膠凝砂礫石筑壩技術進展及西部高寒高海拔地區應用展望

李新宇 任金明 陳永紅

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院 杭州 310014）

1 膠凝砂礫石壩思想起源與發展

膠凝砂礫石壩是結合碾壓混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩的優點發展起來的一種新壩型，其思想起源于J.M.拉斐爾（J.M.Raphael）于1970年在美國加州召開的“混凝土快速施工會議”上提交的論文“最優重力壩（The Opt imum Gr avit y Dam）”，他建議使用膠凝砂礫石材料筑壩并用高效率的土石方運輸機械和壓實機械施工，一方面由于水泥的膠凝作用增大了材料的抗剪強度，可以縮小壩體斷面；另一方面使用類似于土石壩施工的連續方法可以縮短施工時間和減少施工費用。20世紀 80年代初建成的一批干貧碾壓混凝土重力壩，以美國柳溪（Wil l ow Cr eek）壩為代表，是上述思想的具體實現。因干貧碾壓混凝土重力壩與常規混凝土重力壩在斷面設計上并無本質不同，但因膠凝材料用量有顯著減小、壩體滲漏量偏大，而逐漸被RCD碾壓混凝土壩（主要在日本采用）和富漿碾壓混凝土重力壩（單方膠凝材料用量大于 150kg）所代替，對筑壩材料的要求接近甚至超過常規混凝土壩，與J.M.拉斐爾最初提出的“最優重力壩”設想也越來越遠。

1988年，法國的P.Londe提出用碾壓硬填方的施工方法將膠凝砂礫石碾壓填筑成上下游等坡（0.7H/1V）的對稱斷面壩，上游面設防水面板防滲，稱之為對稱硬填方面板壩（FSHD，Faced Symmet r ical Har df il l Dam）。1992年，P.Londe再次對該壩型進行闡述，認為放寬對碾壓混凝土性能和技術的要求只求獲得一種“硬填方”而不是有較高強度的混凝土，總造價會降低且具有較高的安全度。1990年英國的Paul Back在英國大壩協會會議上提出了“極限壩”（Ul t imat e Dam）的概念，其理念包括：采用耐久的筑壩材料，各種工況下結構安全度基本一致，對內部侵蝕、洪水漫頂、地震等有良好的抵抗能力，進一步發展了J.M.拉斐爾“最優重力壩”的思想。

20世紀90年代，日本進一步發展了這一理念，即將膠凝材料和水加入河床砂礫石和開挖廢棄料等在壩址附近容易獲得的巖石基材中，然后用簡易的設備進行拌合，采用堆石壩施工技術進行碾壓施工，稱之為膠凝砂礫石壩（CSG Dam,Cement ed Sand and Gr avel Dam），這種新壩型不僅經濟，還可以充分利用施工過程中產生的棄料，減小對周圍環境的影響。由于膠凝砂礫石壩對筑壩材料、施工工藝以及壩基要求降低，大壩施工基本實現零棄料，凸顯了在適應環境、減輕石渣及工程建設對周圍環境的不利影響等方面所具有的優勢，已開始得到國際壩工界的重視，并實際應用。如土耳其2006年建成壩高107m的Cinder e壩即為膠凝砂礫石壩，我國街面水電站下游圍堰、洪口水電站上游圍堰、功果橋水電站上游圍堰等均采用膠凝砂礫石壩修建。

與此同時，國內相關單位和學者也開展了有關膠凝砂礫石壩方面的研究。如武漢大學方坤河教授等早在 1994年就在國內率先提出了“面板超貧碾壓混凝土壩”的概念；武漢水利電力大學的唐新軍博士對膠凝砂礫石壩的筑壩材料物理力學特性、壩體應力、變形和穩定等方面進行了詳細研究；中國水利水電科學研究院賈金生等人對膠凝砂礫石壩的筑壩材料特性、滲透溶蝕機理、穩定和應力分析、壩體防滲體系等問題進行了廣泛的研究，研究成果已在福建尤溪街面水電站下游圍堰和福建洪口水電站上游圍堰等工程中得到實施。

