富浆胶结砂砾石防渗保护结构施工工艺及质量控制方法

纪杰杰，李洪涛，高 尚，华天波，姚 强，陈 新

(四川大学水利水电学院，成都 610065)

0 引 言

胶结砂砾石(CSG)坝是一种结合混凝土坝和土石坝各自优点，使简易处理的砂砾石骨料与少量胶结材料拌合，形成位于土石坝散粒体和混凝土坝固结体之间的一种过渡性连续体材料，采用“宜材适构”的筑坝理念，集材料、设计及施工合理化于一体的新型筑坝技术[1,2]。

1970年，J.M.Raphael[3,4]首次提出CSG坝筑坝思想；20世纪90年代，日本坝工界提出梯形CSG坝筑坝技术体系，并分别于1992年与1999年建成Nagashima坝上游围堰和永久性工程Nagashima水库拦砂坝[5-7]；国内学者林一山、贾金生、何蕴龙等[8-13]人基于国外关于Hardfill坝和CSG坝的经验，先后丰富和发展了CSG筑坝理念和技术。

由于胶结砂砾石的胶结材料用量较少，耐久性指标较低[14]。对中小型工程，如果采用常规混凝土面板或变态混凝土作为坝体防渗保护结构，现场则必须布置骨料加工设备，导致施工成本很难控制。因此，结合胶结砂砾石坝“宜材适构”的筑坝理念，通过在胶结砂砾石中增加胶结材料用量，形成富浆胶结砂砾石作为坝体的防渗保护结构，充分利用现场材料解决该问题。目前国内对富浆胶结砂砾石用于CSG坝永久性防渗保护结构的研究尚存空缺[15,16]。

1 工程概况

顺江堰引水枢纽工程位于四川省都江堰灌区新津县，主要由溢流坝、泄洪闸、进水闸、上下游护堤组成，拦河坝采用闸坝方案，左岸布置270 m长溢流坝，坝高4 m，右岸布置3孔泄洪冲砂闸和两孔进水闸。溢流坝顶部为WES曲线型实用堰，坝芯采用C10胶结砂砾石，方量27 130 m3。基础垫层和上游面层采用C20富浆胶结砂砾石，方量12 212 m3。坝体剖面图见图1。

图1 顺江堰溢流坝坝体剖面图Fig.1 Overflow dam body section of Shunjiang weir

2 富浆胶结砂砾石防渗保护结构施工工艺

2.1 总体施工工艺

总体施工工艺包括骨料生产、拌和、运输、仓面作业等主要环节。借鉴变态混凝土施工经验，前期现场试验采用胶结砂砾石专用拌和系统拌制富浆干硬性胶结砂砾石，在仓面进行加浆变态。试验发现，胶结砂砾石在皮带机出口及成品出料仓内有明显的骨料离析现象。此外，富浆干硬性胶结砂砾石在仓面卸料后，采用加浆振捣的方式进行施工，浆液分布不均匀，不能很好地浸入胶结砂砾石下部，导致下部振捣困难且不利于层面结合，拆模后出现蜂窝麻面。

经现场试验改进，采用专用拌和系统拌制出符合配比的干硬性C20富浆胶结砂砾石，经自卸汽车运输至仓面附近，卸入仓前料斗并按一定比例加入水泥浆液，用反铲挖掘机充分拌和均匀后挖装入仓，这样可充分解决骨料离析及施工中出现的蜂窝麻面问题，故垫层及上游防渗保护层采用加浆拌合富浆胶结砂砾石的施工工艺进行施工。总体施工工艺流程见图2。

图2 富浆胶结砂砾石防渗保护结构总体施工工艺流程Fig.2 Rich-slurry CSG overall construction process flow of seepage prevention and protection structure

2.2 骨料生产工艺

根据工程设计，C20富浆胶结砂砾石作为垫层及上游防渗保护结构，承担坝体的防渗作用，施工方式主要是振捣施工，因此为了提高可振捣性及富浆胶结砂砾石的密实性，骨料最大粒径为80 mm。砂砾石骨料生产及储备流程见图3。

图3 富浆胶结砂砾石骨料生产及储备流程Fig.3 Rich-slurry CSG aggregate production and storage process

