東莊水利樞紐圍堰選型研究

王民俠

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

東莊水庫是陜西省內在建庫容最大、壩高最高的水庫，壩型為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230 m，電站裝機11 萬kW，施工總工期95 個月，估算總投資154.34 億元。為給拱壩施工創造條件，布置上游圍堰配合右岸導流洞攔導洪水，圍堰施工處于關鍵線路，經綜合比選后采用了膠結石渣料圍堰型式。2022 年2 月15 日～5 月3 日完成堰體填筑，用時2.5 個月，比計劃工期提前1 個月，平均月上升22 m，僅次于國內已建大華僑水電站膠結人工砂石圍堰28 m/月的上升高度，位列國內第二，節省工期28%。經施工驗證圍堰堰型的選擇和設計是合適的，為東莊拱壩提前施工奠定了良好基礎。

1 項目概況

東莊水利樞紐[1]上游圍堰為施工期擋水建筑物，根據保護對象、失事后果、使用年限和臨時建筑物規模確定其級別。水庫總庫容32.76 億m，為Ⅰ等大(1)型工程，上游圍堰保護的拱壩為1 級建筑物;工程下游為峽谷河道，人煙稀少，無城鎮和工礦企業，圍堰失事后淹沒基坑，對總工期及第一臺機組發電造成較大經濟損失;圍堰使用年限為2.5 年;圍堰高度大于50 m;圍堰總庫容2582 萬m3，介于0.1 億m3～1 億m3之間。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[1](SL 252-2017)第4.8.1 條規定，按高度圍堰應為3 級建筑物，按其余指標均為4 級建筑物。第4.8.2 條規定，“列為3 級臨時性水工建筑物時，符合該級別規定的指標不得少于兩項。”綜合考慮4.8.1 條和4.8.2 條，圍堰級別確定為4 級。防洪標準為10 年一遇洪水，洪峰流量為5300 m3/s。

2 堰體選型

堰址距拱壩開挖邊線距離較近，不具備布置均質土圍堰和面板堆石圍堰條件，經前期方案比選，碾壓混凝土圍堰造價較高本次不列入比較。該工程開挖灰巖石渣較多，骨料可就地取材，依據《膠結顆粒料筑壩技術導則》[3](SL 678-2014)，為體現“宜材適構、宜構適材”的設計理念，減少骨料加工和運輸費用，同時為推廣筑壩新技術的應用，圍堰填筑材料在膠結顆粒料中的膠結石渣料和堆石混凝土之間進行選擇。兩種新材料均具有低碳環保、低水化熱(溫控簡單)、工藝簡便、造價低廉、施工快速的優點，膠結石渣料筑壩技術在陜西省內尚無工程應用實例，堆石混凝土壩陜西省目前應用于安康佰佳水電站、太白石溝水庫、鎮安抽水蓄能電站、東莊二道壩等四座水庫。

2.1 膠結顆粒料

膠結顆粒料是一種介于散粒土石料和混凝土之間的新型材料，利用膠凝材料將顆粒膠結形成具有一定強度的材料，一般包括膠凝砂礫石(因本工程砂礫石缺乏，采用膠結石渣)、堆石混凝土等。

2.2 膠結石渣料

膠結石渣料是采用少量膠凝材料膠結石渣，骨料粒徑一般不大于150 mm。本工程棄渣一次破碎后全級配直接利用，經摻砂拌和、攤鋪、振動碾壓形成具有一定強度的材料，抗壓強度等級一般按180 d 齡期C4～C10 選用，材料性能能充分發揮，可避免超強造成浪費，具有安全、經濟和環保的目的。主要以自重維持穩定，將防滲、防凍和保護等部分與主體分開，主體承壓為主，但抗拉強度較低應避免結構受拉。

2.3 堆石混凝土

利用高自密實混凝土自重填注堆石空隙，無需振搗即可形成完整、密實、具有設計強度的大體積混凝土。堆石體積比一般為40%～50%，最高可達55%～60%，抗壓強度等級90 d齡期為C10～C35。堆石料利用300 mm 以上的塊石料，堆石厚度可控制在1.5 m ～2 m 左右。

