第二节 河流工程建筑材料
河流工程量大面广，建筑物一般投资较大，因此，人类在治理江河的长期实践中，不断探索适合本国国情和当地自然条件的最佳材料和建筑型式。在工程材料和结构型式上，应尽量因地制宜，就地取材，降低造价，保证工程需要。对于国内外成功采用过的新技术、新材料、新工艺，应根据本地情况加以借鉴和改进。
一、河工建筑物材料
在我国，河工建筑材料除了传统的材料如土、石、竹、木、秸、树、草袋、麻绳等仍被广泛采用外，近20多年来，随着化学工业的蓬勃发展，高分子聚合材料如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）等制成的土工合成材料和其他塑料产品在工程建设中得到了广泛的应用。在水利工程中常用的土工合成材料有土工织物、土工膜、土工复合材料、土工特种材料等，主要用作防渗、反滤、排水、隔离、护岸防冲和土体加筋与加固等。由于这种材料坚韧耐磨、质轻抗腐、价格低廉和施工简便等优点，它在河流工程、海岸工程以及其他土木工程中，成为一种很有发展前景的新型工程材料。另外，如混凝土、钢筋混凝土以及其他化学固化剂等在防护工程中也被普遍采用。这些建筑材料，有些是直接用来修建整治建筑物，有些则是预制成建筑物的构件，然后用来修建整治建筑物。选择的材料要能适应复杂的气候、水流条件以及河床变形，必须具有较好的抗腐抗冲性能和一定的柔韧性、耐磨性；所选材料应对环境和水质不产生污染，同时便于施工、修复和加固；在选用这些材料时，应根据工程的重要性和材料来源，通过技术经济比较，恰当选用，以适应整治工程需要大量材料的要求。
下面以堤防工程为例，说明整治建筑物材料。筑堤材料的选择应遵循因地制宜、就地取材原则，并符合《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）中的规定。
（一）土
均质土堤宜选用亚黏土，黏粒含量宜为15%～30%，塑性指数宜为10～20，渗透系数不大于1×10-4cm/s，且不得含植物根茎、砖瓦垃圾等杂质。填筑土料含水率应考虑可用土料的天然含水率、施工季节等条件，要求尽量接近最优含水率，两者允许偏差为±3%。铺盖、心墙、斜墙等防渗体宜选用黏性较大的土，且渗透系数不大于1×10-5cm/s。堤防后戗及其他背河侧加固措施宜用沙性土。
淤泥或自然含水率高且黏粒含量过多的黏土、粉细沙、冻土块、水稳定性差的膨胀土、分散性土等，不宜作堤身填筑土料，当需要时，应采取相应的处理措施。当采取对土料加工处理或降低设计干密度、加大堤身断面和放缓边坡等措施时，应经技术经济比较后确定。
土的渗透系数K应通过渗透试验测定。若无渗透系数试验材料，可用下式计算近似值：
式中：d20为粒配曲线上相应于p=20%的颗粒粒径，mm；Cu为土的不均匀系数，由下式计算。
式中：d60为粒配曲线上相应于p=60%的颗粒粒径，mm；d10为粒配曲线上相应于p=10%的颗粒粒径，mm。
（二）石料
抗风化性能好，冻融损失率小于1%。砌墙石块质量可采用50～150kg，堤的护坡石块质量可采用25～50kg。砌筑用的石料外形宜为有砌面的长方体，边长比宜小于4。
（三）砂砾料
耐风化、水稳定性好，含泥量宜小于5%。
（四）混凝土
包括混凝土和钢筋混凝土板。混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶凝材料、颗粒状集料（也称为骨料）、水以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种人工石材。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点。
钢筋混凝土，是指通过在混凝土中加入钢筋、钢筋网、钢板或纤维而构成的一种组合材料，两者共同工作从而改善混凝土抗拉强度不足的力学性质，为混凝土加固的一种最常见形式。
