胶结颗粒料筑坝技术示范与推广

王化翠,雷兴顺,刘志明

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

1 项目概况

胶结颗粒料筑坝技术主要包括堆石混凝土和胶凝砂砾石两种材料的筑坝技术，是我国自主研发的筑坝新材料、新技术，充分体现了工程安全、经济合理、施工便捷、生态环保等特点。在水利部的支持下，2010年8月至2012年8月水利部水利水电规划设计总院牵头，联合中国水利水电科学研究院、清华大学共同承担了水利部公益性行业科研专项“胶凝砂砾石与堆石混凝土筑坝关键技术研究”项目，在该项目研究成果的基础上，编制完成了SL 678—2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》(以下简称“导则”)。

2016—2017年，水利部水利水电规划设计总院联合中国水利水电科学研究院、清华大学等5家单位，共同承担了水利部先进实用技术示范项目“胶结颗粒料筑坝技术标准化推广”。主要依托云南松林堆石混凝土坝和山西守口堡胶凝砂砾石坝两个在建工程，进行示范工程建设及相关参数指标复核验证，开展技术创新，不断完善胶结颗粒料筑坝技术可操作性，总结经验进一步推广。主要工作内容包括筑坝材料选择、材料性能试验、配套施工设备研发、施工工艺优化、质量控制指标检测，以及坝体设计优化等，并广泛收集导则实施的意见，以验证导则相关规定和技术指标的合理性，提出修订建议。

2 主要示范成果

项目组经过两年的示范与推广，掌握了堆石混凝土坝和胶凝砂砾石坝的设计、试验研究、施工工艺、质量控制等现场第一手资料，对完善和推广胶结颗粒料筑坝技术提供了重要技术支撑。结合山西守口堡胶凝砂砾石坝完成了6篇论文，同时取得了堆石混凝土施工、堆石冲洗、胶凝砂砾石制备等4项专利，直接培训专业技术人员192人次，同时利用示范与推广的平台进行考察、交流、学习的人员358人次，累计培训学习的人员达到550人次。

2.1 堆石混凝土坝

松林水库位于云南昭通市，是一座以灌溉、人畜饮水为主的中型水利工程，大坝为堆石混凝土重力坝，最大坝高达90m。2016年1月1日开始首仓堆石混凝土浇筑。截至目前，已经完成堆石混凝土浇筑24万m3，堆石混凝土已浇筑坝高65m。项目组以松林水库堆石混凝土坝现场施工为示范基地，在坝体堆石混凝土施工开始前、施工过程中，对从事堆石混凝土坝的设计、施工、监理、质量检测等单位的技术人员开展了培训，复核了原材料、配合比、坝体设计、施工工艺、质量控制等技术要求以及与导则的符合性，优化了堆石入仓，高自密实性能混凝土生产、运输与浇注等关键工艺，进一步明确了堆石混凝土筑坝质量控制指标。

2.1.1 材料指标

堆石混凝土的原材料包括堆石体和自密实性能混凝土等材料。项目组对堆石材料的开采、粒径、强度、含泥量等，以及自密实性能混凝土粗骨料和细骨料的粒径、形态等指标进行了分析复核，均满足导则要求。

2.1.2 配合比优化

松林水库大坝筑坝材料除进行了常规高自密实性能混凝土配合比设计外，为满足在短缺粉煤灰掺合料情况下，还研究了以石粉作为惰性掺合料，优化配合比后，筑坝胶凝材料用量降低了近40%，堆石混凝土强度值为23MPa左右，均满足设计要求；优化后的配合比在工程实际得到应用，取得了良好的效果。

