新疆平頂山膠凝砂礫石壩的設計與施工

鳳不群，何建新

(1.四川隆祚工程咨詢有限公司，四川 成都 610213；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；4.堤壩工程安全及災害防治兵團重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

膠凝砂礫石壩(Cement Sand and Gravel Dam)又稱硬填方壩(Hardfill Dam)，是一種采用低強度膠凝顆粒材料形成的，具有一定強度和抗剪性能的固體介質材料形成的壩體，其雛形發展于Raphael提出的“最優重力壩”的概念[1]，并由Londe進一步研究命名為Hardfill壩型[2]。在膠凝砂礫石壩引入我國之后，我國學者針對該壩型進行了相關研究，并獲得了一些成果。鄧子謙等[3]通過對比Hardfill壩和重力壩的結構特性，結果表明膠凝砂礫石壩體承載能力高，應力分布均勻，是一種安全性較高的壩型；張劭華等[4]以我國修建的第一座膠凝砂礫石壩-山西守口堡工程為例，研究了膠凝砂礫石壩的抗震性能，分析得出了在設計地震烈度作用下，膠凝砂礫石壩具有良好的抗震安全性能；吳鳳先等[5]建立了膠凝堆石壩壩基豎向應力求解方法，研究了不同壩高和壩體密度情況下壩基應力分布規律，對實際工程具有重要意義。馮煒等[6]研究了膠凝砂礫石材料配合比設計方法，分析了水膠比、水泥用量等參數對強度的影響規律，提出了膠凝砂礫石配合比設計參數的取值范圍。張傲齊等[7]對采用膠凝砂礫石作為溢洪道基礎的設計、施工工藝研究，取得了滿足工程要求的系列成果。由于我國對膠凝砂礫石壩型的研究起步較晚，且國內已建此類壩型較少，使得該壩型在設計和施工方面仍有很大的研究空間。因此，本文在已有研究的基礎上介紹了目前膠凝砂礫石壩的發展及具有的特點，并詳述了已建成的木壘平頂山膠凝砂礫石壩采用的設計理論與施工工藝，最后通過質量檢測證明了該壩型施工質量的可靠性，相關的研究成果可為后續同類壩型的建設提供一定的指導，并為國內膠凝砂礫石壩的建設實踐積累了經驗。

1 膠凝砂礫石壩的基本概念

1.1 膠凝砂礫石壩的發展

膠凝砂礫石壩與常規的混凝土壩相比，可就地取材、快速施工、利于保護環境；與常規的土石壩相比，其抗震和泄洪方面有突出的優勢，對水利工程建設的可持續發展有極大促進作用。各國部分代表性的膠凝砂礫石工程見表1。

表1 各國部分代表性的膠凝砂礫石工程

改革開放以來，我國的壩工技術迅速發展[8]，碾壓混凝土(RCC)壩和混凝土面板堆石壩(CFRD)兩壩型已成為壩工建設的主導壩型，膠凝砂礫石壩則兼顧上述兩壩的優勢，充分利用當地材料，減少棄料，被視為“綠色環保壩型”。

在工程實踐方面，中國水利水電科學研究院賈金生等[9]人承擔的“膠凝砂礫石壩筑壩材料特性及其對面板防滲體影響的研究”，采用膠凝砂礫石材料成功建成了我國第一座臨時工程—福建街面水電站下游圍堰并成功運行。在此經驗基礎上又陸續在福建洪口水電站上游圍堰、云南功果橋水電站上游圍堰和烏江沙坨水電站下游圍堰等多項臨時工程成功應用，直到2014年山西守口堡水庫大壩采用膠凝砂礫石材料開工建設，標志了該材料正式應用到了永久性工程中。盡管如此，膠凝砂礫石壩建設經驗仍較為匱乏。因此，針對新疆木壘縣平頂山膠凝砂礫石壩(如圖1所示)的設計與施工，通過工程建設實踐以積累經驗。

圖1 平頂山膠凝砂礫石壩

1.2 膠凝砂礫石壩的特點

由于膠凝砂礫石壩材料設計采用了隨機級配的貧混凝土思想，施工方法采用了土石方填筑碾壓的施工工藝。從結構穩定角度考慮，壩體剖面應是介于混凝土重力壩(陡邊坡)和土石壩(緩邊坡)兩種壩型的中間，實際工程中其剖面經常采用一種梯形對稱或近似對稱的結構，上下游邊坡坡度多采用1∶0.6～1∶0.8，膠凝砂礫石壩基本剖面示意如圖2所示。

