工程條件對膠凝砂礫石壩的影響分析

楊晉營，燕荷葉，閆國保（山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原030024）

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工程條件對膠凝砂礫石壩的影響分析

楊晉營，燕荷葉，閆國保
（山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原030024）

從守口堡水庫膠凝砂礫石壩設計來看，膠凝砂礫石筑壩的影響因素很多，包括氣象、水文、地形、地質等，但主要制約因素應是壩址地質條件和壩址區天然建筑材料。壩基覆蓋層厚度、巖基質量、砂礫料的儲量和質量等因素，直接關系到膠凝砂礫石筑壩的可行性。其他因素的影響也應充分重視，這些因素對膠凝砂礫石壩設計和施工很重要。

工程條件；膠凝砂礫石壩；影響

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.020

膠凝砂礫石壩是介于散粒體和彈性體之間的一種新壩型，與土石壩和面板堆石壩相比較可以縮小壩體斷面；與重力壩相比較可以簡化施工。膠凝砂礫石筑壩技術的優勢是拓寬了骨料使用范圍，可利用就近的砂石材料，無需級配和沖洗的情況下拌合，減少固廢和篩分環節，使用高效率的土石方運輸機械和壓實機械快速施工。

目前，在法國、希臘、日本和土耳其等國家已建成了10余座膠凝砂礫石壩，其中土耳其的兩座壩壩高都超過100m。在我國福建、貴州、四川等地也相繼進行了一些圍堰工程試驗性應用，山西省守口堡水庫膠凝砂礫石壩是我國在永久工程中應用的首例，目前正在施工中。

盡管已有為數不多的工程應用，但對于其適應的工程條件缺乏較深的研究。從守口堡水庫膠凝砂礫石壩設計來看，膠凝砂礫石筑壩的影響因素很多，包括氣象、水文、地形、地質等。本文結合守口堡水庫筑壩工程條件，分析了工程條件對膠凝砂礫石筑壩技術的應用影響性。

1 氣象條件的影響性分析

不同于散粒料，膠凝砂礫石屬于硬填方。從硬填方筑壩技術經驗來看，氣象方面的主要影響因素為氣溫和降水。

1.1 氣溫

膠凝砂礫石是通過級配條件較寬、且不需要篩分的砂礫料和少量的膠凝材料拌合而成的，其水化熱很低，較高的溫度一般不會造成溫度控制的問題。但施工過程中膠凝砂礫石的VC值和凝結時間與氣溫有關，當高溫時段或太陽暴曬時拌和好的膠凝砂礫石凝結時間損失是很快的。如果VC值控制不好，會造成凝結時間縮短，進而影響膠凝砂礫石的碾壓和層間結合。因此，氣溫對膠凝砂礫石筑壩的設計與施工有較大影響，設計和施工均應充分考慮。

在寒冷或嚴寒地區低溫條件下，會對膠凝砂礫石壩的設計產生影響，主要是膠凝砂礫石的抗凍融性能低。因此，設計者往往要考慮防止凍融破壞措施，例如采取設置保護層的方式等。

同時，像碾壓混凝土和常態混凝土的施工一樣，氣溫太低也會對膠凝砂礫石的拌合、填筑造成較大的影響。低溫條件下施工，應保證施工的任何部位不結冰。現行的的《膠結顆粒料筑壩技術導則》（SL678-2014）規定：日平均氣溫連續5d穩定在5℃以下時或最低氣溫連續5d穩定在_3℃以下時，應采取低溫施工措施。氣溫驟降時，宜對膠凝砂礫石表面進行覆蓋保溫。氣溫在_10℃以下時不宜施工。

低氣溫對守口堡水庫大壩膠凝砂礫石施工影響還是比較大的。守口堡水庫位于山西省大同市，屬于寒冷地區，多年平均氣溫7.1℃，極端最低氣溫達_29.9℃，最大凍土深度為1.43m。在施工組織設計時，考慮了氣溫對膠凝砂礫石筑壩的影響，壩體碾壓施工工期只能安排在4月份至10月份之間，能夠施工的工期較短。而且，由于膠凝砂礫石的抗凍耐久性差，守口堡膠凝砂礫石壩上、下游壩坡分別設置了1.5m和1.0m厚的常態混凝土保護層。

