［日本］ 藤澤忠彥

梯形膠凝砂礫石(CSG)壩與傳統(tǒng)重力壩和土石壩的不同之處在于:其壩體形狀為梯形，用CSG料建造而成。

在日本，建造的第1座此類建筑物是長(zhǎng)島(Nagashima)壩的上游圍堰。該圍堰原來(lái)是一座不透水的鋼壩，但是在1991年9月發(fā)生的一次臺(tái)風(fēng)期間被暴雨沖走。由于修復(fù)工作急，研發(fā)并采用了CSG法。具體來(lái)說(shuō)，就是該圍堰由CSG料建造。CSG料制備起來(lái)很簡(jiǎn)單，即使用骨料反鏟機(jī)將水、水泥與取自附近河床上的礫石拌合而成，無(wú)需級(jí)配或沖洗。然后用推土機(jī)攤鋪CSG，接著用振動(dòng)碾將其壓實(shí)。長(zhǎng)島壩鋼圍堰失事之后馬上就進(jìn)行了包括CSG材料試驗(yàn)和斷面設(shè)計(jì)在內(nèi)的緊張工作，并在第2年汛期到來(lái)之前完成了梯形CSG圍堰的建造工作。

隨后，陸續(xù)采用CSG料和CSG法興建了許多上游圍堰和其他臨時(shí)建筑物，如道路壓重填筑工程等，其原因在于很容易獲得材料，并且施工方法也很簡(jiǎn)單。第一批工程證明了CSG料及其相關(guān)的施工方法是相當(dāng)有效的，此后，該方法在像壩體這樣的永久性建筑物中的應(yīng)用需求增加。為了滿足這種需求，根據(jù)已經(jīng)獲得的CSG物理性能和施工法方面的知識(shí)，于1999年開(kāi)始采用梯形壩型和CSG法進(jìn)行壩設(shè)計(jì)。第2年完成了建議的設(shè)計(jì)方法。

將水泥、水與壩址附近獲得的材料在無(wú)需級(jí)配和沖洗的情況下拌合就可以很容易地制備CSG料，其強(qiáng)度當(dāng)然沒(méi)有混凝土那樣高。為了克服這一缺陷，將該種材料與不需要很高強(qiáng)度的梯形壩型結(jié)合使用。研究時(shí)使用了有限元法和能夠顯示應(yīng)力狀態(tài)的地震加速波的動(dòng)態(tài)分析法，并在設(shè)計(jì)中用到了這兩種方法。

將新提出的梯形CSG壩設(shè)計(jì)法用于設(shè)計(jì)大保(Taiho)壩的滲控建筑物(體積34000 m3，高30 m)和灰塚(Haizuka)壩水庫(kù)河川(Kawai)副壩的滲控建筑物(體積32000 m3，高14 m)，這兩座建筑物均用CSG法進(jìn)行施工。通過(guò)這兩座建筑物的設(shè)計(jì)與施工，可以獲得以下實(shí)際性能數(shù)據(jù):

(1)CSG的物理性能;

(2)試驗(yàn)方法;

(3)CSG梯形壩設(shè)計(jì)并將其建成永久性建筑物所需要的強(qiáng)度規(guī)范方法;

(4)與設(shè)計(jì)、施工以及質(zhì)量控制有關(guān)的其他許多創(chuàng)新。

根據(jù)這些結(jié)果，于2007年9月編制完成了《梯形CSG壩施工及質(zhì)量控制工程手冊(cè)》，為興建全尺度水壩奠定了基礎(chǔ)。其結(jié)果是，梯形CSG壩開(kāi)始得以實(shí)質(zhì)性的建設(shè)。

作為首批興建的全尺度梯形CSG壩示范工程，當(dāng)別(Tobetsu)壩(體積813000 m3，壩高30 m)和嘉賴(Kasegawa)壩水庫(kù)副壩(體積68000 m3)的壩體施工于2009年開(kāi)始，奧久(Okukubi)壩(體積339000 m3，壩高39 m)也于2010年開(kāi)工建設(shè)。所有這些壩的CSG填筑均在1 a之內(nèi)完成。

