工程條件對膠凝砂礫石壩的影響分析

楊晉營，燕荷葉，閆國保（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原030024）

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工程條件對膠凝砂礫石壩的影響分析

楊晉營，燕荷葉，閆國保
（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原030024）

從守口堡水庫膠凝砂礫石壩設(shè)計來看，膠凝砂礫石筑壩的影響因素很多，包括氣象、水文、地形、地質(zhì)等，但主要制約因素應(yīng)是壩址地質(zhì)條件和壩址區(qū)天然建筑材料。壩基覆蓋層厚度、巖基質(zhì)量、砂礫料的儲量和質(zhì)量等因素，直接關(guān)系到膠凝砂礫石筑壩的可行性。其他因素的影響也應(yīng)充分重視，這些因素對膠凝砂礫石壩設(shè)計和施工很重要。

工程條件；膠凝砂礫石壩；影響

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.020

膠凝砂礫石壩是介于散粒體和彈性體之間的一種新壩型，與土石壩和面板堆石壩相比較可以縮小壩體斷面；與重力壩相比較可以簡化施工。膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的優(yōu)勢是拓寬了骨料使用范圍，可利用就近的砂石材料，無需級配和沖洗的情況下拌合，減少固廢和篩分環(huán)節(jié)，使用高效率的土石方運(yùn)輸機(jī)械和壓實機(jī)械快速施工。

目前，在法國、希臘、日本和土耳其等國家已建成了10余座膠凝砂礫石壩，其中土耳其的兩座壩壩高都超過100m。在我國福建、貴州、四川等地也相繼進(jìn)行了一些圍堰工程試驗性應(yīng)用，山西省守口堡水庫膠凝砂礫石壩是我國在永久工程中應(yīng)用的首例，目前正在施工中。

盡管已有為數(shù)不多的工程應(yīng)用，但對于其適應(yīng)的工程條件缺乏較深的研究。從守口堡水庫膠凝砂礫石壩設(shè)計來看，膠凝砂礫石筑壩的影響因素很多，包括氣象、水文、地形、地質(zhì)等。本文結(jié)合守口堡水庫筑壩工程條件，分析了工程條件對膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的應(yīng)用影響性。

1 氣象條件的影響性分析

不同于散粒料，膠凝砂礫石屬于硬填方。從硬填方筑壩技術(shù)經(jīng)驗來看，氣象方面的主要影響因素為氣溫和降水。

1.1 氣溫

膠凝砂礫石是通過級配條件較寬、且不需要篩分的砂礫料和少量的膠凝材料拌合而成的，其水化熱很低，較高的溫度一般不會造成溫度控制的問題。但施工過程中膠凝砂礫石的VC值和凝結(jié)時間與氣溫有關(guān)，當(dāng)高溫時段或太陽暴曬時拌和好的膠凝砂礫石凝結(jié)時間損失是很快的。如果VC值控制不好，會造成凝結(jié)時間縮短，進(jìn)而影響膠凝砂礫石的碾壓和層間結(jié)合。因此，氣溫對膠凝砂礫石筑壩的設(shè)計與施工有較大影響，設(shè)計和施工均應(yīng)充分考慮。

在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)低溫條件下，會對膠凝砂礫石壩的設(shè)計產(chǎn)生影響，主要是膠凝砂礫石的抗凍融性能低。因此，設(shè)計者往往要考慮防止凍融破壞措施，例如采取設(shè)置保護(hù)層的方式等。

同時，像碾壓混凝土和常態(tài)混凝土的施工一樣，氣溫太低也會對膠凝砂礫石的拌合、填筑造成較大的影響。低溫條件下施工，應(yīng)保證施工的任何部位不結(jié)冰。現(xiàn)行的的《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》（SL678-2014）規(guī)定：日平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定在5℃以下時或最低氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定在_3℃以下時，應(yīng)采取低溫施工措施。氣溫驟降時，宜對膠凝砂礫石表面進(jìn)行覆蓋保溫。氣溫在_10℃以下時不宜施工。

