膠凝砂礫石筑壩技術(shù)進(jìn)展及西部高寒高海拔地區(qū)應(yīng)用展望

李新宇 任金明 陳永紅

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院 杭州 310014）

1 膠凝砂礫石壩思想起源與發(fā)展

膠凝砂礫石壩是結(jié)合碾壓混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩的優(yōu)點(diǎn)發(fā)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(yōu)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(yùn)輸機(jī)械和壓實(shí)機(jī)械施工，一方面由于水泥的膠凝作用增大了材料的抗剪強(qiáng)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(xù)方法可以縮短施工時(shí)間和減少施工費(fèi)用。20世紀(jì) 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(shí)現(xiàn)。因干貧碾壓混凝土重力壩與常規(guī)混凝土重力壩在斷面設(shè)計(jì)上并無本質(zhì)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(guī)混凝土壩，與J.M.拉斐爾最初提出的“最優(yōu)重力壩”設(shè)想也越來越遠(yuǎn)。

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(shè)防水面板防滲，稱之為對稱硬填方面板壩（FSHD，F(xiàn)aced Symmet r ical Har df il l Dam）。1992年，P.Londe再次對該壩型進(jìn)行闡述，認(rèn)為放寬對碾壓混凝土性能和技術(shù)的要求只求獲得一種“硬填方”而不是有較高強(qiáng)度的混凝土，總造價(jià)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(xié)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(jié)構(gòu)安全度基本一致，對內(nèi)部侵蝕、洪水漫頂、地震等有良好的抵抗能力，進(jìn)一步發(fā)展了J.M.拉斐爾“最優(yōu)重力壩”的思想。

20世紀(jì)90年代，日本進(jìn)一步發(fā)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(shè)備進(jìn)行拌合，采用堆石壩施工技術(shù)進(jìn)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(jīng)濟(jì)，還可以充分利用施工過程中產(chǎn)生的棄料，減小對周圍環(huán)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(shí)現(xiàn)零棄料，凸顯了在適應(yīng)環(huán)境、減輕石渣及工程建設(shè)對周圍環(huán)境的不利影響等方面所具有的優(yōu)勢，已開始得到國際壩工界的重視，并實(shí)際應(yīng)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(shí)，國內(nèi)相關(guān)單位和學(xué)者也開展了有關(guān)膠凝砂礫石壩方面的研究。如武漢大學(xué)方坤河教授等早在 1994年就在國內(nèi)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(xué)的唐新軍博士對膠凝砂礫石壩的筑壩材料物理力學(xué)特性、壩體應(yīng)力、變形和穩(wěn)定等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究；中國水利水電科學(xué)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(jī)理、穩(wěn)定和應(yīng)力分析、壩體防滲體系等問題進(jìn)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(shí)施。

2 膠凝砂礫石壩技術(shù)特性和誤區(qū)

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(shè)備進(jìn)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(yàn)得到材料的用水量、VC值和密度等指標(biāo)之間的關(guān)系，確定單方最優(yōu)用水量，然后通過試驗(yàn)得到膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度與用水量、膠凝材料用量、齡期之間的關(guān)系，確定膠凝材料用量和設(shè)計(jì)齡期。研究表明，VC值在 10～20s之間時(shí)，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(qiáng)度大于 5MPa。試驗(yàn)室得到的典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1所示，其中，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系可以近似為線性的范圍被定義為“線性范圍”，線性范圍內(nèi)的最大應(yīng)力被定義為“線性極限強(qiáng)度（σL）”。

