膠結顆粒材料在水利工程施工中的應用

胡白清

(江西省源河工程有限責任公司，江西 南昌 330000)

我國水能資源豐富，為了發展清潔能源，修建了大量的水庫大壩，其中土石壩的數量占比達到90%以上，為了適應不同地質條件下的筑壩要求，一些新型的筑壩施工技術應運而生[1- 4]。膠結顆粒材料的突出特點是“宜材適構、宜構適材”，近年來逐漸應用于水利工程筑壩施工中，膠結顆粒材料壩兼具土石壩和混凝土重力壩兩者的優點，具有經濟安全、節能環保、漫頂不潰、抗震性能好等優勢。因此，開展膠結顆粒材料筑壩施工技術及壩體材料性能研究具有重要的工程實踐意義[5- 8]。

膠結顆粒料壩最早在20世紀40年代由美國人提出，但一直未取得實質性進展，2003年，國內首次出現堆石混凝土筑壩技術，2005年，賈金生教授提出膠凝砂礫石筑壩施工技術，并于2009年首次提出了膠結顆粒料壩這一概念[9- 11]。石龍溝、清峪、順江堰等大壩是該類膠結顆粒料壩的典型代表，當前膠結顆粒料筑壩技術仍然處于探索和成長階段，一些專家學者也針對膠結顆粒料壩的施工技術、經濟性進行了探討，取得了一定的工程實踐效果[12- 15]。然而，很多都只是針對材料的某一力學性能或者某一到施工工藝的分析，很少有對膠結顆粒料壩的現場施工壩體性能進行綜合探討，因此文章結合某水利工程，對現場膠結顆粒材料施工壩體取樣，進行力學和耐久性綜合實驗，可為膠結顆粒材料在水利工程施工中的推廣應用提供借鑒。

1 工程背景

某小(I)型水庫，工程等別為IV等，設計總庫容約為980萬m3，設計興利庫容約為423萬m3，設計灌溉面積2.74萬畝，設計年發電量為105萬kW·h，是一個兼顧供水、灌溉、發電的綜合性水庫。壩址區為U型河谷，場地開闊，砂礫石儲量達到100萬m3，各項指標均符合筑壩要求，且易開采，經現場勘察討論后決定采用膠凝砂礫石筑壩施工技術筑壩，壩頂設計長為366m，最大壩高為64.6m。大壩剖面如圖1所示。

圖1 大壩剖面

2 實驗概況

砂礫石料取自現場壩址區，特大石占比為22.3%，大、中、小石的占比分別為28.9%、18.9%和11.1%，砂的占比為18.8%，平均含泥量為2.37%；水泥密度為2.96g/cm3，比表面積3596cm2/g，標準稠度為27.8%，燒失量為1.92%，SO3含量為2.86%；粉煤灰(45um篩篩余)細度為19.2%，表觀密度為1.98g/cm3，燒失量為2.35%，SO3含量為2.55%。現場膠凝砂礫石的主要材料配比情況見表1，該級配下，膠凝砂礫石的180d抗壓強度達到9.4-13.9MPa，達到設計強度6MPa的設計要求。

表1 膠凝砂礫石主要材料配比 單位：kg/m3

3 實驗結果分析

3.1 抗剪性能

膠凝砂礫石壩為分層碾壓筑壩施工，對不同層間處理方式和間隔時間下含非連續層面的膠凝砂礫石進行抗剪試驗，其結果見表2。從表中可以看到：下層面間隔5h后不做任何處理直接進行上層膠凝砂礫石鋪筑時，抗剪斷摩擦系數值為1.02，粘聚力值為0.67MPa，當層間間隔時間達到17h并對其進行加砂漿墊層后再鋪筑上層膠凝石，抗剪斷摩擦系數為0.88MPa，下降率為15.7%，但粘聚力增加至1.35MPa，增加約1倍；當層間間隔時間為46h后進行刮毛但不露出石子并鋪砂漿層，然后再鋪筑膠凝砂礫石時，抗剪斷摩擦系數值下降為0.93，但粘聚力增加至1.66MPa，同樣的層間間隔時間為46h進行刮毛且露出石子并鋪砂漿，然后再鋪筑膠凝砂礫石時，摩擦系數增加至1.30，粘聚力值為1.66MPa。可見，在施工過程中若出現層間冷縫情況后，應對層面進行刮毛處理并盡量使石子露出，才能有效提升膠凝砂礫石壩體的抗剪特性。