3 圍堰斷面設計

3.1 膠結石渣料圍堰

堰頂高程639.2 m，堰頂寬7.0 m，由于基礎受力較為均衡，對基礎強度要求較低，最大堰高55.2 m，最大底寬62.2 m，堰頂639.2 m～634.2 m 之間采用矩形斷面，以下上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶0.6。本工程圍堰完建期有迎汛可能，抗壓強度等級按28 d 齡期考慮，使用期2.5 年，可不考慮防凍要求。堰體材料共分為三區:上游防滲層及堰基為Ⅰ區，采用C2810 W6 富漿膠結料;堰體內部為Ⅱ區，采用C284 W2 膠結料;堰頂及下游防護層、堰基為Ⅲ區，采用C2810 W2 富漿膠結料。在防滲層及保護層每15 m～20 m 設一道伸縮縫，堰體內部不設縫，膠結石渣料總方量6.7 萬m3。堰體設計斷面見圖1，堰基抗滑穩定及應力計算[4]成果見表1。材料分區見表3。

圖1 膠結石渣料堰體斷面

表1 膠結石渣料堰基抗滑穩定及應力計算成果表

3.2 堆石混凝土圍堰

堰頂高程639.2 m，堰頂寬7.0 m，由于基礎受力不均衡，對基礎強度要求較高，最大堰高56.2 m，最大底寬48.0 m，上游面直立，下游堰頂639.2 m～634.2 m 之間直立，以下坡比1∶0.8。堰體共分為四區:上游防滲層為Ⅰ區，采用C2815W6自密實混凝土;堰體內部為Ⅱ區，采用C2815W6 堆石混凝土;頂部為Ⅲ區，采用C20W4 常態混凝土;堰基為Ⅳ區，采用C20W6 常態混凝土。堰體每15 m～20 m 設一道伸縮縫，表面配置溫度鋼筋，堰體總方量約5.4 萬m3。堰體設計斷面見圖2，堰基抗滑穩定及應力計算成果見表2，材料分區見表3。

表2 堆石混凝土堰基抗滑穩定及應力計算成果表

表3 膠結石渣及堆石混凝土圍堰材料分區表

圖2 堆石混凝土堰體斷面

4 施工條件分析

4.1 原材料

就近取用開挖灰巖石渣，膠結石渣料圍堰將渣料破碎為150 mm 以下作為骨料，砂率25%;堆石混凝土篩除300 mm以下渣料作為骨料，骨料最大粒徑按小于結構最小邊長1/4控制。

4.2 配合比

膠結石渣料需繪制骨料級配包絡線，從而得出最粗級配、最細級配及平均級配，為帶級配，平均級配強度最小值需滿足配制強度要求，最細級配最小值不低于設計強度。膠凝材料用量不低于80 kg/m3，其中水泥用量不低于32 kg/m3。拌和物出機口工作度VC值在 2 s～25 s。水科院試驗室推薦配合比[5]見表4。

堆石混凝土所用高自密實性能混凝土配合比為單一級配，坍落度260 mm～280 mm，坍落擴展度650 mm～750 mm，V型漏斗通過時間7 s～25 s，自密實性能穩定性≥1 h。參考云南彝良縣松林水庫工程(壩高90 m，堆石巖性為灰巖)，膠凝材料用量170 kg，C15 堆石混凝土配合比見表5。

從表4、表5 可以看出，膠結石渣料膠凝材料用量約為堆石混凝土的47%，故堰體內部材料水化熱更低，無需設置橫縫，材料單價較堆石混凝土低35%左右。

表4 C4 W2 膠結石渣料配合比

表5 C15 W6 堆石混凝土配合比

4.3 施工拌和

膠結石渣采用大產量、高效率的連續式拌和設備，拌和能力可達200 m3/h;堆石混凝土中自密實混凝土采用常規拌和設備，堆石料須對施工工藝進行控制，以避免大骨料集中。