1.2 降水

降水包括降雨和降雪。降雪主要發生在北方地區冬天，由于冬天天氣寒冷，很少進行填筑類作業的。因此，降雨的影響是主要的。

降雨對膠凝砂礫石填筑和碾壓的影響表現在：降雨強度高，會導致拌合好的膠凝砂礫石含水量加大，影響填筑料的和易性和均勻性；在碾壓過程中，降雨強度大，會導致振動碾壓路機的碾壓滾軸發生滑動、碾壓層表面含水量太高影響填筑質量等問題。日本大壩工程中心提出，在填筑膠凝砂礫石時降雨不宜超過4mm/h，這是基于膠凝砂礫石材料的性質和和易性的考慮。這個限定條件較我國碾壓混凝土施工規范放寬了很多，我國碾壓混凝土施工規范要求不超過3mm/h。現行的SL678-2014規定“當降雨量為小雨時可以施工”，小雨的降雨強度為小于3mm/h。守口堡水庫膠凝砂礫石壩施工組織設計確定的降雨強度也為3mm/h，符合SL678-2014規定。

此外，降雨對砂礫石的存儲也有一定影響，降雨量大，會增加自然堆放的砂礫石含水量，影響儲料質量。因此，應綜合考慮降雨條件，采取必要的保護及排水措施。

2 水文條件的影響分析

水文條件對膠凝砂礫石筑壩技術應用的影響因素主要是徑流、洪水和泥沙，設計時應予以充分考慮，尤其是在確定洪水標準、建筑物等級以及庫容和壩高時。

2.1 徑流和洪水

徑流和洪水調節是設計壩體斷面、泄水建筑物及其控制設備的基本依據。徑流和洪水調節對壩高的選擇有很大影響，同時對壩體泄水建筑物的布置也有影響，包括泄洪底孔和壩頂溢流堰的布置及結構尺寸。

現行的SL678-2014規定“膠凝砂礫石壩壩高超過50m時應補充必要的專題論證”，給出了壩高小于50m的膠凝砂礫石壩設計原則。因此，對于無條件進行專題論證的膠凝砂礫石壩，且壩基也存在一定問題時，在進行徑流和洪水調節時，應充分考慮壩高的因素。守口堡水庫大壩膠凝砂礫石壩高61.6m，壩高超過SL678-2014設定的不進行專題論證范圍。

此外，洪水對施工組織設計也有影響，包括料場的開采和防護、建筑材料的儲存和堆放、導流方案的選擇和導流建筑物的設計、施工工期的安排等。

2.2 泥沙

泥沙的影響主要體現在壩前泥沙淤積和泄洪泥沙含量及粒徑組成等方面。對于多泥沙河流，壩前淤積產生的泥沙壓力直接影響壩體穩定；泄洪泥沙含量及粒徑組成對泄洪建筑物的抗沖磨性能有影響。因此，對于在多泥沙河流上興建膠凝砂礫石壩，必須考慮泥沙因素的影響。

3 地形條件的適應性

膠凝砂礫石壩的壩軸線一般是直線，與河流流向近于正交。有時為了使壩體兩端壩頭放在較好的巖基上，壩線可與河流流向斜交，但交角不宜太小，否則會增加壩體工程量，又會使泄洪水流不順。

膠凝砂礫石筑壩和碾壓式壩相同，其特點之一是可快速施工。因此，膠凝砂礫石壩應布置在相對較寬的河谷。對于非常狹窄的河谷，岸坡陡峭，機械設備沒有足夠的運作空間，很難達到快速施工的目的。

從地形條件適應性來看，由于碾壓設備運作空間要求，膠凝砂礫石壩比常態混凝土重力壩對河谷寬度要求相對高點。日本Tobetsu壩，壩軸線所處位置河谷寬度為400m；多米尼加共和國Moncion反調節壩，壩軸線所處位置河谷寬度600m；土耳其Cindere壩、Oyuk壩和Beydag壩，壩軸線所處位置河谷寬度分別為250m、210m和800m；菲律賓Can-Asujan大壩，壩軸線所處位置河谷寬度為140m；希臘Marathia大壩，壩軸線所處位置河谷寬度為260m；在建的守口堡水庫壩軸線所處位置河谷寬度220m。另外，根據我國已建27座碾壓混凝土重力壩壩址河谷寬度統計，河谷寬度均在100m以上。

4 地質條件的適應性

4.1 地基條件適應性分析

從目前掌握資料來看，國外已建膠凝砂礫石壩以及國內已建臨時圍堰工程均坐落在巖基上，因此，影響膠凝砂礫石筑壩的地質條件，主要包括巖基質量和巖基上覆蓋層厚度。

（1）巖基質量的影響

混凝土重力壩要依靠壩體自重及壩體和巖基連接來抗滑和抗傾覆。而梯形壩壩體底層基本是壓應力，靠壩體和巖基的摩擦抗滑，而且在基礎面上產生的垂直應力比較均勻，不會因水庫水位的變化而過大變化，這是梯形壩和與直角三角形壩的基本區別。表1為守口堡水庫膠凝砂礫石壩在不同水位條件下的壩基應力計算成果。

