膠結洞挖石渣在東莊圍堰工程中的適用性研究

王民俠，王 健，王云濤，付登輝

（陜西省水利電力勘測設計研究院，西安710001）

1 研究背景

東莊水利樞紐位于陜西省咸陽市禮泉縣叱干鎮相家村，是目前陜西省庫容最大、壩高最高的水庫。東莊水庫壩址距涇河入渭口約87 km［1］，距西安市約90 km。壩址處于高山峽谷區，河床深切，邊坡最高達400 m。東莊水利樞紐為Ⅰ等大（1）型工程，水庫總庫容32.76 億m3，壩型為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230 m，電站裝機11 萬kW。工程已于2018年7月開工，施工總工期95 個月，預計2025年建成投運。工程估算總投資163.61億元。

東莊水利工程上游圍堰擔負著保障大壩主體按期施工的截流和防護作用，圍堰只擋水不泄洪，堰前水位637.85 m，堰頂高程639.20 m，最大堰高55.2 m，堰頂寬7 m，堰頂長70 m。圍堰軸線距拱壩軸線110 m。圍堰保護對象為1 級建筑物混凝土雙曲拱壩［2］，圍堰使用年限2年6 個月，堰前庫容2 582 萬m3，為4 級建筑物，擋水標準為全年10年一遇洪水［3］，相應洪峰流量5 300 m3/s，施工工期為8 個月（11月-次年6月），考慮岸坡開挖和基礎處理后，圍堰有效填筑時間為3個月，按期完成圍堰填筑成為圍堰選型的主要制約因素。

東莊水庫壩前分布有1 號破碎體，需處理70 萬m3渣體，處理高度120 m左右，施工困難且危險性較大，因此上游圍堰須避開1號破碎體布置。受限于場地條件，當地材料圍堰布置困難，圍堰型式可采用碾壓混凝土圍堰和膠結砂礫料圍堰。經綜合比較，膠結砂礫料圍堰優于碾壓混凝土圍堰，但工程區因近些年生態保護效果明顯，河道天然砂礫料缺乏，能否解決骨料問題成為是否選用膠結砂礫料圍堰方案的關鍵。本文結合洞挖石渣料級配試驗及配合比試驗研究，分析采用工程洞挖石渣料替代天然砂礫料作為膠結骨料的適用性，既可減少棄渣同時也用較低造價解決了工程區天然砂礫料缺乏的難題，可使項目投資降低40%左右，為類似工程區利用開挖石渣料作為骨料建造膠結顆粒料壩提供有力支撐。

2 基本資料

2.1 氣象資料

涇河流域屬大陸性季風氣候，降雨較少。壩址右岸禮泉縣多年平均降水量527.7 mm，多年平均蒸發量1 412 mm，多年平均氣溫12.7 ℃，極端最高氣溫40.4 ℃，極端最低氣溫-20.0 ℃，最大凍土深度35 cm，最大風速21.3 m/s，風向為NNW。壩址左岸淳化縣多年平均降水量585.8 mm，多年平均蒸發量1 536.2 mm，多年平均氣溫10.4 ℃，極端最高氣溫39.4 ℃，極端最低氣溫-21.0 ℃，最大凍土深度61 cm，最大風速25.3 m/s，最冷月（1月）平均氣溫-3.3 ℃，屬寒冷地區。

2.2 地質資料

上游圍堰部位河谷為“V”型谷，兩岸地形陡峻，基巖裸露，左岸自然坡度近90°，右岸地形略緩。上游圍堰基礎部位基巖為厚層、巨厚層灰巖，巖石致密堅硬，抗風化能力強，岸坡表層強溶蝕風化帶厚度一般不大于2 m。強卸荷帶厚度2～5 m，弱卸荷帶厚度5～10 m。