2.3 拌和工艺

2.3.1 专用拌合设备及工作原理

在对胶结砂砾石拌和设备缺乏深入研究的条件下，顺江堰胶结砂砾石坝作为一个新型技术推广的试验坝，采用中国水利水电科学研究院和中国大坝协会主导研发的连续式专用搅拌机进行拌制，即JLB200型胶结砂砾石拌和设备[17]。设备具体工作流程如图4所示。

图4 富浆胶结砂砾石专用拌和设备工艺流程Fig.4 Process flow of special mixing equipment for rich-slurry CSG

2.3.2 拌和工艺

(1)初次拌和。C20富浆胶结砂砾石的拌和工艺为：首先利用专用拌和设备拌制符合C20富浆胶结砂砾石配合比的干硬性胶结砂砾石，其配合比见表1，其工艺如图4所示。

表1 富浆胶结砂砾石现场初次拌合配合比Tab.1 Local first mixture ratio of rich-slurry CSG

注：单位用水量根据现场VC值试验满足(2～5S)确定。

(2)二次拌和。富浆干硬性胶结砂砾石经自卸汽车运输至仓面附近，卸入仓前料斗内(尺寸为5 m×4 m×0.8 m)，用一台JCZ500自落式搅拌机按照一定配比配制水泥浆液加入料斗内，二次拌合配比见表2，然后用反铲在料斗中将富浆胶结砂砾石搅拌均匀得到C20富浆胶结砂砾石，现场施工方式及流程如图5和图6所示。

表2 富浆胶结砂砾石现场二次拌合配合比Tab.2 Local second mixture ratio of rich-slurry CSG

注：加浆量根据现场塌落度试验满足(5～12 cm)确定。

图5 富浆胶结砂砾石二次拌和方式Fig.5 Second mixing method of rich-slurry CSG

图6 富浆胶结砂砾石二次拌和工艺流程Fig.6 Second mixing process flow of rich-slurry CSG

2.4 运输入仓工艺

富浆胶结砂砾石运输要求运输过程中胶结砂砾石不初凝、不离析、无过大温度变化，能够保证胶结砂砾石入仓温度要求。本工程采用汽车运输方案。初次拌合料用自卸汽车接料时，采用两点式或三点式接料，汽车进入接料区域后，先让汽车前半部分接料，接近1/2或1/3时，然后向前开行让车厢后半部分完成余下部分的接料。这样可使汽车中堆料均匀分布不致高低错落程度过大，以尽量减少在运输过程中的骨料离析。

2.5 仓面施工工艺

2.5.1 层面处理工艺

富浆胶结砂砾石层面铺筑超过允许时间及处理方法按表3进行处理[18]。

2.5.2 垫层施工工艺

垫层区采用平浇法施工，层厚50 cm左右，通仓连续浇筑，采用转载机、反铲等将石料推平，人工辅助平仓，振捣时采用Φ100插入式振捣器，振捣时间30～40 s。

2.5.3 防渗保护层施工工艺

根据坝体自身特点及施工需要，上游防渗保护层C20富浆胶结砂砾石采用了两种浇筑方式。

(1)与坝体同层上升。为保证工程施工质量，施工中采用保护层富浆胶结砂砾石与坝体胶结砂砾石同步上升。在碾压C10坝体胶结砂砾石的同时，进行C20富浆胶结砂砾石的入仓浇筑，二者浇筑层厚与碾压层厚相同。在振捣过程中，特别注意结合部位的施工质量，用高频振捣器从富浆胶结砂砾石的一侧向变态胶结砂砾石方向振捣，同时插入下层富浆胶结砂砾石5 cm。具体施工工艺流程见图7。

(2)与坝体不同层上升。由于富浆胶结砂砾石与胶结砂砾石同层上升对施工工期产生一定干扰，为加快施工进度，因此，部分坝段根据实际情况采用不同层上升的施工方法，即首先碾压坝体胶结砂砾石，然后进行保护层富浆胶结砂砾石施工。在坝体上游面设立两道模板，首先对碾压胶结砂砾石区域上游面立模进行碾压施工，上游靠近模板的位置采用变态改性的方式施工，待此区域上升若干层后，拆除模板同时对富浆上游侧安装模板进行富浆胶结砂砾石的浇筑。富浆胶结砂砾石浇筑到与碾压胶结砂砾石同高程之后，再进行碾压胶结砂砾石的施工，如此循环。具体施工工艺流程见图8。

