日本膠凝砂礫石壩設計與施工

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1　CSG壩概述

壩工技術的發展主要體現在3個方面，即材料、設計及施工方法。例如，碾壓混凝土技術的發展使筑壩技術受益良多。為了進一步縮短工期，降低工程造價，同時保護環境，壩工技術需要不斷發展。特別是在日本，由于料源選擇和交通運輸條件受限，近年混凝土骨料占到大壩建設總造價的40%左右，迫切需要革新筑壩材料，降低工程造價，減少料場開挖邊坡對環境的影響。

圖1所示為膠凝砂礫石(CSG)壩標準斷面，壩體填筑主要為CSG材料，上下游壩坡由混凝土護坡，增強大壩耐久性。壩下上游側布置防滲混凝土廊道，收集壩體滲水。壩底層的CSG為混合材料，增加耐久性。與常規混凝土壩一樣，CSG壩采用彈性理論設計，泄洪建筑物和廊道可以設置在壩體內，非常溢洪道置于壩頂。

表1所示為日本兩座已建和兩座在建CSG壩。

2　CSG壩設計理念

2.1　主要特征

2.1.1材料

與常規混凝土重力壩相比， CSG壩對壩體材料的強度要求較低，因此筑壩材料的選擇范圍更廣。

表1　日本CSG壩統計表(截止2016年)

除了要剔除或粉碎超徑料塊外，CSG料無需挑選，對級配無要求，也不需要沖洗，河床砂礫石、碎石，甚至易崩解的軟巖均可作為CSG料。而常規混凝土骨料則需要挑選，對級配有要求。顯然， CSG料的生產工藝比常規混凝土骨料要簡單，與土石壩填筑料相似。

2.1.2設計方法

除了筑壩料強度要求較低外，CSG壩對壩基巖體的要求也較低，因此壩址選擇更靈活。

混凝土重力壩設計中，壩體和壩基強度共同決定抗滑和抗傾穩定性。而在CSG壩設計中，豎向應力作用在整個壩體底層，因此壩底與壩基巖體間的摩擦力決定著抗滑穩定性。

CSG壩壩基摩阻系數不小于1才能滿足抗滑穩定性要求，因此一般要求上、下游壩坡坡比約為0.8。

2.1.3施工方法

CSG壩可以使用簡單的設備施工，使用連續攪拌系統可以提高施工效率。

2.2　設計特點

2.2.1整體穩定性

(1)抗傾穩定性。垂直應力作用在整個壩底，即使考慮揚壓力，正常及地震兩種工況下均為受壓狀態。

(2)抗滑穩定性。抗滑力取決于壩體與壩基間的摩擦力，抗滑穩定安全系數(Fs)由下式計算：

Fs=f×V/H

(1)

式中，Fs為滑動穩定安全系數；f為壩體與壩基間摩擦系數；V為作用于壩體的豎直方向合力；H為作用于壩體的水平方向合力。

2.2.2壩體穩定性(應力和強度)

在不同水位和荷載條件下，根據各斷面壩體內部應力分布，計算CSG料所需強度。壩體內的應力均應低于CSG料的強度，CSG料強度取鉆石體范圍內的最小值。

∣σt∣×k

(2)

用F表示安全系數，所需CSG料強度Smax可用下式計算：

(3)

式中，max[A,B]表示A、B中的較大值。

2.2.3安全系數

CSG壩整體穩定(抗滑穩定性)和壩體穩定安全系數列于表2，其中Fs為抗滑穩定安全系數，F為壩體穩定安全系數。

表2　安全系數

注：*表示地震最大水平加速度2.5 m/s2。

2.2.4CSG強度

(1)CSG材料特性。圖2所示為CSG材料單軸抗壓試驗測定的典型應力-應變曲線。可見，CSG材料具有彈塑性體的特征，彈性范圍(應力應變曲線為直線)內的最大值取為CSG材料強度值，CSG壩在這一強度值內設計，因此可將CSG壩體視為彈性體。與常規混凝土性質不同，需要的CSG料強度不是極限強度，因而在強度試驗中，不僅要測量應力，還要測量變形。圖3示出了混凝土、CSG材料和巖石料的應力-應變曲線，CSG料的變形特性介于混凝土與巖石之間。

圖2　CSG材料應力應變關系

圖3　不同材料應力應變關系

(2)鉆石體理論。除了需要剔除(或破碎)超徑顆粒外，CSG材料無級配要求，因此即使從同一個料場采料，級配也不盡相同，也難保持相同的含水率，即使水泥摻量相同， CSG料的強度也存在波動。因此，CSG料強度按以下方法分析評估。①將取自同一料場不同位置的CSG料進行顆粒大小分析，找出最粗級配和最細級配料樣。設計使用的CSG料級配介于最粗級配和最細級配之間，如圖4所示。在隨后的拌和試驗中，選取不同含水率進行測試，確定最粗級配與最細級配含水率允許范圍。②使用最粗和最細級配的全級配CSG料，最大顆粒粒徑80 mm，水泥摻量相同而含水率不同，用電動錘擊實制備直徑300 mm、高600 mm的圓柱體試樣，進行強度試驗。試樣密度與施工現場碾壓密度相同，含水率在允許范圍內，同時考慮試驗條件可控性。施工時，CSG料的強度介于最粗和最細級配強度之間，含水率高于CSG料強度時的含水率，這就是確定CSG料強度的鉆石體理論。