東莊壩前分布有1號破碎體和2號堆積體，1號破碎位于壩址上游左岸，順河向長160 m，最近點距壩軸線約125 m，分布高程592～710 m，破碎體方量約70 萬m3，1 號破碎體整體較穩定。2號堆積體位于左壩肩上游，距拱壩軸線最近距離60 m，分布高程695～775 m，一厚般厚10～60 m，初估方量10 萬m3。

混凝土料場位于壩址右岸廟上灰巖料場，距壩址直線距離約1 km，邊坡和洞室開挖料巖性為灰巖，破碎后可作為人工骨料使用。土料場位于東莊壩址上游右岸的菜家坡，距離東莊壩址約4.5 km。

上游膠凝砂石圍堰方量約7 萬m3，根據參考配合比計算需要洞挖石渣料16.45 萬t。依據《水利水電工程施工組織設計規范》［2］SL303-2017 規定，考慮開采和運輸過程中的損耗設計需要洞渣料為9.2 萬m3（自然方），規劃需要洞挖料為11.5 萬m3。上游可利用的6 號-1、6 號-2、6 號-3 前期交通洞總開挖洞挖料6.96 萬m3，可全部利用于上游圍堰。根據以上分析上游圍堰還需4.5 萬m3洞挖石渣料，本階段考慮利用導流洞的洞挖石渣料。棉花梁隧道洞挖石渣料5.3 萬m3可作為上游膠結砂石圍堰備用料源。

為了節省工期，保證施工安全，上游圍堰盡量避開1號破碎體布置，在施工安排上將2號堆積體處理時間前置，在圍堰填筑前完成。

3 圍堰型式研究

考慮避開1號破碎體后，圍堰軸線距壩軸線位置較近，均質黏土圍堰布置困難，加之本工程圍堰施工期為枯水季節，歷經寒冷地區冬季，由于凍土原因，土料碾壓時間受到限制，按期完工較為困難。面板堆石圍堰和混凝土拱圍堰由于施工工序復雜等原因，工期無法保障，均不列入圍堰型式比選。

因此，綜合考慮本工程地形、地質、建筑材料等因素，上游圍堰具備選用碾壓混凝土重力圍堰、膠結洞挖石渣料圍堰的條件。

3.1 碾壓混凝土重力圍堰

碾壓混凝土重力圍堰是一種技術成熟的圍堰結構形式，單位用水量和水泥用量較小，混凝土運輸、平倉、振實、切縫等均可采用通用機械施工，能連續作業，實現施工機械化；施工時結合大倉面薄層澆筑，可簡化人工冷卻措施；施工速度快，工期保證率高。施工技術成熟，國內應用案例較多，最高碾壓混凝土圍堰為龍灘水電站圍堰，最大堰高82.7 m。碾壓混凝土圍堰施工速度快，最大月上升高度20.7～27.9 m，月高峰澆筑強度12.3～48 萬m3/月。東莊水庫上游碾壓混凝土圍堰高56.2 m，混凝土總量5.2 萬m3，3個月澆筑完成的風險較小。

混凝土重力圍堰堰頂高程639.20 m，堰頂寬7 m，最大堰高56.2 m，最大斷面底寬44.96 m，堰頂長82.72 m。圍堰建基面坐落于壩基弱風化巖石中部～下部，建基面高程583.00 m，堰體斷面基本三角形頂點同設計水位637.85 m，上游面垂直，下游面在高程630.45 以上垂直，以下坡比1∶0.8。碾壓混凝土總方量約6.65 萬m3。碾壓混凝土重力圍堰平面布置見圖1，碾壓混凝土圍堰標準橫剖面見圖2。

圖2 碾壓混凝土圍堰標準橫剖面Fig.2 Standard cross section of RCC cofferdam

3.2 膠結洞挖石渣料圍堰

膠凝砂礫石簡稱CSG［4］，與碾壓混凝土同源，也稱貧膠渣礫料碾壓混凝土、貧膠粗粒料、超貧膠結材料、硬填料等。是J M拉斐爾于1970年在“混凝土快速施工會議”上首先提出的，使用膠凝砂礫材料筑壩，用高效率運輸機械和壓實機械施工，近10多年來，膠凝砂礫石筑壩技術在國內外有了較大發展。2014年6月28日《膠結顆粒料筑壩技術導則》（SL678-2014）的實施，有力推動了該筑壩新技術的廣泛應用和快速發展。

