膠結顆粒料均質壩設計穩定性探討

閻 爍，王立權，李 達，衛春安

(黑龍江大學 水利電力學院，哈爾濱 150080)

1 膠結顆粒料壩的研究現狀

1.1 土石壩研究現狀

混凝土重力壩的材料超強，但因水泥的用量較高，導致施工期的溫度控制復雜及水化熱的提升。為了改善上述問題，日本研發了膠凝砂礫壩，法國等國家也研發了硬填筑料的壩體，中國則研發了自己的膠凝砂礫石壩以及堆石的混凝土壩，這些壩型的研發都降低了工程施工建設的費用。為了更加科學充分利用好筑壩材料，膠結顆粒料壩的出現更好地實現了安全、經濟建設大壩。這種壩型的設計理念是調整壩體的結構用以適應其材料的特性，更加充分地利用當地材料去修筑壩體。

我國的土石壩數量眾多，土石壩不利于應對漫頂破壞，特別是地震區的大壩，更易受損失事，所以推進膠結顆粒料的新壩型應用勢在必行。地震區的大壩需要不斷提升大壩抗震性能研究，特別是汶川地震，使大壩抗震規律研究再上一個新的臺階。目前，膠結顆粒料壩在斷面設計、性能試驗方式以及施工質量控制等方面都有了一定的研究進展。

從工程的實踐來看，膠結顆粒料壩可以節約投資的10%～20%，具有漫頂不潰，利于環境的保護及水土保持，并且可以縮短工程建設周期。新壩型也可充分利用當地條件，如當地地理、材料優勢，通過石粉、水泥、砂漿等膠凝材料與土、砂、石材料混合，形成具有一定的強度、抗沖刷沖蝕以及抗剪能力的筑壩材料。同時，根據其結構設計，筑壩材料可充分發揮自身特性，并遵循結構設計適應當地材料等來確定大壩的斷面，從而也達到經濟、安全環保的目的。

1.2 發展與實踐

為更好更充分利用當地材料并且實現安全、經濟建設大壩目標，賈金生和劉寧等在2009年提出了一種新的壩型——膠結顆粒料壩(Cemented Material Dam，簡稱CMD)以及“宜材適構”這種新的筑壩理念。同時編制了膠結顆粒料壩水利行業技術標準，推動國際大壩委員會建立膠結顆粒料壩專業委員會。

我國的第一座膠凝砂礫石圍堰(街面水電站下游圍堰)于2004年建成，堰高16.3 m。之后陸續建成了福建洪口水電站上游過水圍堰(H=35.5 m)、貴州沙沱水電站二期下游圍堰(H=14 m)、四川飛仙關水電站一期縱向圍堰(H=12 m)等，積累了豐富的經驗。山西守口堡是采用膠凝砂礫石壩設計的第一座永久性工程，壩高61.6 m，于2015年8月開始建設[1]。

表1為國外采用膠凝砂礫石料修筑的工程實例。

表1 國外已建工程實例

2004年初，菲律賓修建了高40 m的Can -Asujan硬填方壩。實踐證明，即便在地震應力作用下，基礎應力也不會超過0.5 MPa。

1975-1982年，在巴基斯坦的塔伯拉泄洪洞的修復工程中曾經大量使用膠凝顆粒料。該工程采用未經篩洗的砂礫石料加入少量水泥拌和，經過振動碾壓，修復被沖毀的部位。在42天內共填筑35×104m3，平均日澆筑強度為8 371 m3/d，最大日填筑強度達18 438 m3/d，顯示出膠凝顆粒料在搶險修復工程中可以快速施工的巨大潛力[2]。

2 傳統均質壩設計時穩定性的考慮

2.1 均質土壩設計原則

1) 防滲流原則。為了消除或減輕滲流的不利影響，采用防滲排水設施，保證壩基土及壩體的穩定性，同時減少水庫的水量流失與滲漏。排水：設置在壩體下游段的透水性壩殼以及排水體等。

2) 防沉陷原則。為了防止沉陷后的壩頂高程低于設計標準，設計壩頂時要預留沉陷值并且對于重要的工程要通過相關沉陷計算預留沉陷值。

3) 防沖刷原則。確定壩頂的高程，需要在設計庫水位以上有一定的安全超高，正確確定防洪標準，合理選定擁有足夠泄水能力的泄水建筑物的尺寸，確保洪水不會漫頂[3]。

2.2 均質土壩優缺點

均質壩優點：①材料單一，工序簡單，各工序間干擾少；②與壩基、岸坡以及混凝土建筑物的接觸滲徑比較長，也可以做簡化的防滲處理。土石壩在建筑過程中使用材料簡單，成本低并且壩體性能好壽命長[4]。在當今施工技術日益更新換代，使工程本身得到很多的優化與創新。

缺點：①設計壩坡較緩，工程量巨大；②土料的施工受天氣影響較大，在部分地區使用與施工受限；③由于材料特性透水性較強，使得壩體內浸潤線較高；④施工期因自重而產生的孔隙壓力消散緩慢，對壩坡穩定不利。

