膠結(jié)顆粒料壩
——環(huán)境友好的新壩型

賈金生*, Mihel Lino, 金峰, 鄭璀瑩

aChina Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

bISL Ingénierie, Saint-Jean-de-Luz 64500, France

cTsinghua University, Beijing 100084, China

Research Hydro Projects—Perspective

膠結(jié)顆粒料壩
——環(huán)境友好的新壩型

賈金生a,*, Michel Linob, 金峰c, 鄭璀瑩a

aChina Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

bISL Ingénierie, Saint-Jean-de-Luz 64500, France

cTsinghua University, Beijing 100084, China

a r t i c l e i n f o

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Received 13 April 2016

Revised 29 June 2016

Accepted 8 October 2016

Available online 14 October 2016

膠結(jié)顆粒料壩

膠結(jié)砂礫石壩

堆石混凝土壩

膠結(jié)堆石壩

膠結(jié)土壩

材料特性

筆者于2009年提出了膠結(jié)顆粒料壩的概念，目的在于修建更安全、更經(jīng)濟(jì)的環(huán)境友好的大壩。該壩型包括膠結(jié)砂礫石壩(曾用名為膠凝砂礫石壩)、堆石混凝土壩(或膠結(jié)堆石壩)和膠結(jié)土壩。本文基于研究和實(shí)踐，進(jìn)一步闡述了膠結(jié)顆粒料壩的概念和原則，介紹了膠結(jié)砂礫石壩、堆石混凝土壩和膠結(jié)土壩的新進(jìn)展。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 膠結(jié)顆粒料壩的概念

水庫(kù)大壩是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，具有防洪、灌溉、發(fā)電和供水等重要功能。人們?cè)诠?000年以前就開始修壩蓄水。早期的壩一般采用當(dāng)?shù)夭牧咸钪鄶?shù)發(fā)生潰決，給下游人民帶來了巨大災(zāi)難?，F(xiàn)代壩工理論的發(fā)展和逐步完善促進(jìn)了高壩建設(shè)，也為保障大壩安全奠定了理論基礎(chǔ)，尤其20世紀(jì)90年代以來，大壩安全性得到了顯著改善。但是，壩工專家仍在不斷探尋新的技術(shù)，以更安全、更經(jīng)濟(jì)和更環(huán)保的方式來修建大壩。

混凝土重力壩具有很高的安全度[1]，漫頂不潰、地震橫切大壩(如臺(tái)灣石崗壩[2])也不會(huì)產(chǎn)生大的次生災(zāi)害，這是其他壩型所沒有的優(yōu)點(diǎn)。然而混凝土重力壩建設(shè)成本高，壩高15 m以上的大壩占總數(shù)的比例不到5%。在混凝土壩和土石壩之間構(gòu)建新型壩的想法最早由美國(guó)工程師Homer M. Hadley于1941年提出，但未取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。對(duì)稱重力壩(“最優(yōu)重力壩”)的概念由 Rapha?l[3]于1970年提出，但是沒有依據(jù)此思路修建的大壩工程。1992年，Londe和Lino[4]提出了混凝土面板對(duì)稱硬填料壩的思路，并納入國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)第117號(hào)公報(bào)[5] “重力壩——未來的大壩” 中。Marathia壩是首座根據(jù)此思路修建的對(duì)稱硬填料壩，該壩于1993年竣工(圖1)。之后，數(shù)座該類型的大壩在希臘、多米尼加、秘魯、土耳其、菲律賓和阿爾及利亞境內(nèi)建成[6–8](圖2)。

圖1. 希臘Marathia壩。

基于對(duì)稱硬填料壩的思路，日本提出了梯形膠結(jié)砂礫(CSG)壩[9]，強(qiáng)調(diào)新壩型與常規(guī)壩型不同之處在于材料制備和斷面采用“梯形”。建設(shè)理念較之“硬填料壩”有所發(fā)展，并且在材料配合比設(shè)計(jì)方面取得了新的進(jìn)展，建成了圍堰工程(Nagashima、Tokuyama、Takizawa壩等)、邊坡治理工程、攔沙壩等。2012年建成了Okuburi壩(H=39 m)和Tobetsu壩(H=52 m)[10,11](圖3)。

