胶凝砂砾石坝结构设计研究

青川县东阳水库胶凝砂砾石坝结构设计与分析邹同华，马学吉（四川沃土项目投资管理有限公司，成都,611732）!摘要】胶凝砂砾石坝是近年发展起来的一种新坝型，具有安全经济、环境友好、施工方便、适应性强等特点。

本文结合东阳水库的实际情况，经综合分析比较，推荐采用胶凝砂砾石坝；阐述了大坝结构和基础处理设计，进行了稳定、应力和地震动力分析，表明坝体结构设计合理，结构安全可靠，可为类似工程设计提供借鉴。

!关键词】胶凝砂砾石坝结构设计稳定分析应力分析东阳水库中图分类号:TV641文献标识码:A文章编号：2095-1809（2019）03-0027-04胶凝砂砾石坝（CSGR坝）是贾金生等［1］于2009年提出的一种介于面板堆石坝和混凝土重力坝之间的新坝型。

其主要特点是利用工程现场的砂砾石或开挖石渣料作为筑坝材料，使用少量的胶凝材料，通过简易拌合,经摊铺、振动碾压或浇筑振捣后形成的具备一定强度和抗剪性能的胶凝砂砾石⑵。

胶凝砂砾石坝具有漫顶不溃、抗震性能好、安全经济、适应性强、节能环保等优势，特别适宜在围堰、堤防和中小型水库大坝工程中推广应用目前国内已建成有街面、洪口等胶凝砂砾石围堰工程和顺江堰、猫猫河山塘等永久性工程;在建工程主要有山西守口堡水库、四川岷江犍为防护堤等工程⑷。

1工程概况东阳水库位于四川省青川县三锅镇境内，水库坝址位于嘉陵江流域清江河一级支流东阳沟上，坝址以上集水面积65.5km2%水库正常蓄水位932m，总库容717万m3，大坝采用胶凝砂砾石坝，最大坝高66.5m%工程属W等小（1）型工程，因大坝采用新型结构，且工程地质条件复杂，其主要建筑物提高一级为3级％大坝设计洪水标准采用50年一遇，相应洪峰流量564m3/s；校核洪水标准采用500年一遇，相应洪峰流量910m3/s%2工程地质2.1基本地质条件工程区位于扬子准地台龙门大巴山台缘坳陷之龙门山陷断束北段，属龙门山强烈活动断裂构造区％工区场地地震基本烈度为讽度，50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.2g，且工区附近有平武~青川主断裂及其羽列分支断裂F2、F3通过％其中平武~青川主断裂距工区最近距离约600m，F2、F3羽列分支断裂距离坝址区最近距离分别为440m、215m。

胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用摘要：胶凝砂砾石筑坝技术是在碾压混凝土筑坝技术和面板堆石筑坝技术的基础上发展起来的一种新坝型，其特点是采用胶凝材料与砂砾石材料（包括砂、砾石、石等）拌合筑坝，使用高效率的土石方运输机械和压实机械施工。

由于水泥的胶凝作用增大了材料的抗剪强度，与面板坝相比可以缩小坝体断面；由于简化了材料的配比和骨料的制作，与碾压混凝土坝相比可以简化施工、缩短工期和减少费用。

胶凝砂砾石筑坝技术因施工快速、经济性和安全性好，以及环境友好，近年在日本、土耳其、希腊、法国、菲律宾等国的永久工程得到了应用，具有良好的发展前景。

该新型筑坝技术的引进研究及推广应用对我国面广量大的中小型水库大坝工程、围堰工程建设，以及众多的病险水库除险加固工程具有重大意义。

关键词：胶凝砂砾石坝技术特性发展误区1胶凝砂砾石坝技术特性和误区1.1筑坝材料──胶凝砂砾石胶凝砂砾石是将胶凝材料和水加入河床砂砾石或开挖废弃料等在坝址附近容易获得的岩石基材中，然后用简易的设备进行拌合而得到的一种筑坝材料。

与早期干贫碾压混凝土类似，胶凝砂砾石大多采用“土工法（‘Soil’Approach）”确定配合比，即通过试验得到材料的用水量、VC值和密度等指标之间的关系，确定单方最优用水量，然后通过试验得到胶凝砂砾石抗压强度与用水量、胶凝材料用量、龄期之间的关系，确定胶凝材料用量和设计龄期。

