膠凝砂礫石在中小型水利工程的應(yīng)用分析

冉昊東，鄭 州

（1.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120；2.重慶三峽學院，重慶 404199）

砂礫石是一種常見的顆粒狀、無粘性材料，在工程中應(yīng)用廣泛。膠凝砂礫石壩作為膠結(jié)顆粒料壩的一種，其最大骨料粒徑可以放寬至150 mm（對于圍堰，最大粒徑小于300 mm），是一種介于傳統(tǒng)重力式土石壩和混凝土壩之間的新型壩[1]。通過各種材料的膠結(jié)，形成一種各項性能稍低于混凝土的材料，強度、抗剪能力和抗沖刷能力都能滿足工程使用，但在壩體重要部位還應(yīng)該使用高強度材料，壩體按照功能是常見的做法[2-4]。同時，膠凝砂礫石壩考慮不同地區(qū)使用要求時，需要進行配合比二次調(diào)整以滿足各種強度要求以及抗凍、防滲等要求。由于膠凝砂礫石對材料適應(yīng)性強[5-6]，可以因地制宜利用當?shù)卦?，其在?jīng)濟適用、環(huán)保節(jié)約等方面具有綜合優(yōu)勢，是中小型水利工程領(lǐng)域新的發(fā)展方向，具有廣泛的適用性[7-8]。本文旨在前人研究技術(shù)上，對膠凝砂礫石在中小型水利工程的應(yīng)用實踐進行分析，重點闡述配合比、施工工藝及膠凝砂礫石壩斷面形式方面的設(shè)計施工要點。

1 砂礫石料制備

相對于碾壓混凝土，膠凝砂礫石骨料最大的區(qū)別為原則上可以是不用經(jīng)過復雜篩分水洗的砂礫石混合料，骨料就是砂礫石混合料，對于永久工程最大骨料粒徑可達150 mm，在生產(chǎn)過程中只需剔除大于設(shè)計最大粒徑石料即可。同時骨料需滿足一定的砂率，相對于碾壓混凝土砂率可使用范圍變廣，可在18%～35%之間。粗骨料在使用中對各粒徑組的比例沒有嚴格限制，只對5 mm～40 mm 粒徑含量有一定要求，宜在35%～65%之間。未經(jīng)開采的天然砂礫石混合料，其天然級配分布較為均勻，是膠凝砂礫石最為理想的骨料來源。人工砂石骨料亦是采用爆破混合料或工程開挖料等經(jīng)過簡易破碎獲得。對于膠凝砂礫石的人工骨料，沒有碾壓混凝土要求嚴格，無需經(jīng)過多次破碎和篩分來獲得滿足要求的各個粒徑組的骨料。膠凝砂礫石骨料生產(chǎn)系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 膠凝砂礫石骨料生產(chǎn)系統(tǒng)流程圖

2 配合比設(shè)計

膠凝砂礫石的原材料一般為開采天然砂礫石、地基巖石開挖料、破碎料等，其最大骨料粒徑小于150 mm，篩分之后超過使用要求的骨料將進行破碎處理，最大化合理利用原材料。膠凝砂礫石骨料相較于傳統(tǒng)混凝土用量較少，同時膠結(jié)材料用量（水泥和粉煤灰等）與碾壓混凝土相比要節(jié)約30%。膠凝砂礫石具有材料易得、處理簡單、施工方便、節(jié)約成本等優(yōu)點，適用于中小型水利工程建設(shè)[7]。

膠凝砂礫石作為一種新型材料，在設(shè)計中必須保證膠凝砂礫石的強度滿足工程使用要求，陳斌興[8]根據(jù)日本CSG 配合比設(shè)計方法，提出了一種膠凝砂礫石配合比設(shè)計方法。在料場取原材料后，根據(jù)篩分實驗繪制料場原料試樣砂礫石的級配包絡(luò)線，分別得出了最粗級配、最細級配和平均級配。在確定膠凝砂礫石土石壩施工配合比時，平均膠凝砂礫石的強度應(yīng)該滿足配制強度fcu，0，且強度最小值不低于配置強度，膠凝砂礫石的最細級配強度滿足設(shè)計強度fcu，k，且強度最小值不低于設(shè)計強度。設(shè)計強度與配制強度的線性關(guān)系式為：