2.1.3 坝体结构与构造

经复核，坝体上、下游坝坡，横缝间距及设置的防渗体厚度等均符合导则要求。坝体上游防渗体原设计为分两期填筑，经咨询论证，坝体防渗体与堆石混凝土优化为同一期浇注，C20、C15自密实混凝土同时入仓灌注，同仓面整体上升，取消了坝体上游防渗体与堆石混凝土施工缝面。岸坡坝基采用自密实混凝土与堆石坝体同时浇注，取消岸坡常态混凝土垫层，减少了施工层面及处理。河床及岸坡坝段的水平建基面上仍然按照设计要求，采用常态混凝土垫层等措施。对坝基两岸开挖坡度较陡建基面上，建议进一步优化固结灌浆的布置，必要时应增设接触灌浆系统，并研究灌浆时机。

2.1.4 层间抗剪

松林水库大坝堆石混凝土的冷缝开展了现场层间原位试验，在大坝溢流坝段的下游侧选择试验部位，按照《水利水电工程岩石试验规程》(SL 264—2001)中第7.1节混凝土与岩体接触面直剪试验方法，采用平推法开展试验研究，现场原位取得了堆石混凝土层间的抗剪断参数，复核计算，大坝的抗滑稳定满足要求。

2.1.5 施工工艺

松林水库大坝在原材料开采加工，结合岩体裂隙和节理发育条件，尝试了预裂爆破开采的方式获取更多满足粒径要求的堆石料。在堆石入仓方面，中低坝段利用回填修路、中高坝段依托两岸边坡垫路，采用自卸汽车堆石上坝入仓方案，提高了堆石上坝效率。同时，研发了格栅型装料斗配合挖掘机和装载机辅助堆石入仓，采用挖掘机辅助堆料和平仓的施工工艺。在高自密实性能混凝土的生产和浇注方面，搅拌站距离坝址水平距离较近，约100m，双卧轴强制式混凝土搅拌站生产出机后，由混凝土输送泵直接入仓。采用堆石及掺合料等，控制了坝体堆石混凝土的水泥用量，降低了水化热温升，施工层面中可不埋设冷却水管，取消了坝体纵缝，简化了温控措施，提高了工效。

2.1.6 质量检测

由云南省水利水电工程建安中心牵头，组织松林水库建设各方和示范项目的相关单位共同编制了《堆石混凝土技术实施细则》，在高自密实性能混凝土配合比设计、优化调整、检验以及堆石混凝土施工和质量控制等方面做出具体要求。原材料质量控制包括堆石料的粒径、抗压强度、含泥量、泥块含量等指标，高自密实性能混凝土质量控制指标有坍落度、坍落扩展度、V漏斗通过时间、入仓温度、浇筑质量、强度、抗渗性、耐久性能等，明确了检测时间、频次、控制指标及注意事项。完善的质量检测与控制要求保障了堆石混凝土浇筑质量。

2.2 胶凝砂砾石坝

守口堡水库位于山西省大同市，是一座以供水、灌溉为主的中型水利工程，大坝为胶凝砂砾石坝，最大坝为61.6m。项目组以守口堡水库胶凝砂砾石坝为示范基地，开展了胶凝砂砾石骨料、胶凝砂砾石强度、胶凝砂砾石层面及处理措施等试验研究工作，现场取得了设计、试验研究及施工等技术指标，并对比验证了导则相关技术要求，提出了修订意见与建议。

2.2.1 筑坝材料及性能

守口堡水库大坝的砂砾料场砂砾石的平均砂率为43.6%，经试验论证，砂砾料外掺25%上坝公路开挖石料后，最细级配由原来的砂率47.4%降低到38.0%，平均级配由原来的砂率43.6%降低到34.9%。骨料最大粒径、砂率、含泥量、胶凝材料的强度及VC值均满足导则要求。

2.2.2 结构设计

胶凝砂砾石坝是介于刚性胶结体和散粒体之间的一种坝型，其材料强度相对较低，将坝体断面设计为梯形，有利于降低坝体应力和地基应力。守口堡胶凝砂砾石坝建基面位于弱风化层上部，采用对称梯形断面，上下游坝坡比均为1∶0.6。坝体应力与稳定采用了材料力学法和刚体极限平衡法，并采用有限元法进行了验证计算，计算结果较导则规定具有一定的安全裕度。