研究表明，VC值在10～20s之间时，胶凝砂砾石各方面的性能较好。

通常情况下，胶凝砂砾石胶凝材料用量在70～100kg/m3，其中水泥用量在40～60kg/m3，90d龄期抗压强度大于5MPa。

应力—应变关系可以近似为线性的范围被定义为“线性范围”，线性范围内的最大应力被定义为“线性极限强度（σL）”。

1.2应力分布胶凝砂砾石性能与混凝土类似，目前胶凝砂砾石坝也借鉴传统混凝土重力坝设计准则进行设计。

但因坝体断面不同，胶凝砂砾石坝与传统重力坝的应力分布存在根本性区别。

胶凝砂砾石研究综述作者：黄晓琦来源：《建筑与装饰》2018年第14期摘要作为建筑材料中胶凝材料的重要组成部分，胶凝砂砾石凭借经济、安全、方便、低碳、环保等优点，广泛应用于建筑工程领域。

实际生活中，虽然胶凝砂砾石的应用非常广泛，但是，人们对于胶凝砂砾石材料还缺少全面、系统的认识。

因此，本文从胶凝砂砾石材料的力学特点、坝数值及坝型分析以及胶凝材料在温度变化和冻融环境下的耐久性等方面来对胶凝砂砾石进行了综合分析，希望可以指导人们更好的认识胶凝砂砾石材料。

关键词胶凝砂砾石；力学特点；坝数值；坝型；温度；冻融；研究胶凝砂砾石材料综合特性会受到材料用量、含砂率、水胶比、骨料级配、围压等诸多因素的影响。

而要想真正了解胶凝砂砾石材料的性质，我们首先就要研究其力学特性，通过系统的实验，精确的数据来分析和探讨胶凝砂砾石的力学特性。

1 胶凝砂砾石材料力学特性胶凝砂砾石是介于碾压型混凝土与堆石材料之间的一种新型胶凝材料，胶凝砂砾石的力学特性是坝体结构设计的基础，目前对于胶凝砂砾石的研究，多数是先选取合适的实验试件，然后通过反复的室内实验来完成的。

为了研究胶凝砂砾石的力学特性，国内外的建筑材料研究人员对其进行了很多单轴、三轴实验。

但是，由于胶凝砂砾石材料的特性会受到许多因素的影响，单从一个或几个方面来进行研究和实验，研究结果往往会缺少系统性和相关性。

而只有通过全面、系统的试验，将影响胶凝砂砾石材料的各种因素都考虑在内，才能全面了解并掌握胶凝砂砾石材料的力学特性及强度变化规律。

1.1 胶凝砂砾石材料强度的研究在对胶凝砂砾石强度进行全面研究的过程中，在考虑各种影响因素的情况下，通过全面、系统的拉、压实验及三轴剪切实验，才能真正了解胶凝砂砾石材料的力学特性，并掌握其强度的变化规律。

胶凝砂砾石材料的抗拉、压及三轴剪切等强度会受到胶凝材料的含砂率、水泥含量、水胶比、粉煤灰含量、级配及试件尺寸等诸多因素的影响。

例如，根据实验结果可知：胶凝砂砾石的含砂率在百分之二十左右时其实验试件的抗压强度最高，水泥用量和抗压强度是正比关系。

应用技术与设计2018年第01期119参考文献：[1] 林坚,田刚,姜扬,刘洁敏.新形势下城乡规划应对空间发展问题的策略探析[J].城市发展研究,2016,09.[2] 罗震东.科学转型视角下的中国城乡规划学科建设元思考[J].城市规划学刊,2015,02.分析胶凝砂砾石坝结构设计时以某水库为例，这一水库在山西省黑水河的上游段，水库总库容可以达到980万m 3。

在这一水库大坝附近含有丰富的砂碌石等天然建筑材料。

相关技术人员到现场进行勘察，砂烁石料现有的储量在100万m 3以上，大坝的最大高度可以达到61.6m。

该工程使用了胶凝砂烁材料。

1　水库当地的气候条件情况分析对当地的气候条件进行了分析，主要是收集整理当地气象站提供的气象要素统计资料，其平均降水量是411.3mm，平均气温是7.1℃，水的平均蒸发量是1734mm，这一水库的平均风速可以达到2.3m/s，风速最大可以达到18m/s，风的吹向是WNW，其最大的冻土深度是1.43m。

这一水库所在的河谷呈现U 型，河谷的宽度达到220.0m，覆盖层厚度在6.5m-19.8m。

下伏的基岩中含有辉石斜长角闪岩，基岩面的高度在1185.739-1199.620。

水库基强风化层的厚度在0.90m-5.00m 范围，弱风化层的厚度在4.30m-8.75m 范围。

相关技术人员深入现场进行测试，并对其进行了钻孔操作，从中整理出了钻孔压水资料，发现对于这一基岩体而言，其高度在1149m-1196m 以上的岩体都是中等透水性，其厚度在3-28m 范围，在这一厚度以下就属于弱透水岩体。

