础与大坝面板相接，防浪墙顶高程959.88m，墙高3.2m，厚0.3m，墙顶高出坝顶路面1.2m，采用钢筋砼现浇，防浪墙每8.0m设置一条伸缩缝。坝顶铺设步行砖路面，路面净宽7.5m，为排除雨水，路面自上游向下游倾斜，坡度为2％。坝顶下游侧设路沿石，横断面尺寸为0.5×0.2m，路沿石高出坝顶0.2m，材料为C25砼。大坝桩号0-025-0+030和桩号0+210-0+290段趾板宽度为5m，大坝桩号0+030-0+210段趾板宽度为7m，采用C30F300W8混凝土现浇，趾板厚40cm。大坝上游坝坡为1：1.5，采用整体式现浇40～45cm厚C30F300W8钢筋砼面板，桩号0+060—0+252段每12m设一道伸缩缝，其余6m设一道伸缩缝，伸缩缝采用聚氨酯嵌缝，每块面板均是从坝底到坝顶连续浇筑，一次性浇筑成型，在混凝土面板上涂增强型聚氨酯密封止水材料（大坝专用），以增强坝面板抵抗冰拔、冰推及防冻害、防冻融的能力。下游坝坡1：1.45，网格梁尺寸为20cm×40cm的C20F200砼现浇，梁内铺边长30cm、厚6cm的预制砼六棱块。为便于安放检测设施，在下游坝坡上设两个马道，马道宽2m，高程分别为918m、935m。
二、小粒径石料相关研究
使用室内试验对小粒径石料的物理力学性质进行全面的研究。物理力学性质主要有岩石比重、吸水率、抗压强度、弹性模量以及堆石体抗剪强度、压缩模量、渗透实验等。
（一）小粒径石料颗粒构成
塔城地区白杨河小粒径堆石料颗粒构成见表1。
表1塔城地区小粒径堆石料颗粒组成
填筑区 小于某粒径重量百分比
100 80 60 40 20 10 5 2 1 0.5 0.2
垫层料 100 96.2 87.6 67.5 51.2 40.6 29.5 20.6 16.6 10.4
过渡料 100 96.5 85.4 71.6 52.6 34.6 18.3 11.5 8.6 5.9 3.8
主堆石 92.6 77.5 62.3 51.6 19.6 10.7 5.6 2.8 1.3 0.9 0.3
小粒径石料颗粒级配曲线不满足堆石体设计包络曲线，但是坝料级配良好。
（二）小粒径石料物理力学性质
室内基本物理力学性质主要包括比重、吸水率、干抗压强度和饱和抗压强度以及弹性模量等指标，塔城地区白杨河小粒径石料的基本物理力学指标如表2。
表2石料基本力学性质指标
编号 比重（g/cm3） 吸水率（%） 干抗压强度（MPa） 饱和抗压强度（MPa） 弹性模量x104
1 2.98 1.88 118.6 90.5 6.92
2 1.72 1.75 122.6 92.4 7.26
根据室内实验结果，发现破碎玄武岩半风化石料饱和以及抗压强度大，为坚硬岩石，因而塔城地区小粒径石料强度能够满足填筑石料抗压强度要求。
三、小粒径石料填筑混凝土面板堆石坝应力变形研究
白杨河水库坝体左岸为滑坡体，为了保证边坡稳定，滑坡体使用大开挖方案。
（一）静力有限元分析
选择整个坝体基岩体以下50m，坝脚上下游各50米范围作为分析区域。面板堆石坝使用堆石作为筑坝材料，受压时棱角受到破坏，使堆石料显示出明显的剪缩特性，自重作用下主应力方向向下，这种因素使得堆石料在水压力作用下，颗粒位移向下游，垂直方向则有着明显的向下趋势，因而设计面板堆石坝时应该考虑堆石料剪缩特性，建立弹塑性模型。本次分析使用增量弹塑性本构模型，应力增量和应变增量之间关系如下：d{𝜎}=[D]epd{ε}。
混凝土面板堆石坝最重要的是混凝土面板的工作状态，在蓄水运行时面板内应力和变形是最为关心的问题。根据模型计算，水库蓄水期间，混凝土面板的压力主要表现为压应力，但是在坝底趾板附近存在着0.68MPa的拉应力，在混凝土抗拉强度一下，可以认为混凝土面板能够满足安全运行。