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

圖1 膠凝砂礫石典型的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由于膠凝砂礫石材料骨料未經(jīng)沖洗篩分，材料本身強(qiáng)度低，抗?jié)B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(chǎn)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?jié)B透溶蝕性能值得關(guān)注。中國水利水電科學(xué)研究院賈金生等人進(jìn)行的膠凝砂礫石滲透溶蝕試驗(yàn)結(jié)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(jīng)過108天的滲透溶蝕，膠凝材料水化產(chǎn)物中CaO被溶出10.25%，強(qiáng)度下降約31%。因此，采用膠凝砂礫石壩作為永久工程時(shí)，應(yīng)特別重視防滲體的設(shè)計(jì)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(yīng)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(tǒng)混凝土重力壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。但因壩體斷面不同，膠凝砂礫石壩與傳統(tǒng)重力壩的應(yīng)力分布存在根本性區(qū)別。

傳統(tǒng)重力壩設(shè)計(jì)一般在抗傾覆穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定的前提下以壩體體積最小為目標(biāo)，然后探討壩體內(nèi)部應(yīng)力安全，最后確定壩體材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。因此，傳統(tǒng)重力壩最優(yōu)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(chǔ)底部的應(yīng)力分布，從圖2所示的應(yīng)力分布可以看出，傳統(tǒng)混凝土重力壩應(yīng)力分布隨滿庫和空庫變化很大，滿庫時(shí)最大壓應(yīng)力位于下游壩趾區(qū)；空庫時(shí)位于壩踵區(qū)，滿庫時(shí)上游壩踵區(qū)可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。此外，傳統(tǒng)斷面的混凝土重力壩對于建基面的抗剪摩擦系數(shù)要求相當(dāng)高，因此需要比較好的壩體基礎(chǔ)條件。

圖2 傳統(tǒng)混凝土重力壩壩基面應(yīng)力分布

與傳統(tǒng)混凝土重力壩斷面設(shè)計(jì)目標(biāo)將壩體設(shè)計(jì)成最小體積不一樣，膠凝砂礫石壩主要是根據(jù)材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)壩體斷面。膠凝砂礫石壩筑壩材料強(qiáng)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(yōu)勢是，在不同荷載情況下（滿庫與空庫），壩體內(nèi)部的應(yīng)力和作用在基礎(chǔ)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(yīng)力分布情況。

圖3 膠凝砂礫石壩壩基面應(yīng)力分布

從圖3所示的壩基面應(yīng)力分布可以看出，無論是滿庫還是空庫，壩基面應(yīng)力不僅變化小，而且存在至少1MPa的壓應(yīng)力，但最大壓應(yīng)力較傳統(tǒng)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(chǎn)生拉應(yīng)力，且安全裕度較大。因此膠凝砂礫石的抗拉強(qiáng)度即使為0，壩體也是安全的。

作用在基礎(chǔ)上的垂直荷載相當(dāng)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(tǒng)重力壩的基本區(qū)別，這對彈性模量較低的巖基尤其重要。因此，在基礎(chǔ)巖石較軟弱時(shí)，不適宜修建傳統(tǒng)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(yīng)力分布變化較小，最大壓應(yīng)力較小，且對拉應(yīng)力無要求，因此對筑壩材料的強(qiáng)度要求較低，相對常規(guī)混凝土壩和碾壓混凝土壩而言，施工相對簡單、快速，體現(xiàn)在拌和、碾壓、層面處理、質(zhì)量控制等多個(gè)方面。

從國內(nèi)外已有工程實(shí)踐來看，膠凝砂礫石拌和可以采用連續(xù)式攪拌機(jī)拌和，也可以采用裝載機(jī)或反鏟等機(jī)械進(jìn)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(shí)工程。由于單方用水量對膠凝砂礫石物理力學(xué)性質(zhì)較大，過高導(dǎo)致強(qiáng)度偏低，過低導(dǎo)致VC值過大，施工困難。因此拌和前需要對母材含水量進(jìn)行測試，以對膠凝砂礫石單方用水量進(jìn)行校正。母材為含水量較大的河床砂礫石時(shí)，應(yīng)將母材堆存一段時(shí)間，使母材含水量低于5%后再進(jìn)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(diào)節(jié)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(tǒng)、碾壓機(jī)械等密切相關(guān)，需通過現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)后確定。碾壓參數(shù)也需通過現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)確定。膠凝砂礫石壩由于斷面較大，對層面抗剪強(qiáng)度要求較低，其層面即使不作處理也能夠滿足抗滑穩(wěn)定的要求。但對于壩高超過100m的高壩或?qū)Π踩筝^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(shù)層面攤鋪前都鋪了一層25mm厚的砂漿墊層。

