西河順江堰引水樞紐整治工程膠結砂礫石壩研究與實踐

羅巍，孔燁,楊會臣

(1.四川省都江堰外江管理處，四川崇州，611230；2.中國水利科學研究院，北京，100089)

1 膠結砂礫石筑壩技術簡介

膠結砂礫石壩介于混凝土(含碾壓混凝土)壩和土石壩之間，是在碾壓混凝土筑壩技術和面板堆石筑壩技術的基礎上發展起來的一種新壩型。其筑壩材料是使用少量的膠凝材料和工程現場不篩分不水洗的砂、礫、石料，通過簡易拌和，經攤鋪、振動碾壓后形成的具備一定強度和抗剪性能的材料。膠結砂礫石筑壩技術在大壩施工過程中充分利用開挖砂礫石料、減少棄料，減少分篩工序、縮短工期，降低造價，大幅減少大壩施工對環境的影響，符合低碳綠色筑壩技術的發展趨勢，應用前景好。膠結砂礫石壩進一步拓寬了當地材料范圍，最大粒徑由80mm增加到150mm，并且提出通過調整壩體結構來適應膠結砂礫石的材料特性，以充分利用當地可能的材料。由于水泥的膠凝作用增大了材料的抗剪強度，與面板壩相比可以縮小壩體斷面；由于簡化了材料的配比和骨料的制作，與碾壓混凝土壩相比可以簡化施工、縮短工期和減少費用。膠結砂礫石筑壩技術因施工快速、經濟性和安全性好，以及環境友好，在國際上已廣為采用。順江堰工程開工建設前，在國內該技術已具備專門的技術導則，山西守口堡水庫大壩、岷江航電犍為樞紐防護堤應用了此項技術。該新型筑壩技術的引進研究及推廣應用對我國面廣量大的中小型水庫大壩工程、圍堰工程建設，以及眾多的病險水庫除險加固工程具有重大意義。膠結砂礫石筑壩技術一般施工工藝見圖1。

圖1 膠結砂礫石筑壩技術一般施工工藝

膠結砂礫石壩采用“宜材適構”的設計理念，考慮壩體功能分區設置，對于不同結構分區的不同要求，選擇合適的材料，實現安全且不過度超強的目標。壩體斷面形式可以調整，不局限于對稱或梯形，以充分發揮材料的性能為目標，具有良好的適應性。

膠結顆粒料重力壩施工的主要特點：

(1)技術方面，目前我國膠結砂礫石筑壩技術多應用于圍堰工程，現僅有山西守口堡等少量永久工程應用膠結砂礫石筑壩，掌握膠結砂礫石筑壩技術的施工單位很少；

(2)為了滿足膠結砂礫石快速、連續施工，需采用連續滾筒式膠結砂礫石專用拌和設備，受倉面大小限制，為適應施工強度及設備工作要求，對設備配置要求較高；

(3)施工過程中，容易出現大骨料集中、碾壓不密實等質量問題，質量控制要求嚴格。

2 順江堰工程概況

順江堰引水樞紐整治工程位于都江堰外江灌區西河38+450樁號處，天然砂卵石資源豐富，且工程砂卵石開挖量大、工期緊，具備應用膠結砂礫石筑壩技術的條件。為推廣該項技術在我省的應用，初步設計方案經省水利廳以川水函〔2015〕1397號文批準，在順江堰樞紐整治工程中采用膠結砂礫石料重力壩技術。順江堰樞紐采用閘壩攔河擋水，在左岸布置270.00m長溢流壩，右岸布置3孔泄洪沖沙閘和兩孔進水閘。溢流壩頂部為WES曲線型實用堰，壩芯采用C10膠結砂礫石，基礎墊層、齒槽和上游面層采用C20可振搗富漿膠結砂礫石，膠結砂礫石設計總方量27130m3；溢流面采用C40AF鋼筋混凝土40cm防沖磨。由于坐落在砂卵石層上，為防止不均勻沉降，壩體每30m設一道沉降縫。壩體斷面和樞紐平面布置如圖2和圖3所示。