基于硬填料壩和梯形CSG壩的理念和實(shí)踐，賈金生等于2004年提出膠結(jié)砂礫石壩(CSGRD)概念[12]，街面、洪口等膠結(jié)砂礫石圍堰分別于2004年、2005年建成。膠結(jié)砂礫石壩進(jìn)一步拓寬了當(dāng)?shù)夭牧戏秶畲罅接?0 mm增加到150 mm，并且提出通過調(diào)整壩體結(jié)構(gòu)來適應(yīng)膠結(jié)砂礫石的材料特性，以充分利用當(dāng)?shù)乜赡艿牟牧?。通過研究和工程應(yīng)用，提出對(duì)于新壩型，“對(duì)稱”和“梯形”并非是必須的，對(duì)有些低壩，可以沿用傳統(tǒng)重力壩的斷面，原因是壩體應(yīng)力水平很低，材料的強(qiáng)度裕度能夠滿足要求。目前，中國(guó)已建成了順江堰膠結(jié)砂礫石壩(H=11.6 m)，守口堡(H=61.4 m，圖4)和貓貓河(H=14.7 m)等膠結(jié)砂礫石壩正在施工中。

圖2. 土耳其Cindere壩(H = 107 m)。

圖3. 日本的Tobetsu壩(H = 52 m)。

圖4. 守口堡膠結(jié)砂礫石壩(H = 61.4 m)。

重力壩成本高昂的重要原因之一是壩體材料超強(qiáng)過多。為了更好、更充分利用當(dāng)?shù)夭牧锨覍?shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)大壩的目標(biāo)，基于對(duì)硬填料壩、梯形CSG 壩和膠結(jié)砂礫石壩等實(shí)踐的總結(jié)提煉，賈金生等于2009年提出了膠結(jié)顆粒料壩(cemented material dam，CMD)，于2012年根據(jù)上述發(fā)展發(fā)表了相關(guān)論文[13]，2013年，推動(dòng)國(guó)際大壩委員會(huì)設(shè)立了膠結(jié)顆粒料壩專委會(huì)，2014年出版了水利部技術(shù)導(dǎo)則[14]。膠結(jié)顆粒料壩是介于土石壩、混凝土壩之間的新壩型，核心是：①“宜構(gòu)適材”。通過將散離體膠結(jié)起來筑壩，調(diào)整壩體結(jié)構(gòu)來適應(yīng)材料特性，強(qiáng)調(diào)充分利用當(dāng)?shù)夭牧?、?shí)現(xiàn)漫頂不潰的目標(biāo)。土膠結(jié)以后可以做膠結(jié)土壩，粒徑300 mm以內(nèi)的材料膠結(jié)以后可以做膠結(jié)砂礫石壩，粒徑大于300 mm的材料膠結(jié)以后可以做膠結(jié)堆石壩(堆石混凝土壩)。②“宜材適構(gòu)”。考慮壩體功能分區(qū)設(shè)置，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)分區(qū)的不同要求，選擇合適的材料，實(shí)現(xiàn)安全且不過度超強(qiáng)的目標(biāo)。③壩體斷面形式可以調(diào)整，不局限于對(duì)稱或梯形，目標(biāo)是充分發(fā)揮材料的性能。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，膠結(jié)顆粒料壩應(yīng)該漫頂不潰，如果遭遇地震切斷，也不應(yīng)發(fā)生大的次生災(zāi)害。

2.膠結(jié)砂礫石壩進(jìn)展

2.1.膠結(jié)砂礫石壩的研究進(jìn)展

膠結(jié)砂礫石壩(CSGRD)是在砂礫石中加入膠結(jié)材料從而提高了黏聚力，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的黏聚力，可對(duì)壩體穩(wěn)定坡比進(jìn)行計(jì)算。膠結(jié)材料用量為30 kg·m–3時(shí)，穩(wěn)定坡比約為1∶0.75，接近重力壩下游坡比；用量為50 kg·m–3時(shí)，穩(wěn)定坡比約為1∶0.3；用量≥80 kg·m–3時(shí)，穩(wěn)定坡角可達(dá)到90o。膠結(jié)砂礫石材料具有良好的抗壓性能，大壩斷面考慮宜構(gòu)適材、宜材適構(gòu)后，斷面不僅限于對(duì)稱梯形，還可以有多種形式。

