胶凝砂砾石筑坝技术进展及西部高寒高海拔地区应用展望

胶凝砂砾石筑坝技术进展及西部高寒高海拔地区应用展望李新宇;任金明;陈永红【摘要】胶凝砂砾石坝是近年来国际坝工界结合碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝的优点发展起来的一种新坝型.本文首先阐述了胶凝砂砾石坝思想的起源与发展,然后从筑坝材料、应力分布和施工特性等方面对当前国内外典型胶凝砂砾石坝的技术特性进行了归纳总结,说明了胶凝砂砾石配合比设计、坝体设计和施工参数的关键点,以及当前胶凝砂砾石坝发展过程中存在的误区.将胶凝砂砾石坝首先在西部高寒高海拔河流上游中低坝工程中应用,然后加以推广是该坝型未来发展的主要努力方向.【期刊名称】《水利规划与设计》【年(卷),期】2012(000)005【总页数】5页(P32-36)【关键词】胶凝砂砾石坝;最优重力坝;胶凝砂砾石;防渗层;保护层【作者】李新宇;任金明;陈永红【作者单位】中国水电顾问集团华东勘测设计研究院杭州 310014;中国水电顾问集团华东勘测设计研究院杭州 310014;中国水电顾问集团华东勘测设计研究院杭州 310014【正文语种】中文【中图分类】TV521 胶凝砂砾石坝思想起源与发展胶凝砂砾石坝是结合碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝的优点发展起来的一种新坝型，其思想起源于J.M.拉斐尔（J.M.Raphael）于1970年在美国加州召开的“混凝土快速施工会议”上提交的论文“最优重力坝（The Opt imum Gr avit y Dam）”，他建议使用胶凝砂砾石材料筑坝并用高效率的土石方运输机械和压实机械施工，一方面由于水泥的胶凝作用增大了材料的抗剪强度，可以缩小坝体断面；另一方面使用类似于土石坝施工的连续方法可以缩短施工时间和减少施工费用。

20世纪 80年代初建成的一批干贫碾压混凝土重力坝，以美国柳溪（Wil l ow Cr eek）坝为代表，是上述思想的具体实现。

因干贫碾压混凝土重力坝与常规混凝土重力坝在断面设计上并无本质不同，但因胶凝材料用量有显著减小、坝体渗漏量偏大，而逐渐被RCD碾压混凝土坝（主要在日本采用）和富浆碾压混凝土重力坝（单方胶凝材料用量大于 150kg）所代替，对筑坝材料的要求接近甚至超过常规混凝土坝，与J.M.拉斐尔最初提出的“最优重力坝”设想也越来越远。

1988年，法国的P.Londe提出用碾压硬填方的施工方法将胶凝砂砾石碾压填筑成上下游等坡（0.7H/1V）的对称断面坝，上游面设防水面板防渗，称之为对称硬填方面板坝（FSHD，Faced Symmet r ical Har df il l Dam）。

1992年，P.Londe 再次对该坝型进行阐述，认为放宽对碾压混凝土性能和技术的要求只求获得一种“硬填方”而不是有较高强度的混凝土，总造价会降低且具有较高的安全度。

1990年英国的Paul Back在英国大坝协会会议上提出了“极限坝”（Ul t imat e Dam）的概念，其理念包括：采用耐久的筑坝材料，各种工况下结构安全度基本一致，对内部侵蚀、洪水漫顶、地震等有良好的抵抗能力，进一步发展了J.M.拉斐尔“最优重力坝”的思想。

20世纪90年代，日本进一步发展了这一理念，即将胶凝材料和水加入河床砂砾石和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，采用堆石坝施工技术进行碾压施工，称之为胶凝砂砾石坝（CSG Dam,Cemented Sand and Gr avel Dam），这种新坝型不仅经济，还可以充分利用施工过程中产生的弃料，减小对周围环境的影响。

由于胶凝砂砾石坝对筑坝材料、施工工艺以及坝基要求降低，大坝施工基本实现零弃料，凸显了在适应环境、减轻石渣及工程建设对周围环境的不利影响等方面所具有的优势，已开始得到国际坝工界的重视，并实际应用。

如土耳其2006年建成坝高107m的Cinder e坝即为胶凝砂砾石坝，我国街面水电站下游围堰、洪口水电站上游围堰、功果桥水电站上游围堰等均采用胶凝砂砾石坝修建。

与此同时，国内相关单位和学者也开展了有关胶凝砂砾石坝方面的研究。

如武汉大学方坤河教授等早在 1994年就在国内率先提出了“面板超贫碾压混凝土坝”的概念；武汉水利电力大学的唐新军博士对胶凝砂砾石坝的筑坝材料物理力学特性、坝体应力、变形和稳定等方面进行了详细研究；中国水利水电科学研究院贾金生等人对胶凝砂砾石坝的筑坝材料特性、渗透溶蚀机理、稳定和应力分析、坝体防渗体系等问题进行了广泛的研究，研究成果已在福建尤溪街面水电站下游围堰和福建洪口水电站上游围堰等工程中得到实施。

2 胶凝砂砾石坝技术特性和误区2.1 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’Appr oach）”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。

试验室得到的典型应力－应变曲线如图1所示，其中，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）”。

胶凝砂砾石的物理力学特性除了与单方用水量和胶凝材料用量有关外，与母材的颗粒级配分布，特别是砂率大小有较密切的关系。

研究表明，母材最大颗粒粒径150mm，砂率 30%左右时胶凝砂砾石具有较高的强度和较高的密实度。

图1 胶凝砂砾石典型的应力－应变曲线由于胶凝砂砾石材料骨料未经冲洗筛分，材料本身强度低，抗渗透性较差，且胶凝材料用量低，掺合料（如粉煤灰）掺量较高（一般情况下，胶凝材料用量少于100kg/m3，水泥用量约 40～60kg/m3），水化产物中 Ca(OH)2含量较少，压力水长期渗透作用下胶凝砂砾石的抗渗透溶蚀性能值得关注。