表2 不同工況非連續層面膠凝砂礫石抗剪試驗結果

3.2 層間溶蝕性

對三種不同施工工況下的膠凝砂礫料進行層間溶蝕性試驗，結果見表3。如圖2所示在經歷100d的累計溶蝕滲透過后，層面間隔24h且不做任何處理的累計滲透量最大，達到97000mL，層面間隔24h其次，為50000mL，沒有層面的累計滲透量最小，為40000mL；層面間隔24h并做刮毛處理后的滲透系數為2.8×10-7cm/s，不做刮毛處理的滲透系數為8.8×10-7cm/s，而沒有層面時的滲透系數較有層面不作處理時下降一個數量級；三種工況下的滲透水壓力分別為0.4MPa、0.4MPa和0.1MPa；可見，層面處理方式對于膠凝砂礫料壩的抗滲性有重要影響，分層施工時，對其進行層面沖毛處理可以減小滲透系數約68%。

圖2 不同工況下溶蝕滲透累計量曲線

表3 不同工況下層間溶蝕特性

3.3 熱性能分析

對膠凝砂礫石材料進行了絕熱溫升試驗，獲得了溫升實測和擬合曲線如圖3所示。從圖中可以看到：膠凝砂礫石料的溫升隨齡期呈冪函數型增加，鋪筑一周后的溫升較快，占總體溫升量的90%左右，后期溫升較慢，當鋪筑14d后基本不再出現溫度上升的情形；鋪筑養護28d后，膠凝砂礫石壩的總溫升為8.8℃，可見，由于膠凝砂礫石較普通混凝土壩使用水泥量較少，因此，壩體澆筑后的溫度上升量較低，這大大降低了在大壩澆筑過程和后期養護過程中對溫控的要求。對壩體溫升-齡期進行擬合，得到如下關系式：T=9.3t/(t+1.45)(t表示齡期/d，T表示壩體溫升/℃)，擬合計算溫升與實測溫升值之間相關度良好，可用于該配比下膠凝砂礫石料壩體溫升的預測。

圖3 壩體絕熱溫升曲線

3.4 低溫飽水強度分析

由于多數大壩填筑均在冬季及春季枯水期施工，冬季氣溫晝夜溫差較大，當澆筑料與低溫水進行接觸后，會發生力學性質的劣化，故對不同養護方式和顆粒級配下的膠凝砂礫石料進行了現場抗壓強度對比試驗，如圖4所示。從圖中可以看到：低溫泡水情況下的膠凝砂礫石材料抗壓強度低于標準養護下的強度；最細顆粒級配下的砂礫石強度較標準養護時降低約26%，而平均級配下的砂礫石強度較標準養護時降低7%；顆粒級配越細，試件強度越低，低溫泡水作用對膠凝砂礫石澆注料的強度影響程度越大。因此，在冬季氣溫較低的地區進行膠凝砂礫料鋪筑時，與水接觸的層面應該盡量使用級配較大的顆粒料，相關研究成果可為指導工程蓄水越冬提供參考。

圖4 低溫泡水與標準養護強度對比

4 結論

(1)層面間隔時間和處理方式對膠凝砂礫石料的抗剪性能有重要影響，當層面之間有冷縫時，對其進行沖毛、鋪砂漿處理后再鋪筑，可有效提升層間結合性能。

(2)對層間縫進行沖毛處理可以減小膠凝砂礫石的滲透系數，提升壩體的抗滲性能。

(3)膠凝砂礫石料的28d絕熱溫升僅為8.8℃，且后期溫升量很小，可大大降低了在大壩澆筑過程和后期養護過程中對溫控的要求。

(4)采用級配較粗的砂礫料進行鋪筑，可提升膠凝砂礫料壩的低溫泡水強度，可為指導工程蓄水越冬提供參考。