已建的膠結(jié)砂礫石壩多采用對(duì)稱梯形斷面。與傳統(tǒng)的重力斷面相比，對(duì)稱梯形斷面有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 應(yīng)力均勻化。同等條件下，空庫(kù)時(shí)壩踵應(yīng)力只有重力壩的一半；大壩與基礎(chǔ)接觸面最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力約為傳統(tǒng)重力壩的60 %。荷載合力大約位于壩基中心線附近，不會(huì)產(chǎn)生較大彎矩，滿庫(kù)、空庫(kù)時(shí)應(yīng)力變化不大。

(2) 抗滑穩(wěn)定余度高，可簡(jiǎn)化壩基防滲和排水設(shè)施。對(duì)于受侵蝕地基和不良地基，地基地質(zhì)條件不允許修建傳統(tǒng)重力壩，但可選擇對(duì)稱梯形斷面的膠結(jié)砂礫石壩。

在硬填料和 CSG的基礎(chǔ)上，提出了膠結(jié)砂礫石筑壩理念，不同之處在于強(qiáng)調(diào)通過調(diào)整結(jié)構(gòu)體型充分發(fā)揮當(dāng)?shù)夭牧系淖饔?，即宜?gòu)適材，材料不僅限于砂、礫、卵石，也包括開挖料、人工骨料，對(duì)稱斷面和梯形斷面不再是必須的，可依據(jù)材料特性選擇合理的斷面形式和結(jié)構(gòu)形式；同時(shí)強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)分區(qū)，選擇合適的材料適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求，即宜材適構(gòu)，可以采用富漿膠結(jié)砂礫石、碾壓混凝土、混凝土等材料用于防滲、抗凍融等部位。主要新進(jìn)展如下：

(1) 骨料的最大粒徑由80 mm增加至150 mm(對(duì)于大壩)和300 mm(對(duì)于圍堰)。河床中的砂礫石、砂卵石，以及開挖料、破碎料、人工骨料或上述物料的混合物均可用作骨料，擴(kuò)展了當(dāng)?shù)夭牧系氖褂梅秶?/p>

(2) 提出用富漿和加漿振搗膠結(jié)砂礫石作為防滲、抗凍融和保護(hù)層。

(3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮壩體功能分區(qū)設(shè)置。

(4) 提出可在非巖石地基上修建膠結(jié)砂礫石低壩。

(5) 提出了膠結(jié)人工砂石壩的概念。

(6) 研發(fā)了連續(xù)攪拌機(jī)和數(shù)字化自動(dòng)質(zhì)量控制系統(tǒng)等新的設(shè)備和系統(tǒng)。

2.2.膠結(jié)砂礫石的配合比設(shè)計(jì)

膠結(jié)砂礫石骨料的加工非常簡(jiǎn)單。為了保證強(qiáng)度(通常有較大的離散性)的可靠性，基于日本CSG配合比設(shè)計(jì)方法，膠結(jié)砂礫石的配合比確定如下：

(1) 對(duì)料場(chǎng)進(jìn)行原材料取樣，根據(jù)篩分試驗(yàn)，繪制砂礫石的級(jí)配包絡(luò)線，得到最粗級(jí)配、最細(xì)級(jí)配和平均級(jí)配。

(2) 配合比試驗(yàn)的砂礫石應(yīng)采用四個(gè)級(jí)配的粗骨料，即粒徑為150～80 mm、80～40 mm、40～20 mm、20～5 mm和小于5 mm砂配置。

(3) 對(duì)于每個(gè)膠結(jié)材料用量，建立設(shè)計(jì)齡期時(shí)不同級(jí)配抗壓強(qiáng)度和用水量的關(guān)系(參見圖5)。確定的配合比需要滿足平均級(jí)配膠結(jié)砂礫石的強(qiáng)度最小值不低于配置強(qiáng)度fcu,0、最細(xì)級(jí)配膠結(jié)砂礫石的強(qiáng)度最小值不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度fcu,k×fcu,0= fcu,k+ tσ，其中，t是概率系數(shù)，σ是抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖5. 設(shè)計(jì)齡期下單位用水量和抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線。

工程應(yīng)用一般膠結(jié)材料用量不低于80 kg，其中水泥用量不低于40 kg。對(duì)于砂率在35%以上或者15%以下的，或者存在軟巖骨料等情況，可以通過實(shí)驗(yàn)調(diào)配配比，以尋求材料優(yōu)選優(yōu)用。