膠凝砂礫石筑壩技術是在面板堆石筑壩技術和碾壓混凝土筑壩技術基礎上發展起來的一種新型筑壩技術，介于土石料筑壩和混凝土壩之間的一種新型式，采用添加少量膠凝材料的砂礫石料（包括砂、石碴、礫石等）筑壩，使用高效率機械施工，使砂礫石料從散粒體變成連續剛性體，“宜材適構”地按照結構設計適應當地材料［5］、材料能充分發揮自身特性，從而達到安全、經濟和環保的目的。膠結料圍堰以自重維持穩定，將防滲、防凍和保護等部分與主體分開，主體承壓為主，避免受拉，充分發揮材料的抗壓能力，同時可避免材料超強過多造成浪費。對于圍堰工程，最大粒徑可按小于300 mm控制。

膠凝砂礫石是適合于天然砂礫料豐富地區的一種較好型式，在街面水電站下游圍堰、福建洪口水電站上游過水圍堰、云南功果橋水電站上游過水圍堰、貴州沙沱水電站二期下游圍堰、四川飛仙關水電站一期縱向圍堰、山西守口堡是等工程中得到較好應用。天然砂礫料的優勢在于無需篩分，但是隨著環境保護要求的日益加強，河道管理制度的日趨嚴格，天然砂礫料的開采應用受到限制，破碎處理后的人工砂石料將是膠結骨料的主要材料。東莊上游圍堰附近洞挖石渣料大于300 mm 粒徑含量在1.9%～15.3%，通過進一步改進爆破參數等可使開挖石渣料利用率進一步提高，利用就近洞挖石渣作為骨料比人工砂石料處理進一步簡化，篩除300 mm 以上料后可直接拌和，膠凝材料用量少、運距短、含泥量小且減少棄渣，可使工程費用大大降低。

膠凝洞挖石渣采用專用拌和設備進行拌和，自卸汽車運輸，618 m高程以下直接入倉，618 m高程以上采用溜槽入倉，鋪料厚度60 cm，26 t振動碾碾壓。施工方案與碾壓混凝土施工基本相同。澆筑強度為2.5 萬m3/月，月平均上升高度為14 m/月。已建大華僑水電站膠結人工砂石混凝土圍堰月上升高度為28 m/月，月澆筑強度5 萬m3/月，3 個月完成圍堰填筑是有工期保障的。

膠結洞挖石渣圍堰基礎處理要求低于重力圍堰，清除基巖表層松動體后可直接進行圍堰填筑，犍為防洪堤在砂礫石基礎上也可直接進行填筑，膠結骨料圍堰對地質條件的適應范圍大于重力圍堰。東莊圍堰處地質條件較好，強風化層厚度2～5 m，堰高比重力圍堰低1 m，膠結材料對基礎適用范圍廣的優勢尚未得到充分發揮。圍堰堰頂寬7 m，堰頂長66.8 m，最大堰高55.2 m，最大斷面底寬62.22 m，上游面邊坡634.2 m 以上垂直，以下1∶0.5，下游坡坡比634.20 以上垂直，以下1∶0.6，堰頂采用1 m 厚C9015 富漿膠結料。上游防滲層采用C9015W6 富漿膠結料，外側坡比1∶0.5，內側坡比1∶0.48，頂部寬度1 m；在高程597.00 m處設寬6.5m灌漿平臺，堰體內部采用C4W2膠結料；下游保護層采用C9015W2 富漿膠結人工砂石料，厚度1 m，坡比1∶0.5；基礎墊層采用1 m 厚C9015W6 富漿膠結料。上游防滲層及下游保護層每15～20 m設一道伸縮縫，縫內設一道銅止水和一道橡膠止水。膠結料總方量約7 萬m3。膠結洞挖石渣圍堰平面布置見圖3，膠結洞挖石渣圍堰標準橫剖面見圖4。

