新疆平顶山胶凝砂砾石坝的设计与施工

凤不群，何建新

(1.四川隆祚工程咨询有限公司，四川 成都 610213；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；4.堤坝工程安全及灾害防治兵团重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

0 引言

胶凝砂砾石坝(Cement Sand and Gravel Dam)又称硬填方坝(Hardfill Dam)，是一种采用低强度胶凝颗粒材料形成的，具有一定强度和抗剪性能的固体介质材料形成的坝体，其雏形发展于Raphael提出的“最优重力坝”的概念[1]，并由Londe进一步研究命名为Hardfill坝型[2]。在胶凝砂砾石坝引入我国之后，我国学者针对该坝型进行了相关研究，并获得了一些成果。邓子谦等[3]通过对比Hardfill坝和重力坝的结构特性，结果表明胶凝砂砾石坝体承载能力高，应力分布均匀，是一种安全性较高的坝型；张劭华等[4]以我国修建的第一座胶凝砂砾石坝-山西守口堡工程为例，研究了胶凝砂砾石坝的抗震性能，分析得出了在设计地震烈度作用下，胶凝砂砾石坝具有良好的抗震安全性能；吴凤先等[5]建立了胶凝堆石坝坝基竖向应力求解方法，研究了不同坝高和坝体密度情况下坝基应力分布规律，对实际工程具有重要意义。冯炜等[6]研究了胶凝砂砾石材料配合比设计方法，分析了水胶比、水泥用量等参数对强度的影响规律，提出了胶凝砂砾石配合比设计参数的取值范围。张傲齐等[7]对采用胶凝砂砾石作为溢洪道基础的设计、施工工艺研究，取得了满足工程要求的系列成果。由于我国对胶凝砂砾石坝型的研究起步较晚，且国内已建此类坝型较少，使得该坝型在设计和施工方面仍有很大的研究空间。因此，本文在已有研究的基础上介绍了目前胶凝砂砾石坝的发展及具有的特点，并详述了已建成的木垒平顶山胶凝砂砾石坝采用的设计理论与施工工艺，最后通过质量检测证明了该坝型施工质量的可靠性，相关的研究成果可为后续同类坝型的建设提供一定的指导，并为国内胶凝砂砾石坝的建设实践积累了经验。

1 胶凝砂砾石坝的基本概念

1.1 胶凝砂砾石坝的发展

胶凝砂砾石坝与常规的混凝土坝相比，可就地取材、快速施工、利于保护环境；与常规的土石坝相比，其抗震和泄洪方面有突出的优势，对水利工程建设的可持续发展有极大促进作用。各国部分代表性的胶凝砂砾石工程见表1。

表1 各国部分代表性的胶凝砂砾石工程

改革开放以来，我国的坝工技术迅速发展[8]，碾压混凝土(RCC)坝和混凝土面板堆石坝(CFRD)两坝型已成为坝工建设的主导坝型，胶凝砂砾石坝则兼顾上述两坝的优势，充分利用当地材料，减少弃料，被视为“绿色环保坝型”。

在工程实践方面，中国水利水电科学研究院贾金生等[9]人承担的“胶凝砂砾石坝筑坝材料特性及其对面板防渗体影响的研究”，采用胶凝砂砾石材料成功建成了我国第一座临时工程—福建街面水电站下游围堰并成功运行。在此经验基础上又陆续在福建洪口水电站上游围堰、云南功果桥水电站上游围堰和乌江沙坨水电站下游围堰等多项临时工程成功应用，直到2014年山西守口堡水库大坝采用胶凝砂砾石材料开工建设，标志了该材料正式应用到了永久性工程中。尽管如此，胶凝砂砾石坝建设经验仍较为匮乏。因此，针对新疆木垒县平顶山胶凝砂砾石坝(如图1所示)的设计与施工，通过工程建设实践以积累经验。

图1 平顶山胶凝砂砾石坝

1.2 胶凝砂砾石坝的特点

由于胶凝砂砾石坝材料设计采用了随机级配的贫混凝土思想，施工方法采用了土石方填筑碾压的施工工艺。从结构稳定角度考虑，坝体剖面应是介于混凝土重力坝(陡边坡)和土石坝(缓边坡)两种坝型的中间，实际工程中其剖面经常采用一种梯形对称或近似对称的结构，上下游边坡坡度多采用1∶0.6～1∶0.8，胶凝砂砾石坝基本剖面示意如图2所示。