2 膠凝砂礫石壩技術特性和誤區

2.1 筑壩材料——膠凝砂礫石

膠凝砂礫石是將膠凝材料和水加入河床砂礫石或開挖廢棄料等在壩址附近容易獲得的巖石基材中，然后用簡易的設備進行拌合而得到的一種筑壩材料。與早期干貧碾壓混凝土類似，膠凝砂礫石大多采用“土工法（‘Soil’Appr oach）”確定配合比，即通過試驗得到材料的用水量、VC值和密度等指標之間的關系，確定單方最優用水量，然后通過試驗得到膠凝砂礫石抗壓強度與用水量、膠凝材料用量、齡期之間的關系，確定膠凝材料用量和設計齡期。研究表明，VC值在 10～20s之間時，膠凝砂礫石各方面的性能較好。通常情況下，膠凝砂礫石膠凝材料用量在 70～100kg/m3，其中水泥用量在 40～60kg/m3，90d齡期抗壓強度大于 5MPa。試驗室得到的典型應力－應變曲線如圖1所示，其中，應力—應變關系可以近似為線性的范圍被定義為“線性范圍”，線性范圍內的最大應力被定義為“線性極限強度（σL）”。

膠凝砂礫石的物理力學特性除了與單方用水量和膠凝材料用量有關外，與母材的顆粒級配分布，特別是砂率大小有較密切的關系。研究表明，母材最大顆粒粒徑 150mm，砂率 30%左右時膠凝砂礫石具有較高的強度和較高的密實度。

圖1 膠凝砂礫石典型的應力－應變曲線

由于膠凝砂礫石材料骨料未經沖洗篩分，材料本身強度低，抗滲透性較差，且膠凝材料用量低，摻合料（如粉煤灰）摻量較高（一般情況下，膠凝材料用量少于 100kg/m3，水泥用量約 40～60kg/m3），水化產物中 Ca(OH)2含量較少，壓力水長期滲透作用下膠凝砂礫石的抗滲透溶蝕性能值得關注。中國水利水電科學研究院賈金生等人進行的膠凝砂礫石滲透溶蝕試驗結果表明，膠凝砂礫石的抗溶蝕性能較差，在 2MPa水壓力作用下，經過108天的滲透溶蝕，膠凝材料水化產物中CaO被溶出10.25%，強度下降約31%。因此，采用膠凝砂礫石壩作為永久工程時，應特別重視防滲體的設計及施工保證，避免膠凝砂礫石材料處于長期的滲透溶蝕中，以盡量減少滲透溶蝕對該壩型帶來的長期耐久性問題。

2.2 應力分布

膠凝砂礫石性能與混凝土類似，目前膠凝砂礫石壩也借鑒傳統混凝土重力壩設計準則進行設計。但因壩體斷面不同，膠凝砂礫石壩與傳統重力壩的應力分布存在根本性區別。

傳統重力壩設計一般在抗傾覆穩定和抗滑穩定的前提下以壩體體積最小為目標，然后探討壩體內部應力安全，最后確定壩體材料的設計強度。因此，傳統重力壩最優斷面是上游面垂直（或接近垂直），下游面坡比接近0.8：1（H:V）的三角形斷面，圖2中顯示了一座100m高重力壩基礎底部的應力分布，從圖2所示的應力分布可以看出，傳統混凝土重力壩應力分布隨滿庫和空庫變化很大，滿庫時最大壓應力位于下游壩趾區；空庫時位于壩踵區，滿庫時上游壩踵區可能出現拉應力。此外，傳統斷面的混凝土重力壩對于建基面的抗剪摩擦系數要求相當高，因此需要比較好的壩體基礎條件。

