胶凝砂砾石（CSG）坝研究与技术进展

房 晨

（吐鲁番地区阿拉沟水库建设管理局，新疆 吐鲁番838000）

1 胶凝砂砾石（CSG）坝的提出与发展

胶凝砂砾石坝是在碾压混凝土坝和面板堆石坝的基础上发展起来的[1]。20 世纪60年代，受到土石坝施工方法的启发，开始研究和试建碾压式混凝土坝，1960年首先在中国台湾省内修建石门土石坝的围堰心墙中试用，随即在意大利北部修建了高172 m 阿勒波热拉力坝。20 世纪70年代，Raphael 等学者提出了碾压混凝土筑坝技术，使常规混凝土筑坝有了新的发展，先后建设了日本的岛地川碾压混凝土重力坝(创立了RCD 工法)、美国的柳溪重力坝、中国的福建坑口坝。加拿大、英国、巴基斯坦和巴西等国相继在筑坝、围堰、修复加固工程上开展了研究和实践，取得了初步的经验[2]。混凝土面板堆石坝发源于美国，以抛填堆石为主体，以木面板、钢面板等防渗[3]。1958年英国库契坝首次引入振动碾压坝体堆石。随后在60年代以后，大型振动碾的出现，并且采用改进的薄层振动碾压技术，使得堆石坝的压缩性大大减小，解决了防渗面板不能适应较大沉降变形的难题[3]。

J.M 拉斐尔于1970年提出了一种筑坝新材料[4]——胶凝砂砾石，建议使用CSG 材料筑坝并用高效率的土石方运输机械和压实机械进行施工，其优点：1）材料抗剪强度高，可缩小坝体断面；2）类似于土石坝的施工方法可缩短施工时间和减少施工费用；3）在天然级配的土石料中掺加少量水泥，使砂砾石料从散粒体变成连续体。在70年代初期，美国电力局在Texas 的Corpus Christi 的Barney M.Davis 电站建造了水泥土围堰，共使用了26.8 万m3水泥土[5]，是第一次使用水泥土振动碾压实筑坝。此后，RCC（Roller compacted concrete）坝的发展趋势之一是将干贫胶材作为坝体的筑坝材料（胶材含量少于l00 kg/m3），特点是坝体强度较低、具有一定的透水性，在上游面做防渗处理。这种RCC 类型最早是美国1982年修建的Willow Creok 坝[5]。法国的隆德于1988年提出用碾压硬填方的施工方法修建对称断面坝，上游面设防水面板防渗，称之为硬填方面板坝，也称为CSG 坝[6]。他认为这种坝的断面大、应力小，尽管坝的体积比常规的混凝土重力坝大，但是对于材料性能的要求可以降低，故在投资上可以节省。

1990年Dr.PaulBack 提出制定“最优重力坝”标准，建议修建大坝要“相对低级配的RCC……不设缝，上下游是缓坡设计，只在上游面做防渗”[5]。“最优重力坝”的进一步发展是1992年pierreLonde 和MiehelLino 提出的“Faced Symmetrical Hardfill Dam（FsHD）”[7]和日本提出的“Trapezoidal，Cemented sand and Gravel（CSG）Dam”。1993年PierreLonde 提出CSG 坝主要优点是稳定性大为改善，可以在软弱地基及强地震区域安全地修建。

2 筑坝实践

2.1 CSG 坝特点

1）由于坝体上下游坝坡采用等坡比设计，上游水压力增大了坝体稳定，内部无拉应力[7]，应力场在各种水位作用下分布比较均匀。

2）拌合CSG 材料的所用胶凝材料（胶材含量少于l00 kg/m3）较少。由于坝体材料质量要求较低，开挖弃渣、河床砂砾石及软岩等可简化制备工序或直接作为坝体材料使用，降低材料成本。