圖2 膠凝砂礫石壩的基本剖面

對于不同高度的膠凝砂礫石壩，只要選擇合適的上下游邊坡坡度，壩體和壩基結構理論上是可以實現無拉設計的。應力計算結果表明，對于一個100m高采用對稱結構的膠凝砂礫石壩，無論是在滿庫還是空庫條件下，壩基都存在lMPa以上的壓應力，甚至在設計加速度0.2g的地震荷載下，壩體結構也未產生拉應力。壩體的最大法向壓應力則是控制壩體結構強度的重要條件，計算的壩體中最大壓應力低于1.5MPa。因此，對膠凝砂礫石材料的唯一指標要求就是無側限抗壓強度，當其值達到4～6MPa時，就可保證大壩強度安全系數達到3-4的要求。

2 平頂山膠凝砂礫石壩的設計

2.1 壩址區地形地質條件

河床寬10～15m，縱坡為20‰～25‰，為沖積砂礫石覆蓋層，厚度6m。兩岸山體高聳雄厚，無鄰谷滲漏問題，高程上滿足筑壩要求。壩址處河谷形態呈對稱的“U”型，岸坡呈左陡右緩，坡度為30°～55°，兩岸坡基巖出露，分布的巖性為灰色-灰黑色凝灰質砂巖，巖石堅硬，整體性較好，無斷層、破碎帶等不良地質構造分布，岸坡穩定。

2.2 壩體設計

2.2.1樞紐布置

樞紐由擋水壩、壩身溢洪道和輸水壓力鋼管組成。其中導流兼供水鋼管布置在左岸，由洞身段，閘閥井段和消力池段組成，總長36.213m；溢流壩段布置在河床中部壩身上，采用無閘控制表面溢流泄洪方式，控制段長5.165m，采用凈寬3.5m的WES溢流堰，泄槽段位于壩體下游壩坡上，為矩形斷面整體式結構，泄槽凈寬為3.5m。溢洪道末端消能采用底流消能，接消力池池長14.0m，寬3.5m，深1.5m，后接10.0m長格賓石籠作為海漫段與下游河床連接。

2.2.2壩體剖面設計

膠凝砂礫石壩遵循了分區設計的原則，在壩體中分別設置防滲區與穩定體區，類似于混凝土面板堆石壩。

(1)壩頂結構

參考SL 319—2005《混凝土重力壩設計規范》[10]壩頂最小寬度不宜小于3.0m，本工程大壩為5級建筑物，設計最大壩高22.3m，壩頂寬度4.0m，壩頂長度68m。壩頂采用瀝青路面，設傾向下游2%的坡度以利排水，上游設高1.2m的鋼筋混凝土防浪墻，并與上游混凝土防滲面板相接。下游壩肩設有鋼制欄桿，欄桿高出壩頂路面1.2m。

(2)壩坡規劃

壩體采用非對稱的梯型剖面，上游壩坡在高程1740.8～1743.8m為垂直段，1740.8m以下坡比為1∶0.5，下游壩坡坡比為1∶0.75。

(3)壩體排水

壩體底部設置縱橫向排水管，縱橫向排水管均采用無砂砼管，管徑30cm，以降低壩基揚壓力。

(4)帷幕灌漿

本工程水頭較低，壩基條件相對較好，故僅設單排帷幕灌漿進行彌補壩基防滲，孔距2m，深度以5Lu線作為控制標準。

(5)壩體材料分區

壩體膠凝砂礫石應滿足強度和填筑時良好的壓實性能要求，壩體混凝土和膠凝砂礫石按部位和工作條件采用不同標號，壩體分區示意圖如圖3所示。

圖3 平頂山膠凝砂礫石壩標準剖面

Ⅰ區：是壩體的支撐區，采用膠凝砂礫石填筑。主受力區的應力條件是由材料的極限抗壓強度控制的，即計算截面上的最大垂直壓應力應小于膠凝砂礫石壩體和壩基的容許壓應力值。允許壓應力按膠凝砂礫石的極限抗壓強度除以一定的安全系數K進行確定，當計算荷載為基本組合時，K不應小于4；特殊組合時K不應小于3.5。

Ⅱ區：混凝土防滲面板，采用厚度50cm的C20F200W6混凝土防滲面板。防滲層縱向分縫，間距8m為宜，以防止溫度-收縮裂縫的發生，并滿足防滲和耐久性要求，板內縱橫向配0.4%的溫度構造鋼筋，縫面設表層塑性填料止水。

Ⅲ區：下游壩坡保護層，采用厚度30cm的C20F200W6常態混凝土面板，保護膠凝砂礫石材料。

Ⅳ區：壩體基礎墊層，采用厚度50cm的C20F200W6混凝土澆筑。

Ⅴ區：溢洪道混凝土區，采用二級配C25F200W6鋼筋混凝土澆筑，配筋率0.4%。

2.3 膠凝砂礫石配合比設計

2.3.1原材料

(1)水泥：32.5(P.C)普通硅酸鹽水泥。

(2)砂礫料：由附近河床開采，將粒徑大于200mm的超徑料剔除，以篩漏全料作為膠凝砂礫石骨料，經級配統計分析，細料含量(<5mm顆粒含量)平均值為36.4%，含泥量(<0.075mm顆粒含量)的平均值為1.6%。

