胶凝砂砾石筑坝技术进展及西部高寒高海拔地区应用展望

李新宇 任金明 陈永红

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院 杭州 310014）

1 胶凝砂砾石坝思想起源与发展

胶凝砂砾石坝是结合碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝的优点发展起来的一种新坝型，其思想起源于J.M.拉斐尔（J.M.Raphael）于1970年在美国加州召开的“混凝土快速施工会议”上提交的论文“最优重力坝（The Opt imum Gr avit y Dam）”，他建议使用胶凝砂砾石材料筑坝并用高效率的土石方运输机械和压实机械施工，一方面由于水泥的胶凝作用增大了材料的抗剪强度，可以缩小坝体断面；另一方面使用类似于土石坝施工的连续方法可以缩短施工时间和减少施工费用。20世纪 80年代初建成的一批干贫碾压混凝土重力坝，以美国柳溪（Wil l ow Cr eek）坝为代表，是上述思想的具体实现。因干贫碾压混凝土重力坝与常规混凝土重力坝在断面设计上并无本质不同，但因胶凝材料用量有显著减小、坝体渗漏量偏大，而逐渐被RCD碾压混凝土坝（主要在日本采用）和富浆碾压混凝土重力坝（单方胶凝材料用量大于 150kg）所代替，对筑坝材料的要求接近甚至超过常规混凝土坝，与J.M.拉斐尔最初提出的“最优重力坝”设想也越来越远。

1988年，法国的P.Londe提出用碾压硬填方的施工方法将胶凝砂砾石碾压填筑成上下游等坡（0.7H/1V）的对称断面坝，上游面设防水面板防渗，称之为对称硬填方面板坝（FSHD，Faced Symmet r ical Har df il l Dam）。1992年，P.Londe再次对该坝型进行阐述，认为放宽对碾压混凝土性能和技术的要求只求获得一种“硬填方”而不是有较高强度的混凝土，总造价会降低且具有较高的安全度。1990年英国的Paul Back在英国大坝协会会议上提出了“极限坝”（Ul t imat e Dam）的概念，其理念包括：采用耐久的筑坝材料，各种工况下结构安全度基本一致，对内部侵蚀、洪水漫顶、地震等有良好的抵抗能力，进一步发展了J.M.拉斐尔“最优重力坝”的思想。

20世纪90年代，日本进一步发展了这一理念，即将胶凝材料和水加入河床砂砾石和开挖废弃料等在坝址附近容易获得的岩石基材中，然后用简易的设备进行拌合，采用堆石坝施工技术进行碾压施工，称之为胶凝砂砾石坝（CSG Dam,Cement ed Sand and Gr avel Dam），这种新坝型不仅经济，还可以充分利用施工过程中产生的弃料，减小对周围环境的影响。由于胶凝砂砾石坝对筑坝材料、施工工艺以及坝基要求降低，大坝施工基本实现零弃料，凸显了在适应环境、减轻石渣及工程建设对周围环境的不利影响等方面所具有的优势，已开始得到国际坝工界的重视，并实际应用。如土耳其2006年建成坝高107m的Cinder e坝即为胶凝砂砾石坝，我国街面水电站下游围堰、洪口水电站上游围堰、功果桥水电站上游围堰等均采用胶凝砂砾石坝修建。

与此同时，国内相关单位和学者也开展了有关胶凝砂砾石坝方面的研究。如武汉大学方坤河教授等早在 1994年就在国内率先提出了“面板超贫碾压混凝土坝”的概念；武汉水利电力大学的唐新军博士对胶凝砂砾石坝的筑坝材料物理力学特性、坝体应力、变形和稳定等方面进行了详细研究；中国水利水电科学研究院贾金生等人对胶凝砂砾石坝的筑坝材料特性、渗透溶蚀机理、稳定和应力分析、坝体防渗体系等问题进行了广泛的研究，研究成果已在福建尤溪街面水电站下游围堰和福建洪口水电站上游围堰等工程中得到实施。

2 胶凝砂砾石坝技术特性和误区

2.1 筑坝材料——胶凝砂砾石

胶凝砂砾石是将胶凝材料和水加入河床砂砾石或开挖废弃料等在坝址附近容易获得的岩石基材中，然后用简易的设备进行拌合而得到的一种筑坝材料。与早期干贫碾压混凝土类似，胶凝砂砾石大多采用“土工法（‘Soil’Appr oach）”确定配合比，即通过试验得到材料的用水量、VC值和密度等指标之间的关系，确定单方最优用水量，然后通过试验得到胶凝砂砾石抗压强度与用水量、胶凝材料用量、龄期之间的关系，确定胶凝材料用量和设计龄期。研究表明，VC值在 10～20s之间时，胶凝砂砾石各方面的性能较好。通常情况下，胶凝砂砾石胶凝材料用量在 70～100kg/m3，其中水泥用量在 40～60kg/m3，90d龄期抗压强度大于 5MPa。试验室得到的典型应力－应变曲线如图1所示，其中，应力—应变关系可以近似为线性的范围被定义为“线性范围”，线性范围内的最大应力被定义为“线性极限强度（σL）”。