混凝土骨料的选用应符合《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》（DL/T 5388-2007）中的有关规定。
二、枢纽建筑物材料
下面将通过重力坝、拱坝、土石坝三种挡水建筑物的材料，来说明枢纽建筑物材料。
（一）混凝土重力坝的材料
1.混凝土
混凝土重力坝的材料主要是混凝土。重力坝除要求材料有足够的强度外，还应根据大坝的工作条件、地区气候等具体情况，分别满足耐久性（抗渗、抗冻、抗冲耐磨和抗侵蚀）和低热性等。
（1）强度。《混凝土重力坝设计规范》（SL 319-2005）规定，坝体内部混凝土的标号不应低于R90100，过流表面的混凝土标号不应低于R28250；坝体内部的导流底孔、引水管、泄水孔等大孔口壁周围的混凝土以及地震设计烈度Ⅷ以上的坝体混凝土，其强度应适当提高。
选择混凝土标号时，应考虑由于温度、渗透压力及局部应力集中所产生的拉应力、剪应力或主应力。
（2）抗渗性。表示混凝土抵抗压力水渗透作用的能力。抗渗性可用抗渗等级表示，抗渗等级系按28d龄期的标准试件测定的，分为W2、W4、W6、W8、W10和W12六级。也可根据坝体承受水压力作用的时间采用90d龄期的试件测定抗渗等级。重力坝所采用的抗渗等级应根据其承受的水力梯度及水质条件等因素确定。按照《混凝土重力坝设计规范》的要求，当所受的渗压梯度i<10时，采用W4；i=10～30时，采用W6；i=30～50时，采用W8；i≥50时，采用W10。当受侵蚀水作用时，不得低于W4。坝体内部混凝土如无特殊抗渗要求时，采用W2。
（3）抗冻性。表示混凝土在水饱和状态下能经受多次冻融而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。混凝土抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级系按28d龄期的试件采用快冻试验测定的，分为F50、F100、F200、F300和F400五级。也可采用90d龄期的确定。采用时，应根据建筑物所在地区的气候分区、建筑物类别及工作条件等选定。具体要求参见《混凝土重力坝设计规范》（SL 319-2005）。
（4）根据大坝混凝土耐久性的要求，混凝土的水灰比不宜大于表2-1所列数值。
在环境水有侵蚀性的情况下，应选择抗侵蚀性较好的水泥，外部水位变化区及水下混凝土的水灰比可较表2-1减小0.05。
表2-1 混凝土最大水灰比
（5）其他性能。抗侵蚀性是指抵抗环境水侵蚀的性能，当环境水具有侵蚀性时，应采用适当的抗侵蚀水泥。抗磨性是指在高速水流及挟沙水流冲刷的部位，应采用具有抗冲耐磨性的低流态高强度混凝土或高强硅粉混凝土。这种混凝土曾先后在龙羊峡、葛洲坝等工程中使用，效果较好。混凝土按照发热量的大小分为低热和非低热两种。低热混凝土应采用发热量较小的水泥，如矿渣水泥，并尽量降低水泥用量。
为了降低水泥用量并提高混凝土的性能，坝体混凝土内可适量掺加粉煤灰掺和料及加气剂、塑化剂等外加剂。
2.碾压混凝土
碾压混凝土是一种干硬性贫水泥的混凝土，使用硅酸盐水泥、火山灰质掺和料、水、外加剂、砂和分级控制的粗骨料拌制成无坍落度的干硬性混凝土，采用与土石坝施工相同的运输及铺筑设备，用振动碾分层压实。碾压混凝土坝既具有混凝土体积小、强度高、防渗性能好、坝身可溢流等特点，又具有土石坝施工程序简单、快速、经济、可使用大型通用机械的优点。
（1）应用分类。碾压混凝土坝大体分为两类：一类以日本“金包银”模式为代表的RCD，采用中心部分为碾压混凝土填筑，外部用常态混凝土（一般为2～3m厚）防渗和保护。另一类为全碾压混凝土坝，称为RCC，其结构简单，施工机械化强度高。RCC具有施工快、强度高、缩缝少、水泥用量少、造价低、减少施工环境污染等优点。它是低水灰比，坍落度为零的水泥混凝土，经振动压路机振动、碾压成型，不论是大型工程，还是局部改扩建工程，施工方便快捷。