低氣溫對守口堡水庫大壩膠凝砂礫石施工影響還是比較大的。守口堡水庫位于山西省大同市，屬于寒冷地區(qū)，多年平均氣溫7.1℃，極端最低氣溫達(dá)_29.9℃，最大凍土深度為1.43m。在施工組織設(shè)計時，考慮了氣溫對膠凝砂礫石筑壩的影響，壩體碾壓施工工期只能安排在4月份至10月份之間，能夠施工的工期較短。而且，由于膠凝砂礫石的抗凍耐久性差，守口堡膠凝砂礫石壩上、下游壩坡分別設(shè)置了1.5m和1.0m厚的常態(tài)混凝土保護(hù)層。

1.2 降水

降水包括降雨和降雪。降雪主要發(fā)生在北方地區(qū)冬天，由于冬天天氣寒冷，很少進(jìn)行填筑類作業(yè)的。因此，降雨的影響是主要的。

降雨對膠凝砂礫石填筑和碾壓的影響表現(xiàn)在：降雨強(qiáng)度高，會導(dǎo)致拌合好的膠凝砂礫石含水量加大，影響填筑料的和易性和均勻性；在碾壓過程中，降雨強(qiáng)度大，會導(dǎo)致振動碾壓路機(jī)的碾壓滾軸發(fā)生滑動、碾壓層表面含水量太高影響填筑質(zhì)量等問題。日本大壩工程中心提出，在填筑膠凝砂礫石時降雨不宜超過4mm/h，這是基于膠凝砂礫石材料的性質(zhì)和和易性的考慮。這個限定條件較我國碾壓混凝土施工規(guī)范放寬了很多，我國碾壓混凝土施工規(guī)范要求不超過3mm/h。現(xiàn)行的SL678-2014規(guī)定“當(dāng)降雨量為小雨時可以施工”，小雨的降雨強(qiáng)度為小于3mm/h。守口堡水庫膠凝砂礫石壩施工組織設(shè)計確定的降雨強(qiáng)度也為3mm/h，符合SL678-2014規(guī)定。

此外，降雨對砂礫石的存儲也有一定影響，降雨量大，會增加自然堆放的砂礫石含水量，影響儲料質(zhì)量。因此，應(yīng)綜合考慮降雨條件，采取必要的保護(hù)及排水措施。

2 水文條件的影響分析

水文條件對膠凝砂礫石筑壩技術(shù)應(yīng)用的影響因素主要是徑流、洪水和泥沙，設(shè)計時應(yīng)予以充分考慮，尤其是在確定洪水標(biāo)準(zhǔn)、建筑物等級以及庫容和壩高時。

2.1 徑流和洪水

徑流和洪水調(diào)節(jié)是設(shè)計壩體斷面、泄水建筑物及其控制設(shè)備的基本依據(jù)。徑流和洪水調(diào)節(jié)對壩高的選擇有很大影響，同時對壩體泄水建筑物的布置也有影響，包括泄洪底孔和壩頂溢流堰的布置及結(jié)構(gòu)尺寸。

現(xiàn)行的SL678-2014規(guī)定“膠凝砂礫石壩壩高超過50m時應(yīng)補(bǔ)充必要的專題論證”，給出了壩高小于50m的膠凝砂礫石壩設(shè)計原則。因此，對于無條件進(jìn)行專題論證的膠凝砂礫石壩，且壩基也存在一定問題時，在進(jìn)行徑流和洪水調(diào)節(jié)時，應(yīng)充分考慮壩高的因素。守口堡水庫大壩膠凝砂礫石壩高61.6m，壩高超過SL678-2014設(shè)定的不進(jìn)行專題論證范圍。

此外，洪水對施工組織設(shè)計也有影響，包括料場的開采和防護(hù)、建筑材料的儲存和堆放、導(dǎo)流方案的選擇和導(dǎo)流建筑物的設(shè)計、施工工期的安排等。

2.2 泥沙

泥沙的影響主要體現(xiàn)在壩前泥沙淤積和泄洪泥沙含量及粒徑組成等方面。對于多泥沙河流，壩前淤積產(chǎn)生的泥沙壓力直接影響壩體穩(wěn)定；泄洪泥沙含量及粒徑組成對泄洪建筑物的抗沖磨性能有影響。因此，對于在多泥沙河流上興建膠凝砂礫石壩，必須考慮泥沙因素的影響。

