房 晨

（吐魯番地區(qū)阿拉溝水庫(kù)建設(shè)管理局，新疆 吐魯番838000）

1 膠凝砂礫石（CSG）壩的提出與發(fā)展

膠凝砂礫石壩是在碾壓混凝土壩和面板堆石壩的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[1]。20 世紀(jì)60年代，受到土石壩施工方法的啟發(fā)，開(kāi)始研究和試建碾壓式混凝土壩，1960年首先在中國(guó)臺(tái)灣省內(nèi)修建石門(mén)土石壩的圍堰心墻中試用，隨即在意大利北部修建了高172 m 阿勒波熱拉力壩。20 世紀(jì)70年代，Raphael 等學(xué)者提出了碾壓混凝土筑壩技術(shù)，使常規(guī)混凝土筑壩有了新的發(fā)展，先后建設(shè)了日本的島地川碾壓混凝土重力壩(創(chuàng)立了RCD 工法)、美國(guó)的柳溪重力壩、中國(guó)的福建坑口壩。加拿大、英國(guó)、巴基斯坦和巴西等國(guó)相繼在筑壩、圍堰、修復(fù)加固工程上開(kāi)展了研究和實(shí)踐，取得了初步的經(jīng)驗(yàn)[2]?；炷撩姘宥咽瘔伟l(fā)源于美國(guó)，以?huà)佁疃咽癁橹黧w，以木面板、鋼面板等防滲[3]。1958年英國(guó)庫(kù)契壩首次引入振動(dòng)碾壓壩體堆石。隨后在60年代以后，大型振動(dòng)碾的出現(xiàn)，并且采用改進(jìn)的薄層振動(dòng)碾壓技術(shù)，使得堆石壩的壓縮性大大減小，解決了防滲面板不能適應(yīng)較大沉降變形的難題[3]。

J.M 拉斐爾于1970年提出了一種筑壩新材料[4]——膠凝砂礫石，建議使用CSG 材料筑壩并用高效率的土石方運(yùn)輸機(jī)械和壓實(shí)機(jī)械進(jìn)行施工，其優(yōu)點(diǎn)：1）材料抗剪強(qiáng)度高，可縮小壩體斷面；2）類(lèi)似于土石壩的施工方法可縮短施工時(shí)間和減少施工費(fèi)用；3）在天然級(jí)配的土石料中摻加少量水泥，使砂礫石料從散粒體變成連續(xù)體。在70年代初期，美國(guó)電力局在Texas 的Corpus Christi 的Barney M.Davis 電站建造了水泥土圍堰，共使用了26.8 萬(wàn)m3水泥土[5]，是第一次使用水泥土振動(dòng)碾壓實(shí)筑壩。此后，RCC（Roller compacted concrete）壩的發(fā)展趨勢(shì)之一是將干貧膠材作為壩體的筑壩材料（膠材含量少于l00 kg/m3），特點(diǎn)是壩體強(qiáng)度較低、具有一定的透水性，在上游面做防滲處理。這種RCC 類(lèi)型最早是美國(guó)1982年修建的Willow Creok 壩[5]。法國(guó)的隆德于1988年提出用碾壓硬填方的施工方法修建對(duì)稱(chēng)斷面壩，上游面設(shè)防水面板防滲，稱(chēng)之為硬填方面板壩，也稱(chēng)為CSG 壩[6]。他認(rèn)為這種壩的斷面大、應(yīng)力小，盡管壩的體積比常規(guī)的混凝土重力壩大，但是對(duì)于材料性能的要求可以降低，故在投資上可以節(jié)省。

1990年Dr.PaulBack 提出制定“最優(yōu)重力壩”標(biāo)準(zhǔn)，建議修建大壩要“相對(duì)低級(jí)配的RCC……不設(shè)縫，上下游是緩坡設(shè)計(jì)，只在上游面做防滲”[5]。“最優(yōu)重力壩”的進(jìn)一步發(fā)展是1992年pierreLonde 和MiehelLino 提出的“Faced Symmetrical Hardfill Dam（FsHD）”[7]和日本提出的“Trapezoidal，Cemented sand and Gravel（CSG）Dam”。1993年P(guān)ierreLonde 提出CSG 壩主要優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性大為改善，可以在軟弱地基及強(qiáng)地震區(qū)域安全地修建。

2 筑壩實(shí)踐

2.1 CSG 壩特點(diǎn)

1）由于壩體上下游壩坡采用等坡比設(shè)計(jì)，上游水壓力增大了壩體穩(wěn)定，內(nèi)部無(wú)拉應(yīng)力[7]，應(yīng)力場(chǎng)在各種水位作用下分布比較均勻。