胶凝砂砾石的物理力学特性除了与单方用水量和胶凝材料用量有关外，与母材的颗粒级配分布，特别是砂率大小有较密切的关系。研究表明，母材最大颗粒粒径 150mm，砂率 30%左右时胶凝砂砾石具有较高的强度和较高的密实度。

图1 胶凝砂砾石典型的应力－应变曲线

由于胶凝砂砾石材料骨料未经冲洗筛分，材料本身强度低，抗渗透性较差，且胶凝材料用量低，掺合料（如粉煤灰）掺量较高（一般情况下，胶凝材料用量少于 100kg/m3，水泥用量约 40～60kg/m3），水化产物中 Ca(OH)2含量较少，压力水长期渗透作用下胶凝砂砾石的抗渗透溶蚀性能值得关注。中国水利水电科学研究院贾金生等人进行的胶凝砂砾石渗透溶蚀试验结果表明，胶凝砂砾石的抗溶蚀性能较差，在 2MPa水压力作用下，经过108天的渗透溶蚀，胶凝材料水化产物中CaO被溶出10.25%，强度下降约31%。因此，采用胶凝砂砾石坝作为永久工程时，应特别重视防渗体的设计及施工保证，避免胶凝砂砾石材料处于长期的渗透溶蚀中，以尽量减少渗透溶蚀对该坝型带来的长期耐久性问题。

2.2 应力分布

胶凝砂砾石性能与混凝土类似，目前胶凝砂砾石坝也借鉴传统混凝土重力坝设计准则进行设计。但因坝体断面不同，胶凝砂砾石坝与传统重力坝的应力分布存在根本性区别。

传统重力坝设计一般在抗倾覆稳定和抗滑稳定的前提下以坝体体积最小为目标，然后探讨坝体内部应力安全，最后确定坝体材料的设计强度。因此，传统重力坝最优断面是上游面垂直（或接近垂直），下游面坡比接近0.8：1（H:V）的三角形断面，图2中显示了一座100m高重力坝基础底部的应力分布，从图2所示的应力分布可以看出，传统混凝土重力坝应力分布随满库和空库变化很大，满库时最大压应力位于下游坝趾区；空库时位于坝踵区，满库时上游坝踵区可能出现拉应力。此外，传统断面的混凝土重力坝对于建基面的抗剪摩擦系数要求相当高，因此需要比较好的坝体基础条件。

图2 传统混凝土重力坝坝基面应力分布

与传统混凝土重力坝断面设计目标将坝体设计成最小体积不一样，胶凝砂砾石坝主要是根据材料强度设计坝体断面。胶凝砂砾石坝筑坝材料强度相对较低，通常情况下，采用上下游对称三角形断面。对称三角形断面的明显优势是，在不同荷载情况下（满库与空库），坝体内部的应力和作用在基础上的荷载变化很小。图3为坝高100m的带面板的胶凝砂砾石坝（上下游坡比均为0.7：1）的基面应力分布情况。

图3 胶凝砂砾石坝坝基面应力分布

从图3所示的坝基面应力分布可以看出，无论是满库还是空库，坝基面应力不仅变化小，而且存在至少1MPa的压应力，但最大压应力较传统混凝土重力坝有较大幅度减小。即使在加速度为0.2g的地震工况下，也不会产生拉应力，且安全裕度较大。因此胶凝砂砾石的抗拉强度即使为0，坝体也是安全的。

作用在基础上的垂直荷载相当均匀且不会因水库蓄水位的变化而过大变化，这是胶凝砂砾石坝与传统重力坝的基本区别，这对弹性模量较低的岩基尤其重要。因此，在基础岩石较软弱时，不适宜修建传统重力坝的地方，可以修建对称断面的胶凝砂砾石坝。

2.3 施工

胶凝砂砾石坝为对称断面，在不同荷载组合作用下应力分布变化较小，最大压应力较小，且对拉应力无要求，因此对筑坝材料的强度要求较低，相对常规混凝土坝和碾压混凝土坝而言，施工相对简单、快速，体现在拌和、碾压、层面处理、质量控制等多个方面。