膠結(jié)砂礫石滲透溶蝕試驗(yàn)表明，在長(zhǎng)期滲透溶蝕作用下，材料強(qiáng)度明顯降低。做好防滲和排水非常重要。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，加漿振搗膠結(jié)砂礫石和富漿膠結(jié)砂礫石的抗?jié)B等級(jí)可達(dá)到S8，抗凍標(biāo)號(hào)可達(dá)到F300，可用作膠結(jié)砂礫石壩的防滲層。

2.3.專用拌和設(shè)備研制和質(zhì)量控制系統(tǒng)研發(fā)

對(duì)于圍堰工程，膠結(jié)砂礫石可通過反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行拌和。大壩工程要求采用拌和設(shè)備拌制，由于膠結(jié)砂礫石的骨料為最大粒徑150 mm的任意料，離散性大，且含泥量相對(duì)較高，為了保證拌和效率和質(zhì)量，研發(fā)了連續(xù)滾筒式的攪拌機(jī)，并開發(fā)了相應(yīng)的拌和系統(tǒng)，最大拌和能力為200 m3·h–1。

膠結(jié)砂礫石的運(yùn)輸、卸載、鋪料、碾壓以及碾壓層面的處理與碾壓混凝土相類似。鋪料厚度、碾壓厚度和碾壓次數(shù)應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)確定。

由于原材料離散性大，需要全過程的質(zhì)量控制。對(duì)原材料，要控制級(jí)配范圍；對(duì)拌合，要控制拌和料的VC值；對(duì)鋪料和碾壓，要控制壓實(shí)度和抗壓強(qiáng)度。為了實(shí)現(xiàn)全過程、自動(dòng)化的控制，研發(fā)了施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，利用超寬帶定位技術(shù)，對(duì)拌合配合比和拌合過程、碾壓遍數(shù)、鋪料厚度和層間間歇時(shí)間等進(jìn)行監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)膠結(jié)砂礫石的表觀密度可采用核子密度儀結(jié)合灌水法。采樣應(yīng)在攪拌機(jī)出口處進(jìn)行，并與150 mm立方體試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天的抗壓強(qiáng)度作對(duì)比。同時(shí)需對(duì)450 mm立方體全級(jí)配試件的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

開發(fā)控制膠結(jié)砂礫石的拌和和碾壓質(zhì)量系統(tǒng)已應(yīng)用于守口堡、順江堰膠結(jié)砂礫石壩施工中。

2.4.非巖石地基上的犍為膠結(jié)砂礫石堤防和那恒膠結(jié)人工砂石壩

犍為防護(hù)堤位于中國(guó)四川省岷江的沿岸，長(zhǎng)約2.77 km，最大堤高為14.1 m，需要修建在砂卵石地基上。修建在類似地基上、采用面板堆石壩方案的防護(hù)堤曾由于漫頂潰堤和嚴(yán)重滲漏問題不斷修補(bǔ)加固，教訓(xùn)深刻。為了提高安全性，經(jīng)方案比選，已確定采用膠結(jié)砂礫石堤方案。犍為堤的橫截面如圖6所示，該堤將于2016年開始施工。

那恒水庫(kù)大壩高度為71.4 m，座落于云南省。由于缺少天然河床砂礫石料，研究采用膠結(jié)人工砂石來筑壩。相比碾壓混凝土壩方案，膠結(jié)人工砂石壩的修建更加簡(jiǎn)單，將比碾壓混凝土壩節(jié)省10%以上。與膠結(jié)砂礫石相比，由于采用人工骨料，膠結(jié)人工砂石的材料特性，尤其是耐久性，遠(yuǎn)優(yōu)于采用河床天然砂礫石的膠結(jié)砂礫石(表1)。

膠結(jié)人工砂石的強(qiáng)度相對(duì)均勻，且遠(yuǎn)高于膠結(jié)砂礫石的強(qiáng)度；其質(zhì)量控制也更加容易。對(duì)于大多數(shù)低壩，壩體斷面可類似于重力壩斷面。