图2 胶凝砂砾石坝的基本剖面

对于不同高度的胶凝砂砾石坝，只要选择合适的上下游边坡坡度，坝体和坝基结构理论上是可以实现无拉设计的。应力计算结果表明，对于一个100m高采用对称结构的胶凝砂砾石坝，无论是在满库还是空库条件下，坝基都存在lMPa以上的压应力，甚至在设计加速度0.2g的地震荷载下，坝体结构也未产生拉应力。坝体的最大法向压应力则是控制坝体结构强度的重要条件，计算的坝体中最大压应力低于1.5MPa。因此，对胶凝砂砾石材料的唯一指标要求就是无侧限抗压强度，当其值达到4～6MPa时，就可保证大坝强度安全系数达到3-4的要求。

2 平顶山胶凝砂砾石坝的设计

2.1 坝址区地形地质条件

河床宽10～15m，纵坡为20‰～25‰，为冲积砂砾石覆盖层，厚度6m。两岸山体高耸雄厚，无邻谷渗漏问题，高程上满足筑坝要求。坝址处河谷形态呈对称的“U”型，岸坡呈左陡右缓，坡度为30°～55°，两岸坡基岩出露，分布的岩性为灰色-灰黑色凝灰质砂岩，岩石坚硬，整体性较好，无断层、破碎带等不良地质构造分布，岸坡稳定。

2.2 坝体设计

2.2.1枢纽布置

枢纽由挡水坝、坝身溢洪道和输水压力钢管组成。其中导流兼供水钢管布置在左岸，由洞身段，闸阀井段和消力池段组成，总长36.213m；溢流坝段布置在河床中部坝身上，采用无闸控制表面溢流泄洪方式，控制段长5.165m，采用净宽3.5m的WES溢流堰，泄槽段位于坝体下游坝坡上，为矩形断面整体式结构，泄槽净宽为3.5m。溢洪道末端消能采用底流消能，接消力池池长14.0m，宽3.5m，深1.5m，后接10.0m长格宾石笼作为海漫段与下游河床连接。

2.2.2坝体剖面设计

胶凝砂砾石坝遵循了分区设计的原则，在坝体中分别设置防渗区与稳定体区，类似于混凝土面板堆石坝。

(1)坝顶结构

参考SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》[10]坝顶最小宽度不宜小于3.0m，本工程大坝为5级建筑物，设计最大坝高22.3m，坝顶宽度4.0m，坝顶长度68m。坝顶采用沥青路面，设倾向下游2%的坡度以利排水，上游设高1.2m的钢筋混凝土防浪墙，并与上游混凝土防渗面板相接。下游坝肩设有钢制栏杆，栏杆高出坝顶路面1.2m。

(2)坝坡规划

坝体采用非对称的梯型剖面，上游坝坡在高程1740.8～1743.8m为垂直段，1740.8m以下坡比为1∶0.5，下游坝坡坡比为1∶0.75。

(3)坝体排水

坝体底部设置纵横向排水管，纵横向排水管均采用无砂砼管，管径30cm，以降低坝基扬压力。

(4)帷幕灌浆

本工程水头较低，坝基条件相对较好，故仅设单排帷幕灌浆进行弥补坝基防渗，孔距2m，深度以5Lu线作为控制标准。

(5)坝体材料分区

坝体胶凝砂砾石应满足强度和填筑时良好的压实性能要求，坝体混凝土和胶凝砂砾石按部位和工作条件采用不同标号，坝体分区示意图如图3所示。

图3 平顶山胶凝砂砾石坝标准剖面

Ⅰ区：是坝体的支撑区，采用胶凝砂砾石填筑。主受力区的应力条件是由材料的极限抗压强度控制的，即计算截面上的最大垂直压应力应小于胶凝砂砾石坝体和坝基的容许压应力值。允许压应力按胶凝砂砾石的极限抗压强度除以一定的安全系数K进行确定，当计算荷载为基本组合时，K不应小于4；特殊组合时K不应小于3.5。

Ⅱ区：混凝土防渗面板，采用厚度50cm的C20F200W6混凝土防渗面板。防渗层纵向分缝，间距8m为宜，以防止温度-收缩裂缝的发生，并满足防渗和耐久性要求，板内纵横向配0.4%的温度构造钢筋，缝面设表层塑性填料止水。

Ⅲ区：下游坝坡保护层，采用厚度30cm的C20F200W6常态混凝土面板，保护胶凝砂砾石材料。

Ⅳ区：坝体基础垫层，采用厚度50cm的C20F200W6混凝土浇筑。

Ⅴ区：溢洪道混凝土区，采用二级配C25F200W6钢筋混凝土浇筑，配筋率0.4%。

2.3 胶凝砂砾石配合比设计

2.3.1原材料

(1)水泥：32.5(P.C)普通硅酸盐水泥。

(2)砂砾料：由附近河床开采，将粒径大于200mm的超径料剔除，以筛漏全料作为胶凝砂砾石骨料，经级配统计分析，细料含量(<5mm颗粒含量)平均值为36.4%，含泥量(<0.075mm颗粒含量)的平均值为1.6%。