圖2 溢流壩壩體斷面

圖3 樞紐平面布置

3 膠結砂礫石配合比和性能

3.1 膠結砂礫石設計強度

順江堰溢流壩最大壩高為11.6m，壩前擋水高度為4.0m，應力水平相對較低，壩體設計洪水位最大和最小主應力分別如圖4所示，各工況下的壩體最大壓應力見表2。

表2 各工況下壩體最大壓應力計算結果

圖4 設計洪水位工況的壩體最小和最大主應力(單位：KPa，壓為負)

根據《膠結顆粒料筑壩技術導則》(SL 678-2014)，材料抗壓安全系數在基本組合不小于4.0，特殊組合(不含地震情況)不小于3.5。根據材料力學和有限元法計算結果，設計強度取C18010，能夠滿足材料設計強度要求，并具有較大的安全余度。

綜合考慮順江堰工程情況和運行工況，結合壩體結構分析，采用設計強度等級為C18010。

3.2 施工配合比及性能

根據勘測單位提供的砂礫石料顆粒級配結果，砂細度模數為1.39～1.93，平均1.54，為細砂；砂中含泥量為9.7%～20.9%，平均13.4%，砂礫石中平均含泥量約為2.37%，滿足導則要求的砂礫石料中含泥量不大于5%的要求。

根據現場砂礫石級配，壩體主體的C18010膠結砂礫石配合比，水泥用量為78kg/m3，粉煤灰用量為52kg/m3，用水量為97kg/m3～110kg/m3。

富漿膠結砂礫石配合比為：墊層的C18020富漿膠結砂礫石，水膠比為0.52，粉煤灰摻量為40%。保護層的C9020富漿膠結砂礫石，水膠比為0.50，粉煤灰摻量為30%。

4 膠結砂礫石施工工藝

4.1 施工程序

順江堰引水樞紐整治工程采用分期導流施工。西河右岸為一期圍堰，左岸為二期圍堰。一期圍堰主要是完成右岸堤防、右部壩體及進水閘和泄洪閘施工，二期圍堰主要完成左岸堤防、左部壩體施工。一期圍堰先圍右岸，主體施工完成后，拆除一期圍堰然后再填筑二期圍堰，待二期圍堰主體施工完成后，拆除圍堰，進行右岸溢流壩段和沖砂閘施工；二期圍左岸施工。

壩體膠結砂礫石施工采用碾壓為主，振搗為輔方式。一、二期(右、左岸)溢流堰各4和5個壩段，軸線長均為30m，壩基高程453.5m(齒槽452m)，壩頂高程465.1m，壩底寬15.95m。其中，上游面富漿膠結砂礫石防滲層厚1m，壩體C10膠結砂礫石部分底寬12.95m，頂寬1.5m。采用分層碾壓施工，壩體下部澆筑到459.7m高程后，間歇3d后繼續澆筑壩體上部到設計頂高程。綜合考慮大倉面通倉快速施工和適當減小倉面內碾壓施工強度的要求，將幾個壩段合并為大倉面施工。

4.2 膠結砂礫石拌制

采用針對膠結砂礫石專門研發的連續滾筒式膠結砂礫石專用攪拌機拌制，該設備的主要特點是：

(1)具有拌和最大粒徑150mm的能力，拌和能力可達到200m3/h，拌和能力根據實際需求調節；

(2)計量系統靈敏、精確、可靠，拌和時間、拌和量可根據現場情況進行調整；

(3)攪拌均勻，不出現大骨料集中，大于80mm的顆粒料裹漿、分散，80mm以內的顆粒料充分混合、裹漿、粘聚。

4.3 C20富漿膠結砂礫石施工

為加快施工速度，基礎及底部膠結砂礫石采用專用拌合設備拌制，采用20t自卸汽車運輸，至倉面后加入適量水膠比為0.8的水泥凈漿，改變其工作性為可振搗富漿膠結砂礫石。通倉連續澆筑，采用裝載機、反鏟等將膠結砂礫石料推平，人工輔助平倉，振搗時采用φ100插入式振搗器。