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

2.4 其他特性

根據(jù)前面的滲透溶蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示，膠凝砂礫石筑壩材料的抗?jié)B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(shù)，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(shí)性水工建筑物，根據(jù)膠凝砂礫石壩的特征，可不設(shè)上游基礎(chǔ)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(shí)，有必要修建足夠大的上游基礎(chǔ)廊道，進(jìn)行排水、基礎(chǔ)鉆孔、灌漿和對基礎(chǔ)灌漿帷幕進(jìn)行維護(hù)，并采取必要的防裂措施，如設(shè)置橫縫等。

2.5 膠凝砂礫石壩發(fā)展誤區(qū)

膠凝砂礫石壩雖然在技術(shù)上有上述優(yōu)勢，但在發(fā)展過程中，因受到傳統(tǒng)混凝土重力壩設(shè)計(jì)思想的干擾，在認(rèn)識到膠凝砂礫石壩技術(shù)優(yōu)勢的同時(shí)，也希望膠凝砂礫石能接近甚至達(dá)到常態(tài)混凝土的性能，從而逐漸偏離了膠凝砂礫石壩最初的設(shè)計(jì)思想，相關(guān)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(fā)展步入了一個(gè)誤區(qū)。膠凝砂礫石硬化后的性能與常態(tài)混凝土較為接近，為膠結(jié)在一起的連續(xù)體。但膠凝砂礫石壩采用梯形斷面，壩體應(yīng)力水平較低且基本不承受拉應(yīng)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(shí)，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(yuǎn)小于常態(tài)混凝土，其性能的確與常態(tài)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(jīng)驗(yàn)顯示，只要上游面設(shè)置了有效的防滲結(jié)構(gòu)，大壩防滲層后的混凝土基本都呈干燥狀態(tài)。所以對于混凝土壩而言，有效防滲結(jié)構(gòu)之后的壩體混凝土無需承擔(dān)防滲功能。嚴(yán)寒地區(qū)的混凝土壩，除表面負(fù)溫區(qū)的混凝土?xí)?jīng)受凍融循環(huán)外，內(nèi)部混凝土基本不會經(jīng)受凍融循環(huán)。因此，膠凝砂礫石壩內(nèi)部材料的關(guān)鍵性能在于保持壩體的穩(wěn)定性，壩體防滲和可能存在的負(fù)溫區(qū)抗凍問題則需要設(shè)置專門的保護(hù)層。前述土耳其壩高107m的Cinder e壩壩前專門設(shè)置了土工膜柔性防滲體系，這一點(diǎn)與面板堆石壩的設(shè)計(jì)理念相同，即大壩防滲層和壩體材料功能分開，各負(fù)其責(zé)。

3 西部高寒高海拔地區(qū)修建膠凝砂礫石壩的技術(shù)優(yōu)勢

我國未來一段時(shí)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(qū)。一方面這些地區(qū)自然條件比較惡劣、空氣相對稀薄、氣壓較低、蒸發(fā)量較大、晝夜溫差較大、人員和施工機(jī)械的效率較平原地區(qū)低，另一方面，對外交通運(yùn)輸條件較差，外運(yùn)物資代價(jià)較大。

如采用土石壩和堆石壩等當(dāng)?shù)夭牧蠅?，因壩體方量較大，建設(shè)過程中對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境影響較大，且壩體本身無法布置泄洪設(shè)施，樞紐布置較為困難。此外，河流上游地區(qū)防滲土料較為缺乏，從其它地方獲取代價(jià)較高。