(3)外加剂：根据木垒地区的施工要求以及环境条件，拌和物初、终凝时间应满足层间间隔时间的要求，保证施工的连续性，胶凝砂砾石中添加缓凝剂采用柠檬酸钠，减水剂采用NF-1型高效减水剂。

(4)水：采用普通自来水，相应用量由拌合物VC值确定。

2.3.2配合比确定

根据平顶山大坝胶凝砂砾石的施工及运行工况，所用胶凝砂砾石拌合物和硬化后强度应满足表2—3的技术要求：

表2 胶凝砂砾石拌和物技术要求

表3 胶凝砂砾石力学性能设计指标

胶凝砂砾石材料强度主要受胶材用量、骨料中细料含量、含泥量和水胶比等多因素影响[11]。经配合比试验，并结合工程区气候、施工特点及设计要求，胶凝砂砾石拌合物出机口VC值为2～5s；击实后试件最大干密度为2.35g/cm3，28d抗压强度可达5.0MPa以上。同时，为保证碾压层面的结合质量，初凝时间控制在≥10h，终凝时间分别控制在≥26h，经过配合比优选，最后确定该工程胶凝砂砾石材料配合比见表4。

表4 胶凝砂砾石配合比

2.3.3现场碾压试验

根据施工配套机械，设计不同碾压遍数及铺料厚度，并通过现场碾压试验测定相应的压实密度和含水率，以设计压实标准为控制指标，确定现场施工碾压参数和工艺，相应的现场碾压试验结果见表5。本工程设计要求压实度为≥98%，相应的碾压干密度≥2.30g/cm3。

表5 碾压试验场地各测点压实度度试验结果汇总表

试验结果表明，当铺料厚度为50cm，碾压遍数为8遍和10遍时，场地3个测点的压实度均能满足设计要求。为保证碾压质量，最终确定胶凝砂砾石施工参数为：自行式振动碾碾重20t，行车速度2～3km/h，铺料厚度50cm，碾压遍数10遍。在此碾压试验的基础上编制了《平顶山胶凝砂砾石坝施工工法》指导工程施工。

2.4 抗滑稳定分析与坝体应力计算

2.4.1坝体建基面抗滑稳定分析

在对坝体沿地基表面的抗滑稳定分析及应力计算时，需考虑以下荷载：

坝体及其上部设备自身承受的重力荷载：混凝土重度取24kN/m；

水荷载：水库正常蓄水位为1742.46m，设计洪水位为1743.16m，校核洪水位为1743.53m。

泥沙压力：坝前的泥沙淤积高程为1734.35m，泥沙的水下内摩擦角取12°，浮重度为8kN/m3。

扬压力：坝基设有灌浆帷幕和排水孔。表6给出了在排水和帷幕失效最不利工况下的抗滑稳定安全系数，折减系数取1.0进行计算。

表6 胶凝砂砾石坝抗滑稳定安全系数统计

根据SL 319—2005规定，坝基面抗滑稳定安全系数可分别按抗剪强度和抗剪断强度公式进行计算。

由表6可知，建基面抗滑稳定安全系数满足规范允许值，平顶山水库胶凝砂砾石坝抗滑稳定。

2.4.2坝踵及坝趾应力计算

按SL 319—2005坝基应力分布的规定，采用弹性力学方法计算了坝踵及坝趾应力，结果见表7。

表7 大坝坝踵及坝趾垂直应力计算成果统计

根据规范规定，坝踵和坝趾之间的垂直应力抗压安全系数在各种荷载组合情况下(不包括地震荷载)应不低于4。相应地，为使坝体应力满足规范要求，计算出胶凝砂砾石的极限抗压强度应大于1.3MPa。

3 胶凝砂砾石坝体施工

3.1 大坝填筑施工

胶凝砂砾石坝的施工基本类同于碾压混凝土重力坝，工艺流程为：拌和、运输、摊铺碾压与质量检测等。

拌和：拌和是控制施工进度和质量的关键工序，由于工程规模较小，使用两台斗容量2.5m3装载机(如图4所示)进行料堆堆砌，分层添加胶凝材料并适当加水，每盘拌和需时20min左右，料堆直径4m，料堆高度2.0m，每盘约20～25m3，每小时可生产胶凝砂砾石拌合物60～80m3。拌合物的VC值考虑损失摊铺完毕后，仓面上应控制在3～5s为宜，以此来确定加水量或水泥浆量。

