陈 金 鹏1 丘 常 军2
（1.广东省水利水电第三工程局 广东 东莞 523710；2. 广西电力工业勘察设计研究院 广西 南宁 530023）
摘要：高州水库除险加固工程主副坝应用了大量的堆石棱体作为排水设施。堆石棱体能有效地降低坝体浸润线和防止坝坡土料的渗透变形，并支撑下游坝坡,增加稳定性，保护坝脚不受尾水冲刷，防止坝坡冻胀，具有结构安全可靠等优点，被广泛应用于各种水利工程的加固建设。本文以高州水库除险加固工程石骨主坝为例，简要的分析探讨堆石棱体在水库加固工程的应用。
关键词：堆石棱体 水库加固工程 应用
1、概述
堆石棱体又称堆石体，其一般是设臵在下游坝脚处，由堆石填筑成棱形体状，有效地降低坝体的浸润线，排除坝体的渗水和固降雨而渗入坝体的雨水，保护下游坝坡不受下游河水的冲刷，增加下游坝坡的稳定性。
高州水库是水利部水建管[2001]258号文“关于建立病险水库除险加固责任制的通报”中首批150座全国大中型病险水库之一，是一座以灌溉、防洪、供水为主，结合发电等综合利用的大(Ⅰ)型水利枢纽工程，其主要建筑物为1级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级，其石骨主坝为Ⅰ级坝，其加固坝体堆石棱体是依在旧堆石棱体上进行加高加宽，约500m长，高程范围：▽44.0m～▽54.39m，顶部宽度为2m，上下游边坡均为1：1.5，堆石体排水的顶部高度高出下游最高水位1．0m以上，高于波浪沿边坡的爬升高度。因坝基为透水层，为防止渗流出逸处产生渗透变形，在堆石棱体与坝体接触面、堆石棱体与坝基接触面处，均设臵了厚300mm碎石垫层和厚200mm砂垫层的反滤层。同时，石骨主坝左坝脚新建堆石棱体基础为流塑状淤泥质土软基础，承载力不符合设计要求，经茂名市投资审核中心、茂名水务局、业主、设计、监理、施工单位等多方现场研究，从技术、经济及安全性等多方面进行方案比选、论证, 决定对淤泥进行清除处理，淤泥清除至原状土即止，同时采用边开挖边换填的方式进行石渣换填至旧堆石棱体建基面，以免影响旧堆石棱体的稳定。本文以高州水库除险加固工程石骨主坝为例，简要的分析探讨堆石棱体在水库加固工程的应用。
2、堆石棱体施工原理及主要技术指标 2.1施工原理
本工程石骨主坝加固坝体堆石棱体采用了机械和人工结合的施工方法来完成，其施工作业大体有：1、砂、石反滤料填筑，顺序如下：⑴放方格网控制清基平整度并夯实；⑵自卸汔车运输反滤料至坡顶；⑶人工用砂铲等工具将反滤料装斗后拉至铺筑面，由下到上铺筑砂或碎石垫层；⑷利用方格网控制整平，使坡面平顺，厚度均匀，细粒料浇水略加夯打；2、堆石棱体块石则采用倾填法（竖向填筑法）施工：通过自卸汽车运输至开挖坡面上，挖掘机抛投，人工堆砌，坡面和顶部用人工平砌法堆砌平整；3、左坝脚基础石渣换填则利用自卸汽车运输石渣，挖掘机边挖边换填的方法进行石渣换填至旧堆石棱体建基面，以免影响旧堆石棱体的稳定。
石骨主坝堆石棱体标准断面图如下：
1
2000800
石骨主坝堆石棱体标准断面图 2.2主要技术指标
堆石棱体的石料要具有与其使用目的相适应的物理力学性质，并且有较好的长期稳定性，石骨主坝加固坝体堆石棱体采用的反滤材料和块石参数技术指标如下： （1）堆石棱体反滤层： ①中粗砂：
h=20cm；0.25mm＜d＜5mm；3＜η(不均匀系数) ＜6；0.5mm≤D15≤0.7mm。 ②碎石层：
h=30cm；2.5mm＜d＜50mm（或小石5mm＜d＜20mm）；3＜η(不均匀系数) ＜6。 反滤料采用未经风化和溶蚀砂及砾石，碎石采用新鲜的石料，粒径小于0.075mm的颗粒≤5%（按重量计），级配良好，渗透系数≥1×10-3cm/s,粉土和粘土颗粒按重量计＜1%；碎石孔隙率≤4%。