如采用常規(guī)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?；炷列枰罅克嗪头勖夯业饶z凝材料，而當(dāng)?shù)貙ν饨煌l件較差，且遠(yuǎn)離工業(yè)中心，當(dāng)?shù)厮喈a(chǎn)量有限且價(jià)格昂貴, 仍須從內(nèi)地遠(yuǎn)距離運(yùn)輸大量的水泥和粉煤灰至工地，更為嚴(yán)峻的是高原崎嶇險(xiǎn)惡的山路和變幻莫測的氣候使得物資運(yùn)輸?shù)谋Ｕ蠠o從談起,工程進(jìn)度受到嚴(yán)重的威脅；（2）如何配制出滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土存在較大困難。當(dāng)?shù)刈匀粭l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(biāo)）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(fā)量對混凝土早期抗裂也不利，在高海拔和蒸發(fā)量較大的地區(qū)如何保證混凝土的抗凍性和早期抗裂性是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)；（3）常規(guī)混凝土壩和RCC壩對混凝土骨料技術(shù)要求較高，在巖石毛料開采和骨料生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生大量棄料；（4）高海拔地區(qū)人員和機(jī)械效率較平原地區(qū)低，采用常規(guī)的混凝土壩和RCC壩工程進(jìn)度和質(zhì)量較難保證；(5) 混凝土壩對地基要求較高，基礎(chǔ)處理量較大?？傊?，在西部河流上游高海拔地區(qū)采用常態(tài)混凝土壩或RCC壩存在工程造價(jià)高、工程質(zhì)量和進(jìn)度較難保證等困難。

但在西部高寒高海拔地區(qū)修建膠凝砂礫石壩，根據(jù)前述理論分析和已有工程經(jīng)驗(yàn)類比，有如下技術(shù)優(yōu)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(yīng)力分布較為均勻，對于百米級的壩，最大地震加速度0.2g時(shí)壩體沒有拉應(yīng)力產(chǎn)生（更高的壩，或地震加速度更大的例子暫未進(jìn)行分析），對地基的適應(yīng)能力強(qiáng)，可以大幅度減少基礎(chǔ)處理工作量。

（2）在施工方面，由于壩體斷面比常態(tài)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(wěn)定要求，層面處理要求可以降低，即使出現(xiàn)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(qiáng)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(huán)境的破壞程度。同時(shí)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(yùn)輸。同時(shí)，因水泥用量少，溫升低，溫度應(yīng)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(shè)甚至不設(shè)棄渣場，并減小砂石加工系統(tǒng)和混凝土系統(tǒng)規(guī)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(huán)境影響方面較其它壩型有較大優(yōu)勢。

（5）膠凝砂礫石具有一定的強(qiáng)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(hù)后壩頂即可過水，克服了土石壩不能過水的缺點(diǎn)。當(dāng)過水流量較小時(shí)，允許在壩頂設(shè)置溢洪道，省去了岸邊溢洪道或其它泄洪設(shè)施的開挖工作，便于施工導(dǎo)流和樞紐建筑物布置。

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

因西部高寒高海拔地區(qū)特殊的自然環(huán)境，將膠凝砂礫石壩這種“最優(yōu)重力壩”應(yīng)用在該地區(qū)，可以充分發(fā)揮該壩型的優(yōu)勢，并能保證工程安全，是該壩型未來發(fā)展的主要方向。

4 結(jié)語

膠凝砂礫石壩是一種結(jié)合了碾壓混凝土壩和混凝土面板堆石壩的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來的一種新壩型，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)合理化、施工合理化以及材料利用合理化。國內(nèi)外工程實(shí)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(jià)。但在該壩型的發(fā)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(shè)計(jì)理念，在國內(nèi)陷于僅在圍堰等臨時(shí)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(yīng)用，然后加以推廣是該壩型未來發(fā)展的主要努力方向。

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