守口堡胶凝砂砾石坝防渗体系由坝体常态混凝土防渗层和坝基灌浆帷幕构成，排水体系由坝体竖向排水塑料盲管和坝基排水孔幕、排水廊道构成。坝体未设横缝、纵缝，只在上游防渗层和下游保护层设伸缩缝。

2.2.3 施工工艺

大坝基础垫层材料采用的富浆胶凝砂砾石，具有胶凝材料少，与坝基、坝体弹性模量相当等优点，不易产生裂缝，且可连续碾压施工，加快了施工速度。

胶凝砂砾石中胶凝材料用量较低，为保证层间结合质量，施工层面应控制在胶凝砂砾石的初凝时间之内。超过初凝时间的施工层面，现场采用高压水冲毛、铺设20～25mm厚水泥砂浆等施工措施，以保证坝体碾压层间抗剪强度满足要求。

与底孔坝段常态混凝土结合部位，摊铺胶凝砂砾石时，在胶凝砂砾石碾压层摊铺时与底孔坝段常态混凝土之间预留间距20cm，碾压完毕后在预留空间内倒入二级配碾压混凝土加浆振捣，最后对胶凝砂砾石与变态混凝土结合部位再碾压1～2遍。与岸坡坝基结合部位采用二级配加浆碾压混凝土，富浆碾压混凝土先于坝体胶凝砂砾石卸料摊铺，然后进行碾压混凝土的加浆振捣，振捣完成后再进行胶凝砂砾石碾压。

坝体防渗体采用常态混凝土，与坝体胶凝砂砾石混凝土分两期施工，相互干扰大，处理工作及工期长，且存在薄弱的结合面。建议进一步研究二者同步施工工艺。

2.2.4 施工设备

胶凝砂砾石坝原材料主要是大坝上游河床天然砂砾料和坝基开挖料，使用1.6m3挖掘机开挖，20t自卸汽车运输至拌和站附近堆存，然后在堆存附近架设固定式格筛，剔除粒径大于150mm的石块。

胶凝砂砾石首次采用了专用拌和设备，保证了胶凝砂砾石的拌和能力与质量。经拌和的胶凝砂砾石运输采用20t自卸汽车装载运输，并直接上坝入仓。铺料采用平层平推法，摊铺厚度550mm(压实后层厚为500mm)。平仓方向平行于坝轴线，中间部位采用SD16型履带式推土机平仓，边角部位采用挖掘机平仓。碾压设备采用SSR260单钢轮振动碾，碾压方向垂直于水流方向，行走速度控制在1～1.5km/h，碾压遍数按工艺试验结果确定的8遍(其中，先静压2遍)，保证了胶凝砂砾石设计容重和强度。

坝区多年平均气温7.1℃，极端最低气温达-29.9℃，最大冻土深度为1.43m。胶凝砂砾石坝每年可施工时间为5—10月，有6个月的时间因寒冷冰冻无法施工，工程先后采用了水下保温和棉毡保温等措施。

2.2.5 质量检测

对原材料、拌和、碾压、强度等方面质量检测是控制胶凝砂砾石的质量关键环节。原材料控制是通过对工程采用的水泥、粉煤灰、外加剂、砂砾石料等原材料进行现场检测。拌和质量控制拌和方式、时间、出机口VC值、容重、含气、强度、混凝土性能等指标。碾压控制标准制定骨料分离情况、仓面VC值、拌和物暴露允许时间、表观密度、碾压摊铺厚度、碾压设备、行车速度、碾压遍数、层间间隔时间、压实容重和碾压层表面情况等施工质量控制指标。强度方面对出机口胶凝砂砾石湿筛试件，以及胶凝砂砾石全级配试件和垫层富浆胶凝砂砾石试件进行质量检测。在施工全过程、全方位检测胶凝砂砾石坝的施工质量。

