膠結顆粒料筑壩技術示范與推廣

王化翠,雷興順,劉志明

(水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120)

1 項目概況

膠結顆粒料筑壩技術主要包括堆石混凝土和膠凝砂礫石兩種材料的筑壩技術，是我國自主研發的筑壩新材料、新技術，充分體現了工程安全、經濟合理、施工便捷、生態環保等特點。在水利部的支持下，2010年8月至2012年8月水利部水利水電規劃設計總院牽頭，聯合中國水利水電科學研究院、清華大學共同承擔了水利部公益性行業科研專項“膠凝砂礫石與堆石混凝土筑壩關鍵技術研究”項目，在該項目研究成果的基礎上，編制完成了SL 678—2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》(以下簡稱“導則”)。

2016—2017年，水利部水利水電規劃設計總院聯合中國水利水電科學研究院、清華大學等5家單位，共同承擔了水利部先進實用技術示范項目“膠結顆粒料筑壩技術標準化推廣”。主要依托云南松林堆石混凝土壩和山西守口堡膠凝砂礫石壩兩個在建工程，進行示范工程建設及相關參數指標復核驗證，開展技術創新，不斷完善膠結顆粒料筑壩技術可操作性，總結經驗進一步推廣。主要工作內容包括筑壩材料選擇、材料性能試驗、配套施工設備研發、施工工藝優化、質量控制指標檢測，以及壩體設計優化等，并廣泛收集導則實施的意見，以驗證導則相關規定和技術指標的合理性，提出修訂建議。

2 主要示范成果

項目組經過兩年的示范與推廣，掌握了堆石混凝土壩和膠凝砂礫石壩的設計、試驗研究、施工工藝、質量控制等現場第一手資料，對完善和推廣膠結顆粒料筑壩技術提供了重要技術支撐。結合山西守口堡膠凝砂礫石壩完成了6篇論文，同時取得了堆石混凝土施工、堆石沖洗、膠凝砂礫石制備等4項專利，直接培訓專業技術人員192人次，同時利用示范與推廣的平臺進行考察、交流、學習的人員358人次，累計培訓學習的人員達到550人次。

2.1 堆石混凝土壩

松林水庫位于云南昭通市，是一座以灌溉、人畜飲水為主的中型水利工程，大壩為堆石混凝土重力壩，最大壩高達90m。2016年1月1日開始首倉堆石混凝土澆筑。截至目前，已經完成堆石混凝土澆筑24萬m3，堆石混凝土已澆筑壩高65m。項目組以松林水庫堆石混凝土壩現場施工為示范基地，在壩體堆石混凝土施工開始前、施工過程中，對從事堆石混凝土壩的設計、施工、監理、質量檢測等單位的技術人員開展了培訓，復核了原材料、配合比、壩體設計、施工工藝、質量控制等技術要求以及與導則的符合性，優化了堆石入倉，高自密實性能混凝土生產、運輸與澆注等關鍵工藝，進一步明確了堆石混凝土筑壩質量控制指標。

2.1.1 材料指標

堆石混凝土的原材料包括堆石體和自密實性能混凝土等材料。項目組對堆石材料的開采、粒徑、強度、含泥量等，以及自密實性能混凝土粗骨料和細骨料的粒徑、形態等指標進行了分析復核，均滿足導則要求。

2.1.2 配合比優化

松林水庫大壩筑壩材料除進行了常規高自密實性能混凝土配合比設計外，為滿足在短缺粉煤灰摻合料情況下，還研究了以石粉作為惰性摻合料，優化配合比后，筑壩膠凝材料用量降低了近40%，堆石混凝土強度值為23MPa左右，均滿足設計要求；優化后的配合比在工程實際得到應用，取得了良好的效果。