圖2 傳統混凝土重力壩壩基面應力分布

與傳統混凝土重力壩斷面設計目標將壩體設計成最小體積不一樣，膠凝砂礫石壩主要是根據材料強度設計壩體斷面。膠凝砂礫石壩筑壩材料強度相對較低，通常情況下，采用上下游對稱三角形斷面。對稱三角形斷面的明顯優勢是，在不同荷載情況下（滿庫與空庫），壩體內部的應力和作用在基礎上的荷載變化很小。圖3為壩高100m的帶面板的膠凝砂礫石壩（上下游坡比均為0.7：1）的基面應力分布情況。

圖3 膠凝砂礫石壩壩基面應力分布

從圖3所示的壩基面應力分布可以看出，無論是滿庫還是空庫，壩基面應力不僅變化小，而且存在至少1MPa的壓應力，但最大壓應力較傳統混凝土重力壩有較大幅度減小。即使在加速度為0.2g的地震工況下，也不會產生拉應力，且安全裕度較大。因此膠凝砂礫石的抗拉強度即使為0，壩體也是安全的。

作用在基礎上的垂直荷載相當均勻且不會因水庫蓄水位的變化而過大變化，這是膠凝砂礫石壩與傳統重力壩的基本區別，這對彈性模量較低的巖基尤其重要。因此，在基礎巖石較軟弱時，不適宜修建傳統重力壩的地方，可以修建對稱斷面的膠凝砂礫石壩。

2.3 施工

膠凝砂礫石壩為對稱斷面，在不同荷載組合作用下應力分布變化較小，最大壓應力較小，且對拉應力無要求，因此對筑壩材料的強度要求較低，相對常規混凝土壩和碾壓混凝土壩而言，施工相對簡單、快速，體現在拌和、碾壓、層面處理、質量控制等多個方面。

從國內外已有工程實踐來看，膠凝砂礫石拌和可以采用連續式攪拌機拌和，也可以采用裝載機或反鏟等機械進行簡易拌和，前者主要用于永久工程，后者則主要用于圍堰等臨時工程。由于單方用水量對膠凝砂礫石物理力學性質較大，過高導致強度偏低，過低導致VC值過大，施工困難。因此拌和前需要對母材含水量進行測試，以對膠凝砂礫石單方用水量進行校正。母材為含水量較大的河床砂礫石時，應將母材堆存一段時間，使母材含水量低于5%后再進行拌和。

膠凝砂礫石碾壓層厚一般在50cm左右，有部分碾壓層厚與碾壓混凝土類似，為 30cm，如多米尼加的Moncion反調節壩。也有碾壓層厚為75cm的，如我國福建省街面水電站下游膠凝砂礫石圍堰。碾壓層厚與膠凝砂礫石拌和系統、碾壓機械等密切相關，需通過現場碾壓試驗后確定。碾壓參數也需通過現場碾壓試驗確定。膠凝砂礫石壩由于斷面較大，對層面抗剪強度要求較低，其層面即使不作處理也能夠滿足抗滑穩定的要求。但對于壩高超過100m的高壩或對安全要求較高的永久性大壩，采用一定的層面處理措施，如攤鋪前先鋪一層砂漿等，有助于提高層面抗剪能力，如土耳其Cindere壩，絕大多數層面攤鋪前都鋪了一層25mm厚的砂漿墊層。

當采用膠凝砂礫石作為筑壩材料時，膠凝砂礫石碾壓后的壓實度可以采用核子密度儀進行測試，也可以采用挖坑進行檢測。

2.4 其他特性

根據前面的滲透溶蝕試驗結果顯示，膠凝砂礫石筑壩材料的抗滲透溶蝕性能較差，對于永久性工程，上游面板是膠凝砂礫石壩的必要組成部分，這與混凝土面板堆石壩的理念類似，防滲面板位于透水的堆石體上。面板施工可采用與混凝土面板堆石壩類似的成熟技術，由于膠凝砂礫石壩的變形比混凝土面板堆石壩要小得多，所以面板中的配筋率可以小一些，周邊縫的處理也可以簡化很多。