3 《导则》修订意见

在山西守口堡水库和云南松林水库两个中型水利工程顺利建设的同时，《导则》主要技术内容也在工程的试验研究、设计、施工中得到了全面的验证，分析总结提出了具体修订意见与建议。

3.1 适用范围

《导则》规定适用于中小型水利水电工程，对胶凝砂砾石坝坝高超过50m或堆石混凝土坝高超过70m时应补充必要的专题论证，但未明确专题论证的相关内容，建议下一步明确专题论证的主要内容，同时还可适当提高坝高的适用范围。

3.2 原材料

3.2.1 堆石混凝土

(1)为入仓方便，避免影响堆石混凝土表面质量，建议堆石料粒径增加“也不宜大于浇筑层高”；

(2)堆石强度C9015对应的堆石料饱和抗压强度建议由大于等于30MPa提高为大于等于40MPa；

(3)堆石料建议增加“堆石宜使用块石或漂石，不应使用片状或板状岩块。”

(4)堆石料含泥量越小，对工程质量越有保证，堆石料的含泥量指标小于等于0.5%建议改为小于等于0.2%，并进一步明确含泥量检测方法。

(5)《导则》中对高自密实性能混凝土的掺合料规定可采用石粉，但未提出质量控制指标，建议补充石粉的要求、评价指标及检测要求等。

3.2.2 胶凝沙砾石

(1)为保障胶凝砂砾石的材料质量和施工性能，建议进一步明确适宜的砂砾石料级配范围，必要时可进行外掺开挖料，以调整骨料级配。

(2)《导则》规定胶凝砂砾石粒径小于5mm的砂率宜在18%～35%，守口堡水库通过外掺25%石料后最细砂率降低到38%，平均级配砂率降低到34.9%。建议结合不同工程实际，通过试验研究确定砂率控制范围，充分利用当地建筑材料，提高胶凝砂砾石坝的适应性。

(3)《导则》规定坝基垫层宜采用富浆胶凝砂砾石或常态混凝土等，对胶凝砂砾石粗骨料粒径则没有提出明确规定，建议粒径应控制在80mm之内。

3.3 大坝设计

(1)建议优化建筑物布置，宜减少坝内混凝土结构建筑物，以充分发挥胶凝砂砾石筑坝快速施工优势。

(2)《导则》规定胶凝砂砾石坝体采用梯形断面是合适的，从近期的研究成果来看，在满足稳定和应力要求时，上、下游坝坡的规定可进一步优化，根据工程实际情况可采用非对称梯形断面。

(3)胶结颗粒料与防渗混凝土、岸坡基岩等的结合部位是胶结颗粒料坝的关键，建议导则中进一步完善胶结颗粒料与坝体防渗层、保护层、坝基、岸坡、止水等结合面的细部结构设计，并对施工工艺提出质量控制要求。

