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摘要：水利工程中堆石坝坝体填筑施工技术研究用堆石或砂砾石分层碾压填筑成坝体,用钢筋混凝土面板作为防渗体的坝,称为钢筋混凝土面板堆石。本文结合某水库堆石坝的工程特点，简要介绍了大坝填筑施工措施，对于类似堆石坝施工具有一定的借鉴意义。
关键词：水利工程堆石坝坝体 覆盖层填筑沉降
一、工程概况
某水库大坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝顶高程1494.5rn，坝轴线处最大坝高48rn，最大回填高度约69rn，坝顶轴线长401.16 m，坝顶宽度10m，上游坝坡1：2，下游坝坡1：1.7，设置宽2.0 m 的马道，最大横断面底宽约200 m。
上水库沥青混凝土面板堆石坝填筑工程，主要包括；主堆石体填筑41.18万m3；次堆石体填筑25.30万m3；过渡层填筑3.05万m3；碎石垫层填筑4.07万m3；排水凌体填筑0.5万 ；乳化沥青喷护；下游坝面护坡及其他工程。总计坝体填筑74.09万m3，下游坝面护坡干砌石8 372 m3。
二、坝体设计分区
自上游向下游依次为垫层料区、过渡料区、主堆石区（上游堆石区）和次堆石区（下游堆石区）等，其中垫层料和过渡料水平铺筑宽度均为3.0m。坝体下游坡脚部分设排水棱体，坝体与基础之间设一层厚2.0～4.0m的过渡排水层料。
三、覆盖层基础处理
由于坝基覆盖层较厚，将覆盖层完全挖除将导致开挖工程量和坝体填筑工程量成数倍增加，施工强度也将显著加大，在经济上和技术上均不可行。为此，设计单位对大坝覆盖层基础进行了大量的勘探和试验研究，同时结合模拟计算成果，提出了仅开挖部分覆盖层的方案。
1覆盖层基础开挖与检测手段
在覆盖层基础开挖中，主要对其深度5～7m范围内的腐植土、土质透镜体、碎石土架空层等予以挖除，并辅于以下几项的检测试验，进一步决定覆盖层的保留与否。
1.1基础干密度、土体颗粒级配普查
对开挖后的基础布设25×25m的平面网格点，在网格对应点的基础上对干密度、土体颗粒级配进行全面试验性普查。对坝基干密度的设计要求为：碾压前：主堆石区相对应基础大龙池沟沟底区域干密度不小于2.05g/c m3；主堆石区相对应基础山梁及沟坡区域不小于2.10g/c m3；次堆石区相对应基础大龙池沟及瓦窑沟沟底区域不小于2.05g/c m3。碾压后：主堆石区相对应基础干密度不小于2.15g/c m3；次堆石区相对应基础大龙池沟及瓦窑沟沟底区域不小于2.10g/c m3。
1.2变形模量检测
对开挖后的坝基变形模量检测要求也分碾压前和碾压后两个阶段，即碾压前：主堆石区相对应基础大龙池沟沟底区域变模不小于50Mpa；主堆石相应基础山梁及沟坡区域变模不小于60Mpa；次堆石区相对应基础大龙池沟及瓦窑沟沟底区域变模不小于30～40Mp。碾压后：主堆石相应基础变模不小于60Mpa；次堆相应基础大龙池沟及瓦窑沟沟底区域变模不小于50Mpa。
1.3地质雷达探测
采用地质雷达手段普查所保留部分的覆盖层基础是否存在较大范围的土质透镜体或碎石土架空层。根据接收到的地质雷达波形、强度、双程走时等，经过数据处理，从而得到各测线下目标物的分布情况。库底区域要求探测深度为10m，探测目标物为土质透镜体、松散碎石土架空层等，面积大小为1m×1m；堆石坝主堆石区域（坝基）要求探测深度为10m，探测目标物为土质透镜体、松散碎石土架空层等，面积大小为2m×2m。
2特殊区域的处理措施