為保證工程施工質量和進度要求，一期施工采用保護層富漿膠結砂礫石與壩體碾壓膠結砂礫石同步施工；二期由于工期要求，在交界部位支撐模板，首先施工碾壓膠結砂礫石，拆模后，鑿毛交界面，然后進行保護層富漿膠結砂礫石的振搗施工。

4.4壩體碾壓膠結砂礫石施工

壩體自下而上分為下、中、上部三層施工。454.3m～456.5m高程為第一層，456.5m～459.6m(鋪蓋高程)為第二層，459.6m～461.5m為第三層。壩體461.5m高程以上部分由于倉面狹小，無法碾壓施工，采用富漿膠結砂礫石施工方式振搗施工。膠結砂礫石采用20t自卸汽車直接入倉，通倉連續鋪筑，采用反鏟將膠結砂礫石料推平，人工輔助平倉。膠結砂礫石采用20t級單鋼輪振動碾碾壓施工，由于下游臺階設計高度為60cm，因此，單層臺階采用兩次施工，即單層鋪筑40cm厚，碾壓完成后為30cm。正式施工前進行碾壓工藝性試驗，最終采用靜2+動8進行碾壓。

膠結砂礫石層面盡量在初凝前進行覆蓋，連續碾壓施工。當層面不能及時覆蓋形成施工縫時，層面沖毛后鋪設一層15mm厚1∶3水泥凈漿或水泥砂漿，通倉鋪設處理。水泥砂漿采用JZC750混凝土攪拌機拌制攪拌，運輸車運至倉面，人工攤鋪，然后進行上層碾壓膠結砂礫石施工。

振動碾碾壓不到的邊角部位，采用人工造孔、注漿、振搗的方式進行施工；振搗與碾壓邊緣的結合部位，采用平板振動器振實。

4.5 抗沖耐磨混凝土施工

膠結砂礫石施工完后，對表面進行鑿毛處理，并采用φ16鋼筋插筋，間距200cm，梅花形布置，插筋伸入C10膠結砂礫石不小于40cm，然后進行抗沖磨混凝土的澆筑。整體施工流程如圖5所示。

圖5 一期膠結砂礫石壩施工過程

圖6 完建與擋水的順江堰膠結砂礫石壩

5 膠結砂礫石質量控制

作為我國第一座建成的膠結砂礫石永久工程，在施工過程中，參建各方非常重視施工質量控制。中國水科院也派出研究團隊中的骨干在施工現場駐守，研發并應用了膠結砂礫石壩施工質量控制系統，實施全過程監控。施工質量監控系統按照“優化施工、發現異常、及時預警”的原則，基于云計算、物聯網的新技術理念，利用非接觸式測量、超寬帶定位技術、移動數據終端、三維仿真分析等先進手段實時采集分析施工動態信息，創建膠凝砂礫石壩質量監控軟件平臺，將膠結顆粒料壩的母材開采、拌合施工、上壩澆筑、現場檢測等各個環節納入監控，進行工程全過程、全景錄像，實現工程的精細化控制，確保膠結顆粒料壩的建設質量。主要質量控制措施有：

(1)采用施工質量監控系統進行全過程監控。在右岸、河床和左岸拌和站等主要范圍搭建4個無線基站，建立網絡連接，基于超寬帶物聯網技術，結合膠結砂礫石施工質量控制標準，采用質量監控管理平臺，對拌和施工、碾壓施工全過程進行實時監控，控制生產配合比、碾壓車速和碾壓遍數等關鍵參數。同時，布設了4個攝像頭，對施工進行全程、全景錄像。