（2）原材料的选择。
水泥：与普通混凝土水泥要求基本一致。对级配好的碎石，水泥用量一般为8%～13%（以干重量计），对集料级配差且含软质骨料多（达5%左右）的材料，可取高限。
集料：根据国内外经验，粗集料使用连续级配，集料的最大粒径一般为15～20mm，最大的不超过40mm。细浆料含砂率不超过28%～30%。
水：与普通水泥混凝土路面要求相同。
掺配料：可掺入粉煤灰、炉渣粉、石英粉等，经过充分拌和后作为结合料。我国目前利用粉煤灰掺量为20%～40%，而国外最高达80%，目的是尽量推迟凝结时间以增长现场施工时间和降低造价。
配合比设计：我国RCC路面配合比设计是采用传统的设计方法，即绝对体积法或假定容重法计算。W/C一般为0.3～0.4之间，水泥用量约在200～260kg/m3之间。
（3）施工技术。
拌和：拌和机可采用普通混凝土拌和机，由于RCC混凝土的含水量小，属于干硬性混凝土，混合料不易拌和均匀，所以拌和时间要适当加长。RCC混凝土的落料高度要尽量减小，以避免最大骨料的离散。
运料：在运输混合料时采用汽车运输，运料车必须覆盖篷布，以免遭受日晒或雨淋。
摊铺：RCC混凝土的施工速度主要受拌和能力和布料速度的影响，所以选择合适的布料方式和机械是非常重要的。
（二）拱坝的材料
修建拱坝的材料主要是混凝土。我国以前修建的中、小型拱坝，考虑到可就地取材及当时劳动力价格低廉，多采用浆砌石。现在由于劳动力价格提高，中、小型拱坝也大多采用混凝土建造。拱坝结构应力较重力坝高，因而对材料的要求比重力坝高。混凝土材料各项指标中，强度是主要指标，强度指标能满足时，抗渗、抗冻等指标也能满足，不需要分区浇筑抗渗混凝土。
坝体混凝土材料分区设计应以强度为主要控制指标。高拱坝拱冠与拱端坝体应力相差较大时，可设不同强度等级区。坝体厚度小于20m时，混凝土强度等级不宜分区。同一层混凝土强度等级分区最小宽度不宜小于2m。拱坝内孔洞、泄流消能部位可局部提高混凝土强度等级，并提出抗冲耐磨、抗渗等要求。此外，应校验各部位混凝土的极限拉伸值，保证混凝土的抗裂性能。上游面应校验抗渗性能。寒冷地区，对上、下游水位变化区及所有暴露面应校验抗冻性能。
（三）土石坝的筑坝材料选择
土石坝也称为当地材料坝，其最大优点是可就地取材。所有筑坝材料应尽可能采用坝址附近的材料，包括枢纽其他建筑物的开挖土石料。土石坝设计前，必须查明坝址附近各种天然土石料的种类、储量、分布、性能，以及枢纽建筑物开挖料的性质、可用数量等，通过技术经济比较，选择适当的坝型、填筑标准及施工方法。
1.对筑坝土料选择的基本原则
（1）防渗材料、反滤料和坝壳料等在坝体中所起作用不同，当某种材料不能完全适合使用目的时，经加工处理后，应使其具有与使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性。
（2）就地、就近取材是设计当地材料坝的基本原则。当坝址附近有多种筑坝材料可选用时，应尽量采用便于开采、运输和压实的材料，这对于缩短工期、降低工程造价等均具有重要意义。近20多年来土石坝建设的突出进步之一，就是筑坝材料的使用范围越来越广，有利于充分发挥土石坝就地取材、就近取材的优势。
（3）充分利用枢纽建筑物开挖料，不仅有利于降低工程造价，也有利于减少环境污染。近年来，高土石坝枢纽的一个显著特点就是采用土石方总体平衡的原则，将枢纽建筑物开挖料80%以上的有效方量用于大坝填筑。
2.防渗土料
（1）对防渗土料的基本要求。我国过去修建土石坝防渗体常用的土料是黏土、黏壤土和壤土。对防渗土料的基本要求是：