對于壩高低于 50m的膠凝砂礫石壩或膠凝砂礫石圍堰等臨時性水工建筑物，根據膠凝砂礫石壩的特征，可不設上游基礎廊道、排水等。但對于壩高超過 50m的永久性膠凝砂礫石壩，特別是壩高超過100m時，有必要修建足夠大的上游基礎廊道，進行排水、基礎鉆孔、灌漿和對基礎灌漿帷幕進行維護，并采取必要的防裂措施，如設置橫縫等。

2.5 膠凝砂礫石壩發展誤區

膠凝砂礫石壩雖然在技術上有上述優勢，但在發展過程中，因受到傳統混凝土重力壩設計思想的干擾，在認識到膠凝砂礫石壩技術優勢的同時，也希望膠凝砂礫石能接近甚至達到常態混凝土的性能，從而逐漸偏離了膠凝砂礫石壩最初的設計思想，相關研究也逐步集中到如何提高膠凝砂礫石性能上，使膠凝砂礫石壩的發展步入了一個誤區。膠凝砂礫石硬化后的性能與常態混凝土較為接近，為膠結在一起的連續體。但膠凝砂礫石壩采用梯形斷面，壩體應力水平較低且基本不承受拉應力，對筑壩材料本身的性能要求較三角形斷面的混凝土重力壩對壩體混凝土的要求低，同時，膠凝砂礫石直接利用天然砂礫石或洞渣料，簡化甚至取消了骨料的篩分和沖洗，單位膠凝材料用量特別是水泥用量也遠小于常態混凝土，其性能的確與常態混凝土存在較大差距，特別是衡量混凝土材料耐久性的抗凍等級偏低。

目前已建成的混凝土壩經驗顯示，只要上游面設置了有效的防滲結構，大壩防滲層后的混凝土基本都呈干燥狀態。所以對于混凝土壩而言，有效防滲結構之后的壩體混凝土無需承擔防滲功能。嚴寒地區的混凝土壩，除表面負溫區的混凝土會經受凍融循環外，內部混凝土基本不會經受凍融循環。因此，膠凝砂礫石壩內部材料的關鍵性能在于保持壩體的穩定性，壩體防滲和可能存在的負溫區抗凍問題則需要設置專門的保護層。前述土耳其壩高107m的Cinder e壩壩前專門設置了土工膜柔性防滲體系，這一點與面板堆石壩的設計理念相同，即大壩防滲層和壩體材料功能分開，各負其責。

3 西部高寒高海拔地區修建膠凝砂礫石壩的技術優勢

我國未來一段時間，水電工程將主要集中在西部河流上游，部分工程位于海拔約超過 3000m的高寒高海拔地區。一方面這些地區自然條件比較惡劣、空氣相對稀薄、氣壓較低、蒸發量較大、晝夜溫差較大、人員和施工機械的效率較平原地區低，另一方面，對外交通運輸條件較差，外運物資代價較大。

如采用土石壩和堆石壩等當地材料壩，因壩體方量較大，建設過程中對當地的生態環境影響較大，且壩體本身無法布置泄洪設施，樞紐布置較為困難。此外，河流上游地區防滲土料較為缺乏，從其它地方獲取代價較高。