3）CSG 坝能使用施工开挖弃渣、风化岩石及砂砾石等材料，因此可以减少对生态环境的破坏，缩小料场开采规模和降低工程成本。

4）CSG 坝水泥用量少，温升低，与碾压混凝土（RCC）坝比，不存在温控和设置伸缩缝问题[8]。

5）CSG 坝材料掺有水泥及其它胶凝材料，与面板堆石坝相比，抗剪强度高于碾压堆石体，坝体横断面远小于面板堆石坝，坝体渗透变形小，稳定性好。

6）CSG 坝和一般混凝土重力坝相比，采用碾压混凝土坝或土石坝施工的机械和方法，工艺简单、机械化水平高、施工速度快、自动化程度高，有利于缩短工期、降低造价。

7）CSG 具有一定的强度和抗冲刷能力。施工期CSG 坝的坝面经过适当地防护，坝顶即可临时度汛，克服了土石坝不能过水的缺点；另外，可以在CSG 坝体布置溢洪道，避免了增加岸边溢洪道或其它泄洪设施，便于施工导流和布置枢纽建筑物。

8）由于CSG 材料的弹性模量相对较小，CSG坝对地基的适应性较强，抗震性能优于碾压混凝土坝。

9）CSG 坝的施工工艺比RCC 坝的更加简化。CSG 坝断面大于RCC 坝，坝体层面依靠剪切摩阻力即可满足稳定要求，可以简化层面处理。

10）施工简便快速。

2.2 CSG 坝在国内外的筑坝实践

由于与常规坝型相比具有独特的适用性和经济性，CSG 坝在国外己有一定的发展。目前，国外已建成很多CSG 坝，而这其中以日本居多。主要有忠别水库二期截流、久妇须河水库二期截流、摧上河水库导流挡土墙及德山水库一期截流、护岸和临时渠道。另外，还有Nagashima 坝、Tokuyama、Takizawa 坝和34 m 高的排沙坝等工程。其特点是胶材含量为60 kg/m3，适宜的含水量为6%，容重控制在2.1～2.4 t/m3，强度在2～10 MPa 之间。CSG材料采用反铲拌合，层厚250 mm，每摊铺两层进行振动碾压。胶材含量达到80 kg/m3，采用筒式拌合机拌合。实践证明采用河床砂砾石比开挖的废弃料，筑坝的效果会更好一些。

希腊修建了Marathia 和Ano Mera 两座CSG坝，采用对称梯形断面，坡度为l∶0.5，并在上游面做防渗处理。碾压层厚在20～30 cm 之间，砂砾石经过粉碎、筛选和分堆，最大粒径为60 mm，胶材料为粉煤灰水泥70 kg/m3（粉煤灰含量20%），特殊情况下为80 kg/m3，此时就不再添加粉煤灰或其它的胶凝材料，容重为2.3～2.4 t/m3，7，28，90 d的强度分别为3，4，5 MPa。

多米尼加共和国在Moncion Contraembalse 坝采用了CSG 筑坝技术，坝高28 m，其两侧为土石坝，中部是CSG 坝，其上下游面坡度为l∶0.7，碾压层厚30 cm，坝体每15 m 设置一条收缩缝，不处理冷缝。上游面用常规混凝土防渗面板，面板厚30 cm。此坝的胶凝材料含量为80 kg/m3，容重为2.28 t/m3，水灰比为1.7；90 d 龄期设计强度为9 MPa；骨料分成四个等级：0～4.76 mm 占25%，4.76～19 mm 占15%，19～38 mm 占20%，38～76 mm占40%。菲律宾在2004年初修建的40 m 高的Can-Asujan 硬填方坝，在地震应力作用下，基础应力也不会超过0.5 MP[5]。1975—1982年，在巴基斯坦的塔伯拉泄洪洞修复工程中使用CSG 材料，平均施工强度8 371 m3/d，最大18 438 m3/d,体现了简便快捷的特点。

土耳其的cindere 坝是世界上最高的CSG 坝，坝体采用对称的梯形结构，上游面采用混凝土面板加PVC 膜防渗，坝高72 m，上下游坝面坡度1∶0.7。坝体每20 m 设置一个垂直缝。胶凝材料是50 kg/m3水泥（强度为42.3 MPa）和20 kg/m3的粉煤灰。大坝施工一共用了150 万m3硬填方料和18 万m3的常规混凝土，容重为2.4 t/m3，180 d 的强度达到6 MPa。由于土耳其发生地震和洪水的几率很高，对于CSG 坝来说是很适合。目前，有3座CSG 坝正在设计中[5]。