通过对坝基进行勘察，发现其没有较大的断裂发育，而只是在靠近右岸位置发育了小型的断层，同时还伴有裂隙破碎带，这一破碎带的宽度是0.1m-2m，而且向外有一定的延伸。

2　胶凝砂砾石坝结构设计和实践应用情况2.1　分析基面和断面的确定为了保证结构形式的合理性，对当地材料特点进行分析，勘察人员到现场进行测试，根据结果整理了相关数据，可以参考组开挖砂砾石料，为以后的配合比设计提供参考依据。

・34・四川水利2019. No. 3胶凝 新型材料在顺江堰枢纽溢流坝设计中的运用何晓初(四川省都江堰勘测设计院，四川 都江堰,611830)【摘 要】本文论述了顺江堰引水枢纽溢流坝体设计采用中国水利水电科学研究院自主研发的胶凝砂砾石作为主 要筑坝材料的可行性，有效地利用工程不筛分的开挖料，节省投资，减少弃渣及占地。

通过坝体合理的材料分区，使坝体 在非对称断面的情况下，满足现行行业标准规范的相关设计指标要求。

碾压施工，易于机械化，缩短工期。

【关键词】胶凝砂砾石材料 非对称溢流坝 材料分区 碾压施工 顺江堰引水枢纽中图分类号:TV45：TV641 文献标识码:H 文章编号：2095 - 1809(2019)03 -0034 -041工程概况顺江堰引水枢纽位于都江堰外江灌区西河38 + 450桩号，该枢纽除向顺江堰支渠直灌213.33hm 2 水外，还向通济堰3.47万hm 2水，担下游电站、灌区的人畜饮水及环境用水％设 水流量为35. 0m 3/s ,工程别为川等，主要建筑物工程级别为3级，要建筑物工程级别为4级，临 工程建筑物为5级%设计洪水标准为30年(P = 3.33%) 一遇3960m 3/s ；校核洪水标准为50年(P= 2% ) 一遇4450m 3/s ；消能防冲洪水标准为30年(P =3.33%)%原工程为闸坝结合,泄洪冲沙闸、进水闸采用条预 砌筑，条 重风化，闸 锈蚀、启 设备老化，闸房破旧;挡水溢流坝采用坝，坝为浆砌大卵石结构％由于工程建设年代久，标 低,受水毁影响严重，坝体裂缝，重安全隐患，必 行拆除重建。

该 纳入都江堰灌区续建 与节水改造 ％重建的 水枢纽中，泄 冲沙闸、 水闸采体结构，挡水溢流坝采重式结构，枢纽布置及坝体剖面分别见图1及图2 %图1顺江堰引水枢纽平面布置2019.No.3四川水利・35・图2顺江堰溢流重力埋石坝典型剖面2顺江堰枢纽溢流堰采用胶凝砂砾石坝的性分析胶凝砂砾石坝（CSGR）是由中国水利水电科学研究院自主研发的新型坝,介于混凝土坝（含碾压混凝土坝）和土石坝之间，其筑坝材料是的工程现场不筛分不水洗的砂、砾、石料，通过拌合、摊铺、振动碾压后形成的具备一定强度和抗剪性能的材料，最大粒径可达150mm%顺江堰引水枢纽溢流坝的设计中，可研阶段原坝体采用C20埋石混凝土，初设阶段为积极推行新材料、新技术、新工艺的，经分析该坝具备选择胶凝砂砾石坝（CSGR）坝型的条件％2.1地质条件根据现场地勘资料，顺江堰坝基主要为砂砾卵石，砾卵分主要为花岗岩、岩、灰岩、白云岩等，呈圆状至亚圆状，质地坚硬，粒径一般10mm〜100mm%骨架孔隙间充填中细砂,成分以石英、长石和岩屑为主,含少量的云母。

堆石混凝土与胶凝砂砾石复合材料坝研究随着混凝土施工工艺水平的提高、施工机械的迅速发展和相关理论的发展,普通混凝土重力坝得到蓬勃发展。

近年来,又提出了胶凝砂砾石(Cemented Sand and Gravel, CSG)坝、堆石混凝土(Rock-Fill Concrete, RFC)坝等新材料坝型。

本论文中提出了采用堆石混凝土材料和胶凝砂砾石材料联合筑坝的新思路。

在坝体上游侧采用RFC材料浇筑,可省去CSG坝上游面的防渗处理措施,减小坝体尺寸,加快施工进度;在下游侧采用CSG材料,避免了采用高强度材料造成的材料强度发挥不充分的现象。