（2）堆石棱体石料：
采用新鲜、坚硬的岩石，抗压强度≥500kg/cm2，软化系数≥0.85，空隙率≤3%，吸水率≤0.8，γ≥2.2t/ m3;石料呈块状，15cm≤棱体石料粒径≤60cm,规格小于要求的毛石，用于塞缝，用量≤10%，块石最大边长与最小边长比例≤1.5～2.0。石料不均匀系数要求：4≤η≤6。堆石棱体块石填筑孔隙率≤25%。
3、技术要点
堆石棱体依靠无胶结的块石间的薄弱连接维持稳定，连接强度低，抗剪能力小，坝坡缓，剖面为梯形，体积庞大，不会发生沿坝基面的整体滑动，是一种可靠的、被广泛采用的排水设施。其对坝体渗透稳定性，堆石棱体材料，施工等均有严格的要求。下面就石骨主坝加固坝体堆石棱体的技术要点进行简要的分析：
3.1渗透计算及分析
根据规范要求，土石坝一般通过渗流计算确定坝体浸润线位臵，绘制坝体及坝基的流网图；确定坝体及坝基的渗流量，并确定坝体及坝基的渗透坡降和出逸坡降，判断其渗透稳定性。石骨主坝坝体主要为粘土填筑的均质土坝，坝脚下游堆石棱体外常淤积较多的水，其浸润线绘制是依据浸润线方程y2=2h0+ho2，其中h0=√L2+(H1-H2)2-L和渗流量计算：q/K=(H12-(H2+h0)2)/（2L）=(y2-(a0+H2)2)/（2X）来确定的。通过地质资料及相关数据进行渗流计算、渗流稳定性分析等，我们知道：坝体下游浸润线沿排水砂层分布一致，排水效果较好。石骨主坝加固坝体堆石棱体
2
的顶宽为2m,满足了施工和观测的需要；同时上下游边坡均为1：1.5，顶部高度高出下游最高水位1．0m以上，堆石棱体底部设臵在透水地基上：①将坝基表层厚度不大的弱透水层挖穿，基础面开挖至原状土；②左坝脚基础进行了石渣换填处理;③在棱体与坝体以及土质地基之间设臵反滤层；这就满足：①降低了坝体浸润线、减小孔隙压力，控制渗流，增加坝体稳定性; ②具有充分的排水能力，保证自由地排出全部渗水; ③按反滤原则设计，防止坝体与地基土产生渗透破坏，断面设计符合规范要求，保证了坝的安全稳定。
3.2反滤材料及块石
反滤层要具有较好的排水、滤土作用，可以有效的防止管涌，对坝体下游侧具有承压水的土层，起到压重的作用。其要求满足：(1)能防止被保护土的渗透变形，被保护土的颗粒不应穿过反滤层而被渗流带走；(2)反滤层材料应为非管涌土，每一层自身不发生渗透变形，粒径较小的一层颗粒不应穿过粒径较大一层颗粒间的孔隙；(3)应大于被保护土的透水性，能通畅地排除渗透水；(3)特小颗粒允许通过反虑层的孔隙，不被细颗粒淤堵失效；(4)耐久、稳定，在使用期间不会随着时间的推移和环境的影响而改变性质；石骨主坝加固坝体堆石棱体的粒状反滤料按规范要求的准则进行确定：
(1)被保护土与反滤层之间应满足式：
D15/d85≤5 D15/d15≥5
式中D15---反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；
d85（d15）--被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的85%（15%）；
(2)当被保护土为细粒土（CL和CH），且其d85=0.01～0.03mm,可使用D15≤0.5mm的砂或砾质砂作为反滤；
(3)对于不均匀系数较大的被保护土,可取级配曲线中η小于或等于5～8范围的细粒部分的d15、d85作为计算粒径；