通过网格式干密度和颗粒级配普查、基础变形模量检测以及地质雷达探测（同时配合挖坑验证），揭露了一部分覆盖层坝基干密度、变形模量值偏低的区域以及平面范围、立面深度较大的土质透镜体或碎石土架空层等基础缺陷。针对这些缺陷，主要措施有：
2.1基础干密度低的处理措施
基础干密度检测和土体颗粒级配试验共进行了169组，干密度最大值为2.3g/c m3，最小值为1.58g/c m3。有部分区域干密度值低于设计值，通过土体颗粒级配试验也进一步表明干密度偏低的区域其土体P5含量也明显偏高。对此，一般作进一步挖除并采用碎石级配料进行置换处理。如开挖和回填工程量仍偏大，直接对其表面采用反滤料进行封闭，即表面填筑2m厚垫层料和2m厚过渡料处理或先填筑40cm中粗砂和1.6m垫层料，再填筑2m过渡料。
2.2对碎石土架空层、土质透镜体的处理
通过地质雷达探测，发现了13处异常点，进一步通过挖坑验证，其地质雷达推测成果与实际情况基本相符。对透镜体、架空层、土质含量过高等基础缺陷挖除后采用碎石土、过渡料、混凝土或CSG混合料等进行回填处理。对于CSG混合料回填，其碎石混合料小于5mm含量控制在15～30%之间，掺水泥50kg/ m3，碾压后的干密度为2.19～2.20g/c m3。
2.3变形模量偏低的处理措施
通过现场变形模量试验，并与基础干密度检测试验成果对比，发现其存在一定关联性，即基础天然干密度大的区域，其变形模量较大，反之，变形模量偏小，甚至低于设计要求。因此，其处理方式同干密度偏低区域的处理方式。
3.其它处理措施
在覆盖层与基岩之间的过渡带基础，坝基部位一般将基岩挖成1:3的缓坡、库底基础则一般将基岩挖成1:4的缓坡与覆盖层基础平缓过渡，以减小坝体的不均匀沉降。对开挖验收合格的覆盖层基础，对其表面扰动层进行全面碾压处理，基础碾压后的干密度合格后方进行坝料填筑施工。
四、填筑分区
该水库堆石坝体如采取平起法填筑上升，不利坝体基础和坝体自身的均匀沉降，可能会因下游侧坝体沉降过大而导致坝体“后仰”。在实际填筑施工中，采取先期填筑并加高下游侧坝体、然后再补填上游侧坝体的方式进行。在坝体填筑至800.0m高程后，才采取整体平起法填筑。如此分期填筑施工，有利于在施工过程中通过填筑局部对深覆盖层加载，提前对轴线下游侧深覆盖层基础和坝自身施压，使其沉降大部分在填筑过程中完成，有利于坝下游脚的安全稳定性，有效防止坝体“后仰”。施工中将坝体在其横断面上分成了6个填筑施工区段，如图1所示。
图1坝体及库盆填筑分区示意图
Ⅰ区：大面填筑至743.0m～744.0m高程，此时坝面开始接近主堆石的填筑区。Ⅱ区：坝体局部上升至760.0m高程。Ⅲ区：补平主堆石区的所预留的填筑区，在填筑至760.0m高程后，大面上升至771.0～772.0m高程。Ⅳ區：再次从771.0～772.0m高程将坝体局部上升至800.0m高程。Ⅴ区：将上游面800.0m高程以上的预留区域进行补填。Ⅵ区：坝体从800.0m高程大面上升至坝顶（837.35m高程，不含防浪墙对应的坝体部分）。
五、填筑施工
坝体填筑施工，其施工工艺如坝料开采级配控制、坝料层厚控制、推平、洒水、碾压等施工工艺与一般堆石坝并无特别之处，其施工参数在此不多累述。在填筑施工中，除按填筑施工参数进行重点控制外，还分不同高程、不同区域对填筑后的坝料进行变形模量检测，使填筑后的坝体变形模量值达到设计要求，并力求相邻部位的坝体变形模量值相差不过于悬殊。
六、坝体沉降分析及结语
坝体填筑完成时，坝体的最大沉降率基本在1%以内（预测范围内）。坝体开始蓄水时又历经20个月的沉降，其沉降值占仅在总沉降值25%以内，说明大部分沉降在填筑过程中已完成，从而有效减小了坝体的后期沉降，为最大限度减小沥青面板混凝土的变形提供了基本保证。同时也说明覆盖层的保留在经济上和技术上均是可行的，在填筑期间坝基处理和及坝体填筑的各项措施也是合理的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：水利工程堆石坝坝体 覆盖层填筑沉降