3 地形條件的適應(yīng)性

膠凝砂礫石壩的壩軸線一般是直線，與河流流向近于正交。有時為了使壩體兩端壩頭放在較好的巖基上，壩線可與河流流向斜交，但交角不宜太小，否則會增加壩體工程量，又會使泄洪水流不順。

膠凝砂礫石筑壩和碾壓式壩相同，其特點之一是可快速施工。因此，膠凝砂礫石壩應(yīng)布置在相對較寬的河谷。對于非常狹窄的河谷，岸坡陡峭，機(jī)械設(shè)備沒有足夠的運(yùn)作空間，很難達(dá)到快速施工的目的。

從地形條件適應(yīng)性來看，由于碾壓設(shè)備運(yùn)作空間要求，膠凝砂礫石壩比常態(tài)混凝土重力壩對河谷寬度要求相對高點。日本Tobetsu壩，壩軸線所處位置河谷寬度為400m；多米尼加共和國Moncion反調(diào)節(jié)壩，壩軸線所處位置河谷寬度600m；土耳其Cindere壩、Oyuk壩和Beydag壩，壩軸線所處位置河谷寬度分別為250m、210m和800m；菲律賓Can-Asujan大壩，壩軸線所處位置河谷寬度為140m；希臘Marathia大壩，壩軸線所處位置河谷寬度為260m；在建的守口堡水庫壩軸線所處位置河谷寬度220m。另外，根據(jù)我國已建27座碾壓混凝土重力壩壩址河谷寬度統(tǒng)計，河谷寬度均在100m以上。

4 地質(zhì)條件的適應(yīng)性

4.1 地基條件適應(yīng)性分析

從目前掌握資料來看，國外已建膠凝砂礫石壩以及國內(nèi)已建臨時圍堰工程均坐落在巖基上，因此，影響膠凝砂礫石筑壩的地質(zhì)條件，主要包括巖基質(zhì)量和巖基上覆蓋層厚度。

（1）巖基質(zhì)量的影響

混凝土重力壩要依靠壩體自重及壩體和巖基連接來抗滑和抗傾覆。而梯形壩壩體底層基本是壓應(yīng)力，靠壩體和巖基的摩擦抗滑，而且在基礎(chǔ)面上產(chǎn)生的垂直應(yīng)力比較均勻，不會因水庫水位的變化而過大變化，這是梯形壩和與直角三角形壩的基本區(qū)別。表1為守口堡水庫膠凝砂礫石壩在不同水位條件下的壩基應(yīng)力計算成果。

由表可看出，相同壩坡比條件下，隨著水位升高，壩基上游邊緣應(yīng)力σyu呈減小趨勢，下游邊緣應(yīng)力σyd呈增大趨勢，上、下游邊緣應(yīng)力比值σyu/σyd變化不大，但基底垂直應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象明顯。

另一方面，相同水位條件下，隨著壩坡比加大，壩基上游邊緣應(yīng)力σyu呈增大趨勢，下游邊緣應(yīng)力σyd呈減小趨勢，上、下游邊緣應(yīng)力比值σyu/σyd變化比較明顯，基底垂直應(yīng)力分布趨于均勻。

表1 不同水位條件下?lián)跛畨味螇位鶓?yīng)力（kPa）

就巖基條件來說，混凝土重力壩要求苛刻，而梯形膠凝砂礫石壩要求更靈活。試驗資料表明，膠凝砂礫石的彈性模量較普通混凝土的彈性模量要低很多，這對彈性模量較低的巖基更為重要。這使得在較軟弱的巖基上修建膠凝砂礫石壩成為可能。但并不是意味著梯形膠凝砂礫石壩可以在任何基巖上建造。日本大壩工程中心研究了不同壩高和不同壩坡比的梯形壩膠凝砂礫石壩的強(qiáng)度與膠凝砂礫石彈模和巖基彈模比值（EC/ER）的關(guān)系。認(rèn)為，隨著壩高或上下游坡比變陡，膠凝砂礫石的強(qiáng)度要求增加，要求的膠凝砂礫石的強(qiáng)度越高，壩體彈模就越高，EC/ER值越大。如果巖基有較大變形能力（即很低的ER），則很可能不適合建造梯形膠凝砂礫石壩。可見，彈性模量較低的軟弱巖基也是限制膠凝砂礫石筑壩的條件。