1）渗透系数：均质坝不大于1×10-4cm/s，心墙和斜墙不大于1×10-5cm/s。
2）水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐，按质量计）不大于3%。
3）有机质含量（按质量计）：均质坝不大于5%，心墙和斜墙不大于2%，超过此规定需进行论证。
4）有较好的塑形和抗渗流破坏能力。
5）压缩性与坝壳料相近，浸水与失水时体积变化小。
6）含水量最好接近最优含水量，以便减少土料上坝前的翻晒或加水，缩短工期和降低造价。
7）颗粒级配良好。
（2）砾石土（含砾黏性土）防渗料。砾石土是一种粗细颗粒土的混合料。其中砾石起骨架作用，细料土充填于其孔隙中。实践证明，级配优良的砾石土具有压实性好、抗剪强度高、压缩性低、便于施工等良好性能，是一种优良的防渗材料。国外土石坝，尤其是高土石坝，采用砾石土作防渗料的土石坝很多，国内近些年也越来越多地在高土石坝中将其作为防渗料。具体要求如下：
1）为了保证砾石土具有良好的防渗性及渗流稳定性，砾石（粒径大于5mm）与细粒土（粒径小于5mm）的含量应有一合理的比例。击实试验表明，当砾石含量大于某一值时，砾石开始架空，其中细粒土无法压实，透水性明显增加。此外，试验的颗粒含量不宜超过50%，最大粒径不宜大于150mm或铺土厚度的2/3，0.075mm以下的颗粒含量不应小于15%。填筑时不得发生粗料集中架空现象。同时，级配良好的砾石土也具有很好的渗流稳定性，当其出现裂缝时，粗料可对缝壁起稳定作用，小颗粒会堵塞大颗粒间的孔隙，并逐步形成自然反滤，使裂缝“自愈”，能防止裂缝进一步扩大。
2）天然状态砾石土的级配、防渗性和含水量等一般不满足设计要求，可以采用摊晒或加水、人工分离、掺入细或粗料、混合等方法加以解决。人工掺和砾石土中各种材料的掺和比例应经试验论证；当采用含有可压碎的风化岩石或软岩的砾石土作防渗料时，其级配和物理力学指标应按碾压后的级配设计。
（3）其他防渗材料。中国还分布着适宜做防渗料的各种土料，如红土、黄土、膨胀土、分散黏性土等，在采用时，应按照规范的规定要求进行选择或处理。
对于塑性指数大于20和液限大于40%的冲积黏土、开挖和压实困难的干硬黏土及冻土等，不宜作为大坝的防渗体填筑料，必须采用时，应根据其特性采取相应的措施。
3.坝壳土石料
坝壳土石料的主要作用是保持坝体稳定，故应具有比较高的强度，下游坝壳的水下部位及上游坝壳的水位变动区则要求具有良好的排水性能。
一般来说，料场开采和建筑物开挖的砂、砾石、卵石、漂石等无黏性土及石料、风化料、砾石土均可作为坝壳料，并应根据材料性质用于坝壳的不同部位。
为防止与中、细砂及粉砂的渗透变形和振动液化，这类材料仍主要限于用在中、低坝坝壳的干燥区，且地震区不宜采用。
土石坝所用石料包括护坡及排水设施的块石。石料应采用质地致密，并有良好的抗水性、抗冻性和抗风化性，能满足工程运用条件要求的石料。
采用风化石料和软岩填筑坝壳时，应按压实后的级配研究确定材料的物理力学指标，并应考虑浸水后抗剪强度降低、压缩性增加等不利情况。对软化系数低，不能压碎成砾石土的风化石料和软岩宜填筑在干燥区。
4.反滤料和过渡料
反滤料必须是未风化，质地致密，抗水性和抗风化性能满足工程运用条件的砾石、卵石和砂。反滤的成功与否，除上述母岩的质量外，最重要的是反映在级配和透水性上。故必须具有要求的级配，由于小于0.075mm颗粒含量的多少影响反滤料的透水性，故《碾压式土石坝设计规范》要求这种颗粒含量不应超过5%。反滤料应尽量采用天然砂砾料筛选，当缺乏天然砂砾料时，亦可人工轧制，但应选用抗水和抗风化性能好的母岩材料。对于较重要的坝，坝址排水的反滤料，最好不采用角砾及碎石，以免施工时碰擦产生石粉，淤塞反滤层。坝面护坡反滤料的要求可较低，可采用角砾和碎石。