由表可看出，相同壩坡比條件下，隨著水位升高，壩基上游邊緣應力σyu呈減小趨勢，下游邊緣應力σyd呈增大趨勢，上、下游邊緣應力比值σyu/σyd變化不大，但基底垂直應力分布不均勻現象明顯。

另一方面，相同水位條件下，隨著壩坡比加大，壩基上游邊緣應力σyu呈增大趨勢，下游邊緣應力σyd呈減小趨勢，上、下游邊緣應力比值σyu/σyd變化比較明顯，基底垂直應力分布趨于均勻。

表1 不同水位條件下擋水壩段壩基應力（kPa）

就巖基條件來說，混凝土重力壩要求苛刻，而梯形膠凝砂礫石壩要求更靈活。試驗資料表明，膠凝砂礫石的彈性模量較普通混凝土的彈性模量要低很多，這對彈性模量較低的巖基更為重要。這使得在較軟弱的巖基上修建膠凝砂礫石壩成為可能。但并不是意味著梯形膠凝砂礫石壩可以在任何基巖上建造。日本大壩工程中心研究了不同壩高和不同壩坡比的梯形壩膠凝砂礫石壩的強度與膠凝砂礫石彈模和巖基彈模比值（EC/ER）的關系。認為，隨著壩高或上下游坡比變陡，膠凝砂礫石的強度要求增加，要求的膠凝砂礫石的強度越高，壩體彈模就越高，EC/ER值越大。如果巖基有較大變形能力（即很低的ER），則很可能不適合建造梯形膠凝砂礫石壩。可見，彈性模量較低的軟弱巖基也是限制膠凝砂礫石筑壩的條件。

一般情況下，彈性模量很低的軟弱巖基質量都很差，例如強風化層厚度大、基巖破碎嚴重等，不僅會增加基礎處理的難度，而且會增加基礎處理工程量和壩體工程量。因此，從經濟角度來講，在這樣的軟弱巖基上興建膠凝砂礫石壩是不經濟的。

在滿足基礎穩定的條件下，在建的守口堡膠凝砂礫石壩體建基面設置在弱風化層上部，較原設計碾壓混凝土壩建基面抬高4m左右。這樣做不僅減少基巖開挖量，同時也節省了膠凝砂礫石用量。從守口堡壩基弱風化層巖石條件來看，其彈性模量7.5GPa；膠凝砂礫石壩彈性模量15.2GPa，膠凝砂礫石與巖石彈性模量比值EC/ER=2.03。《水工設計手冊》認為，通常EC/ER為1～2較有利。可見守口堡膠凝砂礫石壩EC/ER在合理的范圍內。

（2）巖基上覆蓋層厚度的影響

從當地材料利用原則來講，庫區和壩址區河道覆蓋層砂礫石料所占比例大，且具有豐富的砂礫料儲量，對膠凝砂礫石筑壩是有利的，尤其是壩址區可利用壩基開挖料筑壩。壩址區砂礫石儲量一般取決于基巖覆蓋層厚度，壩址區覆蓋層厚度太大，會增加基礎開挖量，加大壩高及壩體斷面面積，進而增加工程投資，影響膠凝砂礫石筑壩的可行性；然而，覆蓋層厚度薄了，可利用的砂礫石料也就少了，沒有足夠的筑壩材料，也會影響膠凝砂礫石筑壩的經濟性和可行性。因此，覆蓋層厚度對膠凝砂礫石筑壩的影響是綜合的，選擇膠凝砂礫石筑壩，既要考慮砂礫石的利用，還要考慮工程量增加的因素。在建的大同守口堡水庫大壩基巖覆蓋層厚度6.5～19.8m；已建的日本當別壩（Tobetsu）基巖覆蓋層厚度約17m左右。

4.2 天然建筑材料

4.2.1 砂礫料

砂礫料是膠凝砂礫石壩的主要建筑材料。在壩址區和庫區附近能找到儲量充足、質量合格、開采和運輸條件較為適宜、不影響工程安全、對環境及自然景觀影響較小的砂礫石料源是比較理想的。這樣可以縮短砂礫料的運距，大幅度降低工程造價。因此，砂礫料的儲量、質量、運距是影響膠凝砂礫石筑壩的主要因素。

（1）砂礫料場的選擇

“因材適構”的理念就是要就近取材并充分利用。從國外已建永久工程和國內已建臨時工程資料來看，多數是利用壩基開挖砂礫料和大壩上游附近河床開挖砂礫料。日本當別壩（Tobetsu）是利用壩基開挖料和壩前河床開挖砂礫料興建的。