根据统计，目前国内已建和在建CSG 工法施工实例。见表1。

2004年，贵州省道塘水库上游过水围堰工程中采用CSG 坝方案，通过大量的室内和现场试验，获得了许多宝贵的试验数据。这是国内首例CSG 坝实践，为我国CSG 坝的设计和施工积累了经验。福建街面水电站下游围堰也采用CSG 方案，取得了很好的效果[3]。以后陆续建设了洪口、功果桥、沙沱、飞仙关等CSG 工程。新疆阿拉沟水库溢洪道冲沟填筑基础采用了CSG 材料，是国内第一次CSG 材料用于永久工程项目中。

表1 中国CSG 工法施工实例

3 国内CSG 筑坝研究现状

国内对CSG 坝的研究比较早，1992年蒋国澄翻译P.隆德和M.林诺 的文章，介绍CSG 坝的参数研究，包括稳定分析和经济比较。武汉大学水电学院及华北水利水电学院也对CSG 坝做过研究。其中唐新军的博士论文主要内容是从CSG 的基本性质、强度指标的合理取值、CSG 坝体的构造特点、坝体受荷作用下的结构形态等几方面，对CSG坝进行了较为系统的研究和分析。

中国水利水电科学研究院的贾金生等人[8]-[10]设计了福建街面水电站下游围堰坝体的断面，对堰体的应力、稳定和渗流进行了分析，给出了CSG配合比设计参数，以及“配合比控制范围”设计方法。采用当地天然砂砾石，掺入水泥和粉煤灰各4 0 kg/m3，其180 d 龄期抗压强度等级可达到C7.5，抗渗可达W12，抗冻可达F300。满足围堰的力学、稳定、防渗和抗溶蚀要求，缩短了工期，降低了造价。他们也提出了影响CSG 材料性能的粗细集料的胶材装体包裹率和胶结强度比的关键指标，建议了较为适宜的材料参数选取范围，对我国已建围堰CSG 材料方面的特点等进行了简要归纳。针对功果桥电站土石过水围堰工程量大、工期紧的特点，为满足工程建设的进度、质量、投资控制要求，采用CSG 材料进行围堰填筑和防护，达到了节约投资、加快进度、满足围堰施工技术控制要求的目的。针对CSG 材料展开了试验研究，采用气冻和冰冻两种手段测试材料抗冻能力。未参加外加剂的胶凝砂砾石180 d 龄期抗渗可达到W8，90 d 龄期抗冻不足25 次冻容循环，气冻350次温度循环后相对动弹性模量仍约65%，抗冻可达到600 次以上温度循环。掺加外加剂的胶凝砂砾石相应龄期的抗渗为W12，抗冰冻达75 次冻融循环，气冻350 次温度循环后相对动弹性模量仍有80%以上，建议CSG 中采用外加剂。

孙明权等[11，12]在CSG 材料三轴试验数据的基础上，得出CSG 材料的初始切线弹性模量、残余强度和峰值强度与围压的关系，建立了包含6 个参数的非线性软化本构模型。并通过理论曲线与三轴试验数据进行对比分析，吻合情况良好，可以为CSG 坝的非线性分析提供依据。在非线性K—G 模型的基础上，提出了该模型的体积变形模量Kt 和剪切变形模量Gt 的求取方法。模拟CSG 材料的应力应变曲线，能用于胶凝砂砾石材料的相关计算分析。蔡新等[13]在胶凝堆石料的抗压强度、抗折强度和大三轴试验基础上，得出胶凝堆石料的强度与围压之间满足相关关系，导出材料在压缩状态和拉伸状态下的本构关系模型；通过模型对抗折强度试验和大三轴试验进行数值模拟，计算与试验结果非常接近，可为胶凝堆石坝的计算分析设计提供参考依据。

