六、堆石坝
（一）概述
堆石坝泛指用石料经抛填、碾压等方法堆筑而成的一种坝型。堆石坝的筑坝材料主要采用（50%以上）粒径大于5mm的碎（块）石和砂砾石。由于堆石体是透水的，故需要设置防渗体，一般堆石坝以防渗体材料的种类和位置来命名，如土质心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝等。随着近年来设计和施工水平的不断提高，堆石坝得到广泛应用。
当前，堆石坝应用较多的坝型是面板堆石坝，其主要优点如下。
（1）结构特点：①碾压堆石的密度大，抗剪强度高，坝坡较陡，坝体工程量较小；②分层碾压的施工方法，使每层的上半部比下半部的平均粒径小、细粒含量高、表面平整，这不仅有利于施工，而且透水性好，通过堆石体的渗流容易从水平方向排出，坝体基本处于干燥状态，不存在扬压力和孔隙水压力，对坝体稳定和抗震有利；③分区堆石体具有透水、反滤作用；④全部堆石体都对挡水发挥作用。
（2）施工特点：①堆石体的分区使开挖的石料得到充分合理的利用，有利于降低造价；②堆石体的半透水性和反滤作用，有利于施工导流和度汛，降低临时工程费用；③受气候（雨季、严寒）影响小，可以较均衡的进行施工。
（3）运行和维修特点。碾压堆石体的沉降变形量很小，安全性高，维护工作量小。
（二）混凝土面板堆石坝
1.坝体剖面设计
（1）坝坡。库克（Cooke）认为，面板堆石坝无坝坡失稳先例，主张无需对坝坡进行稳定计算，上、下游坝坡坡率均采用1∶1.3。我国《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL 228—2013）规定，当筑坝材料为硬岩堆石料时，上、下游坝坡可采用1∶1.3～1∶1.4，软岩堆石体的坝坡宜适当放缓；当用质量良好的天然砂砾石料筑坝时，上、下游坝坡可采用1∶1.5～1∶1.6。国内外已建100m以上面板堆石坝的坝坡坡率，上游坝坡为1∶1.3～1∶1.7，下游坝坡为1∶1.2～1∶2.0。
（2）坝顶宽度。应由运行、布置坝顶设施和施工等要求确定，宜按照坝高不同采用5～8m，100m以上高坝或有抗震要求应适当加宽。如坝顶有交通要求时，坝顶宽度还应遵照有关规定选用。
（3）坝顶高程。坝顶高程的确定方法与土坝类似，当坝顶上游侧设置防浪墙时[图3-38（c）]，墙高为4～6m，墙顶高出坝顶1～1.2m，防浪墙的底部高程宜高于正常蓄水位。防浪墙必须坚固不透水，并经稳定和强度验算。防浪墙应设伸缩缝，其止水应和面板的止水或面板与防浪墙间水平接缝的止水连接。
2.材料分区和填筑标准
坝体应根据料源及对坝料强度、渗透性、压缩性、施工方便和经济合理等要求进行分区，并相应确定填筑标准。从上游向下游宜分为垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区；在周边缝下游侧设置特殊垫层区；100m以上高坝，宜在面板上游面底部设置上游铺盖区及盖重区。
（1）用硬岩堆石料填筑的坝体可按照图3-38（a）进行分区。
1区为上游铺盖区。其中，1A用防渗土料碾压填筑或水下抛填，其作用是覆盖周边缝及高程较低处的面板，当周边缝张开或面板出现裂缝时，能自动淤堵；1B为盖重区，可填充任意料，对1A起保护作用。
2区为垫层区。2A直接位于面板下部，为面板提供均匀且可靠的支撑，同时具有半透水性，从防渗角度出发可发挥第二道防线的作用；2B为特殊垫层区[图3-38（d）]，位于周边缝下游侧垫层区内，对周边缝及其附近面板上铺设的堵缝材料及水库泥砂起反滤作用。
3区为过渡区，是承受水荷载的主要支撑体。其中，3A为过渡区；3B为主堆石区；3C为下游堆石区，其远离面板，基本上不承受水荷载，主要起稳定坝坡的作用，可用任意料填筑；3D为下游护坡；3E为抛石区（或滤水坝趾区）；3F为排水区。