图4 装载机简易拌和

运输：胶凝砂砾石拌合场地距大坝仅300m，仍采用装载机直接运输上坝入仓。

摊铺：采用推土机进行仓面摊铺平仓。根据碾压试验铺层厚度50cm。为减少胶凝砂砾石的离散性，每个碾压层可分两层摊铺，每层25～30cm。

碾压：碾压工艺的选择对胶凝砂砾石填筑质量起着至关重要的作用，现场的碾压作业如图5所示。在进行碾压时，建议选择与堤坝轴线方向相同的方向进行碾压，同时碾压条带的宽度应为3m，碾压条带之间的搭接宽度应为0.4m，而顺碾压方向的搭接长度不应小于1.0～1.5m。振动碾在施工过程中的行走速度应保持在2～3km/h范围内。通过对试验结果进行分析，确定了碾压遍数为10遍，其中包括静压2遍和动碾8遍。

图5 胶凝砂砾石碾压作业

图6 制作的胶凝砂砾石试件

胶凝砂砾石摊铺完成至开始碾压的暴露时间间隔，以VC值不超过可碾值进行控制，通常可依据现场的气温、湿度和风速等环境条件，进行动态确定。

为提高胶凝砂砾石层间缝面结合质量，宜采用连续上升摊铺碾压，碾压层面间隔如小于初凝时间，可直接进行下一层胶凝砂砾石的铺筑碾压；若上层胶凝砂砾石铺筑时间超过初凝时间，这时的层面即出现“冷缝”，为保证碾压层面有效结合，碾压后的胶凝砂砾石表面应全面泛浆，略有弹性，可在“冷缝”层面上铺设一层水泥砂浆，层厚15mm。表明达到较好压实状态。对振动碾压不到的部位，采用蛙式打夯机或人工辅助分层夯实。

3.2 胶凝砂砾石施工质量检测

3.2.1压实度检测

为检验拌合物碾压质量，在每一碾压层均匀选取3个测点检测拌合物的压实密度，计算压实度，并以合格率和均匀性对碾压质量作出评价。整个施工期间，共计选取242个样本点，其中干密度最小值为2.30g/cm3，最大值为2.35g/cm3，压实度均在98%～100%区间内，合格率100%；且样本密度数据计算出的方差接近0，离散程度很小。表明胶凝砂砾石拌合摊铺均匀，碾压质量可靠度高。

3.2.2抗压强度检测

为检验拌合物力学性能，在每单元摊铺层取1试验组所需用量的拌合物，制作抗压试件，并进行强度统计分析。拌合物的制作、成型及养护参照混凝土湿筛制样法，脱模养护至28d后做抗压强度试验。施工期间共取30组试件，相应的28d抗压强度结果显示，抗压强度最大值8.72MPa，最小值5.26MPa，以本工程及要求的抗压强度1.3MPa为基准，即使是抗压强度最小值也远大于基准，且抗强度自身离散性较小，表明拌合物质量是可靠的。

3.2.3钻孔芯样检测

钻孔取样是检测胶凝砂砾石整体施工质量的直接手段，在其龄期达14d后进行取样，胶凝砂砾石芯样如图7所示，并待芯样养护至28d，测定其极限抗压强度。本工程分别在第20层和最后1层共钻取5组芯样，取出的芯样表面光滑致密，肉眼观察无气孔，粗细骨料分布相对均匀。养护至28d的芯样抗压强度结果见表9，以标准立方体试件为基准，抗压强度最大值为8.4MPa，最小值为5.9MPa，抗压强度最小值远高于工程设计要求的强度，且离散性较小，抗压强度分布均匀，表明胶凝砂砾石整体施工质量较好。

图7 胶凝砂砾石芯样

表9 胶凝砂砾石芯样抗压强度检测表

4 结论

胶凝砂砾石坝是近年来出现的新坝型，具有对材料性能要求较低、施工简便和造价低廉等特点。平顶山水库工程的成功实践，再一次验证了相关设计理论的可靠性，并在此基础上扩大了该坝型的应用条件，同时为相关设计理论的应用积累了经验。工程的施工即使采用了简易的施工工艺，仍能满足材料性能要求并保证施工质量，相应的质量检测结果表明物理、力学指标均存在一定的离散性，但离散性程度并不大，且相应的指标值均能满足设计要求，坝体施工质量能够得到保障。该工程的建设范例，可为后续同类工程在施工和设计方面提供一定的参考和指导。