4.4 堰體填筑

膠結石渣料采用分層攤鋪連續碾壓而成，最大厚度不超過 700 mm;堆石混凝土無需碾壓，利用自密實混凝土自重填充堆石空隙，層高1.5 m～2 m，每層完成后需有層間間歇等強時間。

4.5 施工工期

膠結石渣料圍堰參考大華僑圍堰28 m/月的上升速度，設計時按16 m/月安排工期，計劃工期3.5 月，實際工期2.5 個月，平均月升22 m，月填筑2.7 萬m3。

堆石混凝土參考烏東德水電站圍堰(國內目前最快)每月11.2 m 的上升速度，計算工期為5 個月。

5 圍堰選型分析

對膠結石渣料和堆石混凝土兩種圍堰型式進行對比分析，見表6。

表6 圍堰型式比較表

續表6

從圍堰設計斷面來看，膠結石渣料斷面面積略大，但堰基要求低，堰高較小，基礎及邊坡開挖量少，受力較均勻;從溫控及分縫來看，膠結石渣料膠凝材料用量少53%，溫控更簡單;從原材料及配合比來看，用作圍堰的膠結石渣料可將骨料最大粒徑放寬至300 mm 以下，超徑料經破碎后可作為骨料應用，能最大限度減少棄渣，對骨料級配要求較低;從材料強度來看，膠結石渣料強度能得到充分發揮，避免超強造成浪費;從拌和設備上看，膠結石渣料需專用拌和設備連續拌和，生產能力可達200 m3/h，但需購置150 余萬元專用拌和設備。為簡化生產工藝，圍堰工程也常采用挖掘機進行現場拌和后入倉，由于本工程施工場地狹窄布置困難，同時考慮到施工工期緊、圍堰高度超過50 m，對工程質量要求較高，采用了專用拌和設備;從澆筑施工來看，膠結石渣料可連續碾壓施工，不設層間縫，堆石混凝土無需碾壓，但需設置層間縫;從工期看，膠結石渣料填筑期計劃3.5 個月，實際2.5 個月，比堆石混凝土節約工期50%;從堰體工程量看，堆石混凝土可減少19%工程量;從工程直接費看，兩種材料均具有投資較省的優勢，膠結石渣料因膠凝材料用量少，投資少255 萬元，可節省13%投資;從運用前景來看，隨著智慧水利、3 D 大壩打印技術的進一步發展，膠結石渣料具有更好的發展前景。

綜上所述，膠結石渣料圍堰具有工期更短、投資更省、膠凝材料用量更少、溫控更簡單，不配置鋼筋、施工簡便等優勢，故推薦采用膠結石渣料填筑圍堰，膠結石渣料圍堰平面布置見圖3。

圖3 膠結石渣料圍堰平面布置圖

6 結語

根據國內圍堰工程施工情況，膠結石渣最大粒徑可放寬至300 mm 以下，可采用挖掘機簡單拌和后直接入倉碾壓，往往不采用專門拌和設備。本工程由于施工場地狹窄布置困難，工期緊、堰高超過50 m，對質量控制嚴格，采用了專用連續拌和設備，該設備要求采用150 mm 以下骨料。

膠結石渣料填筑圍堰，可充分利用工程開挖棄渣，國內目前已有軟巖作為骨料的先例，對砂率、含泥量等指標根據現場實際情況可適當放寬，盡可能減少骨料制備環節，具有就近取料、減少棄渣、施工快速、投資節省、環境友好等優勢，從東莊圍堰使用情況看，膠凝材料選用80 kg 時，28 d 齡期C4W2 膠結料強度可達到7 MPa 左右，180 d 齡期還有較大地增長空間，尚有進一步研究減少砂率和膠凝材料用量的可能性。

基于智慧水利的技術發展，可采用中央人工智能系統進行控制，各施工車輛采用無人駕駛技術，使用3 D 打印大壩技術后，膠結石渣料(砂礫石)筑壩技術將具有更好的應用前景。