如采用常規的混凝土壩或碾壓混凝土（RCC）壩，則存在如下問題：（1）膠凝材料緊缺。混凝土需要大量水泥和粉煤灰等膠凝材料，而當地對外交通條件較差，且遠離工業中心，當地水泥產量有限且價格昂貴, 仍須從內地遠距離運輸大量的水泥和粉煤灰至工地，更為嚴峻的是高原崎嶇險惡的山路和變幻莫測的氣候使得物資運輸的保障無從談起,工程進度受到嚴重的威脅；（2）如何配制出滿足設計要求的混凝土存在較大困難。當地自然條件比較惡劣，對混凝土材料綜合性能要求較高，特別是抗凍性（耐久性的主要指標）和抗裂性，而低氣壓對配制高抗凍性混凝土可能存在不利影響，特別是膠凝材料用量較少的大壩大體積混凝土更是如此，大蒸發量對混凝土早期抗裂也不利，在高海拔和蒸發量較大的地區如何保證混凝土的抗凍性和早期抗裂性是一個技術難點；（3）常規混凝土壩和RCC壩對混凝土骨料技術要求較高，在巖石毛料開采和骨料生產加工過程中會產生大量棄料；（4）高海拔地區人員和機械效率較平原地區低，采用常規的混凝土壩和RCC壩工程進度和質量較難保證；(5) 混凝土壩對地基要求較高，基礎處理量較大。總之，在西部河流上游高海拔地區采用常態混凝土壩或RCC壩存在工程造價高、工程質量和進度較難保證等困難。

但在西部高寒高海拔地區修建膠凝砂礫石壩，根據前述理論分析和已有工程經驗類比，有如下技術優勢：

（1）壩體斷面為對稱梯形斷面，上下游坡面從1:0.4～1:0.7，應力分布較為均勻，對于百米級的壩，最大地震加速度0.2g時壩體沒有拉應力產生（更高的壩，或地震加速度更大的例子暫未進行分析），對地基的適應能力強，可以大幅度減少基礎處理工作量。

（2）在施工方面，由于壩體斷面比常態混凝土和碾壓混凝土重力壩大，壩體層面依靠剪切摩阻力即可滿足穩定要求，層面處理要求可以降低，即使出現冷縫也可以接受，因此施工程序可以相對簡化，降低工人勞動強度，保證工程的整體安全性。

（3）在筑壩材料方面，可充分利用開挖料，從而減輕工程對周圍環境的破壞程度。同時膠凝砂礫石中僅摻有少量膠凝材料（水泥大約 40～60kg/m3），可以減少膠凝材料等物資的運輸。同時，因水泥用量少，溫升低，溫度應力較小，可以簡化甚至取消溫控。

（4）膠凝砂礫石對母巖和骨料性能要求相對較低，可以少處理甚至不處理，可以充分利用工程開挖料，從而少設甚至不設棄渣場，并減小砂石加工系統和混凝土系統規模。因能夠充分利用開挖料，盡最大可能減少棄料，在減少工程對周邊環境影響方面較其它壩型有較大優勢。

（5）膠凝砂礫石具有一定的強度和抗沖刷能力，膠凝砂礫石壩的壩面采用抗沖磨混凝土防護后壩頂即可過水，克服了土石壩不能過水的缺點。當過水流量較小時，允許在壩頂設置溢洪道，省去了岸邊溢洪道或其它泄洪設施的開挖工作，便于施工導流和樞紐建筑物布置。

（6）在壩體上游面設置專門的防滲層和排水層，可保護內部膠凝砂礫石免受滲漏、溶蝕和凍融等破壞。相對整個壩體而言，上游面防滲層和排水層工程量較小，施工質量和進度易于保證。

因西部高寒高海拔地區特殊的自然環境，將膠凝砂礫石壩這種“最優重力壩”應用在該地區，可以充分發揮該壩型的優勢，并能保證工程安全，是該壩型未來發展的主要方向。

4 結語

膠凝砂礫石壩是一種結合了碾壓混凝土壩和混凝土面板堆石壩的優點發展起來的一種新壩型，可同時實現設計合理化、施工合理化以及材料利用合理化。國內外工程實踐也表明，采用膠凝砂礫石筑壩能夠縮短工期、降低工程造價。但在該壩型的發展過程中過于追求膠凝砂礫石筑壩材料的性能而忽視該壩型最初設計理念，在國內陷于僅在圍堰等臨時工程中使用的窘境。將膠凝砂礫石壩首先在西部高寒高海拔河流上游中低壩工程中應用，然后加以推廣是該壩型未來發展的主要努力方向。

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