2.1.3 壩體結構與構造

經復核，壩體上、下游壩坡，橫縫間距及設置的防滲體厚度等均符合導則要求。壩體上游防滲體原設計為分兩期填筑，經咨詢論證，壩體防滲體與堆石混凝土優化為同一期澆注，C20、C15自密實混凝土同時入倉灌注，同倉面整體上升，取消了壩體上游防滲體與堆石混凝土施工縫面。岸坡壩基采用自密實混凝土與堆石壩體同時澆注，取消岸坡常態混凝土墊層，減少了施工層面及處理。河床及岸坡壩段的水平建基面上仍然按照設計要求，采用常態混凝土墊層等措施。對壩基兩岸開挖坡度較陡建基面上，建議進一步優化固結灌漿的布置，必要時應增設接觸灌漿系統，并研究灌漿時機。

2.1.4 層間抗剪

松林水庫大壩堆石混凝土的冷縫開展了現場層間原位試驗，在大壩溢流壩段的下游側選擇試驗部位，按照《水利水電工程巖石試驗規程》(SL 264—2001)中第7.1節混凝土與巖體接觸面直剪試驗方法，采用平推法開展試驗研究，現場原位取得了堆石混凝土層間的抗剪斷參數，復核計算，大壩的抗滑穩定滿足要求。

2.1.5 施工工藝

松林水庫大壩在原材料開采加工，結合巖體裂隙和節理發育條件，嘗試了預裂爆破開采的方式獲取更多滿足粒徑要求的堆石料。在堆石入倉方面，中低壩段利用回填修路、中高壩段依托兩岸邊坡墊路，采用自卸汽車堆石上壩入倉方案，提高了堆石上壩效率。同時，研發了格柵型裝料斗配合挖掘機和裝載機輔助堆石入倉，采用挖掘機輔助堆料和平倉的施工工藝。在高自密實性能混凝土的生產和澆注方面，攪拌站距離壩址水平距離較近，約100m，雙臥軸強制式混凝土攪拌站生產出機后，由混凝土輸送泵直接入倉。采用堆石及摻合料等，控制了壩體堆石混凝土的水泥用量，降低了水化熱溫升，施工層面中可不埋設冷卻水管，取消了壩體縱縫，簡化了溫控措施，提高了工效。

2.1.6 質量檢測

由云南省水利水電工程建安中心牽頭，組織松林水庫建設各方和示范項目的相關單位共同編制了《堆石混凝土技術實施細則》，在高自密實性能混凝土配合比設計、優化調整、檢驗以及堆石混凝土施工和質量控制等方面做出具體要求。原材料質量控制包括堆石料的粒徑、抗壓強度、含泥量、泥塊含量等指標，高自密實性能混凝土質量控制指標有坍落度、坍落擴展度、V漏斗通過時間、入倉溫度、澆筑質量、強度、抗滲性、耐久性能等，明確了檢測時間、頻次、控制指標及注意事項。完善的質量檢測與控制要求保障了堆石混凝土澆筑質量。

2.2 膠凝砂礫石壩

守口堡水庫位于山西省大同市，是一座以供水、灌溉為主的中型水利工程，大壩為膠凝砂礫石壩，最大壩為61.6m。項目組以守口堡水庫膠凝砂礫石壩為示范基地，開展了膠凝砂礫石骨料、膠凝砂礫石強度、膠凝砂礫石層面及處理措施等試驗研究工作，現場取得了設計、試驗研究及施工等技術指標，并對比驗證了導則相關技術要求，提出了修訂意見與建議。

2.2.1 筑壩材料及性能

守口堡水庫大壩的砂礫料場砂礫石的平均砂率為43.6%，經試驗論證，砂礫料外摻25%上壩公路開挖石料后，最細級配由原來的砂率47.4%降低到38.0%，平均級配由原來的砂率43.6%降低到34.9%。骨料最大粒徑、砂率、含泥量、膠凝材料的強度及VC值均滿足導則要求。

2.2.2 結構設計

膠凝砂礫石壩是介于剛性膠結體和散粒體之間的一種壩型，其材料強度相對較低，將壩體斷面設計為梯形，有利于降低壩體應力和地基應力。守口堡膠凝砂礫石壩建基面位于弱風化層上部，采用對稱梯形斷面，上下游壩坡比均為1∶0.6。壩體應力與穩定采用了材料力學法和剛體極限平衡法，并采用有限元法進行了驗證計算，計算結果較導則規定具有一定的安全裕度。