3　當別町大壩設計與施工

當別町大壩位于北海道島，于2012年建成，壩高52 m，壩頂長432 m，填筑量81.3萬m3，控制流域面積231.1 km2，水庫面積5.8 km2，總庫容7 450萬m3，有效庫容6 650萬m3。水庫主要功能為防洪、維持生態流量、灌溉、供水等。

3.1　大壩設計

CSG壩最顯著的特點之一是壩體設計為彈性體，與混凝土壩類似，泄洪建筑物和檢修廊道布置在壩體內，非常溢洪道設置在壩頂。但其設計方法與混凝土壩使用的剛性體方法明顯不同。

CSG壩依照CSG料的強度和彈性模量設計，壩體斷面形狀一經確定，根據壩體所需強度設計混凝土配比，這與混凝土重力壩的設計有著本質不同。CSG壩設計分三大步驟：

(1)步驟1。需要依照確定的CSG料特性(包括強度及彈性模量)和壩基巖體特性(彈性模量)開展設計工作；

(2)步驟2。設計應滿足整體穩定性(抗滑穩定、抗傾覆穩定)和壩體穩定性需求；

(3)步驟3。確定壩型。

如果模型試驗檢驗CSG壩整體穩定性和壩體穩定性不能滿足要求，則應增加上、下游坡比，重復上述3個步驟，直至得出合適的壩型。

CSG料具有明顯的彈塑性特征，其應力應變關系類似于混凝土或巖石等材料。但普遍在CSG料的彈性區間內進行大壩設計，因而壩體可視為彈性體。一般采用二維有限單元法(FEM)分別對CSG壩靜態、動態荷載工況進行應力分析。

3.1.1壩體穩定性

CSG應滿足設計強度要求，不同工況下所要求的CSG材料強度最大值由最大壓應力(對于受拉情況，由最大拉應力乘以拉壓強度比進行換算)乘以對應安全系數獲得：正常工況安全系數為2，設計地震工況1.5，校核地震工況為1.2(見表2)。

圖5所示為當別町大壩應力分布與所需的CSG料強度。CSG料強度取壩體內最大應力值，僅3 N/mm2。

3.1.2整體穩定性

對于壩體抗滑穩定性，假設摩擦系數f為1.0， 當別町大壩正常工況下抗滑穩定安全系數(Fs=f×V/H)不小于2.0，設計地震工況下不小于1.5，校核地震工況下不小于1.2，詳見表2。

確保CSG壩抗傾穩定性，重要的是壩底豎向應力均應為壓應力。當別町大壩的抗傾穩定性分析見圖6，分析表明，無論在設計地震工況下還是校核地震工況下，大壩底部豎向應力均為壓應力。

圖5　當別町大壩不同工況下應力分布及強度要求分布(單位：N/mm2)

3.1.3CSG強度

原則上除需剔除或破碎個別超徑顆粒外，CSG的原料無需調整級配。換言之，即使采自同一個料場，材料的顆粒大小分布也不盡相同(見圖7)。圖7還表明，混凝土骨料級配曲線為一條單一曲線。此外，CSG料級配的變化使得其含水率難以控制在一個恒定值上。

圖7　當別町大壩CSG料和混凝土骨料粒徑分布曲線

基于鉆石體理論，當CSG料強度取鉆石體內最小強度值時，任何級配、任何含水率條件下的強度均大于CSG料強度。圖8(a)和圖8(b)清晰地顯示，CSG強度根據確定的級配和含水率進行調整，或者說CSG料強度受級配和含水率雙向控制。圖8(a)中，水泥含量為60 kg/m3的CSG料強度值為1.2 N/mm2；圖8(b)顯示，水泥含量為80 kg/m3時，CSG料強度為2.3 N/mm2。CSG料強度是在直徑300 mm、高600 mm的全級配圓柱體試樣上測試的結果。

(a) 單位水泥含量60 kg/m3

(b) 單位水泥含量80 kg/m3圖8　CSG材料強度隨級配及含水率變化情況

當別町大壩CSG料的水泥摻量根據計算得出的CSG料強度和實驗測定的強度來確定，壩體上部的水泥摻量要比下部和內部的低。

3.2　大壩施工

由于使用連續攪拌系統、分層填筑工藝，CSG壩施工進度快。CSG壩施工包括3方面工作，即預制件模板安裝、混凝土保護層澆筑和CSG壩料填筑。為實現快速施工的目標，上述3項工作分別在各自獨立場地內施工，避免相互干擾，其中，預制件模板主要用于上、下游壩面。如果CSG材料連續填筑，并且3項工作在不同的場地各自獨立進行，則CSG壩單層填筑周期為2 d，如圖9所示。目前， CSG壩單層填筑厚度均為75 cm，為加快施工進度，需要研究增加單層填筑厚度的可行性。