2）拌合CSG 材料的所用膠凝材料（膠材含量少于l00 kg/m3）較少。由于壩體材料質(zhì)量要求較低，開(kāi)挖棄渣、河床砂礫石及軟巖等可簡(jiǎn)化制備工序或直接作為壩體材料使用，降低材料成本。

3）CSG 壩能使用施工開(kāi)挖棄渣、風(fēng)化巖石及砂礫石等材料，因此可以減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，縮小料場(chǎng)開(kāi)采規(guī)模和降低工程成本。

4）CSG 壩水泥用量少，溫升低，與碾壓混凝土（RCC）壩比，不存在溫控和設(shè)置伸縮縫問(wèn)題[8]。

5）CSG 壩材料摻有水泥及其它膠凝材料，與面板堆石壩相比，抗剪強(qiáng)度高于碾壓堆石體，壩體橫斷面遠(yuǎn)小于面板堆石壩，壩體滲透變形小，穩(wěn)定性好。

6）CSG 壩和一般混凝土重力壩相比，采用碾壓混凝土壩或土石壩施工的機(jī)械和方法，工藝簡(jiǎn)單、機(jī)械化水平高、施工速度快、自動(dòng)化程度高，有利于縮短工期、降低造價(jià)。

7）CSG 具有一定的強(qiáng)度和抗沖刷能力。施工期CSG 壩的壩面經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)胤雷o(hù)，壩頂即可臨時(shí)度汛，克服了土石壩不能過(guò)水的缺點(diǎn)；另外，可以在CSG 壩體布置溢洪道，避免了增加岸邊溢洪道或其它泄洪設(shè)施，便于施工導(dǎo)流和布置樞紐建筑物。

8）由于CSG 材料的彈性模量相對(duì)較小，CSG壩對(duì)地基的適應(yīng)性較強(qiáng)，抗震性能優(yōu)于碾壓混凝土壩。

9）CSG 壩的施工工藝比RCC 壩的更加簡(jiǎn)化。CSG 壩斷面大于RCC 壩，壩體層面依靠剪切摩阻力即可滿(mǎn)足穩(wěn)定要求，可以簡(jiǎn)化層面處理。

10）施工簡(jiǎn)便快速。

2.2 CSG 壩在國(guó)內(nèi)外的筑壩實(shí)踐

由于與常規(guī)壩型相比具有獨(dú)特的適用性和經(jīng)濟(jì)性，CSG 壩在國(guó)外己有一定的發(fā)展。目前，國(guó)外已建成很多CSG 壩，而這其中以日本居多。主要有忠別水庫(kù)二期截流、久婦須河水庫(kù)二期截流、摧上河水庫(kù)導(dǎo)流擋土墻及德山水庫(kù)一期截流、護(hù)岸和臨時(shí)渠道。另外，還有Nagashima 壩、Tokuyama、Takizawa 壩和34 m 高的排沙壩等工程。其特點(diǎn)是膠材含量為60 kg/m3，適宜的含水量為6%，容重控制在2.1～2.4 t/m3，強(qiáng)度在2～10 MPa 之間。CSG材料采用反鏟拌合，層厚250 mm，每攤鋪兩層進(jìn)行振動(dòng)碾壓。膠材含量達(dá)到80 kg/m3，采用筒式拌合機(jī)拌合。實(shí)踐證明采用河床砂礫石比開(kāi)挖的廢棄料，筑壩的效果會(huì)更好一些。

希臘修建了Marathia 和Ano Mera 兩座CSG壩，采用對(duì)稱(chēng)梯形斷面，坡度為l∶0.5，并在上游面做防滲處理。碾壓層厚在20～30 cm 之間，砂礫石經(jīng)過(guò)粉碎、篩選和分堆，最大粒徑為60 mm，膠材料為粉煤灰水泥70 kg/m3（粉煤灰含量20%），特殊情況下為80 kg/m3，此時(shí)就不再添加粉煤灰或其它的膠凝材料，容重為2.3～2.4 t/m3，7，28，90 d的強(qiáng)度分別為3，4，5 MPa。