圖3 膠結石渣料圍堰平面布置圖Fig.3 Layout plan of cemented excavated gravel cofferdam

圖4 膠結石渣料圍堰標準橫剖面Fig.4 Standard cross section of cemented excavated gravel cofferdam

3.3 圍堰型式選擇

從建筑材料，施工工期、施工臨建布置、施工方法、溫控及節能環保方面對膠結洞挖石料料圍堰和碾壓混凝土圍堰進行對比分析見表1。

從表1可知：從建筑材料對比，兩方案均采用開挖石渣作為骨料，膠結石渣料骨料無需破碎加工，僅篩除超徑料后即可直接拌和，而碾壓混凝土骨料需破碎篩分為人工骨料方可應用；從施工輔助企業看，膠結石渣料由于粒徑較大，需專用拌和設備，拌和系統規模較大；從碾壓上料施工方法來看，兩者一致；從溫控措施上看，膠結石渣料無溫控要求，比碾壓混凝土優；從工期對比來看，膠結石渣料圍堰施工期2.5 個月，碾壓混凝土圍堰施工期3個月，圍堰施工期滿足工程要求，膠結料圍堰施工期較短；從節能角度講，膠結石渣料能耗更低；從投資來看，膠結料圍堰由于基礎處理工程量較少，骨料生產成本低，雖填筑方量大，但投資約為碾壓混凝土圍堰60%；通過兩種堰型地形地質條件、平面布置、施工組織設計、工程量及投資等方面比較，膠結洞挖石渣料圍堰具有安全可靠、施工較快、工期較短、工藝簡單、經濟性好、減少環境破壞等優點，故東莊上游圍堰選定膠結洞挖石渣料型式進行填筑。

4 洞渣料性能驗證

東莊水庫導流洞及6 號交通洞距離上游圍堰較近，膠結骨料主要選用6 號交通洞開挖石渣，洞挖石渣料與邊坡開挖料相比具有顆粒較細、利用率較高的優點，為研究洞挖石渣料的特性，現場取樣七組進行顆分試驗，級配曲線見圖5。

從圖5 可以看出，七組洞挖石渣料最大粒徑500 mm，大于300 mm 粒徑含量在1.9%～15.3%，大于200 mm 粒徑含量在5.2%～28.3%，大于150 mm 粒徑含量11.4%～41.5%，5 mm 以下粒徑含量1.7%～2.8%。由于洞渣料大于150 mm 粒徑含量較多，后期可結合配合比試驗成果研究將圍堰最大骨料粒徑放寬至300 mm 的可行性，也可將超徑渣料初碎加工后作為膠結骨料或制備人工砂原料。在工程實施中也可通過調整洞室爆破參數減小超徑粒含量。

洞渣料堆積密度為1.4～1.53 g/cm3；表觀密度2.7～2.82 g/cm3，大于2 450 kg/m3；含泥量0.2%～0.6%，小于5%；粒度模數為7.54～8.69。洞挖料泥塊含量小于0.5%。洞渣料壓碎指標、含泥量、表觀密度和吸水率等指標均滿足規范要求，骨料質量較好。

采用不同膠凝材料用量［6］（80、100、110 kg/m3）、砂率（35%、25%、18%）進行試驗，28 d齡期時，各試驗組濕篩試件的28天抗壓強度都在11 MPa以上，在膠凝材料為80 kg/m3，抗壓強度最低為11.0 MPa，使用洞渣料制備膠結料可以滿足圍堰強度C284 的設計要求。