一、工程概况
某水库大坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝顶高程1494.5rn，坝轴线处最大坝高48rn，最大回填高度约69rn，坝顶轴线长401.16 m，坝顶宽度10m，上游坝坡1：2，下游坝坡1：1.7，设置宽2.0 m 的马道，最大横断面底宽约200 m。
上水库沥青混凝土面板堆石坝填筑工程，主要包括；主堆石体填筑41.18万m3；次堆石体填筑25.30万m3；过渡层填筑3.05万m3；碎石垫层填筑4.07万m3；排水凌体填筑0.5万 ；乳化沥青喷护；下游坝面护坡及其他工程。总计坝体填筑74.09万m3，下游坝面护坡干砌石8 372 m3。
二、坝体设计分区
自上游向下游依次为垫层料区、过渡料区、主堆石区（上游堆石区）和次堆石区（下游堆石区）等，其中垫层料和过渡料水平铺筑宽度均为3.0m。坝体下游坡脚部分设排水棱体，坝体与基础之间设一层厚2.0～4.0m的过渡排水层料。
三、覆盖层基础处理
由于坝基覆盖层较厚，将覆盖层完全挖除将导致开挖工程量和坝体填筑工程量成数倍增加，施工强度也将显著加大，在经济上和技术上均不可行。为此，设计单位对大坝覆盖层基础进行了大量的勘探和试验研究，同时结合模拟计算成果，提出了仅开挖部分覆盖层的方案。
1覆盖层基础开挖与检测手段
在覆盖层基础开挖中，主要对其深度5～7m范围内的腐植土、土质透镜体、碎石土架空层等予以挖除，并辅于以下几项的检测试验，进一步决定覆盖层的保留与否。
1.1基础干密度、土体颗粒级配普查
对开挖后的基础布设25×25m的平面网格点，在网格对应点的基础上对干密度、土体颗粒级配进行全面试验性普查。对坝基干密度的设计要求为：碾压前：主堆石区相对应基础大龙池沟沟底区域干密度不小于2.05g/c m3；主堆石区相对应基础山梁及沟坡区域不小于2.10g/c m3；次堆石区相对应基础大龙池沟及瓦窑沟沟底区域不小于2.05g/c m3。碾压后：主堆石区相对应基础干密度不小于2.15g/c m3；次堆石区相对应基础大龙池沟及瓦窑沟沟底区域不小于2.10g/c m3。
1.2变形模量检测
对开挖后的坝基变形模量检测要求也分碾压前和碾压后两个阶段，即碾压前：主堆石区相对应基础大龙池沟沟底区域变模不小于50Mpa；主堆石相应基础山梁及沟坡区域变模不小于60Mpa；次堆石区相对应基础大龙池沟及瓦窑沟沟底区域变模不小于30～40Mp。碾压后：主堆石相应基础变模不小于60Mpa；次堆相应基础大龙池沟及瓦窑沟沟底区域变模不小于50Mpa。
1.3地质雷达探测
采用地质雷达手段普查所保留部分的覆盖层基础是否存在较大范围的土质透镜体或碎石土架空层。根据接收到的地质雷达波形、强度、双程走时等，经过数据处理，从而得到各测线下目标物的分布情况。库底区域要求探测深度为10m，探测目标物为土质透镜体、松散碎石土架空层等，面积大小为1m×1m；堆石坝主堆石区域（坝基）要求探测深度为10m，探测目标物为土质透镜体、松散碎石土架空层等，面积大小为2m×2m。
2特殊区域的处理措施
通过网格式干密度和颗粒级配普查、基础变形模量检测以及地质雷达探测（同时配合挖坑验证），揭露了一部分覆盖层坝基干密度、变形模量值偏低的区域以及平面范围、立面深度较大的土质透镜体或碎石土架空层等基础缺陷。针对这些缺陷，主要措施有：
2.1基础干密度低的处理措施