(2)增加措施，保障工程質量和進度。順江堰引水樞紐膠結顆粒料壩將成為我國首座建成的膠結顆粒料壩永久工程，意義重大。為確保工程質量，發揮首座工程的示范作用，推進新技術的推廣應用，在工程施工和質量控制過程中，根據實際需要進行了大量的現場投入，保障工程質量和進度。針對工程現場出現的與原方案不相符的情況，積極增加措施，如：實際開挖的河床砂礫石中，砂的細度模數為1.2，較原勘測細度模數值2.12減小幅度大，加上工期緊、堆料場地限制和空氣濕度大等導致的無法充分攤鋪晾曬，砂礫石料含水率偏高，現場采取增加水泥、粉煤灰用量進行調整；對富漿可振搗膠結砂礫石，在入倉前在倉面附近進行加拌，確保拌和均勻性；合并施工倉，對4個或5個壩段進行通倉鋪筑碾壓，增加施工設備，對層面進行鋪漿處理，確保施工層面結合質量。

(3)除控制原材料、拌和以及碾壓施工過程，還分別對各倉次進行了跟蹤檢測，同時采用灌水法等評定碾壓密實度，配合鉆芯取樣，以及落球法等無損檢測新技術手段，綜合評價整體碾壓質量。28d齡期強度檢測結果表明，面層C20富漿膠結砂礫石強度均大于15MPa，壩體C10膠結砂礫石強度均大于6MPa，滿足設計齡期的強度要求，現場壓實度檢測結果滿足規范要求。

6 結論與建議

6.1 結論

目前，順江堰膠結砂礫石壩已建成并擋水4a，工程運行正常。通過工程應用，充分證明了膠結砂礫石壩的技術優勢，可總結為：

(1)環境友好性。工程直接利用河床開挖砂礫石料3萬余方，15cm以下直接用于膠結砂礫石的施工，15cm以上被摻入C20混凝土中，用于澆筑消力池、擋墻等，基本實現工程零棄料。

(2)施工簡便性。因為膠結砂礫石制備方式簡單，與混凝土比，在材料加工、篩分、級配方面，工作量大大簡化。水泥、粉煤灰等膠結材料與混凝土壩、碾壓混凝土壩比要節省很多。同時，膠結砂礫石專用拌和設備拌和能力達200m3/h，再配合碾壓施工，在倉面小、存在施工交叉等不利條件下，膠結砂礫石日最大施工強度達1500m3，充分保證了工程汛期前完成，實現供水功能的設計目標。

(3)經濟性。由于膠結砂礫石直接采用簡單篩分后的河床砂礫石和少量的膠結材料，在使用專用拌和設備、增加質量控制系統的情況下，工程節約直接投資約13%，如再考慮開挖棄渣的處理等，則經濟效益更加明顯。

(4)安全性。基于IT技術的智能數字化監控在膠結砂礫石壩的應用，較好地控制了施工全過程的質量。分析結果表明，較之混凝土重力壩，膠結砂礫石壩的應力較低，在適應非巖石地基等方面，膠結砂礫石壩具有更高的安全性。

6.2 供參考的經驗

通過工程設計和實施，關于膠結砂礫石壩設計方面，有如下經驗供參考：

(1)基本斷面。對于中低壩，可以沿用傳統重力壩的斷面，原因是壩體應力水平很低，材料的強度余度能夠滿足要求。

(2)材料分區。中低壩，除過流沖刷等特殊部位采用常規混凝土外，壩體其他部分均可采用膠結砂礫石，對于防滲和保護層，可采用最大骨料粒徑80mm的加漿振搗膠結砂礫石。

6.3 建議

基于順江堰工程的成功建設，面對十四五期間，我國建設大量水利工程的實際需求，建議：

(1)在設計階段，盡可能增加論證膠結砂礫石壩的比選，充分發揮其環保安全、經濟快速的技術優勢。

(2)在中小型水利工程中，條件允許的情況下，盡可能增加施工質量控制系統，做到全過程質量控制，同時能夠實現施工過程各參數的回溯。

(3)充分貫徹膠結砂礫石壩的“宜材適構”的設計理念，充分認識膠結砂礫石壩的特點，進一步放低筑壩材料要求，進一步擴大膠結砂礫石壩的應用范圍，如護岸、擋墻等部位。