膠凝砂礫石壩水工設(shè)計(jì)技術(shù)淺析

李雪嬌，鞠洪燕

（泰安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山東 泰安 271000）

膠凝砂礫石壩是近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外在總結(jié)面板堆石壩與碾壓混凝土壩優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新壩型，屬于重力壩的一種，其特點(diǎn)是將少量的膠結(jié)材料（主要是指水泥、粉煤灰等在混凝土中起膠結(jié)作用的材料）、水與不經(jīng)篩分的河床原狀砂礫石或開(kāi)挖的廢棄料等地材用簡(jiǎn)易設(shè)備拌合，通過(guò)碾壓的方式使之達(dá)到一定強(qiáng)度來(lái)滿(mǎn)足應(yīng)力和穩(wěn)定的要求以構(gòu)筑壩體。膠凝砂礫石壩在優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、適應(yīng)地基特性，提高抗震能力、節(jié)約工程投資、實(shí)現(xiàn)快速施工、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，泰安市也已將其作為多座中小型水庫(kù)大壩的備選壩型之一。

1 設(shè)計(jì)理念

好的設(shè)計(jì)理念是確保水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)安全，施工便捷和降低造價(jià)的關(guān)鍵因素。膠凝砂礫石壩的設(shè)計(jì)基本理念：壩體的主要功能是滿(mǎn)足應(yīng)力與穩(wěn)定的要求，無(wú)需承擔(dān)防滲功能；其防滲功能由上游面專(zhuān)門(mén)設(shè)置的防滲結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)。該設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)了功能分開(kāi)的原則，是混凝土重力壩與面板堆石壩兩種筑壩技術(shù)的交叉和優(yōu)點(diǎn)的集合。

2 壩體構(gòu)造

2.1 壩頂構(gòu)造

壩頂布置應(yīng)結(jié)合工程建筑的總體規(guī)劃，并與周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)。非溢流壩段壩頂應(yīng)高于校核洪水位，壩頂上游側(cè)防浪墻宜采用與壩體連成整體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且有足以抵抗波浪沖擊和漂浮物撞擊的厚度，高度通常1.2 m左右，其頂高程應(yīng)高于波浪高程，具體數(shù)值參照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）的有關(guān)規(guī)定確定。為安全計(jì)，壩頂下游側(cè)應(yīng)設(shè)置欄桿。壩頂最小寬度視剖面設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、施工和兩岸交通的需要而定，且不宜小于3.0 m。

溢流壩段壩頂?shù)牟贾脩?yīng)結(jié)合泄洪閘門(mén)、啟閉設(shè)施、操作檢修、交通和觀測(cè)等要求設(shè)置壩頂工作橋、交通橋，橋下應(yīng)有足夠的凈空，并滿(mǎn)足《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97）的要求。

2.2 壩體構(gòu)造

壩體材料可以根據(jù)不同部位的要求和料源分布進(jìn)行分區(qū)：建基面和岸坡部位宜采用常態(tài)混凝土、加漿振搗膠凝砂礫石或富漿膠凝砂礫石墊層，其厚度可為0.5～1.0 m；壩頂結(jié)構(gòu)、溢洪設(shè)施、放水孔洞、防滲面板、防護(hù)面板、內(nèi)部廊道等結(jié)構(gòu)宜采用常態(tài)混凝土；其他部位，可采用同一標(biāo)號(hào)的膠凝砂礫石。

3 壩體斷面設(shè)計(jì)

3.1 斷面初步擬定

目前，一般采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行膠凝砂礫石壩斷面的擬定，通常非溢流壩段基本斷面擬定為梯形。根據(jù)壩址筑壩材料的實(shí)際情況、地形地質(zhì)條件以及氣象水文條件等，參照已建類(lèi)似工程，擬定幾組上下游坡比組合。各壩段上游面宜協(xié)調(diào)，其坡比宜緩于1∶0.3；下游壩坡宜緩于1∶0.5。然后，以重力壩和碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，對(duì)擬定的幾組斷面進(jìn)行穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算，統(tǒng)籌考慮安全性、客觀性和經(jīng)濟(jì)性等因素，經(jīng)方案綜合比選，最終確定相對(duì)最佳斷面。