一般情況下，彈性模量很低的軟弱巖基質(zhì)量都很差，例如強(qiáng)風(fēng)化層厚度大、基巖破碎嚴(yán)重等，不僅會增加基礎(chǔ)處理的難度，而且會增加基礎(chǔ)處理工程量和壩體工程量。因此，從經(jīng)濟(jì)角度來講，在這樣的軟弱巖基上興建膠凝砂礫石壩是不經(jīng)濟(jì)的。

在滿足基礎(chǔ)穩(wěn)定的條件下，在建的守口堡膠凝砂礫石壩體建基面設(shè)置在弱風(fēng)化層上部，較原設(shè)計碾壓混凝土壩建基面抬高4m左右。這樣做不僅減少基巖開挖量，同時也節(jié)省了膠凝砂礫石用量。從守口堡壩基弱風(fēng)化層巖石條件來看，其彈性模量7.5GPa；膠凝砂礫石壩彈性模量15.2GPa，膠凝砂礫石與巖石彈性模量比值EC/ER=2.03。《水工設(shè)計手冊》認(rèn)為，通常EC/ER為1～2較有利。可見守口堡膠凝砂礫石壩EC/ER在合理的范圍內(nèi)。

（2）巖基上覆蓋層厚度的影響

從當(dāng)?shù)夭牧侠迷瓌t來講，庫區(qū)和壩址區(qū)河道覆蓋層砂礫石料所占比例大，且具有豐富的砂礫料儲量，對膠凝砂礫石筑壩是有利的，尤其是壩址區(qū)可利用壩基開挖料筑壩。壩址區(qū)砂礫石儲量一般取決于基巖覆蓋層厚度，壩址區(qū)覆蓋層厚度太大，會增加基礎(chǔ)開挖量，加大壩高及壩體斷面面積，進(jìn)而增加工程投資，影響膠凝砂礫石筑壩的可行性；然而，覆蓋層厚度薄了，可利用的砂礫石料也就少了，沒有足夠的筑壩材料，也會影響膠凝砂礫石筑壩的經(jīng)濟(jì)性和可行性。因此，覆蓋層厚度對膠凝砂礫石筑壩的影響是綜合的，選擇膠凝砂礫石筑壩，既要考慮砂礫石的利用，還要考慮工程量增加的因素。在建的大同守口堡水庫大壩基巖覆蓋層厚度6.5～19.8m；已建的日本當(dāng)別壩（Tobetsu）基巖覆蓋層厚度約17m左右。

4.2 天然建筑材料

4.2.1 砂礫料

砂礫料是膠凝砂礫石壩的主要建筑材料。在壩址區(qū)和庫區(qū)附近能找到儲量充足、質(zhì)量合格、開采和運(yùn)輸條件較為適宜、不影響工程安全、對環(huán)境及自然景觀影響較小的砂礫石料源是比較理想的。這樣可以縮短砂礫料的運(yùn)距，大幅度降低工程造價。因此，砂礫料的儲量、質(zhì)量、運(yùn)距是影響膠凝砂礫石筑壩的主要因素。

（1）砂礫料場的選擇

“因材適構(gòu)”的理念就是要就近取材并充分利用。從國外已建永久工程和國內(nèi)已建臨時工程資料來看，多數(shù)是利用壩基開挖砂礫料和大壩上游附近河床開挖砂礫料。日本當(dāng)別壩（Tobetsu）是利用壩基開挖料和壩前河床開挖砂礫料興建的。

守口堡水庫大壩是將壩基開挖砂礫料及圍堰上游1km范圍河床砂礫料作為主料源的。這樣不僅可減少材料運(yùn)距，而且可充分利用壩基開挖量，減少棄料，進(jìn)而達(dá)到降低工程造價、保護(hù)環(huán)境的目的。因此，在壩址選擇時，應(yīng)充分考慮料場的影響因素。

（2）砂礫料質(zhì)量

影響砂礫料質(zhì)量的因素包括砂礫石的質(zhì)地和表觀密度、含水率、含泥量、含砂率以及粗骨料粒徑含量等。而影響最大的因素是含泥量、含砂率和粗骨料含量。

根據(jù)室內(nèi)試驗資料，含泥量或含砂率過高、粗骨料含量過低，均影響膠凝砂礫石的強(qiáng)度。SL678-2014規(guī)定：砂礫石中的含泥量不宜超過5%，泥塊含量不宜超過0.5%，并避免泥塊集中；砂礫石中小于5mm的砂料含量宜在18%～35%，粗骨料中5～40mm粒徑含量宜為35%～65%。