从国内外已有工程实践来看，胶凝砂砾石拌和可以采用连续式搅拌机拌和，也可以采用装载机或反铲等机械进行简易拌和，前者主要用于永久工程，后者则主要用于围堰等临时工程。由于单方用水量对胶凝砂砾石物理力学性质较大，过高导致强度偏低，过低导致VC值过大，施工困难。因此拌和前需要对母材含水量进行测试，以对胶凝砂砾石单方用水量进行校正。母材为含水量较大的河床砂砾石时，应将母材堆存一段时间，使母材含水量低于5%后再进行拌和。

胶凝砂砾石碾压层厚一般在50cm左右，有部分碾压层厚与碾压混凝土类似，为 30cm，如多米尼加的Moncion反调节坝。也有碾压层厚为75cm的，如我国福建省街面水电站下游胶凝砂砾石围堰。碾压层厚与胶凝砂砾石拌和系统、碾压机械等密切相关，需通过现场碾压试验后确定。碾压参数也需通过现场碾压试验确定。胶凝砂砾石坝由于断面较大，对层面抗剪强度要求较低，其层面即使不作处理也能够满足抗滑稳定的要求。但对于坝高超过100m的高坝或对安全要求较高的永久性大坝，采用一定的层面处理措施，如摊铺前先铺一层砂浆等，有助于提高层面抗剪能力，如土耳其Cindere坝，绝大多数层面摊铺前都铺了一层25mm厚的砂浆垫层。

当采用胶凝砂砾石作为筑坝材料时，胶凝砂砾石碾压后的压实度可以采用核子密度仪进行测试，也可以采用挖坑进行检测。

2.4 其他特性

根据前面的渗透溶蚀试验结果显示，胶凝砂砾石筑坝材料的抗渗透溶蚀性能较差，对于永久性工程，上游面板是胶凝砂砾石坝的必要组成部分，这与混凝土面板堆石坝的理念类似，防渗面板位于透水的堆石体上。面板施工可采用与混凝土面板堆石坝类似的成熟技术，由于胶凝砂砾石坝的变形比混凝土面板堆石坝要小得多，所以面板中的配筋率可以小一些，周边缝的处理也可以简化很多。

对于坝高低于 50m的胶凝砂砾石坝或胶凝砂砾石围堰等临时性水工建筑物，根据胶凝砂砾石坝的特征，可不设上游基础廊道、排水等。但对于坝高超过 50m的永久性胶凝砂砾石坝，特别是坝高超过100m时，有必要修建足够大的上游基础廊道，进行排水、基础钻孔、灌浆和对基础灌浆帷幕进行维护，并采取必要的防裂措施，如设置横缝等。

2.5 胶凝砂砾石坝发展误区

胶凝砂砾石坝虽然在技术上有上述优势，但在发展过程中，因受到传统混凝土重力坝设计思想的干扰，在认识到胶凝砂砾石坝技术优势的同时，也希望胶凝砂砾石能接近甚至达到常态混凝土的性能，从而逐渐偏离了胶凝砂砾石坝最初的设计思想，相关研究也逐步集中到如何提高胶凝砂砾石性能上，使胶凝砂砾石坝的发展步入了一个误区。胶凝砂砾石硬化后的性能与常态混凝土较为接近，为胶结在一起的连续体。但胶凝砂砾石坝采用梯形断面，坝体应力水平较低且基本不承受拉应力，对筑坝材料本身的性能要求较三角形断面的混凝土重力坝对坝体混凝土的要求低，同时，胶凝砂砾石直接利用天然砂砾石或洞渣料，简化甚至取消了骨料的筛分和冲洗，单位胶凝材料用量特别是水泥用量也远小于常态混凝土，其性能的确与常态混凝土存在较大差距，特别是衡量混凝土材料耐久性的抗冻等级偏低。

目前已建成的混凝土坝经验显示，只要上游面设置了有效的防渗结构，大坝防渗层后的混凝土基本都呈干燥状态。所以对于混凝土坝而言，有效防渗结构之后的坝体混凝土无需承担防渗功能。严寒地区的混凝土坝，除表面负温区的混凝土会经受冻融循环外，内部混凝土基本不会经受冻融循环。因此，胶凝砂砾石坝内部材料的关键性能在于保持坝体的稳定性，坝体防渗和可能存在的负温区抗冻问题则需要设置专门的保护层。前述土耳其坝高107m的Cinder e坝坝前专门设置了土工膜柔性防渗体系，这一点与面板堆石坝的设计理念相同，即大坝防渗层和坝体材料功能分开，各负其责。

3 西部高寒高海拔地区修建胶凝砂砾石坝的技术优势

我国未来一段时间，水电工程将主要集中在西部河流上游，部分工程位于海拔约超过 3000m的高寒高海拔地区。一方面这些地区自然条件比较恶劣、空气相对稀薄、气压较低、蒸发量较大、昼夜温差较大、人员和施工机械的效率较平原地区低，另一方面，对外交通运输条件较差，外运物资代价较大。