式中：t 是概率系數(shù)；σ 為抗壓強度標準偏差。

在膠凝砂礫石粗骨料選擇時宜以采用四個級配的粗骨料，直徑范圍在5 mm～150 mm 之間，從小到大的直徑差值范圍區(qū)間分別為15 mm、20 mm、40 mm、70 mm。同時由于含泥量對膠凝砂礫石的強度影響很大，要求現(xiàn)場砂礫石骨料中含泥量不超過5%，過高的含泥量將影響膠凝砂礫石的材料強度、抗凍性及抗?jié)B性，因此在中小型水利工程，如土石壩中含泥量指標限制嚴格。在實際工程中建議的水膠比為0.7～1.3 之間最為合適，過低的水膠比由于水量少、漿體量少，材料之間空隙多，導致密實性差、強度降低。

膠凝砂礫石由于其骨料選擇范圍寬泛，比如河床砂礫石、壩基開挖料、人工骨料和天然骨料的混合料，都是可選骨料，由于骨料選擇不受傳統(tǒng)級配限制，因此骨料性質(zhì)對膠凝砂礫石的工程特性影響較大，一般需要基于工程實際開展室內(nèi)實驗，進行配合比的二次設(shè)計。室開展采用河床開挖料、砂巖與卵石混合骨料配制膠凝砂礫石，以及墊層富漿膠凝砂礫石配合比等試驗，流程見圖2。

圖2 生產(chǎn)性工藝試驗流程圖

3 施工工藝

3.1 膠凝砂礫石的拌和制備

在膠凝砂礫石拌和過程中，由于膠凝砂礫石原材料級配離散度高、骨料水敏感度強、含泥量較高，應(yīng)該采用特定的設(shè)備和工藝來保證施工質(zhì)量?，F(xiàn)階段，膠凝砂礫石壩的施工拌和設(shè)備采用的北京水利科學研究院研制的連續(xù)拌和設(shè)備，主要特點有：利用滾筒將物料提升，然后自落，并利用滾筒內(nèi)葉片的強制拌和作用，實現(xiàn)膠結(jié)砂礫石的拌和；JLB-200 型專用拌和設(shè)備可實現(xiàn)拌和，骨料、水泥和水等自動準確計量一體化；連續(xù)滾筒式專用攪拌機具有拌和最大粒徑為150 mm 的能力，其每小時生產(chǎn)能力可達到200 m3，并且具有較高精準度的計量系統(tǒng)，能夠滿足施工過程的快速高質(zhì)量完成[9]。在四川省順江堰膠凝砂礫石壩施工現(xiàn)場，JLB-200 型專用拌和設(shè)備的使用情況見圖3。

圖3 順江堰膠凝砂礫石拌合設(shè)備

3.2 膠凝砂礫石壩壩體施工

針對膠凝砂礫石材料的特點，可采取兩種施工方法耦合，以碾壓施工為主，振搗施工為輔。碾壓施工是當前一種常見的施工方法，將膠結(jié)材料（例如水泥）和水加入到原材料（天然砂礫石、地基巖石開挖料、破碎料）中，經(jīng)過拌和、碾壓處理。但對于小型水庫、山塘等低壩而言，由于碾壓機械體積過大無法進入施工現(xiàn)場，因此在中小型水利工程中多以振搗施工來輔助施工。在澆筑施工時使用高頻率振搗，同時要求膠凝砂礫石具有一定的坍落度。該項技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于多個水利工程施工中，不僅節(jié)省工程總投入，也拓寬了膠凝砂礫石壩的應(yīng)用范圍。