(3)外加劑：根據木壘地區的施工要求以及環境條件，拌和物初、終凝時間應滿足層間間隔時間的要求，保證施工的連續性，膠凝砂礫石中添加緩凝劑采用檸檬酸鈉，減水劑采用NF-1型高效減水劑。

(4)水：采用普通自來水，相應用量由拌合物VC值確定。

2.3.2配合比確定

根據平頂山大壩膠凝砂礫石的施工及運行工況，所用膠凝砂礫石拌合物和硬化后強度應滿足表2—3的技術要求：

表2 膠凝砂礫石拌和物技術要求

表3 膠凝砂礫石力學性能設計指標

膠凝砂礫石材料強度主要受膠材用量、骨料中細料含量、含泥量和水膠比等多因素影響[11]。經配合比試驗，并結合工程區氣候、施工特點及設計要求，膠凝砂礫石拌合物出機口VC值為2～5s；擊實后試件最大干密度為2.35g/cm3，28d抗壓強度可達5.0MPa以上。同時，為保證碾壓層面的結合質量，初凝時間控制在≥10h，終凝時間分別控制在≥26h，經過配合比優選，最后確定該工程膠凝砂礫石材料配合比見表4。

表4 膠凝砂礫石配合比

2.3.3現場碾壓試驗

根據施工配套機械，設計不同碾壓遍數及鋪料厚度，并通過現場碾壓試驗測定相應的壓實密度和含水率，以設計壓實標準為控制指標，確定現場施工碾壓參數和工藝，相應的現場碾壓試驗結果見表5。本工程設計要求壓實度為≥98%，相應的碾壓干密度≥2.30g/cm3。

表5 碾壓試驗場地各測點壓實度度試驗結果匯總表

試驗結果表明，當鋪料厚度為50cm，碾壓遍數為8遍和10遍時，場地3個測點的壓實度均能滿足設計要求。為保證碾壓質量，最終確定膠凝砂礫石施工參數為：自行式振動碾碾重20t，行車速度2～3km/h，鋪料厚度50cm，碾壓遍數10遍。在此碾壓試驗的基礎上編制了《平頂山膠凝砂礫石壩施工工法》指導工程施工。

2.4 抗滑穩定分析與壩體應力計算

2.4.1壩體建基面抗滑穩定分析

在對壩體沿地基表面的抗滑穩定分析及應力計算時，需考慮以下荷載：

壩體及其上部設備自身承受的重力荷載：混凝土重度取24kN/m；

水荷載：水庫正常蓄水位為1742.46m，設計洪水位為1743.16m，校核洪水位為1743.53m。

泥沙壓力：壩前的泥沙淤積高程為1734.35m，泥沙的水下內摩擦角取12°，浮重度為8kN/m3。

揚壓力：壩基設有灌漿帷幕和排水孔。表6給出了在排水和帷幕失效最不利工況下的抗滑穩定安全系數，折減系數取1.0進行計算。

表6 膠凝砂礫石壩抗滑穩定安全系數統計

根據SL 319—2005規定，壩基面抗滑穩定安全系數可分別按抗剪強度和抗剪斷強度公式進行計算。

由表6可知，建基面抗滑穩定安全系數滿足規范允許值，平頂山水庫膠凝砂礫石壩抗滑穩定。

2.4.2壩踵及壩趾應力計算

按SL 319—2005壩基應力分布的規定，采用彈性力學方法計算了壩踵及壩趾應力，結果見表7。

表7 大壩壩踵及壩趾垂直應力計算成果統計

根據規范規定，壩踵和壩趾之間的垂直應力抗壓安全系數在各種荷載組合情況下(不包括地震荷載)應不低于4。相應地，為使壩體應力滿足規范要求，計算出膠凝砂礫石的極限抗壓強度應大于1.3MPa。

3 膠凝砂礫石壩體施工

3.1 大壩填筑施工

膠凝砂礫石壩的施工基本類同于碾壓混凝土重力壩，工藝流程為：拌和、運輸、攤鋪碾壓與質量檢測等。

拌和：拌和是控制施工進度和質量的關鍵工序，由于工程規模較小，使用兩臺斗容量2.5m3裝載機(如圖4所示)進行料堆堆砌，分層添加膠凝材料并適當加水，每盤拌和需時20min左右，料堆直徑4m，料堆高度2.0m，每盤約20～25m3，每小時可生產膠凝砂礫石拌合物60～80m3。拌合物的VC值考慮損失攤鋪完畢后，倉面上應控制在3～5s為宜，以此來確定加水量或水泥漿量。