如采用土石坝和堆石坝等当地材料坝，因坝体方量较大，建设过程中对当地的生态环境影响较大，且坝体本身无法布置泄洪设施，枢纽布置较为困难。此外，河流上游地区防渗土料较为缺乏，从其它地方获取代价较高。

如采用常规的混凝土坝或碾压混凝土（RCC）坝，则存在如下问题：（1）胶凝材料紧缺。混凝土需要大量水泥和粉煤灰等胶凝材料，而当地对外交通条件较差，且远离工业中心，当地水泥产量有限且价格昂贵, 仍须从内地远距离运输大量的水泥和粉煤灰至工地，更为严峻的是高原崎岖险恶的山路和变幻莫测的气候使得物资运输的保障无从谈起,工程进度受到严重的威胁；（2）如何配制出满足设计要求的混凝土存在较大困难。当地自然条件比较恶劣，对混凝土材料综合性能要求较高，特别是抗冻性（耐久性的主要指标）和抗裂性，而低气压对配制高抗冻性混凝土可能存在不利影响，特别是胶凝材料用量较少的大坝大体积混凝土更是如此，大蒸发量对混凝土早期抗裂也不利，在高海拔和蒸发量较大的地区如何保证混凝土的抗冻性和早期抗裂性是一个技术难点；（3）常规混凝土坝和RCC坝对混凝土骨料技术要求较高，在岩石毛料开采和骨料生产加工过程中会产生大量弃料；（4）高海拔地区人员和机械效率较平原地区低，采用常规的混凝土坝和RCC坝工程进度和质量较难保证；(5) 混凝土坝对地基要求较高，基础处理量较大。总之，在西部河流上游高海拔地区采用常态混凝土坝或RCC坝存在工程造价高、工程质量和进度较难保证等困难。

但在西部高寒高海拔地区修建胶凝砂砾石坝，根据前述理论分析和已有工程经验类比，有如下技术优势：

（1）坝体断面为对称梯形断面，上下游坡面从1:0.4～1:0.7，应力分布较为均匀，对于百米级的坝，最大地震加速度0.2g时坝体没有拉应力产生（更高的坝，或地震加速度更大的例子暂未进行分析），对地基的适应能力强，可以大幅度减少基础处理工作量。

（2）在施工方面，由于坝体断面比常态混凝土和碾压混凝土重力坝大，坝体层面依靠剪切摩阻力即可满足稳定要求，层面处理要求可以降低，即使出现冷缝也可以接受，因此施工程序可以相对简化，降低工人劳动强度，保证工程的整体安全性。

（3）在筑坝材料方面，可充分利用开挖料，从而减轻工程对周围环境的破坏程度。同时胶凝砂砾石中仅掺有少量胶凝材料（水泥大约 40～60kg/m3），可以减少胶凝材料等物资的运输。同时，因水泥用量少，温升低，温度应力较小，可以简化甚至取消温控。

（4）胶凝砂砾石对母岩和骨料性能要求相对较低，可以少处理甚至不处理，可以充分利用工程开挖料，从而少设甚至不设弃渣场，并减小砂石加工系统和混凝土系统规模。因能够充分利用开挖料，尽最大可能减少弃料，在减少工程对周边环境影响方面较其它坝型有较大优势。

（5）胶凝砂砾石具有一定的强度和抗冲刷能力，胶凝砂砾石坝的坝面采用抗冲磨混凝土防护后坝顶即可过水，克服了土石坝不能过水的缺点。当过水流量较小时，允许在坝顶设置溢洪道，省去了岸边溢洪道或其它泄洪设施的开挖工作，便于施工导流和枢纽建筑物布置。

（6）在坝体上游面设置专门的防渗层和排水层，可保护内部胶凝砂砾石免受渗漏、溶蚀和冻融等破坏。相对整个坝体而言，上游面防渗层和排水层工程量较小，施工质量和进度易于保证。

因西部高寒高海拔地区特殊的自然环境，将胶凝砂砾石坝这种“最优重力坝”应用在该地区，可以充分发挥该坝型的优势，并能保证工程安全，是该坝型未来发展的主要方向。

4 结语

胶凝砂砾石坝是一种结合了碾压混凝土坝和混凝土面板堆石坝的优点发展起来的一种新坝型，可同时实现设计合理化、施工合理化以及材料利用合理化。国内外工程实践也表明，采用胶凝砂砾石筑坝能够缩短工期、降低工程造价。但在该坝型的发展过程中过于追求胶凝砂砾石筑坝材料的性能而忽视该坝型最初设计理念，在国内陷于仅在围堰等临时工程中使用的窘境。将胶凝砂砾石坝首先在西部高寒高海拔河流上游中低坝工程中应用，然后加以推广是该坝型未来发展的主要努力方向。

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