從顆分試驗來看，守口堡水庫大壩砂礫料場砂礫石中，小于5mm的粒徑含量37.56%、5～80mm粒徑含量47.47%、80～150mm粒徑含量5.64%、大于150mm粒徑含量9.34%，平均砂率為43.6%，含泥量在10%左右，有些指標(biāo)超出了SL678-2014規(guī)定范圍。經(jīng)試驗，砂礫料中外摻25%上壩公路開挖石料后，可將砂率降低到38%。

（3）砂礫石的儲量

料場的選擇還應(yīng)充分考慮砂礫料的儲量，儲量直接影響膠凝砂礫石筑壩的經(jīng)濟(jì)性和可行性，料場應(yīng)有足夠的量。

一般情況下，壩址區(qū)和庫區(qū)天然河道基巖上伏砂礫石覆蓋層可作為儲量計算范圍，但由于自然原因，覆蓋層可能還存在表面土層或不符合要求的料層，因此，在儲量分析時，應(yīng)考慮去除這部分量。同時還應(yīng)按水下儲量和水上儲量分別計算，水下部分含水量大，需要晾曬蒸發(fā)后達(dá)到允許的含水率才能使用（一般不宜超過6%），施工費(fèi)用中應(yīng)予以考慮。

經(jīng)計算，守口堡水庫大壩砂礫料場除去表層0.4～0.6m厚的低液限粉土無用層后，有用層為第四系洪沖積卵石混合土、混合土卵石，儲量100萬m3，其中粗骨料64.14萬m3，細(xì)骨料35.86萬m3。從儲量上來看，滿足膠凝砂礫料壩用量要求。

4.2.2 石料

對于膠凝砂礫石壩，石料一般用于保護(hù)層、防滲層、基礎(chǔ)墊層、溢流堰和泄洪底孔、消能設(shè)施等部位的常態(tài)混凝土或變態(tài)混凝土中，由于這部分混凝土在大壩工程量中占的比重很小，所以其對石料的量要求不是主要的，但對質(zhì)的要求比較嚴(yán)格，應(yīng)和常態(tài)混凝土或變態(tài)混凝土要求相同。

5 工程條件影響性分析匯總

表2 工程條件影響性分析匯總

續(xù)表2 工程條件影響性分析匯總

6 結(jié)語

我國膠凝砂礫石壩技術(shù)的應(yīng)用剛起步，對于工程條件影響性的認(rèn)識屬于初級階段。作者認(rèn)為，盡管影響膠凝砂礫石筑壩技術(shù)應(yīng)用的因素很多，但主要制約因素應(yīng)是壩址地質(zhì)條件和壩址區(qū)天然建筑材料，包括壩基覆蓋層厚度、巖基質(zhì)量、砂礫料的儲量和質(zhì)量等，這對論證利用膠凝砂礫石筑壩的可行性是很重要的。如果覆蓋層厚度太大或巖基質(zhì)量太差，則會影響膠凝砂礫石壩的經(jīng)濟(jì)性；如果壩址區(qū)附近沒有足夠的砂礫石儲量，在遠(yuǎn)離壩址區(qū)開采砂礫料，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，則與“因材適構(gòu)”的理念相悖。其他因素的影響也應(yīng)充分重視，這些對膠凝砂礫石壩設(shè)計和施工很重要。

［1］SL678-2014.膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［2］EngineeringManua1forConstruction and Qua1ityContro1ofTrapezoida1CSGDam，Japan DamEngineeringCenter，2007.9.

［3］SL53-94.水工碾壓混凝土施工規(guī)范［S］.

［4］周建平，黨林才.水工設(shè)計手冊（混凝土壩）［M］.北京：水利水電出版社，2011.

［5］馮煒，馬峰玲，等.山西守口堡膠凝砂礫石壩材料試驗研究報告［R］.中國水利水電科學(xué)研究院，2014.

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2015-06-29

先進(jìn)實用技術(shù)示范（126214000000151022）

楊晉營（1959年—），男，教授級高級工程師。