杨朝晖[14]介绍了CSG 技术在道塘水库应用的研究、设计成果的应用经验。余文杰[15]提出了采用堆石混凝土材料和CSG 材料联合筑坝的新思路。王晓强[16]研究表明，CSG 围堰堰体的任何位置在任何工况下都不会产生拉应力；在高水压力梯度作用下经渗透溶蚀之后的CSG 材料强度仍然满足设计要求，下游围堰用CSG 材料施工是安全的、可行的。下游围堰的工程实践表明，与常规混凝土坝方案相比工期可显著缩短，工程造价可明显降低，值得大力推广。陈振华等[17]介绍了CSG 坝在福建省宁德洪口水电站上游主围堰、福建省尤溪街面水电站下游量水堰、云南省大理功果桥水电站上游围堰护面、贵州省沿河沙沱水电站左岸大坝下游围堰等工程应用情况及所取得的技术发展。田育功等[18]通过CSG 配合比设计、性能试验研究、现场工艺试验及应用，有效加快了上游围堰的施工进度、保证了围堰质量、提高了过流标准，为CSG 技术的推广应用提供了第一手宝贵的参考资料。

4 结 语

目前，国内从CGS 材料的配合比设计方法；粗细集料的胶材装体包裹率和胶结强度比对配合比设计强度指标的影响，含泥量、砂率对CGS 材料强度的影响等；CGS 材料的强度、抗渗及抗冻耐久性能；CGS 材料的基本性质、强度指标的合理取值、胶凝砂砾石坝坝体的构造特点及坝体受荷作用下的结构形态等；CGS 材料的本构模型；CGS材料的水利工程设计应用；CGS 材料的工程施工及质量控制等方面的研究做了大量工作。但和其它使用成熟的材料比较，研究还很不足，对不同地区和不同成因环境的砂砾石的使用经验还需进一步研究。另外，由于天然砂砾石的级配、含泥量、砂率变化范围较大，采用单一的配合比设计很难满足CGS 材料质量要求。大力开展CGS 材料、本构模型、工程设计、施工工艺及质量控制研究和实践是十分必要的。

［1］ 唐新军.一种新坝型——面板胶结堆石坝的材料及设计理论研究［D］.武汉水利电力大学博士学位论文，1997，5.

［2］ 沈崇刚.中国碾压混凝土坝的发展与成就——中国大坝50年［M］（潘家铮，何憬主编）. 北京：中国水利电力出版社，2000，9.

［3］ 蒋国澄.我国混凝土面板堆石坝的发展与经验［J］.水力发电，1999（10）.

［4］ J.MRaPhael，TheOptimumGravityDam，RaPidConstruction of Concrete Dams，ASCE，New Yourk，1970：221—224.

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［6］ P.Londe，Discussion of Q62Vol.V，16th ICOLD Congress，San Franeisco，U.S.A，June 1988.

［7］ P.Londe and M.Lino，Hardfill Dam，The Faced Symmetrical Hardfill Dam:a new concept for RCC，International Water Power&Dam Construction，Feb 1992：19—24 .

［8］ 贾金生，马锋玲，李新宇，陈祖坪.胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用［J］. 水利学报，2006（5）.

［9］ 冯炜，贾金生.胶凝砂砾石材料的特性探讨及工程应用，特种混凝土与沥青混凝土新技术及工程应用，2013（4）.

［10］ 冯炜，贾金生，等，胶凝砂砾石坝筑坝材料耐久性及新型防护材料研究［J］.水利学报，2013(4).

［11］ 孙明权，刘运红，等.胶凝砂砾石材料本构模型研究［J］.华北水利水电学院学报，2012（5）.

［12］ 孙明权，刘运红.非线性K－G 模型对胶凝砂砾石材料的适应性［J］.人民黄河，2013（7）.

［13］ 蔡 新，武颖利，等.胶凝堆石料本构特性研究［J］.岩土工程学报，2010，32（9）.

［14］ 杨朝晖. CSG 技术研究及其在道塘水库的应用［J］.水利水电技术，2007，38（8）.

［15］ 余文杰.堆石混凝土与胶凝砂砾石复合材料坝研究［D］.清华大学工学硕士学位论文，2010.

［16］ 王晓强.胶凝砂砾石坝材料的渗透溶蚀研究及工程应用［D］.中国水利水电科学研究院硕士学位论文，2005.

［17］ 陈振华，林胜柱，等. 胶凝砂砾石筑坝技术新进展［J］.水利科技，2011（4）.

［18］ 田育功，等. 胶凝砂砾石筑坝技术在功果桥上游围堰中的研究与应用［J］.设计与施工，2011（4）.