在膠凝砂礫石壩壩體鋪筑時，入倉采用自卸汽車運輸，人工輔助進行平倉，最后進行振動碾壓。在確定碾壓方案之前應(yīng)該進行碾壓試驗，從而確定靜碾次數(shù)和動碾次數(shù)。對于邊角部位，由于施工設(shè)備的局限性，宜采用人工造孔的方式，在振搗與碾壓邊緣的交接部位應(yīng)該額外使用振動設(shè)備進行處理，保證整體施工質(zhì)量。注漿水膠比在0.7～1.3 之間最為合適，保證適宜的密實性和足夠的強度。需注意，不同材料接觸部位的施工，應(yīng)該符合功能梯度概念實現(xiàn)漸進變化，保證水利工程安全可靠。

膠凝砂礫石層面往往會因在初凝前不能及時全面覆蓋而產(chǎn)生施工縫，除了要保證在初凝前及時進行覆蓋外，應(yīng)該盡量對膠凝砂礫石層進行連續(xù)碾壓施工。對于未及時處理而產(chǎn)生的施工縫，毛化處理后鋪設(shè)水泥凈漿或水泥砂漿（厚度為15 mm、水灰比為1∶3）。

4 膠凝砂礫石壩斷面形式特征

經(jīng)過計算驗證，膠凝砂礫石壩壩體的斷面形式應(yīng)該采取材料適應(yīng)性最強的梯形，壩體尺寸見圖4，同時梯形的斷面形式也得到國內(nèi)外膠凝砂礫石壩工程實例的驗證。在斷面形式為梯形的梯形壩坡中，坡率是影響工程量、壩體內(nèi)部應(yīng)力與位移的關(guān)鍵因素[10]。因此根據(jù)實際工程要求確定膠凝砂礫石壩壩坡坡率是設(shè)計中的關(guān)鍵問題。同時，梯形斷面形式可以適宜材料性能，應(yīng)力水平底、分布均勻、變化小，也在一定程度上彌補膠凝砂礫石強度、彈性模量及其他的性能參數(shù)低于混凝土的缺點。

圖4 膠凝砂礫石壩體典型剖面

圖4 中：L 為膠凝砂石土壩頂寬度，H 為膠凝砂石土壩體的高度，m 為膠凝砂礫石壩坡坡率，hs1為壩體上游水位，hs2為壩體下游水位。

膠凝砂礫石壩相對于常規(guī)重力壩，結(jié)構(gòu)上屬于膠結(jié)體結(jié)構(gòu)，通常需要斷面尺寸遠大于常規(guī)重力壩，以滿足整體抗滑穩(wěn)定性要求。鑒于此，在滿足整體抗滑穩(wěn)定性要求的前提下可對基礎(chǔ)適當放寬處理要求。同時在斷面形式設(shè)計時，應(yīng)當考慮不同的功能分區(qū)理念，并且在功能分區(qū)部分應(yīng)該滿足應(yīng)力要求，需采用高強度混凝土、富漿膠凝砂礫石等強度較高的材料。合理設(shè)計防滲保護層、排水結(jié)構(gòu)設(shè)施以解決滲漏問題、抗拉問題、抗凍問題從而在節(jié)省工程總投資的前提下最大程度滿足大壩的使用要求。

5 結(jié)語

膠凝砂礫土壩作為一種新形式壩體，目前在我國已經(jīng)應(yīng)用廣泛，是對傳統(tǒng)筑壩技術(shù)體系的提升優(yōu)化。膠凝砂礫土壩是介于混凝土壩和傳統(tǒng)重力式土石壩之間的一種離散顆粒材料壩，大壩的設(shè)計理念不同于混凝土壩和土石壩。本文基于實際工程的應(yīng)用角度，充分考慮配合比、施工工藝、斷面形式的要求，介紹該壩形在材料、施工、結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，進一步揭示出膠凝砂礫土壩在中小型水利工程上具有良好的應(yīng)用前景。