E为可变动的主堆石区与下游堆石区的过渡区，其扩展角经综合考虑筑坝材料特性和坝高等因素后加以选定；F为混凝土面板。
各区材料的渗透性从上游向下游逐渐增大，并应满足水力过渡的要求，但下游堆石区尾水位以上的材料不受此限制。堆石坝坝体上游部分应具有低压缩性。当下游围堰与坝体结合布置时，可在下游坝趾部位设硬岩抛石体。此外，在下游坝坡表面还需设置大块石护面。(https://www.daowen.com)
（2）用砂砾石料填筑的坝体分区如图3-38（b）所示。其改进在于：对渗流不能满足自由排水要求的砂砾石、软岩坝体，在坝体上游区内设置竖向排水区，并与坝底水平排水区连接，使渗水可通畅地排至坝外，保持下游区坝体处于干燥状态。
（3）填筑标准。国际上多采用碾压参数对施工进行控制，各区材料的填筑标准，应根据坝的等级、高度、河谷形状、地震烈度及料场特性等因素，参考表3-3确定。
图3-38 混凝土面板堆石坝坝体分区及构造图
（a）硬岩堆石料坝体分区示意图；（b）砂砾石堆石料坝体分区示意图；（c）坝顶构造；（d）特殊垫层区构造
表3-3 混凝土面板堆石坝坝体分区填筑标准
3.面板及防渗结构设计
面板、趾板、趾板地基的帷幕灌浆、周边缝和面板间的接缝止水等构成面板坝的防渗体系，如图3-39所示。面板沿坝轴线方向分缝、分块浇筑，除临近岸坡地形变化剧烈处可设水平伸缩缝以减小面板所受的扭曲应力外，一般不设置水平缝。
（1）面板的厚度。面板厚度应满足防渗性、耐久性和抗冻性要求，最小厚度为0.30m，并向底部逐渐增加。混凝土应采用二级配，其标号不宜低于C25，宜采用普通硅酸盐水泥。
（2）面板的配筋。面板配筋的作用主要是承受蓄水前温度变化和干缩产生的拉应力，并有防止裂缝开展的作用。宜采用单层双向钢筋，布置于面板截面中部，每向配筋率为0.3%～0.4%，水平向配筋率可少于竖向配筋率。在拉应力区、岸边周边缝附近，可适当配置增强钢筋。
（3）面板的分缝和止水。为了适应堆石坝的变形，同时也考虑温度变化及施工设备等因素，面板必须分缝。垂直缝[图3-39（c）]的间距为12～18m，两岸坝肩附近的垂直缝为张性缝，其余部分的为压性缝。所有垂直缝都不使用填充料，缝面只涂刷薄层沥青乳剂，以便最大限度地减少面板侧向位移。周边缝是面板与趾板之间的接缝，其构造见图3-39（b）。至于临时的水平施工缝，可采用钢筋贯穿，以使面板紧密连接。
图3-39 混凝土面板堆石坝分缝与止水图
（a）缝的总体布置；（b）采用无黏性土填料与柔性填料的周边缝构造；（c）张性与压性垂直缝构造
面板分缝处都应设置止水，常用的止水材料有止水铜片、止水橡胶和止水塑料等。止水可设置一道或两道。靠近岸边的周边缝和张性垂直缝，是容易被拉开的薄弱点，至少需要设置两道止水。其他垂直缝、水平缝的止水构造则比较简单，但都必须保证止水片连接牢固，并保证混凝土的浇筑质量。
（4）面板的垫层。碾压式钢筋混凝土面板堆石坝在堆石体的上游用碾压的级配料作为面板垫层，它除了作为面板的基座外，还有半透水的反滤作用。其颗粒级配应符合反滤层的规定，垫层的厚度为3～5m左右，按堆石体的粒径大小可用一层或两层，垫层在碾压后的渗透系数一般为10-2～10-4cm/s。
（5）连接的垫板。这是接缝设计的一个重要项目，设置的目的是给止水片和模板接头提供一个平整的基底面。做法是将砂浆直接铺设在用沥青处理过的堆石表面上，垫板与止水片之间再涂上薄层沥青。垫板的厚度可以从零到需要达到的平整面的厚度，允许垫板突入面板设计厚度的深度不超过50mm。
（6）趾板。趾板是连接地基防渗体与面板的混凝土板。面板与趾板之间有周边止水缝，并通过锚筋、固结灌浆将趾板与稳定基岩连接成整体，以形成止水封闭系统。