2.3 土石壩失穩

依靠重力維持穩定，由于是散粒體堆筑，壩坡穩定需要采用肥大的剖面，壩體不可能產生水平滑動，其失穩主要是壩坡滑動或者傾倒破壞，壩基一起滑動[5]。土石壩上游壩坡長期處于水下飽和狀態，水庫水位也可能快速下降，為了保持壩坡穩定，因此上游壩坡比下游壩坡平緩[6]。土石壩滲流變形：管涌；流土；接觸沖刷；接觸流土和接觸管涌。防止滲透變形的措施：全面截阻滲流，延長滲徑。設置排水設施，反濾層，排滲減壓井。影響因素：壩體滑坡滑裂面的形狀，壩體結構，土料，地基的性質，壩的工作條件。

3 膠結顆粒料在均質土壩中的設計原則

3.1 基本原則

1) 膠結顆粒料的制備是介于普通堆石料和混凝土材料之間。倡導通過結構設計的改進以盡可能地適應當地材料性能。

2) 膠結顆粒料壩在抗震以及抗漫頂破壞方面按照混凝土重力壩的同等的安全裕度設計。

3) 在與混凝土和碾壓混凝土相比，顯著的降低膠凝材料(水泥、粉煤灰等)用量。

4) 采用“宜材適構”和“功能分區”設計理念。

3.2 結構設計原則

1) 大壩斷面大小介于重力壩以及土石壩之間，與重力壩相比，壩體橫斷面增加，增加應力儲備。

2) 膠結顆粒料壩對于應力和穩定的要求與重力壩相似。

3) 膠結顆粒料壩體應時刻處于受壓狀態，無論是施工或者運行中的壩體如果受拉，可以采用堆石混凝土、加漿振搗膠凝砂礫石等抗拉性能較好的材料。

4) 非巖基筑壩不超過50 m[7]。

3.3 滲流穩定計算

3.3.1 滲透坡降計算

滲透坡降計算采用達西定律基本公式，計算公式如下：

式中：J為滲透坡降；L為滲透途徑長度；ΔH為上下游水頭差。

3.3.2 滲流量及滲流水深計算

1) 不透水地基均質土壩。公式如下：

2) 有限透水地基均質土壩。公式如下：

式中：q為通過壩體及壩基的滲流量；qD為通過壩體的滲流量，按不透水地基上的均質土壩計算；h為壩體滲流量計算中滲流水深；h0為壩基滲流量計算中滲流水深；m3為排水棱體臨水側坡比；T為有限透水地基厚度；H1為上游水深；H2為下游水深；L為滲徑；k為壩體滲透系數，取《地質報告》建議平均值；k0為壩基滲透系數，取《地質報告》建議平均值；m1為上游坡比。

4 結論與建議

1) 注重地基的處理。均質土壩本身適應地基變形能力較強，采用膠結新材料筑壩，散粒材料具有一定的剛性，則對于地基要做相應的處理。

2) 滲透性研究。材料抗滲抗凍性能增強，滲透水流以及滲透坡降的變化，滑坡的概率也會降低。

3) 壩體斷面減小以節省材料。壩體填筑工程量減少，土料填筑受氣候的影響也相應減少，可能會縮短工期(氣候條件影響工期)。

4) 施工導流在均質土壩較困難，并且壩頂不能溢流，壩身不能開孔。或許根據材料的性能，使得壩身有開孔的可能性，無需另設泄水建筑物(由抗沖刷能力決定)。

5) 沉陷的考慮。土料的施工后沉陷，特別是黏土土壩，需要足夠的壩高，并且預留沉陷值。膠結顆粒料的使用，沉陷值會減小，那么需要考慮的壩高及預留沉陷值，要根據材料性能重新制定。

6) 壩體剖面及細部構造，需要考慮壩體沉降的問題，防止不均勻沉降，材料的不同，其沉降值也不同。同時做好土料的壓實。

7) 滑坡問題也是土石壩失穩最常見的破壞形式。當局部范圍剪應力>允許剪應力，就會產生壩體滑動或者壩體連同地基一起滑動。當使用了新的膠結材料，其壩面坡度會隨之增大(減少土料使用)，那么隨之而來的是滑坡風險的增加，即便是膠結材料具有一定的剛性，歸根結底也是土料的一種。壩基和壩體必須穩定可靠。

8) 寒冷地區，均質土壩護坡在冬季負溫作用下會產生凍脹變形，春季溫度上升使其融化產生融沉變形，春季在風浪作用下產生冰推力，經過反復凍融、冰推和風浪作用下土壩護坡會產生破壞。凍融凍脹作用及冰推力對寒冷地區各類工程及建筑物會造成很大危害。現有均質土壩護坡主要在壩體填土表面鋪設混凝土板然后形成均質土壩護坡，壩體護坡結構單一，春季在風浪作用下產生冰推力，經過反復凍融、冰推和風浪作用下土壩護坡會產生破壞。