表2 洞挖石渣料濕篩試件試驗結果表Tab.2 Test results of wet sieve specimens for excavated gravel

經試驗驗證，膠結洞挖石渣料抗壓強度遠超設計強度，東莊圍堰膠結骨料采用洞挖石渣料是可行的，根據試驗數據還可通過降低膠凝材料用量、調整水灰比進一步優化配合比設計。

5 圍堰結構分析

當膠凝砂礫石材料抗壓強度低于3 MPa 時［7］，壩體剖面形式屬于土石壩斷面形式，應按土石壩設計理論進行設計；當材料抗壓強度大于6 MPa 時，壩體剖面形式屬于重力壩斷面形式，應按重力壩設計理論進行設計；抗壓強度為3～6 MPa 時，剖面設計既要考慮壩體整體穩定性、壩體應力狀況，又要考慮壩坡的自身穩定及壩體局部抗剪強度。本工程設計材料抗壓強度4 MPa，為驗證擬定圍堰體型的合理性，進行圍堰結構分析。

圍堰抗滑穩定計算依據《水利水電工程圍堰設計規范》［2］SL645-2013 附錄A 進行計算，取最大堰高按單寬進行分析。

（1）荷載及假定。計算荷載有：堰體自重，上游靜水壓力，堰前泥沙壓力，揚壓力，浪壓力；膠凝人工砂石容重γc=22 kN/m3；凈水容重γw=9.8 kN/m3；渾水容重γw′=13.8 kN/m3；上游設計洪水位637.85 m，下游無水；堰前淤沙高程593 m，計算泥沙浮容重γs=6.5 kN/m3；內摩擦角φs=15°；揚壓力計算按無帷幕無排水考慮，揚壓力不折減；浪壓力計算風速采用50年重現期年最大風速25.3 m/s。

（2）作用組合。根據工程的實際情況，主要作用有自重、靜水壓力、揚壓力（包括浮托力和滲透壓力）、泥沙壓力、浪壓力等，其設計狀況、荷載組合見表3。

表3 圍堰荷載作用組合表Tab.3 Cofferdam coaxial action combination table

（3）抗剪力學參數。根據地質建議抗剪斷參數：混凝土/巖體f′=0.9，c′＝0.7 MPa，f=0.55。

（4）計算斷面：取河床最大斷面，按1 m單寬核算堰體穩定。

（5）堰基抗滑穩定按抗剪斷強度公式計算。

式中：K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數；C′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力；A為壩基接觸面截面積；ΣW為作用于壩體上全部荷載（包括揚壓力）對滑動面的法向分值；ΣP為作用于壩體上全部荷載對滑動面的切向分值。

（6）計算結果。堰基抗滑穩定計算成果見表4。根據計算結果，堰基在各種工況下均能滿足抗滑穩定要求，堰體采用4 MPa強度滿足設計要求。

6 結 論

洞挖石渣料用于膠結骨料修筑膠結料圍 堰在國內尚無先例，膠結洞挖石渣料圍堰對建基面要求較低，基礎及邊坡開挖工程量小，施工進度快，防滲結構簡單，工程投資較小，滿足工程設計相關參數要求，是適合東莊上游圍堰的較好型式。膠結洞挖石渣料圍堰無溫控要求，可減少棄渣外運和渣場治理費用，符合節能環保要求。

本工程可通過以下四點進一步優化膠結洞挖石渣圍堰設計，節省工程投資。①調整設計破參數控制洞挖石渣料的粒徑級配，減少超徑粒比率；②降低膠凝材料用量、調整水灰比進一步優化配合比設計，使膠結洞渣料抗壓強度不低于4 MPa即可，避免超強過多造成浪費；③根據配合比試驗數據分析簡化防滲保護層材料的可行性；④通過調整帷幕灌漿布置型式，縮短圍堰施工總工期。

本工程的實施，可為膠結開挖石渣料筑壩技術在我省乃至全國類似工程應用提供參考和借鑒，根據后期對骨料粒徑放寬至300 mm 及簡化防滲結構布置研究成果，可進一步推動行業科技進步。 □