圖1、圖2和表1示出了當(dāng)別壩和奧久壩的相關(guān)信息。

圖1 當(dāng)別壩剖面

圖2 奧久壩剖面

表1 當(dāng)別壩和奧久壩的性能指標(biāo)

1 梯形CSG壩理念概述

壩工建設(shè)涉及設(shè)計(jì)、材料及施工。例如，為了使施工更為合理，發(fā)明了RCD法，在大壩的各個(gè)領(lǐng)域也發(fā)展了其他許多新技術(shù)。如今，為了降低成本、保護(hù)環(huán)境，需要研究新的技術(shù)。

尤其是在日本，獲得壩體材料所需的料場(chǎng)條件(如產(chǎn)料率及運(yùn)輸條件)面臨極大的挑戰(zhàn)。在近期所建的混凝土壩中，混凝土骨料成本占總成本的比例達(dá)到了40%左右。因此，急需使材料的利用更加合理，以降低成本，并減少開(kāi)挖邊坡產(chǎn)生的環(huán)境影響等。

梯形CSG壩不僅可以合理利用材料(此為目前需要克服的最大挑戰(zhàn))，而且有助于改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高施工效率。

CSG法具有以下特點(diǎn):

(1)能夠合理利用材料。梯形CSG壩壩體所需強(qiáng)度較小，所以材料的強(qiáng)度要求可以降低，容許使用質(zhì)量較低的材料，從而可增加選料的范圍。

(2)設(shè)計(jì)更合理。除了壩體材料要求的強(qiáng)度較低之外，梯形CSG壩對(duì)壩基巖石的要求也不高，因而增加了壩址選擇的靈活性。

(3)施工更合理。梯形CSG壩可由簡(jiǎn)易制料廠來(lái)建造，容許快速施工和拌合系統(tǒng)連續(xù)作業(yè)。

對(duì)梯形CSG壩和混凝土重力壩(設(shè)計(jì)成一個(gè)彈性體)之間的基本差別進(jìn)行了總結(jié)(表2)。圖3示出了這兩種建筑物設(shè)計(jì)過(guò)程的不同。

表2 兩種設(shè)計(jì)之間的差別

圖3 研究過(guò)程

梯形CSG壩工程從研究材料性能及使用這種材料的CSG的性能開(kāi)始，然后對(duì)適合于這些性能的設(shè)計(jì)形狀進(jìn)行研究。而混凝土重力壩研究則從設(shè)計(jì)壩體形狀開(kāi)始。

圖4示出了梯形CSG壩標(biāo)準(zhǔn)橫斷面及其結(jié)構(gòu)組成。梯形CSG壩，將CSG用于建造壩體的主要部分，并將混凝土保護(hù)層澆注在壩的表面以增加其耐久性;在上游側(cè)的底部用混凝土澆注廊道、結(jié)構(gòu)混凝土及滲控系統(tǒng);壩體底面上的CSG則為富灰混合料，以確保其耐久性。

圖4 梯形CSG壩標(biāo)準(zhǔn)橫截面

設(shè)計(jì)的梯形CSG壩其性能就像一個(gè)彈性體，因此，就像混凝土壩的情況一樣，泄水系統(tǒng)、廊道等都可以布置在壩體內(nèi)，而緊急溢洪道則可以建在壩頂上。

2 CSG及施工方法特點(diǎn)

用推土機(jī)攤鋪CSG料(將水泥、水與材料在無(wú)需分類、級(jí)配及沖洗的情況下拌合而成)。該方法可以降低成本，加快施工進(jìn)度并減少對(duì)環(huán)境的影響。

CSG特性及其使用方法如下所述。

2.1 材料的有效使用

CSG原料是像巖石一樣的材料，如為了形成基礎(chǔ)而開(kāi)挖的石料、河床砂礫石、階地上的泥沙以及風(fēng)化巖等，所有這些材料都可以相當(dāng)容易地獲取。只需清除大石，所以不需要分類揀選、混合及其他級(jí)配調(diào)整和沖洗。這就意味著無(wú)需像建混凝土壩那樣一般需要建一座較大的骨料加工廠。將水泥、水與CSG料拌合。采用一種連續(xù)拌合系統(tǒng)，它比通常使用的拌合系統(tǒng)更簡(jiǎn)單(見(jiàn)圖5)。