基础干密度检测和土体颗粒级配试验共进行了169组，干密度最大值为2.3g/c m3，最小值为1.58g/c m3。有部分区域干密度值低于设计值，通过土体颗粒级配试验也进一步表明干密度偏低的区域其土体P5含量也明显偏高。对此，一般作进一步挖除并采用碎石级配料进行置换处理。如开挖和回填工程量仍偏大，直接对其表面采用反滤料进行封闭，即表面填筑2m厚垫层料和2m厚过渡料处理或先填筑40cm中粗砂和1.6m垫层料，再填筑2m过渡料。
2.2对碎石土架空层、土质透镜体的处理
通过地质雷达探测，发现了13处异常点，进一步通过挖坑验证，其地质雷达推测成果与实际情况基本相符。对透镜体、架空层、土质含量过高等基础缺陷挖除后采用碎石土、过渡料、混凝土或CSG混合料等进行回填处理。对于CSG混合料回填，其碎石混合料小于5mm含量控制在15～30%之间，掺水泥50kg/ m3，碾压后的干密度为2.19～2.20g/c m3。
2.3变形模量偏低的处理措施
通过现场变形模量试验，并与基础干密度检测试验成果对比，发现其存在一定关联性，即基础天然干密度大的区域，其变形模量较大，反之，变形模量偏小，甚至低于设计要求。因此，其处理方式同干密度偏低区域的处理方式。
3.其它处理措施
在覆盖层与基岩之间的过渡带基础，坝基部位一般将基岩挖成1:3的缓坡、库底基础则一般将基岩挖成1:4的缓坡与覆盖层基础平缓过渡，以减小坝体的不均匀沉降。对开挖验收合格的覆盖层基础，对其表面扰动层进行全面碾压处理，基础碾压后的干密度合格后方进行坝料填筑施工。
四、填筑分区
该水库堆石坝体如采取平起法填筑上升，不利坝体基础和坝体自身的均匀沉降，可能会因下游侧坝体沉降过大而导致坝体“后仰”。在实际填筑施工中，采取先期填筑并加高下游侧坝体、然后再补填上游侧坝体的方式进行。在坝体填筑至800.0m高程后，才采取整体平起法填筑。如此分期填筑施工，有利于在施工过程中通过填筑局部对深覆盖层加载，提前对轴线下游侧深覆盖层基础和坝自身施压，使其沉降大部分在填筑过程中完成，有利于坝下游脚的安全稳定性，有效防止坝体“后仰”。施工中将坝体在其横断面上分成了6个填筑施工区段，如图1所示。
图1坝体及库盆填筑分区示意图
Ⅰ区：大面填筑至743.0m～744.0m高程，此时坝面开始接近主堆石的填筑区。Ⅱ区：坝体局部上升至760.0m高程。Ⅲ区：补平主堆石区的所预留的填筑区，在填筑至760.0m高程后，大面上升至771.0～772.0m高程。Ⅳ區：再次从771.0～772.0m高程将坝体局部上升至800.0m高程。Ⅴ区：将上游面800.0m高程以上的预留区域进行补填。Ⅵ区：坝体从800.0m高程大面上升至坝顶（837.35m高程，不含防浪墙对应的坝体部分）。
五、填筑施工
坝体填筑施工，其施工工艺如坝料开采级配控制、坝料层厚控制、推平、洒水、碾压等施工工艺与一般堆石坝并无特别之处，其施工参数在此不多累述。在填筑施工中，除按填筑施工参数进行重点控制外，还分不同高程、不同区域对填筑后的坝料进行变形模量检测，使填筑后的坝体变形模量值达到设计要求，并力求相邻部位的坝体变形模量值相差不过于悬殊。
六、坝体沉降分析及结语
坝体填筑完成时，坝体的最大沉降率基本在1%以内（预测范围内）。坝体开始蓄水时又历经20个月的沉降，其沉降值占仅在总沉降值25%以内，说明大部分沉降在填筑过程中已完成，从而有效减小了坝体的后期沉降，为最大限度减小沥青面板混凝土的变形提供了基本保证。同时也说明覆盖层的保留在经济上和技术上均是可行的，在填筑期间坝基处理和及坝体填筑的各项措施也是合理的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。