守口堡膠凝砂礫石壩防滲體系由壩體常態混凝土防滲層和壩基灌漿帷幕構成，排水體系由壩體豎向排水塑料盲管和壩基排水孔幕、排水廊道構成。壩體未設橫縫、縱縫，只在上游防滲層和下游保護層設伸縮縫。

2.2.3 施工工藝

大壩基礎墊層材料采用的富漿膠凝砂礫石，具有膠凝材料少，與壩基、壩體彈性模量相當等優點，不易產生裂縫，且可連續碾壓施工，加快了施工速度。

膠凝砂礫石中膠凝材料用量較低，為保證層間結合質量，施工層面應控制在膠凝砂礫石的初凝時間之內。超過初凝時間的施工層面，現場采用高壓水沖毛、鋪設20～25mm厚水泥砂漿等施工措施，以保證壩體碾壓層間抗剪強度滿足要求。

與底孔壩段常態混凝土結合部位，攤鋪膠凝砂礫石時，在膠凝砂礫石碾壓層攤鋪時與底孔壩段常態混凝土之間預留間距20cm，碾壓完畢后在預留空間內倒入二級配碾壓混凝土加漿振搗，最后對膠凝砂礫石與變態混凝土結合部位再碾壓1～2遍。與岸坡壩基結合部位采用二級配加漿碾壓混凝土，富漿碾壓混凝土先于壩體膠凝砂礫石卸料攤鋪，然后進行碾壓混凝土的加漿振搗，振搗完成后再進行膠凝砂礫石碾壓。

壩體防滲體采用常態混凝土，與壩體膠凝砂礫石混凝土分兩期施工，相互干擾大，處理工作及工期長，且存在薄弱的結合面。建議進一步研究二者同步施工工藝。

2.2.4 施工設備

膠凝砂礫石壩原材料主要是大壩上游河床天然砂礫料和壩基開挖料，使用1.6m3挖掘機開挖，20t自卸汽車運輸至拌和站附近堆存，然后在堆存附近架設固定式格篩，剔除粒徑大于150mm的石塊。

膠凝砂礫石首次采用了專用拌和設備，保證了膠凝砂礫石的拌和能力與質量。經拌和的膠凝砂礫石運輸采用20t自卸汽車裝載運輸，并直接上壩入倉。鋪料采用平層平推法，攤鋪厚度550mm(壓實后層厚為500mm)。平倉方向平行于壩軸線，中間部位采用SD16型履帶式推土機平倉，邊角部位采用挖掘機平倉。碾壓設備采用SSR260單鋼輪振動碾，碾壓方向垂直于水流方向，行走速度控制在1～1.5km/h，碾壓遍數按工藝試驗結果確定的8遍(其中，先靜壓2遍)，保證了膠凝砂礫石設計容重和強度。

壩區多年平均氣溫7.1℃，極端最低氣溫達-29.9℃，最大凍土深度為1.43m。膠凝砂礫石壩每年可施工時間為5—10月，有6個月的時間因寒冷冰凍無法施工，工程先后采用了水下保溫和棉氈保溫等措施。

2.2.5 質量檢測

對原材料、拌和、碾壓、強度等方面質量檢測是控制膠凝砂礫石的質量關鍵環節。原材料控制是通過對工程采用的水泥、粉煤灰、外加劑、砂礫石料等原材料進行現場檢測。拌和質量控制拌和方式、時間、出機口VC值、容重、含氣、強度、混凝土性能等指標。碾壓控制標準制定骨料分離情況、倉面VC值、拌和物暴露允許時間、表觀密度、碾壓攤鋪厚度、碾壓設備、行車速度、碾壓遍數、層間間隔時間、壓實容重和碾壓層表面情況等施工質量控制指標。強度方面對出機口膠凝砂礫石濕篩試件，以及膠凝砂礫石全級配試件和墊層富漿膠凝砂礫石試件進行質量檢測。在施工全過程、全方位檢測膠凝砂礫石壩的施工質量。