3.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算包括沿壩基面和壩內(nèi)層面的抗滑穩(wěn)定兩個(gè)方面，當(dāng)前系參照重力壩的計(jì)算分析方法進(jìn)行。壩基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷強(qiáng)度公式或抗剪強(qiáng)度公式，碾壓層的抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷強(qiáng)度公式，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)參照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3.3 壩體應(yīng)力計(jì)算

膠凝砂礫石壩應(yīng)力計(jì)算以材料力學(xué)法的計(jì)算成果為依據(jù)，有限元法的計(jì)算成果作為復(fù)核。在任何工況下，膠凝砂礫石壩的壩體最大主壓應(yīng)力應(yīng)小于材料允許壓應(yīng)力，保護(hù)層拉應(yīng)力應(yīng)小于材料的允許拉應(yīng)力，內(nèi)部不出現(xiàn)主拉應(yīng)力。運(yùn)行期各種荷載組合作用下，壩踵垂直應(yīng)力不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基允許壓應(yīng)力；施工期壩踵垂直應(yīng)力應(yīng)小于材料允許壓應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。在非地震工況下，壩體內(nèi)部膠凝砂礫石不應(yīng)出現(xiàn)主拉應(yīng)力。

3.4 允許應(yīng)力與設(shè)計(jì)強(qiáng)度

膠凝砂礫石壩的允許壓應(yīng)力系按其極限強(qiáng)度除以相應(yīng)的安全系數(shù)確定。材料的抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)，應(yīng)根據(jù)大量工程實(shí)例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定。而膠凝砂礫石筑壩技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)尚處于初級(jí)應(yīng)用階段，可供借鑒的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)不足，為了推廣應(yīng)用，根據(jù)保證足夠安全余度的原則，現(xiàn)在一般參照混凝土的抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)選取，以保證膠凝砂礫石壩材料強(qiáng)度的安全儲(chǔ)備不低于混凝土重力壩。

設(shè)計(jì)和校核工況（不含地震工況）下，壩體最大主應(yīng)力不能超過(guò)膠凝砂礫石材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4 膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

工程現(xiàn)場(chǎng)拌和膠凝砂礫石，當(dāng)膠凝材料用量低于80 kg/m3時(shí)，其漿砂比明顯降低，可碾性、液化泛漿及層間結(jié)合等性能較差，對(duì)硬化后的結(jié)石性能影響較大，所以，膠凝砂礫石壩的膠凝材料用量不宜低于80 kg/m3，水泥熟料用量不宜低于32 kg/m3。施工現(xiàn)場(chǎng)膠凝砂礫石拌和物VC值控制在2～12 s是比較合適的。

膠凝砂礫石單位用水量及水膠比主要取決于砂礫石的天然級(jí)配、施工VC值、強(qiáng)度要求以及外加劑使用情況等因素。由于膠凝砂礫石用的是現(xiàn)場(chǎng)不經(jīng)篩分的河床原狀砂礫石或開(kāi)挖的廢棄料等地材，其級(jí)配變化很大，很難使用水量保持固定，所以，與常規(guī)混凝土級(jí)配和用水量能夠控制在一個(gè)固定水平不同，膠凝砂礫石的用水量及水膠比是隨著地材級(jí)配的變化而變化的，需要控制在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)。

膠凝砂礫石振動(dòng)液化達(dá)到密實(shí)的條件是：由用水量、水泥用量、摻合料用量所組成的漿體（灰漿）應(yīng)填滿(mǎn)砂子的所有空隙，并包裹住所有的砂子；由灰漿和砂子組成的砂漿應(yīng)填滿(mǎn)石子的所有空隙，并包裹住所有的石子。因此，配合比設(shè)計(jì)時(shí)，灰漿裕度α和砂漿裕度β的最小值不能小于1，以防骨料分離。