守口堡水庫大壩是將壩基開挖砂礫料及圍堰上游1km范圍河床砂礫料作為主料源的。這樣不僅可減少材料運距，而且可充分利用壩基開挖量，減少棄料，進而達到降低工程造價、保護環境的目的。因此，在壩址選擇時，應充分考慮料場的影響因素。

（2）砂礫料質量

影響砂礫料質量的因素包括砂礫石的質地和表觀密度、含水率、含泥量、含砂率以及粗骨料粒徑含量等。而影響最大的因素是含泥量、含砂率和粗骨料含量。

根據室內試驗資料，含泥量或含砂率過高、粗骨料含量過低，均影響膠凝砂礫石的強度。SL678-2014規定：砂礫石中的含泥量不宜超過5%，泥塊含量不宜超過0.5%，并避免泥塊集中；砂礫石中小于5mm的砂料含量宜在18%～35%，粗骨料中5～40mm粒徑含量宜為35%～65%。

從顆分試驗來看，守口堡水庫大壩砂礫料場砂礫石中，小于5mm的粒徑含量37.56%、5～80mm粒徑含量47.47%、80～150mm粒徑含量5.64%、大于150mm粒徑含量9.34%，平均砂率為43.6%，含泥量在10%左右，有些指標超出了SL678-2014規定范圍。經試驗，砂礫料中外摻25%上壩公路開挖石料后，可將砂率降低到38%。

（3）砂礫石的儲量

料場的選擇還應充分考慮砂礫料的儲量，儲量直接影響膠凝砂礫石筑壩的經濟性和可行性，料場應有足夠的量。

一般情況下，壩址區和庫區天然河道基巖上伏砂礫石覆蓋層可作為儲量計算范圍，但由于自然原因，覆蓋層可能還存在表面土層或不符合要求的料層，因此，在儲量分析時，應考慮去除這部分量。同時還應按水下儲量和水上儲量分別計算，水下部分含水量大，需要晾曬蒸發后達到允許的含水率才能使用（一般不宜超過6%），施工費用中應予以考慮。

經計算，守口堡水庫大壩砂礫料場除去表層0.4～0.6m厚的低液限粉土無用層后，有用層為第四系洪沖積卵石混合土、混合土卵石，儲量100萬m3，其中粗骨料64.14萬m3，細骨料35.86萬m3。從儲量上來看，滿足膠凝砂礫料壩用量要求。

4.2.2 石料

對于膠凝砂礫石壩，石料一般用于保護層、防滲層、基礎墊層、溢流堰和泄洪底孔、消能設施等部位的常態混凝土或變態混凝土中，由于這部分混凝土在大壩工程量中占的比重很小，所以其對石料的量要求不是主要的，但對質的要求比較嚴格，應和常態混凝土或變態混凝土要求相同。

5 工程條件影響性分析匯總

表2 工程條件影響性分析匯總

續表2 工程條件影響性分析匯總

6 結語

我國膠凝砂礫石壩技術的應用剛起步，對于工程條件影響性的認識屬于初級階段。作者認為，盡管影響膠凝砂礫石筑壩技術應用的因素很多，但主要制約因素應是壩址地質條件和壩址區天然建筑材料，包括壩基覆蓋層厚度、巖基質量、砂礫料的儲量和質量等，這對論證利用膠凝砂礫石筑壩的可行性是很重要的。如果覆蓋層厚度太大或巖基質量太差，則會影響膠凝砂礫石壩的經濟性；如果壩址區附近沒有足夠的砂礫石儲量，在遠離壩址區開采砂礫料，遠距離運輸，則與“因材適構”的理念相悖。其他因素的影響也應充分重視，這些對膠凝砂礫石壩設計和施工很重要。

［1］SL678-2014.膠結顆粒料筑壩技術導則［S］.

［2］EngineeringManua1forConstruction and Qua1ityContro1ofTrapezoida1CSGDam，Japan DamEngineeringCenter，2007.9.

［3］SL53-94.水工碾壓混凝土施工規范［S］.

［4］周建平，黨林才.水工設計手冊（混凝土壩）［M］.北京：水利水電出版社，2011.

［5］馮煒，馬峰玲，等.山西守口堡膠凝砂礫石壩材料試驗研究報告［R］.中國水利水電科學研究院，2014.

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1672-2469（2016）01-0060-04

2015-06-29

先進實用技術示范（126214000000151022）

楊晉營（1959年—），男，教授級高級工程師。