更重要的是复合材料坝可将开挖料、河床砂砾石料中大粒径的块石或卵石作为RFC的堆石料,剩余部分制备CSG材料,从而有效利用当地材料,减小对环境的负面影响。

以某实际重力坝工程为例,对RFC与CSG复合材料坝的坝型及其工作性态进行了理论上的初步研究和探讨。

首先采用材料力学法,计算分析了坝体上游面坡度和两种材料交界面坡度对坝体应力和稳定性的影响,得到了满足强度和稳定性要求的一些坝型;随后将CSG部分作为散粒体填土,RFC部分作为挡土墙进行了分析;最后用非线性有限元法对坝体和基岩,两种材料交界面等部位进行敏感性分析。

研究表明:(1)在复合材料坝上下游坝面坡度一定时,坝体稳定性随着交界面坡度增大单调减小;而坝体应力不随交界面坡度单调变化,存在拐点。

为了减小坝体尺寸,节省工程造价,应综合考虑稳定性和强度要求,选择适当的材料交界面坡度。

(2)当复合材料坝上游面略向上游倾斜时,坝体稳定性增加,但坝体压应力减小,不利于满足规范应力要求。

(3)为了保证大坝施工的安全,在复合材料坝设计时,还应将CSG部分作为填土,RFC部分作为挡土墙进行分析。

(4)对于坝体与基岩接触面,特别是坝踵、坝趾和两种材料交界处等部位以及两种材料交界面在靠近坝基的过渡区部位容易出现屈服,应注意这些部位的处理。

胶凝砂砾石坝结构设计研究胶凝砂砾石坝是一种体型介于土石坝和重力坝之间的新坝型。

相较于堆石坝其工程量显著减少，抗冲刷能力强；相较于碾压混凝土坝其水泥用量大大节省，显著降低造价，骨料、配合比、温控和地基要求大为降低。

本文根据胶凝砂砾石坝结构设计特点，基于摩尔-库伦准则研究胶凝砂砾石材料本构关系，采用规划求解计算三轴试验胶凝砂砾石材料强度指标。

运用大型有限元软件ADINA对胶凝砂砾石坝进行二维、三维计算分析，主要有静力计算、动力计算、考虑渗流作用的应力计算等；采用岩土软件Geo-studio 对不同防渗措施进行渗流计算分析。

采用应力水平标准评价胶凝砂砾石坝的抗剪能力，采用点安全系数法计算建基面抗滑稳定情况，基于可靠度理论对胶凝砂砾石坝的稳定性进行评价。

主要完成了以下工作：⑴对三峡大学胶凝砂砾石材料单轴试验结果进行分析，得到筑坝材料的主要力学指标。

结合三轴试验结果，推导了胶凝砂砾石材料的本构关系。

⑵选用试验中力学性能良好的材料作为筑坝材料进行结构设计，并结合等高程的重力坝对比分析了两种坝型在不同水位荷载作用时的应力分布情况。

分别采用应力水平、点安全系数法、可靠度理论分析了不同水荷载下等高程胶凝砂砾石坝和重力坝的抗剪、抗滑稳定情况。

设计空库、满库两种工况，研究了分层地基时胶凝砂砾石坝对不同地基弹性模量的适应性。

⑶分别采用钢筋混凝土面板、复合土工膜、高强度胶凝砂砾石材料做胶凝砂砾石坝上游防渗层，对比防渗效果，并根据考虑渗流作用的应力计算结果分析了采用不同防渗体的胶凝砂砾石坝应力水平。

⑷研究不同坡比设计时胶凝砂砾石坝的应力应变、应力水平情况，对胶凝砂砾石坝的体型进行研究。

结合守口堡工程实例，通过三维建模计算分析了该胶凝砂砾石坝的渗流、应力应变、超载破坏等情况。

胶凝砂砾石坝坝坡比分析研究胶凝砂砾石坝坝坡比分析研究杨晋营，高超（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）摘要：胶凝砂砾石坝属于新型筑坝技术，坝坡比是胶凝砂砾石坝断面设计的重要参数，直接影响工程的安全性和经济性，应通过坝体抗滑稳定性和应力分析来确定最优坝坡比和坝体断面。