圖9　CSG壩施工循環示意(每2 d填筑一層)

施工中，通常先填筑一層CSG料，形成CSG邊坡，后澆筑混凝土保護層或結構混凝土。CSG邊坡的形成要使用特殊的頂坡碾壓設備，保證足夠的壓實度。

CSG邊坡示于圖10，使用特殊邊坡碾壓設備對CSG料進行填鋪和碾壓。碾壓設備是在震動切縫機的振動器上安裝一塊坡比為1∶0.8的碾壓板制成，開發使用前邊坡施工通常使用裝備有0.4 m3鏟斗的反鏟機完成。為了提高施工效率，反鏟機裝配GPS定位系統，鏟斗面與1∶0.8坡面間的夾角顯示在駕駛室屏幕上，操作人員可以實時調控。

圖10　CSG壩邊坡典型斷面(單位：cm)

坡頂的碾壓標準控制在40 s，但由于連續碾壓會增加相鄰碾壓區域的高差，影響碾壓效果，因此將碾壓分為3個時段，即10，20，10 s。

CSG料填筑兩層后，開始澆筑混凝土保護層。如果第2層CSG料邊坡與第1層基本齊平，混凝土模板和邊坡面間的CSG料填鋪作業就會變得十分困難，因此，第2層CSG料填鋪時要在第1層坡頂基礎上后退50 cm，留出施工空間。

3.3　CSG料質量控制

CSG壩質量的關鍵是CSG料的強度，故質量控制就是控制壩體填筑料的強度。

CSG料質量控制關鍵點如下：

(1)首要目的是控制CSG用料的強度；

(2)制備CSG料時，應用鉆石體理論控制其強度，CSG料強度隨級配和含水率的變化而浮動；

(3)填鋪時，CSG材料強度應由壓實能量(碾壓遍數)控制；

(4)控制系統的適用性基于CSG料生產工藝以及現場填鋪作業時其密實度變化幅度所決定的CSG料強度；

(5)現場實際檢測的CSG料強度會有所浮動，但應遵循鉆石體理論，即檢測出的CSG料強度值應大于或等于CSG料強度設計值。如果檢測的CSG料強度值低于CSG料強度設計值，則可能是所用料質量問題，也可能是稱重系統故障引起的。

3.4　壩體和壩基狀況

蓄水初期，對當別町大壩壩基以及上游分縫處外觀變形和滲漏情況進行了監測。

3.4.1滲漏

蓄水初期，壩體經防滲處理后，壩體上游分縫處總滲漏量約為200 L/min。該滲流值在水庫第一次蓄水后的4 a內，滲漏量逐年下降，到2015年滲漏量基本穩定。在壩基排水孔監測到的壩基總滲漏量約為40 L/min，并逐年下降， 到2015年壩基滲漏量也維持在穩定的水平。

3.4.2外觀變形

分別在壩頂和下游邊坡安裝大壩外觀變形監測設備，并采用光電測距儀進行測量。水庫首次蓄水以來，4 a內，對壩體最大橫斷面處壩頂部位3個方向的外觀變形情況進行了持續監測(誤差控制在±5 mm以內)。監測結果表明： CSG壩外觀變形量很小，并且與庫水位升降無關。

4　金姆大壩

作為東沖繩河綜合開發項目(Comprehensive Eastern Okinawa River Development Project)的一部分，金姆大壩項目是對已建的為金姆鎮供水的金姆壩的擴建。擴建后的金姆大壩主要功能涵蓋了防洪、保障供水、維持河流生態流量以及為城鎮和農業灌溉系統供水等。重建的大壩為CSG材料壩，壩高39 m，壩頂長461.5 m，填筑量30萬m3，控制流域面積14.6 km2，水庫面積0.61 km2，總庫容856萬m3，有效庫容786萬m3，于2012年建成。壩體斷面和上游設計分別見圖11與圖12。

圖11　金姆壩典型斷面(單位：mm)

圖12 金姆壩上游概貌

第1次蓄水期間，壩體分縫及壩基滲流量分別為5 L/min和50 L/min。壩頂安裝9臺監測設備進行外觀變形監測，首次蓄水期間對最大斷面壩頂進行了3輪監測，其結果均在誤差允許范圍內，與當別町大壩的變形特性基本一致。

5　結　語

目前，日本已建成兩座CSG壩，對大壩外觀變形和滲漏情況監測結果令人滿意。近期，又將有兩座CSG壩正式開工建設，幾座超百米高的CSG壩也在規劃之中。本文研究結果表明，CSG壩的設計和施工是可靠和穩定的。