4.2 配合比設(shè)計(jì)方法

1）首先將做配合比試驗(yàn)的砂礫石母材，在剔除大于150 mm粒徑的石塊后，將混和砂礫石篩分為4個(gè)級(jí)配的粗骨料（粒徑分別為150～80 mm、80～40 mm、40～20 mm、20～5 mm 的石子）和粒徑小于5 mm的砂子，分別稱(chēng)量配制。

2）根據(jù)篩分試驗(yàn)，繪制砂礫石的級(jí)配包絡(luò)線(xiàn)，得到最粗級(jí)配、最細(xì)級(jí)配和平均級(jí)配。由此，料場(chǎng)砂礫石級(jí)配將分布在最粗和最細(xì)粒徑范圍內(nèi)。

3）確定“配合比控制范圍”。根據(jù)膠凝砂礫石的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，選取2～3個(gè)膠凝材料用量，對(duì)于每個(gè)膠凝材料用量，分別按最粗級(jí)配、最細(xì)級(jí)配和平均級(jí)配的砂礫石比例，在較寬范圍內(nèi)選取不同用水量進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，建立不同級(jí)配下28 d齡期及設(shè)計(jì)齡期的抗壓強(qiáng)度與用水量的關(guān)系，以確定既滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求又滿(mǎn)足與之相對(duì)應(yīng)的施工VC值用水量要求的范圍。

4）根據(jù)不同膠凝材料用量下的“配合比控制范圍”選定膠凝材料用量。在某膠凝材料用量下，“配合比控制范圍”中平均級(jí)配膠凝砂礫石設(shè)計(jì)齡期強(qiáng)度最小值應(yīng)滿(mǎn)足配制強(qiáng)度要求，同時(shí)“配合比控制范圍”中最細(xì)級(jí)配膠凝砂礫石設(shè)計(jì)齡期強(qiáng)度最小值不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。可見(jiàn)，在此范圍內(nèi)不同用水量的任何級(jí)配的膠凝砂礫石均可以獲得比設(shè)計(jì)強(qiáng)度更高的強(qiáng)度。

5 膠凝砂礫石壩防滲與排水體系

5.1 壩體防滲

膠凝砂礫石材料本體雖然具備一定的抗?jié)B能力，但是長(zhǎng)期耐久性指標(biāo)相對(duì)較低，為了保障工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行，膠凝砂礫石壩壩面應(yīng)該設(shè)置保護(hù)層，上下游面水下部分均需設(shè)置防滲層。保護(hù)層和防滲層的設(shè)置，均應(yīng)滿(mǎn)足《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》（SL678-2014）的要求。

5.2 壩基防滲

膠凝砂礫石壩可以建設(shè)在弱風(fēng)化巖層的上部，風(fēng)化基巖在減小不均勻沉降并滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定的同時(shí)，還應(yīng)滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定的要求，其抗?jié)B能力應(yīng)足以有效降低滲透壓力，限制滲水流量。

5.3 止水設(shè)施

為了防止壩體上游面、溢流面以及下游面最高尾水位以下設(shè)置的橫縫產(chǎn)生滲漏，橫縫處均應(yīng)布設(shè)止水。壩內(nèi)孔洞和壩基廊道穿過(guò)橫縫的周邊等部位，也應(yīng)布設(shè)止水。

5.4 排水系統(tǒng)

根據(jù)大壩的運(yùn)行環(huán)境、結(jié)構(gòu)布置、地質(zhì)條件以及重要程度等因素，可以在壩基設(shè)置排水廊道，用以匯集壩體、壩基滲水，集中排入下游河道。

6 結(jié)語(yǔ)

膠凝砂礫石壩是基于“宜材適構(gòu)”的理念，將不受傳統(tǒng)級(jí)配限制的、離散性較大的砂礫石，用較少的水泥砂漿膠結(jié)起來(lái)，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和便捷的施工工法筑成的一種新的壩型，屬于從散粒材料壩到碾壓混凝土壩之間的過(guò)渡壩型。與土石壩相比，施工工藝和質(zhì)量相對(duì)容易控制，且抗沖刷能力大大提高，提高了壩體抵御洪水風(fēng)險(xiǎn)的能力，對(duì)中低壩安全度將會(huì)產(chǎn)生很大的提升。