通过和面板堆石坝、碾压混凝土重力坝坝坡比的对比，结合胶凝砂砾石坝坝体受力特征分析，对胶凝砂砾石坝在基本荷载组合条件下的坝坡比进行了理论分析和研究。

胶凝砂砾石坝设计初期，类似Ⅳ类硬质岩的坝基地质条件，且材料设计抗压强度6.0 MPa、坝高小于70 m时，胶凝砂砾石坝综合坝坡比可在1.2～1.3之间初选；上游坝坡比宜大于1∶0.3、小于1∶1.0；下游坝坡比宜大于1∶0.5、小于1∶1.0。

在综合坡比一定时，将坝体设计为对称梯形断面对坝体抗滑稳定有利；将坝体设计为上游坝坡比小、下游坝坡比大的非对称梯形坝对降低坝体主应力水平有利。

关键词：胶凝砂砾石坝；坝坡比胶凝砂砾石坝属于新型筑坝技术，在国内永久工程中应用实例为数不多，山西守口堡水库胶凝砂砾石坝是我国应用此项技术的首例，坝高61.6 m［1］；四川顺江堰拦河滚水坝是我国第一座已建成的胶凝砂砾石坝永久性工程，坝高11.6 m［2］。

在临时围堰工程中应用较多［3－6］。

从材料性能和施工方法来看，胶凝砂砾石坝是介于面板堆石坝与碾压混凝土坝之间的一种新坝型，其特点就是加入少量的胶结材料，将不经筛分的天然砂砾料胶结起来，通过碾压的方式使之达到一定强度，来满足应力和稳定要求的。

胶凝砂砾石坝断面形状一般为梯形，断面比较大，当坝轴线较长，对断面进行优化设计，可有效减少胶凝砂砾石工程量。

坝坡比是胶凝砂砾石坝断面设计的重要参数，直接影响工程的安全性和经济性，应通过坝体抗滑稳定性和应力分析来确定最优坝坡比和坝体断面。

目前，国内有关永久性胶凝砂砾石坝坡比研究成果比较少，有关文献对守口堡胶凝砂砾石坝坝坡比进行了研究［7－9］。

胶凝砂砾石坝的设计准则中国大坝协会秘书处郑璀莹、贾金生、杨会臣、马锋玲、徐耀、冯炜1 概述胶凝砂砾石筑坝技术是国际上近年发展起来的新型筑坝技术，其特点是采用胶凝材料和砂砾石材料（包括砂、石、砾石等）拌合筑坝，使用高效率的土石方运输机械和压实机械施工，具有安全可靠、经济性好、施工工艺简单、速度快、环境友好等优点：（1）胶凝砂砾石具有一定的抗冲刷能力，坝顶过水也不至于溃坝；（2）可以充分利用当地筑坝材料，减少弃料，水泥掺量少，不仅节约成本，而且大幅减少大坝施工对环境的影响；（3）对施工工艺要求较低，大幅度简化流程，缩短工期。

近年在日本、土耳其、希腊、法国、菲律宾等国家的永久工程得到应用。

我国对该坝技术的研究始于上世纪90年代，通过对筑坝材料特性、大坝受力特性、防渗体系、施工工艺等的系列研究，2004年建成了第一座胶凝砂砾石坝围堰，即坝高16.3m的福建尤溪街面水电站下游围堰。

之后，胶凝砂砾石筑坝技术在福建洪口、云南功果桥、贵州沙沱、四川飞仙关等围堰工程中得到陆续应用。

由于缺少该坝型设计的行业技术标准，近年多座中小型水库大坝将胶凝砂砾石坝作为备选坝型之一，但尚没有建成永久工程。

根据国内外工程实践，目前，胶凝砂砾石围堰工程和大坝工程的设计通常采用经验设计，多参照混凝土重力坝的设计方法和控制指标体系。

基于国际已建胶凝砂砾石坝工程的经验，通过对材料性能、坝体结构受力特性和施工工法的研究，我国自2004年来陆续建成了福建街面、福建洪口、云南功果桥、贵州沙陀、四川飞仙关等胶凝砂砾石围堰工程，取得了一定的技术进展，但与国际当前研究发展水平对比来看还有一定的差距，对于胶凝砂砾石坝作为永久工程的建设，尤其需要行业标准，明确胶凝砂砾石坝的设计方法，并建立控制指标体系。

本调研基于胶凝砂砾石坝技术导则编制工作开展，旨在对国际已建工程和国内拟建工程的设计准则和研究进展进行调研。

本次调研通过搜集、整理国内外学术期刊、国际会议论文集和相关研究报告、硕士和博士论文中有关胶凝砂砾石筑坝技术的相关内容，对胶凝砂砾石坝设计准则及结构设计等方面进行归纳、总结、提炼，以期为国内专家了解该新坝型设计技术进展，以及为后续研究工作提供参考。