(4)《导则》中胶凝砂砾石的强度等级最高为C18010，对于防渗层胶凝砂砾石，其强度等级一般高于坝体，建议补充给出过渡区。

(5)坝段之间或与基础、建筑物的接触面筑坝材料可采用富浆胶凝砂砾石或者加浆振捣胶凝砂砾石；下游防渗层可以采用加浆振捣胶凝砂砾石或者三级配常态混凝土。

(6)《导则》未对冬季施工提出规定，建议补充完善低温季节对胶结颗粒料坝的防渗层、保护层等，提出临时与永久保温的设计措施。

3.4 大坝施工

(1)建议《导则》中进一步细化坝体防渗层与保护层、坝基、止水等部位细部的施工工艺措施，施工过程中应完善安全监测的要求，加强安全监测仪器的设置与埋设。

(2)胶凝砂砾石坝施工采用专用拌和设备，为减小胶凝砂砾石大骨料离析，进一步提高专用拌和机使用寿命，建议增加拌和设备配置、改进补强等施工措施。

(3)胶凝砂砾石碾压最大厚度不宜超过700mm，范围偏大；层间砂浆垫层厚10～15mm，不易把握和控制，建议适当增加。

(4)胶凝砂砾石挤压边墙等施工工艺还有待进一步论证，优化防渗层与胶凝砂砾石入仓、碾压等施工工艺。

(5)《导则》中规定了堆石混凝土坝体的堆石料在入仓前应冲洗以保证含泥量，建议进一步优化冲洗措施，研究增加降低表面附着土体的工艺措施。

(6)高自密实性能混凝土受搅拌时间影响大，建议根据混凝土配合比、气温、混凝土出机状态等因素综合确定。

(7)高自密实性能混凝土的运输方式和能力应与拌和能力、浇筑能力和仓面情况相适应，不宜使用胶带机运输；建议将高自密实性能混凝土最大自由落下高度由不宜超过5m改为不宜超过3m。

3.5 质量控制与检查

(1)胶结颗粒料坝更应加强坝体结合部位、防渗层、止水、排水等关键部位的质量控制要求。

(2)建议开展450mm立方体的全级配大试件或原位试验，测试容重和强度，为质量和安全评定提供更接近真实性态的数据。

(3)加强堆石混凝土坝露石率质量控制，进一步研究胶凝砂砾石拌和物VC值的上、下限值控制标准。

(4)外加剂的检测频次每50～100t检测1次，建议改为“每10～20t检测1次”；稳定性在出机口进行取样，每仓至少检测一次。

4 结论与建议

4.1 结论

课题组两年多的精心组织，在云南松林水库、山西守口堡水库大坝工程开展的胶结颗粒料筑坝技术示范，通过室内试验、现场试验、计算分析与验证、施工工艺测试、施工设备与设施研发、实体质量检测，以及工程经验对比和技术培训交流等手段，取得了良好的示范效果，达到了示范任务的预期。

(1)验证了《导则》中有关规定和技术指标基本合理，具有可操作性，在规范胶结颗粒料筑坝的设计、施工、质量控制等方面发挥了重要作用；

(2)在胶结颗粒筑坝技术的标准化设计、施工方面起到了示范引领作用，可规范新技术在后续工程建设中的应用，提高技术管理水平；

(3)提高了工程技术人员对胶结颗粒料筑坝技术统一认识，加深了对胶结颗粒料筑坝技术的理解和掌握，有助于该技术的推广和应用。

据初步统计，至2017年底，在建的堆石混凝土坝30多座，拟建40多座；在建的胶凝砂砾石坝14座，拟建20余座。胶结颗粒料坝在国外肯尼亚、赤道几内亚、柬埔寨等非洲及东南亚国家也得到了推广应用。

4.2 建议

(1)持续开展关键技术问题的研究。针对胶结颗粒料坝中的关键技术问题，结合国家“十三五”科技支撑计划，进一步加强结构模型方法、破坏模式和耐久性等机理性研究，研发更先进适用的配套施工工艺和装备，研究胶结颗粒料坝数字化、智能化建设技术，力争在100米级高坝建设中取得突破。

(2)加大工程推广应用力度。加强现场工作指导及技术培训工作；结合工程实际情况，编制施工设备与工艺、现场施工细则、质量控制标准等技术和管理要求；加强现场质量检测工作，加大现场各项试验测试的频次，尽可能多的积累宝贵的现场第一手资料；重视工程施工期及运行期的安全监测工作，保证监测成果的有效性及连续性，为工程质量评价及安全运行提供科学依据。

(3)完善胶结颗粒料筑坝技术导则。认真总结工程实践和示范推广与培训经验，完善胶结颗粒料筑坝技术导则，建议在此基础上，基于当前工程建设实际，分别编制胶结颗粒料筑坝的设计、施工、质量控制、试验等规范和工程验收规程，形成完整的筑坝技术标准体系。