表3 富浆胶结砂砾石层面间隔处理方法Tab.3 Level processing methods of rich-slurry CSG

注：抗剪强度试件由芯样或预埋试验模具制作。

图7 坝体同层上升施工工艺流程Fig.7 The process flow of the construction of the same layer of the dam body

图8 坝体不同层上升施工工艺流程Fig.8 The process flow of construction of different layers of dam body

3 富浆胶结砂砾石质量控制方法

3.1 质量控制指标

富浆胶结砂砾石的质量控制具体体现在三个核心环节，包括材料质量控制、拌和质量控制、仓面质量控制。富浆胶结砂砾石核心环节的质量控制具体指标如表4～表6所示，表中对其进行了详细的分析研究和归纳。在施工现场，仓面质量控制主要针对富浆胶结砂砾石的骨料离析情况进行严格控制。

3.2 现场质量控制方法

除控制原材料、拌合以及振捣施工过程，还分别对各仓次进行了跟踪检测，目的主要是控制浇筑的富浆胶结砂砾石材料的强度，具体检测结果如表7所示，并绘制富浆胶结砂砾石的强度质量控制图，如图9所示。根据强度随时间的变化，可动态掌握质量状态，判断其生产过程的稳定性，及时发现隐患，并采取措施，防止不合格生产。

从表7及图9可知，二次拌和富浆胶结砂砾石的28 d强度均大于实验室相应龄期的配制强度，强度值均在抗压强度中心线的上方，表明其实际质量均高于控制标准的要求，强度均有富余。

对本工程而言，由于其为国内首座永久性胶结砂砾石坝，对富浆胶结砂砾石的施工无相关经验可循。因此在实际施工中，从工程安全的角度出发，提高了质量控制标准，各材料的用量除采用实验室确定的配合比之外，还进行了坝外二次加浆拌和作业，增加胶结材料用量，以保证其施工质量。

4 结 语

针对国内首座胶结砂砾石永久性工程的富浆胶结砂砾石施工工艺和质量控制开展研究，立足工程实际，采用试验研究与工程应用相结合的方法，取得了以下成果和结论。

(1)结合顺江堰胶结砂砾石坝的实际工程施工，采用天然砂砾石开挖料作为胶结砂砾石的骨料，只需利用简单条筛剔除超径石料即可，相对于混凝土骨料生产中庞大的骨料破碎筛分系统而言成本低廉。

表4 富浆胶结砂砾石原材料检测方法Tab.4 Testing methods for raw materials of rich-slurry CSG

表5 富浆胶结砂砾石配料称量的允许偏差Tab.5 Allowable deviation of weighing of rich-slurry CSG

表6 富浆胶结砂砾石拌合物质量的检测项目及频次Tab.6 Testing items and frequency of the quality of the mixture of rich-slurry CSG

(2)富浆胶结砂砾石采用专用拌和系统拌制出符合配比的干硬性富浆胶结砂砾石，运输卸入仓前料斗内并按一定比例加入水泥浆液，采用反铲充分拌和均匀后挖装入仓，可以充分解决富浆胶结砂砾石运输过程导致的骨料离析问题，以及仓面直接加浆施工导致的蜂窝麻面问题。

(3)富浆胶结砂砾石的质量控制中比较重要的三个环节是材料质量控制、拌和质量控制、仓面质量控制，任何一个环节出现问题都将影响工程质量，特别是砂砾石级配和含水率以及仓面二次拌合的检测与控制是保证富浆胶结砂砾石强度的前提，施工过程应绘制相应的质量控制图。

表7 实际施工过程中富浆胶结砂砾石强度试验结果Tab.7 Strength test results of rich-slurry CSG in the actual construction process

图9 现场二次拌合强度质量控制图Fig.9 Quality control of local second mixing strength

(4)作为国内首座胶结砂砾石永久性工程，由于对富浆胶结砂砾石的强度特性缺乏相关经验，采用实验室确定的配合比和现场二次加浆拌和施工工艺，现场富浆胶结砂砾石的28 d强度均大于实验室相应龄期的平均强度，工程安全和施工质量能够得到保障。

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