多米尼加共和國(guó)在Moncion Contraembalse 壩采用了CSG 筑壩技術(shù)，壩高28 m，其兩側(cè)為土石壩，中部是CSG 壩，其上下游面坡度為l∶0.7，碾壓層厚30 cm，壩體每15 m 設(shè)置一條收縮縫，不處理冷縫。上游面用常規(guī)混凝土防滲面板，面板厚30 cm。此壩的膠凝材料含量為80 kg/m3，容重為2.28 t/m3，水灰比為1.7；90 d 齡期設(shè)計(jì)強(qiáng)度為9 MPa；骨料分成四個(gè)等級(jí)：0～4.76 mm 占25%，4.76～19 mm 占15%，19～38 mm 占20%，38～76 mm占40%。菲律賓在2004年初修建的40 m 高的Can-Asujan 硬填方壩，在地震應(yīng)力作用下，基礎(chǔ)應(yīng)力也不會(huì)超過(guò)0.5 MP[5]。1975—1982年，在巴基斯坦的塔伯拉泄洪洞修復(fù)工程中使用CSG 材料，平均施工強(qiáng)度8 371 m3/d，最大18 438 m3/d,體現(xiàn)了簡(jiǎn)便快捷的特點(diǎn)。

土耳其的cindere 壩是世界上最高的CSG 壩，壩體采用對(duì)稱(chēng)的梯形結(jié)構(gòu)，上游面采用混凝土面板加PVC 膜防滲，壩高72 m，上下游壩面坡度1∶0.7。壩體每20 m 設(shè)置一個(gè)垂直縫。膠凝材料是50 kg/m3水泥（強(qiáng)度為42.3 MPa）和20 kg/m3的粉煤灰。大壩施工一共用了150 萬(wàn)m3硬填方料和18 萬(wàn)m3的常規(guī)混凝土，容重為2.4 t/m3，180 d 的強(qiáng)度達(dá)到6 MPa。由于土耳其發(fā)生地震和洪水的幾率很高，對(duì)于CSG 壩來(lái)說(shuō)是很適合。目前，有3座CSG 壩正在設(shè)計(jì)中[5]。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)已建和在建CSG 工法施工實(shí)例。見(jiàn)表1。

2004年，貴州省道塘水庫(kù)上游過(guò)水圍堰工程中采用CSG 壩方案，通過(guò)大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得了許多寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這是國(guó)內(nèi)首例CSG 壩實(shí)踐，為我國(guó)CSG 壩的設(shè)計(jì)和施工積累了經(jīng)驗(yàn)。福建街面水電站下游圍堰也采用CSG 方案，取得了很好的效果[3]。以后陸續(xù)建設(shè)了洪口、功果橋、沙沱、飛仙關(guān)等CSG 工程。新疆阿拉溝水庫(kù)溢洪道沖溝填筑基礎(chǔ)采用了CSG 材料，是國(guó)內(nèi)第一次CSG 材料用于永久工程項(xiàng)目中。

表1 中國(guó)CSG 工法施工實(shí)例

3 國(guó)內(nèi)CSG 筑壩研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)CSG 壩的研究比較早，1992年蔣國(guó)澄翻譯P.隆德和M.林諾 的文章，介紹CSG 壩的參數(shù)研究，包括穩(wěn)定分析和經(jīng)濟(jì)比較。武漢大學(xué)水電學(xué)院及華北水利水電學(xué)院也對(duì)CSG 壩做過(guò)研究。其中唐新軍的博士論文主要內(nèi)容是從CSG 的基本性質(zhì)、強(qiáng)度指標(biāo)的合理取值、CSG 壩體的構(gòu)造特點(diǎn)、壩體受荷作用下的結(jié)構(gòu)形態(tài)等幾方面，對(duì)CSG壩進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究和分析。

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的賈金生等人[8]-[10]設(shè)計(jì)了福建街面水電站下游圍堰壩體的斷面，對(duì)堰體的應(yīng)力、穩(wěn)定和滲流進(jìn)行了分析，給出了CSG配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，以及“配合比控制范圍”設(shè)計(jì)方法。采用當(dāng)?shù)靥烊簧暗[石，摻入水泥和粉煤灰各4 0 kg/m3，其180 d 齡期抗壓強(qiáng)度等級(jí)可達(dá)到C7.5，抗?jié)B可達(dá)W12，抗凍可達(dá)F300。滿(mǎn)足圍堰的力學(xué)、穩(wěn)定、防滲和抗溶蝕要求，縮短了工期，降低了造價(jià)。他們也提出了影響CSG 材料性能的粗細(xì)集料的膠材裝體包裹率和膠結(jié)強(qiáng)度比的關(guān)鍵指標(biāo)，建議了較為適宜的材料參數(shù)選取范圍，對(duì)我國(guó)已建圍堰CSG 材料方面的特點(diǎn)等進(jìn)行了簡(jiǎn)要?dú)w納。針對(duì)功果橋電站土石過(guò)水圍堰工程量大、工期緊的特點(diǎn)，為滿(mǎn)足工程建設(shè)的進(jìn)度、質(zhì)量、投資控制要求，采用CSG 材料進(jìn)行圍堰填筑和防護(hù)，達(dá)到了節(jié)約投資、加快進(jìn)度、滿(mǎn)足圍堰施工技術(shù)控制要求的目的。針對(duì)CSG 材料展開(kāi)了試驗(yàn)研究，采用氣凍和冰凍兩種手段測(cè)試材料抗凍能力。未參加外加劑的膠凝砂礫石180 d 齡期抗?jié)B可達(dá)到W8，90 d 齡期抗凍不足25 次凍容循環(huán)，氣凍350次溫度循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量仍約65%，抗凍可達(dá)到600 次以上溫度循環(huán)。摻加外加劑的膠凝砂礫石相應(yīng)齡期的抗?jié)B為W12，抗冰凍達(dá)75 次凍融循環(huán)，氣凍350 次溫度循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量仍有80%以上，建議CSG 中采用外加劑。