3 《導則》修訂意見

在山西守口堡水庫和云南松林水庫兩個中型水利工程順利建設的同時，《導則》主要技術內容也在工程的試驗研究、設計、施工中得到了全面的驗證，分析總結提出了具體修訂意見與建議。

3.1 適用范圍

《導則》規定適用于中小型水利水電工程，對膠凝砂礫石壩壩高超過50m或堆石混凝土壩高超過70m時應補充必要的專題論證，但未明確專題論證的相關內容，建議下一步明確專題論證的主要內容，同時還可適當提高壩高的適用范圍。

3.2 原材料

3.2.1 堆石混凝土

(1)為入倉方便，避免影響堆石混凝土表面質量，建議堆石料粒徑增加“也不宜大于澆筑層高”；

(2)堆石強度C9015對應的堆石料飽和抗壓強度建議由大于等于30MPa提高為大于等于40MPa；

(3)堆石料建議增加“堆石宜使用塊石或漂石，不應使用片狀或板狀巖塊。”

(4)堆石料含泥量越小，對工程質量越有保證，堆石料的含泥量指標小于等于0.5%建議改為小于等于0.2%，并進一步明確含泥量檢測方法。

(5)《導則》中對高自密實性能混凝土的摻合料規定可采用石粉，但未提出質量控制指標，建議補充石粉的要求、評價指標及檢測要求等。

3.2.2 膠凝沙礫石

(1)為保障膠凝砂礫石的材料質量和施工性能，建議進一步明確適宜的砂礫石料級配范圍，必要時可進行外摻開挖料，以調整骨料級配。

(2)《導則》規定膠凝砂礫石粒徑小于5mm的砂率宜在18%～35%，守口堡水庫通過外摻25%石料后最細砂率降低到38%，平均級配砂率降低到34.9%。建議結合不同工程實際，通過試驗研究確定砂率控制范圍，充分利用當地建筑材料，提高膠凝砂礫石壩的適應性。

(3)《導則》規定壩基墊層宜采用富漿膠凝砂礫石或常態混凝土等，對膠凝砂礫石粗骨料粒徑則沒有提出明確規定，建議粒徑應控制在80mm之內。

3.3 大壩設計

(1)建議優化建筑物布置，宜減少壩內混凝土結構建筑物，以充分發揮膠凝砂礫石筑壩快速施工優勢。

(2)《導則》規定膠凝砂礫石壩體采用梯形斷面是合適的，從近期的研究成果來看，在滿足穩定和應力要求時，上、下游壩坡的規定可進一步優化，根據工程實際情況可采用非對稱梯形斷面。

(3)膠結顆粒料與防滲混凝土、岸坡基巖等的結合部位是膠結顆粒料壩的關鍵，建議導則中進一步完善膠結顆粒料與壩體防滲層、保護層、壩基、岸坡、止水等結合面的細部結構設計，并對施工工藝提出質量控制要求。