(4)对于不连续级配的土，应取级配曲线平段以下（一般是1～5mm以下）粒组的d15、d85作为计算粒径；
(5)当第一层反滤料采用不均匀系数（η）大于5～8的砂砾石时，要求砾石（d≥5mm）含量小于60%,且应取其细料(d≤5mm)部分的D15作为计算粒径。
(6)特小颗粒（即砂土、沙砾石、及碎石，粒径分别小于0.1mm、0.15mm、0.5mm）的含量不超过相应各层土料的5%；
(7)排水要求：石骨主坝加固坝体堆石棱体的反滤层采用的厚度为500mm,符合D15≥5d15的要求，具有良好的排水功能。
石骨主坝加固坝体堆石棱体的排水材料不采用风化岩石，使用坚硬的、耐风化的块石、碎石、砂粒料；石料满足抗水性要求（即在水中不软化、溶蚀）、抗冻性和抗风化能力等要求。石料的抗压强度不低于50Mpa，软化系数不小于0.85，岩石的孔隙率不大于3%，吸水率（按孔隙体积比计算）不大于0.8，容重大于22kN/m3，块石填筑压实标准以（n）孔隙率控制要求n≤25%，符合规范要求。
3.3施工要点
⑴反滤层在清基平整夯实后铺筑；
⑵每层用料颗粒粒径不超过邻层较小颗粒的5倍；
⑶铺筑时，细粒料浇水略加夯打，并预留相当层厚5%的沉陷量； ⑷施工作业时间为6～10月份；
⑸堆石棱体施工：先铺底面上的反滤层，次堆棱体块石，再铺斜向反滤层。贴坡反滤体，从坝坡由内向外，依次铺筑至设计高度；
3
⑹ 确保反滤料的设计厚度，作好铺设反滤层的防护；
⑺砌筑时块石要铺砌稳定，相互错缝锁结，铺筑中使每一块石在上下层接触面上都有不少于三个分开的支承点，不得有水平通缝，层厚为0.5m～1.0m；
⑻所有前后的明缝均用小片石料填塞紧密，以使沿石块的全长有坚实支承；
⑼反滤体外坡石料采用平砌法砌筑，块石砌筑时垫层与坡面块石铺砌层配合砌筑，随铺随砌，已完成砌体要避免碰撞和震动；
⑽砌体修整采用边砌筑边平整措施，用木板钉制了专门的坡比架，结合拉线控制，选择表观良好的面石，严格控制面石砌石的质量，保证堆石棱体坡面坡度和平整度，砌体完工后，外观达到技术规范要求；
4、应用效果
石骨主坝旧堆石棱体存在一定程度的风化，加固后坝体蓄水防汛能力要求提高。石骨主坝加固坝体堆石棱体是依在旧堆石棱体上进行加高加宽，有效地降低了主坝坝体的浸润线，排除坝体的渗水和固降雨而渗入坝体的雨水，加速孔隙水压力消散，减少渗透逸出比降，减少逸出区渗透破坏的可能性，保护下游坝坡不受下游尾水的冲刷，并可对下游坝坡起支承、压重作用，增加下游坝坡的稳定性，保证了石骨主坝符合蓄水防汛能力的要求。通过分部工程验收，石骨主坝堆石棱体质量被评定为优良。
5、结束语
堆石棱体是一种可靠的、被水库加固工程广泛采用的排水设施，其结构简单，施工工序少，施工技术容易掌握，既可用简单机械施工，也可高度机械化施工，运用管理方便，寿命长，加高、扩建较容易，同时设计理论、试验手段、计算技术和施工技术的综合发展，提高了分析计算的水平，加快了设计进度，进一步保障了堆石棱体设计的安全可靠性，促进了大体积堆石棱体建设的发展。不过堆石棱体石料用量大，费用仍然较高，与坝体施工有干扰，检修也较困难，其应用具有一定的局限性。
参考文献:
[1]水利部天津水利水电勘测设计研究院.SL 189-96:小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则[M].北京：中华人民共和国水利部，1997
[2]颜宏亮.水工建筑物[M].北京：化学工业出版社，2007
4
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容