圖4 裝載機簡易拌和

運輸：膠凝砂礫石拌合場地距大壩僅300m，仍采用裝載機直接運輸上壩入倉。

攤鋪：采用推土機進行倉面攤鋪平倉。根據碾壓試驗鋪層厚度50cm。為減少膠凝砂礫石的離散性，每個碾壓層可分兩層攤鋪，每層25～30cm。

碾壓：碾壓工藝的選擇對膠凝砂礫石填筑質量起著至關重要的作用，現場的碾壓作業如圖5所示。在進行碾壓時，建議選擇與堤壩軸線方向相同的方向進行碾壓，同時碾壓條帶的寬度應為3m，碾壓條帶之間的搭接寬度應為0.4m，而順碾壓方向的搭接長度不應小于1.0～1.5m。振動碾在施工過程中的行走速度應保持在2～3km/h范圍內。通過對試驗結果進行分析，確定了碾壓遍數為10遍，其中包括靜壓2遍和動碾8遍。

圖5 膠凝砂礫石碾壓作業

圖6 制作的膠凝砂礫石試件

膠凝砂礫石攤鋪完成至開始碾壓的暴露時間間隔，以VC值不超過可碾值進行控制，通常可依據現場的氣溫、濕度和風速等環境條件，進行動態確定。

為提高膠凝砂礫石層間縫面結合質量，宜采用連續上升攤鋪碾壓，碾壓層面間隔如小于初凝時間，可直接進行下一層膠凝砂礫石的鋪筑碾壓；若上層膠凝砂礫石鋪筑時間超過初凝時間，這時的層面即出現“冷縫”，為保證碾壓層面有效結合，碾壓后的膠凝砂礫石表面應全面泛漿，略有彈性，可在“冷縫”層面上鋪設一層水泥砂漿，層厚15mm。表明達到較好壓實狀態。對振動碾壓不到的部位，采用蛙式打夯機或人工輔助分層夯實。

3.2 膠凝砂礫石施工質量檢測

3.2.1壓實度檢測

為檢驗拌合物碾壓質量，在每一碾壓層均勻選取3個測點檢測拌合物的壓實密度，計算壓實度，并以合格率和均勻性對碾壓質量作出評價。整個施工期間，共計選取242個樣本點，其中干密度最小值為2.30g/cm3，最大值為2.35g/cm3，壓實度均在98%～100%區間內，合格率100%；且樣本密度數據計算出的方差接近0，離散程度很小。表明膠凝砂礫石拌合攤鋪均勻，碾壓質量可靠度高。

3.2.2抗壓強度檢測

為檢驗拌合物力學性能，在每單元攤鋪層取1試驗組所需用量的拌合物，制作抗壓試件，并進行強度統計分析。拌合物的制作、成型及養護參照混凝土濕篩制樣法，脫模養護至28d后做抗壓強度試驗。施工期間共取30組試件，相應的28d抗壓強度結果顯示，抗壓強度最大值8.72MPa，最小值5.26MPa，以本工程及要求的抗壓強度1.3MPa為基準，即使是抗壓強度最小值也遠大于基準，且抗強度自身離散性較小，表明拌合物質量是可靠的。

3.2.3鉆孔芯樣檢測

鉆孔取樣是檢測膠凝砂礫石整體施工質量的直接手段，在其齡期達14d后進行取樣，膠凝砂礫石芯樣如圖7所示，并待芯樣養護至28d，測定其極限抗壓強度。本工程分別在第20層和最后1層共鉆取5組芯樣，取出的芯樣表面光滑致密，肉眼觀察無氣孔，粗細骨料分布相對均勻。養護至28d的芯樣抗壓強度結果見表9，以標準立方體試件為基準，抗壓強度最大值為8.4MPa，最小值為5.9MPa，抗壓強度最小值遠高于工程設計要求的強度，且離散性較小，抗壓強度分布均勻，表明膠凝砂礫石整體施工質量較好。

圖7 膠凝砂礫石芯樣

表9 膠凝砂礫石芯樣抗壓強度檢測表

4 結論

膠凝砂礫石壩是近年來出現的新壩型，具有對材料性能要求較低、施工簡便和造價低廉等特點。平頂山水庫工程的成功實踐，再一次驗證了相關設計理論的可靠性，并在此基礎上擴大了該壩型的應用條件，同時為相關設計理論的應用積累了經驗。工程的施工即使采用了簡易的施工工藝，仍能滿足材料性能要求并保證施工質量，相應的質量檢測結果表明物理、力學指標均存在一定的離散性，但離散性程度并不大，且相應的指標值均能滿足設計要求，壩體施工質量能夠得到保障。該工程的建設范例，可為后續同類工程在施工和設計方面提供一定的參考和指導。