圖5 CSG料制備過(guò)程

2.2 簡(jiǎn)化施工

CSG法像RCD法一樣，也是使用通用型機(jī)械，如自卸汽車、推土機(jī)和振動(dòng)碾進(jìn)行分層填筑。

單位水泥含量很低，幾乎無(wú)滲出，所以無(wú)需進(jìn)行澆筑層層面鑿毛。

此外，除了左右壩肩附近之外，其余部位原則上無(wú)需設(shè)置橫縫。因此，工作相對(duì)較簡(jiǎn)單，速度也快很多。

2.3 CSG特性

CSG具有彈塑性體的特性，將應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為直線區(qū)域(彈性區(qū))的最大值定為CSG的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)保持在這一強(qiáng)度范圍內(nèi)，所以可以將梯形CSG壩作為一個(gè)彈性體來(lái)處理。

與混凝土不同的是，CSG的強(qiáng)度不是其峰值強(qiáng)度，而是用強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為線性關(guān)系(彈性區(qū)強(qiáng)度)區(qū)段的最大值。因此，在強(qiáng)度試驗(yàn)期間，不僅需要測(cè)量應(yīng)力，而且需要測(cè)量變形。

比較了混凝土、CSG和石料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)CSG的變形性能在混凝土與石料的變形性能之間。

2.4 確定CSG強(qiáng)度的菱形理論

由于CSG既沒(méi)有加以分類也沒(méi)有通過(guò)級(jí)配進(jìn)行調(diào)整，除了去除超徑料(包括軋碎)之外，即使材料是從同一采料場(chǎng)獲取，其級(jí)配也會(huì)發(fā)生變化。因此很難使其單位含水量保持不變，即使是單位含水量保持恒定，CSG的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。

采用最粗級(jí)配和最細(xì)級(jí)配的CSG料在水泥含量不變、含水量變化的情況下制備試件，以測(cè)試CSG的強(qiáng)度。而單位含水量的范圍則是根據(jù)單位含水量的容許范圍來(lái)選擇的，同時(shí)考慮了施工期間的可控范圍。圖6中的菱形(陰影部分)是根據(jù)代表采用的單位含水量范圍的直線和最粗、最細(xì)級(jí)配料的強(qiáng)度曲線來(lái)設(shè)定的。

圖6 菱形理論

將該“菱形”中的最低強(qiáng)度設(shè)定為CSG的強(qiáng)度。

采用最粗級(jí)配和最細(xì)級(jí)配之間的CSG料制成的CSG，其強(qiáng)度是根據(jù)上述過(guò)程和圖6中所述的方法確定的，可以確保一個(gè)大于確定的CSG強(qiáng)度值。這便為確定CSG強(qiáng)度的“菱形”理論。

2.5 CSG施工

CSG填筑步驟一般是:每個(gè)填筑層厚75 cm，用推土機(jī)分3層(每層25 cm厚)攤鋪和找平，然后根據(jù)規(guī)定的次數(shù)用11 t重的振動(dòng)碾壓機(jī)進(jìn)行壓實(shí)(振搗用兩臺(tái)碾壓機(jī)進(jìn)行)。

CSG的攤鋪/找平以及碾壓壓實(shí)均由安裝在推土機(jī)和振動(dòng)碾上的GPS設(shè)備控制。

當(dāng)別壩CSG填筑過(guò)程是:先在填筑面上噴水霧，在碾壓后的表面上蓋上一層防水帆布以防干燥。

3 未來(lái)展望

到目前為止，已經(jīng)建成了3座全比尺梯形CSG壩。通過(guò)對(duì)這些壩的材料試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、施工和質(zhì)量控制，已經(jīng)引入了許多創(chuàng)新技術(shù)，并獲得了很多知識(shí)。在日本，已經(jīng)規(guī)劃興建大型梯形CSG壩，所以將獲得更多的經(jīng)驗(yàn)來(lái)改進(jìn)此類建筑物的設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量控制。