(4)《導則》中膠凝砂礫石的強度等級最高為C18010，對于防滲層膠凝砂礫石，其強度等級一般高于壩體，建議補充給出過渡區。

(5)壩段之間或與基礎、建筑物的接觸面筑壩材料可采用富漿膠凝砂礫石或者加漿振搗膠凝砂礫石；下游防滲層可以采用加漿振搗膠凝砂礫石或者三級配常態混凝土。

(6)《導則》未對冬季施工提出規定，建議補充完善低溫季節對膠結顆粒料壩的防滲層、保護層等，提出臨時與永久保溫的設計措施。

3.4 大壩施工

(1)建議《導則》中進一步細化壩體防滲層與保護層、壩基、止水等部位細部的施工工藝措施，施工過程中應完善安全監測的要求，加強安全監測儀器的設置與埋設。

(2)膠凝砂礫石壩施工采用專用拌和設備，為減小膠凝砂礫石大骨料離析，進一步提高專用拌和機使用壽命，建議增加拌和設備配置、改進補強等施工措施。

(3)膠凝砂礫石碾壓最大厚度不宜超過700mm，范圍偏大；層間砂漿墊層厚10～15mm，不易把握和控制，建議適當增加。

(4)膠凝砂礫石擠壓邊墻等施工工藝還有待進一步論證，優化防滲層與膠凝砂礫石入倉、碾壓等施工工藝。

(5)《導則》中規定了堆石混凝土壩體的堆石料在入倉前應沖洗以保證含泥量，建議進一步優化沖洗措施，研究增加降低表面附著土體的工藝措施。

(6)高自密實性能混凝土受攪拌時間影響大，建議根據混凝土配合比、氣溫、混凝土出機狀態等因素綜合確定。

(7)高自密實性能混凝土的運輸方式和能力應與拌和能力、澆筑能力和倉面情況相適應，不宜使用膠帶機運輸；建議將高自密實性能混凝土最大自由落下高度由不宜超過5m改為不宜超過3m。

3.5 質量控制與檢查

(1)膠結顆粒料壩更應加強壩體結合部位、防滲層、止水、排水等關鍵部位的質量控制要求。

(2)建議開展450mm立方體的全級配大試件或原位試驗，測試容重和強度，為質量和安全評定提供更接近真實性態的數據。

(3)加強堆石混凝土壩露石率質量控制，進一步研究膠凝砂礫石拌和物VC值的上、下限值控制標準。

(4)外加劑的檢測頻次每50～100t檢測1次，建議改為“每10～20t檢測1次”；穩定性在出機口進行取樣，每倉至少檢測一次。

4 結論與建議

4.1 結論

課題組兩年多的精心組織，在云南松林水庫、山西守口堡水庫大壩工程開展的膠結顆粒料筑壩技術示范，通過室內試驗、現場試驗、計算分析與驗證、施工工藝測試、施工設備與設施研發、實體質量檢測，以及工程經驗對比和技術培訓交流等手段，取得了良好的示范效果，達到了示范任務的預期。

(1)驗證了《導則》中有關規定和技術指標基本合理，具有可操作性，在規范膠結顆粒料筑壩的設計、施工、質量控制等方面發揮了重要作用；

(2)在膠結顆粒筑壩技術的標準化設計、施工方面起到了示范引領作用，可規范新技術在后續工程建設中的應用，提高技術管理水平；

(3)提高了工程技術人員對膠結顆粒料筑壩技術統一認識，加深了對膠結顆粒料筑壩技術的理解和掌握，有助于該技術的推廣和應用。

據初步統計，至2017年底，在建的堆石混凝土壩30多座，擬建40多座；在建的膠凝砂礫石壩14座，擬建20余座。膠結顆粒料壩在國外肯尼亞、赤道幾內亞、柬埔寨等非洲及東南亞國家也得到了推廣應用。

4.2 建議

(1)持續開展關鍵技術問題的研究。針對膠結顆粒料壩中的關鍵技術問題，結合國家“十三五”科技支撐計劃，進一步加強結構模型方法、破壞模式和耐久性等機理性研究，研發更先進適用的配套施工工藝和裝備，研究膠結顆粒料壩數字化、智能化建設技術，力爭在100米級高壩建設中取得突破。

(2)加大工程推廣應用力度。加強現場工作指導及技術培訓工作；結合工程實際情況，編制施工設備與工藝、現場施工細則、質量控制標準等技術和管理要求；加強現場質量檢測工作，加大現場各項試驗測試的頻次，盡可能多的積累寶貴的現場第一手資料；重視工程施工期及運行期的安全監測工作，保證監測成果的有效性及連續性，為工程質量評價及安全運行提供科學依據。

(3)完善膠結顆粒料筑壩技術導則。認真總結工程實踐和示范推廣與培訓經驗，完善膠結顆粒料筑壩技術導則，建議在此基礎上，基于當前工程建設實際，分別編制膠結顆粒料筑壩的設計、施工、質量控制、試驗等規范和工程驗收規程，形成完整的筑壩技術標準體系。