3. 堆石混凝土壩和膠結(jié)堆石壩的概念及主要進(jìn)展

3.1. 堆石混凝土壩和膠結(jié)堆石壩的概念

圖6. 犍為防護(hù)堤典型斷面。

表1 膠結(jié)人工砂石和碾壓混凝土的材料試驗(yàn)結(jié)果

堆石混凝土壩(RFC)由金峰提出并實(shí)踐[15]，用自密實(shí)混凝土膠結(jié)塊石來筑壩，可用于修建重力壩和拱壩。粒徑大于300 mm的石塊被填筑在1.5～2.5 m高的澆筑層中，從堆石頂部澆筑高性能自密實(shí)混凝土，依靠自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性來填充堆石間的空隙。填筑石塊的尺寸應(yīng)至少為高性能自密實(shí)混凝土中骨料尺寸(通常小于20 mm)的10～15倍，以確保高性能自密實(shí)混凝土的填充性能；但一般應(yīng)小于結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸的1/8。在某些可以采用重型汽車運(yùn)輸石塊至工作面的工程中，可使用少量大于1 m(甚至2 m)的塊石，通常將這些大塊石埋置在大體積結(jié)構(gòu)的中部。塊石的飽和抗壓強(qiáng)度通常需要超過堆石混凝土抗壓強(qiáng)度的兩倍，以便確保制備的膠結(jié)堆石具有更高的安全系數(shù)。

堆石混凝土技術(shù)結(jié)合了砌石和混凝土的優(yōu)勢(shì)，減少水泥的用量，降低混凝土的水化熱溫升和體積收縮。根據(jù)中國(guó)50多個(gè)工程的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，堆石混凝土壩中的高性能自密實(shí)混凝土體積僅為40 %～45 %。每立方米膠結(jié)堆石中水泥用量遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)大體積混凝土。

基于堆石混凝土壩，賈金生提出了膠結(jié)堆石壩(CRD)的概念，強(qiáng)調(diào)進(jìn)一步推進(jìn)堆石混凝土壩的發(fā)展，在筑壩材料和筑壩方式上更進(jìn)一步拓寬。目前需要結(jié)合工程加強(qiáng)實(shí)踐和總結(jié)。

3.2. 堆石混凝土強(qiáng)度

高性能自密實(shí)混凝土的配合比應(yīng)符合下列要求：

(1)粗骨料體積比為0.27～0.33；

(2)單位用水量為170～200 kg·m–3；

(3)水灰比為0.80～1.15(按體積)；

(4)灰漿體積比為0.16～0.20；

(5)空氣含量應(yīng)為1.5 %～4.0 %，如果有抗凍性要求，則應(yīng)根據(jù)抗凍性條件加以確定。

高性能自密實(shí)混凝土的工作性能指標(biāo)應(yīng)符合表2中的要求。

表2 高性能自密實(shí)混凝土工作性能要求

C10的堆石混凝土，水泥用量一般為160 kg·m–3左右；C30 堆石混凝土，水泥用量一般為280 kg·m–3左右。根據(jù)材料性能試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比例為0.075～0.085。層面間接觸部位的抗剪斷系數(shù)可達(dá)到f′ = 1.71，c′ = 1.59 MPa。堆石混凝土的強(qiáng)度如表3和表4所示。

3.3. 堆石混凝土壩的設(shè)計(jì)

堆石混凝土的宏觀性能與混凝土相似，堆石混凝土重力壩可采用混凝土重力壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來確定斷面，復(fù)核壩基的抗滑穩(wěn)定與壩體應(yīng)力。與常規(guī)混凝土重力壩相比，由于降低了水泥用量，堆石混凝土重力壩的橫縫間距可以更大。橫縫間距根據(jù)高性能自密實(shí)混凝土的骨料和水泥用量、堆石混凝土的石材特性、氣溫條件以及壩址處地質(zhì)條件等確定，可達(dá)30 m甚至更長(zhǎng)。與碾壓混凝土壩類似，堆石混凝土重力壩通常在上游面設(shè)有防滲層。