根据计算模拟，坝体施工结束之后，坝体内垂直方向应力最大值为1.347MPa，位置在坝底，向两边逐渐减小。总应力分布从坝顶向坝体底部逐渐增大，坝体内没有拉应力。大坝蓄水之后，水压力会导致压应力增加，坝体施工完成后位移分布规律基本上是，坝体y方向最大沉降出现在坝体中部约1/2高度，为扩散状并且逐渐向四周减小，坝体X方向的唯一很小，并且基本沿则中轴线对称，并且上下游坝面外鼓出，最大位移3.1cm。经过比对，我们认为白杨河水库大坝的坝体应力位移在正常的范围内。
（二）坝坡稳定性
坝坡稳定性分析目前主要使用假定圆弧分土条方法进行。为了保证计算精度，把滑动体分为10个条，对不用位置的滑动面安全系数进行分别求取，选择安全系数最小的滑动面作为坝坡稳定性的判断依据。动力稳定性计算使用拟静力法进行。通过计算，发现最危险滑动面在圆心角=55.6402，滑半径R=130m滑弧上，静力状态先滑动面安全系数1.720，地震状态下安全系数1.42，大于土石坝要求的安全系数1.2，我们可以认为，白杨河水库大坝是稳定的。
四、白杨河大坝坝体填筑施工
白杨河水库堆石面板坝总填筑量在101万m3，砂砾石垫层料4.5万m3，竖向排水料2.3万m3，大坝填筑施工全断面均匀填筑施工技术，从优化料场选择、坝料规划到填筑整个过程进行合理的安排，保证了坝体的填筑质量。
（一）选择料场
原计划堆石料料场在溢洪道的开挖区，坝体填筑之前根据实际情况可进行适当的调整。料场规划要保证料源负荷要求，并且料源充足，便于直接上坝。料场布置需要拥有尽量大的开采范围，能够轮流作业，施工交通网络顺畅，还要能够和施工设备配套。由于堆石料的运输费用达到了坝体填筑总费用的60%，因而料场越近，经济效益越好。
（二）道路布置
大坝坝料主要运输设备是20t和32t自卸汽车，道路布置需要考虑能够满足高强度运输的要求并且尽量减小运输距离，道路的修筑与路线更改需要和进度计划适应，高程不同应布置不同的上坝路线，还要保证料场之间、坝上下游之间畅通。
左岸是进入坝区主干线，为8m宽砂砾石路面，在工程准备期就已经建成，左岸沿河道路是构造溢洪道主料场和上坝主交通线，宽10m，最大纵坡10%。
（三）大坝填筑
首先进行坝体全断面分层分区整体规划，开展施工组织和施工工艺以及质量保证体系建设，通过技术、管理、经济等多种手段保证填筑质量
垫层料使用掺加30%人工砂的混合料，過渡料选择料场中细粒含量很大的石料，使用半风化玄武岩作为主、次堆石料，岩石破碎粒径20-60mm含量较大，级配均匀，含泥量在1%一下，小于5mm含量在3-8%。垫层量过渡料铺筑使用25t自行式振动碾碾压10遍，主次堆石体碾压采用25t拖式光面振动碾碾压10遍。铺料厚度控制需要使用测量放样和标尺检查的方式进行，合格之后才能够开展下一道工序，否则需要进行修整。
斜坡碾压在垫层料上游坡面进行，碾压前首先进行坡面修正。要求修正后坡面在法线方向上要高于设计5-10cm，同样使用10t斜坡振动平碾进行碾压，滚筒式斜坡碾使用放置在坝面上的1.6m3挖掘机进行锚固，挖掘机上有改向设备，先进行静碾，后进行振碾。
结束语：小粒径石料通过合适的级配，编制合理科学的施工方案，是能够用于砼面板堆石坝填筑的，因而可以有效提高水库枢纽工程开挖料的利用率，节省了材料成本，获得很高的经济效益。
参考文献：
[1]周国强.龙首二级(西流水)混凝土面板堆石坝坝料填筑标准研究[J].甘肃水利水电技术,2013,3,39(3)
[2]杜小佩,徐建林.白水坑水库混凝土堆石坝垫层区施工工艺探讨[J].浙江水利水电专科学校学报,2012,9,14(3)
[3]刘宏梅.透水堆石坝的渗流稳定[J].水利水电科学研究院科学研究论文集第32集,水利电力出版社,2012.
[4]王全江,郭秀芳,张来文.团结水电站心墙防渗堆石坝筑坝材料的设计与应用[J].黑龙江水利科技,2012.