中国水利水电科学研究院贾金生等人进行的胶凝砂砾石渗透溶蚀试验结果表明，胶凝砂砾石的抗溶蚀性能较差，在 2MPa水压力作用下，经过108天的渗透溶蚀，胶凝材料水化产物中CaO被溶出10.25%，强度下降约31%。

因此，采用胶凝砂砾石坝作为永久工程时，应特别重视防渗体的设计及施工保证，避免胶凝砂砾石材料处于长期的渗透溶蚀中，以尽量减少渗透溶蚀对该坝型带来的长期耐久性问题。

2.2 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。

传统重力坝设计一般在抗倾覆稳定和抗滑稳定的前提下以坝体体积最小为目标，然后探讨坝体内部应力安全，最后确定坝体材料的设计强度。

因此，传统重力坝最优断面是上游面垂直（或接近垂直），下游面坡比接近0.8：1（H:V）的三角形断面，图2中显示了一座100m高重力坝基础底部的应力分布，从图2所示的应力分布可以看出，传统混凝土重力坝应力分布随满库和空库变化很大，满库时最大压应力位于下游坝趾区；空库时位于坝踵区，满库时上游坝踵区可能出现拉应力。

此外，传统断面的混凝土重力坝对于建基面的抗剪摩擦系数要求相当高，因此需要比较好的坝体基础条件。

图2 传统混凝土重力坝坝基面应力分布与传统混凝土重力坝断面设计目标将坝体设计成最小体积不一样，胶凝砂砾石坝主要是根据材料强度设计坝体断面。

胶凝砂砾石坝筑坝材料强度相对较低，通常情况下，采用上下游对称三角形断面。

对称三角形断面的明显优势是，在不同荷载情况下（满库与空库），坝体内部的应力和作用在基础上的荷载变化很小。

图3为坝高100m的带面板的胶凝砂砾石坝（上下游坡比均为0.7：1）的基面应力分布情况。

图3 胶凝砂砾石坝坝基面应力分布从图3所示的坝基面应力分布可以看出，无论是满库还是空库，坝基面应力不仅变化小，而且存在至少1MPa的压应力，但最大压应力较传统混凝土重力坝有较大幅度减小。

即使在加速度为0.2g的地震工况下，也不会产生拉应力，且安全裕度较大。

因此胶凝砂砾石的抗拉强度即使为0，坝体也是安全的。

作用在基础上的垂直荷载相当均匀且不会因水库蓄水位的变化而过大变化，这是胶凝砂砾石坝与传统重力坝的基本区别，这对弹性模量较低的岩基尤其重要。

因此，在基础岩石较软弱时，不适宜修建传统重力坝的地方，可以修建对称断面的胶凝砂砾石坝。

2.3 施工胶凝砂砾石坝为对称断面，在不同荷载组合作用下应力分布变化较小，最大压应力较小，且对拉应力无要求，因此对筑坝材料的强度要求较低，相对常规混凝土坝和碾压混凝土坝而言，施工相对简单、快速，体现在拌和、碾压、层面处理、质量控制等多个方面。

从国内外已有工程实践来看，胶凝砂砾石拌和可以采用连续式搅拌机拌和，也可以采用装载机或反铲等机械进行简易拌和，前者主要用于永久工程，后者则主要用于围堰等临时工程。

由于单方用水量对胶凝砂砾石物理力学性质较大，过高导致强度偏低，过低导致VC值过大，施工困难。

因此拌和前需要对母材含水量进行测试，以对胶凝砂砾石单方用水量进行校正。

母材为含水量较大的河床砂砾石时，应将母材堆存一段时间，使母材含水量低于5%后再进行拌和。

胶凝砂砾石碾压层厚一般在50cm左右，有部分碾压层厚与碾压混凝土类似，为30cm，如多米尼加的Moncion反调节坝。

也有碾压层厚为75cm的，如我国福建省街面水电站下游胶凝砂砾石围堰。

碾压层厚与胶凝砂砾石拌和系统、碾压机械等密切相关，需通过现场碾压试验后确定。

碾压参数也需通过现场碾压试验确定。

胶凝砂砾石坝由于断面较大，对层面抗剪强度要求较低，其层面即使不作处理也能够满足抗滑稳定的要求。

但对于坝高超过100m的高坝或对安全要求较高的永久性大坝，采用一定的层面处理措施，如摊铺前先铺一层砂浆等，有助于提高层面抗剪能力，如土耳其Cindere坝，绝大多数层面摊铺前都铺了一层25mm厚的砂浆垫层。

当采用胶凝砂砾石作为筑坝材料时，胶凝砂砾石碾压后的压实度可以采用核子密度仪进行测试，也可以采用挖坑进行检测。

2.4 其他特性根据前面的渗透溶蚀试验结果显示，胶凝砂砾石筑坝材料的抗渗透溶蚀性能较差，对于永久性工程，上游面板是胶凝砂砾石坝的必要组成部分，这与混凝土面板堆石坝的理念类似，防渗面板位于透水的堆石体上。

面板施工可采用与混凝土面板堆石坝类似的成熟技术，由于胶凝砂砾石坝的变形比混凝土面板堆石坝要小得多，所以面板中的配筋率可以小一些，周边缝的处理也可以简化很多。