表3 高性能自密實(shí)混凝土與堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

表4 堆石混凝土工程的取芯試件的抗壓強(qiáng)度

目前已完工的僅有兩個(gè)堆石混凝土拱壩工程。雖然這兩個(gè)壩在蓄水過程中運(yùn)行性態(tài)良好，但仍應(yīng)對(duì)堆石混凝土拱壩的設(shè)計(jì)給予更多的關(guān)注。由于拱壩的應(yīng)力水平高于重力壩，拱壩壩體應(yīng)采用C20甚至更高強(qiáng)度標(biāo)號(hào)的堆石混凝土。堆石混凝土的抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到高性能自密實(shí)混凝土的90 %，這一點(diǎn)在堆石混凝土拱壩的設(shè)計(jì)中非常重要。由于高性能自密實(shí)混凝土中使用了大量煤灰，導(dǎo)致水化熱溫升將持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，因此在選擇橫縫灌漿時(shí)間時(shí)必須非常謹(jǐn)慎。

堆石混凝土工藝自2005年首次在中國(guó)成功應(yīng)用以來，目前已在80多個(gè)工程中(包括除險(xiǎn)加固工程)得到應(yīng)用，壩高介于30～70 m之間。約有40.3 %的工程高度在30～50 m之間。堆石混凝土壩高度在50～70 m之間的約占48.6 %。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在同等條件下堆石混凝土壩的建設(shè)成本相比于碾壓混凝土壩或常規(guī)混凝土壩，可減少10 %～30 %。

4. 膠結(jié)土壩的概念與發(fā)展

4.1. 膠結(jié)土壩概念

用(生)石灰和(或)水泥進(jìn)行地基處理是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，該技術(shù)已被廣泛并成功地應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，同時(shí)應(yīng)用于世界各地(如美國(guó)、澳大利亞、南非、歐洲等)的水工結(jié)構(gòu)中。膠結(jié)土壩(CSD)的概念于2014年首次提出。膠結(jié)土壩使用天然土，通常是粉質(zhì)黏土材料，剔除大粒徑骨料后，與石灰和(或)水泥(必要時(shí)加入水)充分拌和，無需對(duì)土進(jìn)行加工。水硬性膠結(jié)材料(如水泥、石灰)起到膠結(jié)作用，將土體顆粒材料黏合在一起[16]。

氧化后的鈣可以是生石灰(CaO)或熟石灰[Ca(OH)2]，其化學(xué)反應(yīng)不同于水泥，尤其在含黏性土壤的條件下。在材料“干凈”(黏土含量非常低，如砂石)的條件下，可使用水泥。由于石灰能夠與黏土結(jié)合，因此對(duì)于黏土可采用石灰作為膠結(jié)材料。水泥與石灰的用量及比例依賴于材料中黏土的比例和活性。由于這些因素不可預(yù)先決定，因此有必要開展性能試驗(yàn)來選擇正確的膠結(jié)材料及合適的配比。

通常，水泥作為膠結(jié)材料時(shí)材料的力學(xué)性能優(yōu)于石灰作為膠結(jié)材料時(shí)。然而，通過先用石灰處理，絮凝黏土、減少其活性，再用水泥處理可迅速獲得更高的性能，這種雙重處理辦法來提高黏土材料的性能是可行的。

石灰改良土的硬化過程比水泥土(或石灰+水泥土)要慢。圖7中給出粉砂土(pI = 7；24 %黏土)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的示例。從圖中可以看出，在90天時(shí)抗壓強(qiáng)度為4～5 MPa，可以滿足硬填料壩、CSG壩通常可接受的最低性能要求。

室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比較了若干未處理土壤與石灰處理土壤的滲透性。石灰處理土壤的內(nèi)部抗侵蝕性根據(jù)孔蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定[17,18]。盡管石灰和黏土之間的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)緩慢，臨界應(yīng)力卻隨時(shí)間增長(zhǎng)迅速，即使是在粉砂土(pI = 9)僅采用2 %的生石灰進(jìn)行處理，也是如此。

4.2. 膠結(jié)土壩設(shè)計(jì)

土經(jīng)石灰處理后，材料的黏聚力增加。根據(jù)試驗(yàn)，使用3 %的生石灰處理黏質(zhì)粉砂后的結(jié)果如下：剛處理完時(shí)，黏聚力從10 kPa增加到20 kPa，一年后，黏聚力達(dá)到100 kPa。應(yīng)當(dāng)指出，磨擦角并未因石灰處理發(fā)生改變，仍然處在28°～35°范圍內(nèi)。我們知道，低壩的穩(wěn)定性更加依賴黏聚力，因此，石灰處理土更適合修建中低高度的大壩。水泥處理粒狀材料(如硬填料壩或CSG壩)與石灰處理材料的主要區(qū)別在于處理后幾個(gè)小時(shí)或幾天黏聚力就會(huì)增加。結(jié)果顯示：膠結(jié)土壩的坡度主要取決于修建期間的穩(wěn)定性，因此其剖面可采用對(duì)稱梯形斷面。

