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摘要：胶凝砂砾石筑坝技术是在碾压混凝土筑坝技术和面板堆石筑坝技术的基础上发展起来的一种新坝型，其特点是采用胶凝材料与砂砾石材料（包括砂、砾石、石等）拌合筑坝，使用高效率的土石方运输机械和压实机械施工。由于水泥的胶凝作用增大了材料的抗剪强度，与面板坝相比可以缩小坝体断面；由于简化了材料的配比和骨料的制作，与碾压混凝土坝相比可以简化施工、缩短工期和减少费用。胶凝砂砾石筑坝技术因施工快速、经济性和安全性好，以及环境友好，近年在日本、土耳其、希腊、法国、菲律宾等国的永久工程得到了应用，具有良好的发展前景。该新型筑坝技术的引进研究及推广应用对我国面广量大的中小型水库大坝工程、围堰工程建设，以及众多的病险水库除险加固工程具有重大意义。
关键词：胶凝砂砾石坝 技术特性 发展误区
1胶凝砂砾石坝技术特性和误区
1.1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’Approach）”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。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。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。
1.2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，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。
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。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。
1.3施工及工程应用
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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。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。
胶凝砂砾石筑坝技术首次成功应用于街面水电站下游围堰（坝高16.3m）和洪口水电站上游围堰（坝高35.5m）工程建设。
街面水电站下游围堰由于采用胶凝砂砾石筑坝技术加快了工程进度，加上胶凝材料用量大幅度减少，与原设计采用常态混凝土方案比较，工期缩短了约55%，节约造价约25%。街面下游胶凝砂砾石围堰成功实现了两面挡水，2004年12月投入运用至今状态良好，在国际处于领先水平。
洪口水电站上游胶凝砂砾石围堰采用全断面碾压，不设横缝和纵缝，与原设计采用碾压混凝土方案比较，缩短工期约51%，综合节省成本25%以上，取得了良好的社会经济效益。该围堰经受了超标准洪水的考验，堰顶最大水头8m，总过水时间44小时，围堰未发生裂缝，至大坝蓄水前一直运行良好，在国际上处于领先水平。
1.4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西部高寒高海拔地区修建胶凝砂砾石坝的技术优势
（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。
3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。胶凝砂砾石筑坝技术具有良好的经济性与安全性，且能充分利用当地材料，方便施工，对环境影响相对较小，在我国的中小型水库大坝工程、堤防工程及中小型病险水库除险加固工程等领域中具有广阔的应用前景，其推广具有良好的社会经济效益。
参考文献
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作者简介
秦明海（1978.12.19），男，土家族，工程师，本科学历，研究方向：水利水电工程施工。
论文作者:秦明海
论文发表刊物:《防护工程》2017年第13期
论文发表时间:2017/11/15
标签：砂砾论文; 应力论文; 重力坝论文; 断面论文; 混凝土论文; 材料论文; 围堰论文; 《防护工程》2017年第13期论文;