孫明權(quán)等[11，12]在CSG 材料三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得出CSG 材料的初始切線(xiàn)彈性模量、殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系，建立了包含6 個(gè)參數(shù)的非線(xiàn)性軟化本構(gòu)模型。并通過(guò)理論曲線(xiàn)與三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，吻合情況良好，可以為CSG 壩的非線(xiàn)性分析提供依據(jù)。在非線(xiàn)性K—G 模型的基礎(chǔ)上，提出了該模型的體積變形模量Kt 和剪切變形模量Gt 的求取方法。模擬CSG 材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，能用于膠凝砂礫石材料的相關(guān)計(jì)算分析。蔡新等[13]在膠凝堆石料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和大三軸試驗(yàn)基礎(chǔ)上，得出膠凝堆石料的強(qiáng)度與圍壓之間滿(mǎn)足相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)出材料在壓縮狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系模型；通過(guò)模型對(duì)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和大三軸試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，可為膠凝堆石壩的計(jì)算分析設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

楊朝暉[14]介紹了CSG 技術(shù)在道塘水庫(kù)應(yīng)用的研究、設(shè)計(jì)成果的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。余文杰[15]提出了采用堆石混凝土材料和CSG 材料聯(lián)合筑壩的新思路。王曉強(qiáng)[16]研究表明，CSG 圍堰堰體的任何位置在任何工況下都不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力；在高水壓力梯度作用下經(jīng)滲透溶蝕之后的CSG 材料強(qiáng)度仍然滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，下游圍堰用CSG 材料施工是安全的、可行的。下游圍堰的工程實(shí)踐表明，與常規(guī)混凝土壩方案相比工期可顯著縮短，工程造價(jià)可明顯降低，值得大力推廣。陳振華等[17]介紹了CSG 壩在福建省寧德洪口水電站上游主圍堰、福建省尤溪街面水電站下游量水堰、云南省大理功果橋水電站上游圍堰護(hù)面、貴州省沿河沙沱水電站左岸大壩下游圍堰等工程應(yīng)用情況及所取得的技術(shù)發(fā)展。田育功等[18]通過(guò)CSG 配合比設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)研究、現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)及應(yīng)用，有效加快了上游圍堰的施工進(jìn)度、保證了圍堰質(zhì)量、提高了過(guò)流標(biāo)準(zhǔn)，為CSG 技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了第一手寶貴的參考資料。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)從CGS 材料的配合比設(shè)計(jì)方法；粗細(xì)集料的膠材裝體包裹率和膠結(jié)強(qiáng)度比對(duì)配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響，含泥量、砂率對(duì)CGS 材料強(qiáng)度的影響等；CGS 材料的強(qiáng)度、抗?jié)B及抗凍耐久性能；CGS 材料的基本性質(zhì)、強(qiáng)度指標(biāo)的合理取值、膠凝砂礫石壩壩體的構(gòu)造特點(diǎn)及壩體受荷作用下的結(jié)構(gòu)形態(tài)等；CGS 材料的本構(gòu)模型；CGS材料的水利工程設(shè)計(jì)應(yīng)用；CGS 材料的工程施工及質(zhì)量控制等方面的研究做了大量工作。但和其它使用成熟的材料比較，研究還很不足，對(duì)不同地區(qū)和不同成因環(huán)境的砂礫石的使用經(jīng)驗(yàn)還需進(jìn)一步研究。另外，由于天然砂礫石的級(jí)配、含泥量、砂率變化范圍較大，采用單一的配合比設(shè)計(jì)很難滿(mǎn)足CGS 材料質(zhì)量要求。大力開(kāi)展CGS 材料、本構(gòu)模型、工程設(shè)計(jì)、施工工藝及質(zhì)量控制研究和實(shí)踐是十分必要的。

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