使用細(xì)粒材料修建的堤壩的穩(wěn)定性很大程度上取決于施工過程中的孔隙壓力積聚。對(duì)于膠結(jié)土壩，孔隙壓力積聚同樣是值得關(guān)注的問題之一?？紫秹毫Ψe聚取決于材料的滲透性和變形性能。為了減少孔隙壓力積聚，使膠結(jié)土接近最佳普羅克特曲線是比較簡(jiǎn)單的方法，即介于[OMC – 1，OMC + 1]之間。在這一范圍內(nèi)，土壤內(nèi)的自由水量減少，同時(shí)經(jīng)處理過的材料的滲透性高于自然土壤，這對(duì)于降低孔隙壓力積聚非常有利。

根據(jù)開展的膠結(jié)土側(cè)限壓縮試驗(yàn)結(jié)果，整體趨勢(shì)總結(jié)如下：

(1) 天然黏土的膨脹系數(shù)Cs在經(jīng)過處理后應(yīng)除以5～10的系數(shù)。

(2) 天然黏土的屈服強(qiáng)度ps在添加石灰后應(yīng)乘以5～10的系數(shù)(例如，添加2 %的石灰后，屈服強(qiáng)度將由50 kPa增加到400～500 kPa)。

(3) 天然黏土的壓縮指數(shù)Cc在經(jīng)過處理后不會(huì)受到明顯影響。

因此，相比2.5 m厚的未處理土壤，20～25 m厚膠結(jié)土的變形能力更低。這種低變形能力往往限制了壩高小于50 m的大壩的孔隙壓力積聚。這個(gè)初步分析結(jié)論應(yīng)進(jìn)一步通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。壩體采用上下游坡是對(duì)稱的，范圍在1～1.5H/V之間。在大壩上游壩面設(shè)防滲層，并在防滲層下布設(shè)排水系統(tǒng)(圖8)。通過這種方式，膠結(jié)土壩壩體部分保持干燥，且自身不需要具有防滲性能。如果大壩開裂可以通過上游防護(hù)層加以保護(hù)，則施工和首次蓄水期間的壩體開裂都將不是太大的問題。

上游防滲保護(hù)層可參照硬填料壩，采用混凝土面板；但如果地基很軟，面板的抗滑穩(wěn)定性將是一個(gè)問題。也可考慮采用固定在壩基內(nèi)的土工膜作為防滲體，該方法最早用于希臘的Filiatrinos壩和伊拉克的Quatabian硬填料壩。

基礎(chǔ)置換的目的是提高大壩的穩(wěn)定性，以及減少地基沉降，這作為膠結(jié)土壩的基本組成部分，以應(yīng)對(duì)不利基礎(chǔ)條件。對(duì)于采用膠結(jié)土材料修建壩高低于30 m的膠結(jié)土壩，穩(wěn)定性采用兩種方法進(jìn)行分析：土石壩的圓形滑動(dòng)面分析，以及混凝土壩或硬填料壩沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析。

4.3. 實(shí)施程序

可通過兩種方式達(dá)到地基處理的效果：原地(或“現(xiàn)場(chǎng)”)與拌和站集中處理。最常用的方法是在開挖后逐層置換。每層厚度取決于拌和機(jī)的容量和性能。夯實(shí)后的厚度一般限制在35 cm以內(nèi)。

圖7. 使用石灰和石灰+水泥處理的粉砂土壤實(shí)例。

圖8. 膠結(jié)土壩斷面。

這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在過去50年內(nèi)取得顯著進(jìn)步，可確定更準(zhǔn)確的膠結(jié)材料用量，實(shí)現(xiàn)更高的拌和質(zhì)量。生產(chǎn)能力取決于所使用設(shè)備(主要是攪拌機(jī))的型號(hào)和數(shù)量。一臺(tái)攪拌機(jī)拌和能力通?？蛇_(dá)200～300 m3·h–1。

通過10～15年，可以實(shí)現(xiàn)用拌和樓拌和石灰或水泥土的目標(biāo)。在這種情況下，加水、鋪料和攪拌都可由拌和樓完成，可得到非常均質(zhì)的拌和料，且膠結(jié)材料的用量和用水量可實(shí)現(xiàn)精確控制。產(chǎn)量取決于拌和樓的規(guī)模，其范圍從50 m3·h–1到500 m3·h–1以上。

5. 結(jié)論

基于世界硬填料壩、CSG壩、膠結(jié)砂礫石壩和堆石混凝土壩的研究和實(shí)踐，主要進(jìn)展和新的原則總結(jié)如下：

(1) 安全性。膠結(jié)顆粒料壩總體類似于重力壩，壩體體積更大，在遇到洪水漫頂或者地震剪壞時(shí)，可避免下游地區(qū)發(fā)生大的次生災(zāi)害。35.5 m高的洪口水電站膠結(jié)砂礫石圍堰成功經(jīng)受了2006年特大洪水，當(dāng)時(shí)漫頂水頭達(dá)到8 m。其他膠結(jié)砂礫石、堆石混凝土修建的圍堰也經(jīng)歷了漫頂洪水，同樣表現(xiàn)出了可靠的安全性。膠結(jié)顆粒料壩可以修建在強(qiáng)地震區(qū)，壩高可以超過100 m。土耳其的Cindere壩，最大壩高達(dá)到107 m。

(2) 經(jīng)濟(jì)性和施工簡(jiǎn)便性。膠結(jié)砂礫石壩和堆石混凝土壩的實(shí)踐表明，此類壩型可節(jié)約10 %～20 %的成本，且工期可明顯縮短。膠結(jié)顆粒料通常以非常簡(jiǎn)單的方式制備，與混凝土比，在材料加工、篩分、級(jí)配與拌和方面，工作量大大簡(jiǎn)化。水泥、粉煤灰等膠結(jié)材料與混凝土壩、碾壓混凝土壩相比要節(jié)省很多。對(duì)于大多數(shù)工程而言，溫控是不需要的?；贗T技術(shù)的智能數(shù)字化監(jiān)控在膠結(jié)砂礫石壩的應(yīng)用，較好在線控制了施工全過程的質(zhì)量，這一技術(shù)可用于其他CMD壩的施工。

(3) 環(huán)境友好性。土料可用于修建膠結(jié)土壩。粒徑在300 mm以下的砂、礫、石可用于修建膠結(jié)砂礫石壩。粒徑大于300 mm的大石可以修建堆石混凝土壩。壩址的材料可以充分利用，更好保護(hù)環(huán)境。

(4) 膠結(jié)顆粒料壩的設(shè)計(jì)理念。提出膠結(jié)顆粒料壩的體形設(shè)計(jì)應(yīng)基于“宜構(gòu)適材”，即優(yōu)化體形以充分利用當(dāng)?shù)夭牧虾汀耙瞬倪m構(gòu)”，即對(duì)于壩體的不同部位選擇最合適的材料以保障結(jié)構(gòu)性能?！皩?duì)稱”或“梯形”并不總是需要的。大壩內(nèi)部材料最好處于干燥和壓應(yīng)力狀態(tài)。大壩外部有可能承受拉應(yīng)力等作用的部分，可以用富漿膠結(jié)砂礫石、混凝土、鋼筋混凝土等材料。

(5) 結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算。膠結(jié)顆粒料壩斷面介于混凝土壩和土石壩之間。膠結(jié)顆粒料壩斷面大于重力壩，從而降低了大壩應(yīng)力水平、擴(kuò)大了材料使用范圍、降低了對(duì)壩基的要求。

大壩應(yīng)力和穩(wěn)定分析一般可按重力壩計(jì)算。對(duì)于膠結(jié)土壩和材料強(qiáng)度低的膠結(jié)砂礫石壩，則還需要按照土壩計(jì)算方法進(jìn)行復(fù)核。

低于50 m的膠結(jié)顆粒料壩經(jīng)過論證可以建于非巖石基礎(chǔ)上。

膠結(jié)顆粒料壩可以廣泛應(yīng)用，尤其可用于量大面廣的中小水利工程。

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(4): 490—497

Jinsheng Jia, Michel Lino, Feng Jin, Cuiying Zheng. The Cemented Material Dam: A New, Environmentally Friendly Type of Dam. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.003