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1　CSG壩概述

壩工技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，即材料、設(shè)計(jì)及施工方法。例如，碾壓混凝土技術(shù)的發(fā)展使筑壩技術(shù)受益良多。為了進(jìn)一步縮短工期，降低工程造價(jià)，同時(shí)保護(hù)環(huán)境，壩工技術(shù)需要不斷發(fā)展。特別是在日本，由于料源選擇和交通運(yùn)輸條件受限，近年混凝土骨料占到大壩建設(shè)總造價(jià)的40%左右，迫切需要革新筑壩材料，降低工程造價(jià)，減少料場開挖邊坡對環(huán)境的影響。

圖1所示為膠凝砂礫石(CSG)壩標(biāo)準(zhǔn)斷面，壩體填筑主要為CSG材料，上下游壩坡由混凝土護(hù)坡，增強(qiáng)大壩耐久性。壩下上游側(cè)布置防滲混凝土廊道，收集壩體滲水。壩底層的CSG為混合材料，增加耐久性。與常規(guī)混凝土壩一樣，CSG壩采用彈性理論設(shè)計(jì)，泄洪建筑物和廊道可以設(shè)置在壩體內(nèi)，非常溢洪道置于壩頂。

表1所示為日本兩座已建和兩座在建CSG壩。

2　CSG壩設(shè)計(jì)理念

2.1　主要特征

2.1.1材料

與常規(guī)混凝土重力壩相比， CSG壩對壩體材料的強(qiáng)度要求較低，因此筑壩材料的選擇范圍更廣。

表1　日本CSG壩統(tǒng)計(jì)表(截止2016年)

除了要剔除或粉碎超徑料塊外，CSG料無需挑選，對級配無要求，也不需要沖洗，河床砂礫石、碎石，甚至易崩解的軟巖均可作為CSG料。而常規(guī)混凝土骨料則需要挑選，對級配有要求。顯然， CSG料的生產(chǎn)工藝比常規(guī)混凝土骨料要簡單，與土石壩填筑料相似。

2.1.2設(shè)計(jì)方法

除了筑壩料強(qiáng)度要求較低外，CSG壩對壩基巖體的要求也較低，因此壩址選擇更靈活。

混凝土重力壩設(shè)計(jì)中，壩體和壩基強(qiáng)度共同決定抗滑和抗傾穩(wěn)定性。而在CSG壩設(shè)計(jì)中，豎向應(yīng)力作用在整個(gè)壩體底層，因此壩底與壩基巖體間的摩擦力決定著抗滑穩(wěn)定性。

CSG壩壩基摩阻系數(shù)不小于1才能滿足抗滑穩(wěn)定性要求，因此一般要求上、下游壩坡坡比約為0.8。

2.1.3施工方法

CSG壩可以使用簡單的設(shè)備施工，使用連續(xù)攪拌系統(tǒng)可以提高施工效率。

2.2　設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.2.1整體穩(wěn)定性

(1)抗傾穩(wěn)定性。垂直應(yīng)力作用在整個(gè)壩底，即使考慮揚(yáng)壓力，正常及地震兩種工況下均為受壓狀態(tài)。

(2)抗滑穩(wěn)定性?？够θQ于壩體與壩基間的摩擦力，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(Fs)由下式計(jì)算：

Fs=f×V/H

(1)

式中，F(xiàn)s為滑動穩(wěn)定安全系數(shù)；f為壩體與壩基間摩擦系數(shù)；V為作用于壩體的豎直方向合力；H為作用于壩體的水平方向合力。

2.2.2壩體穩(wěn)定性(應(yīng)力和強(qiáng)度)

在不同水位和荷載條件下，根據(jù)各斷面壩體內(nèi)部應(yīng)力分布，計(jì)算CSG料所需強(qiáng)度。壩體內(nèi)的應(yīng)力均應(yīng)低于CSG料的強(qiáng)度，CSG料強(qiáng)度取鉆石體范圍內(nèi)的最小值。

∣σt∣×k

(2)

用F表示安全系數(shù)，所需CSG料強(qiáng)度Smax可用下式計(jì)算：

(3)

式中，max[A,B]表示A、B中的較大值。

2.2.3安全系數(shù)

CSG壩整體穩(wěn)定(抗滑穩(wěn)定性)和壩體穩(wěn)定安全系數(shù)列于表2，其中Fs為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，F(xiàn)為壩體穩(wěn)定安全系數(shù)。

表2　安全系數(shù)

注：*表示地震最大水平加速度2.5 m/s2。

2.2.4CSG強(qiáng)度

(1)CSG材料特性。圖2所示為CSG材料單軸抗壓試驗(yàn)測定的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢?，CSG材料具有彈塑性體的特征，彈性范圍(應(yīng)力應(yīng)變曲線為直線)內(nèi)的最大值取為CSG材料強(qiáng)度值，CSG壩在這一強(qiáng)度值內(nèi)設(shè)計(jì)，因此可將CSG壩體視為彈性體。與常規(guī)混凝土性質(zhì)不同，需要的CSG料強(qiáng)度不是極限強(qiáng)度，因而在強(qiáng)度試驗(yàn)中，不僅要測量應(yīng)力，還要測量變形。圖3示出了混凝土、CSG材料和巖石料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，CSG料的變形特性介于混凝土與巖石之間。

圖2　CSG材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖3　不同材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

(2)鉆石體理論。除了需要剔除(或破碎)超徑顆粒外，CSG材料無級配要求，因此即使從同一個(gè)料場采料，級配也不盡相同，也難保持相同的含水率，即使水泥摻量相同， CSG料的強(qiáng)度也存在波動。因此，CSG料強(qiáng)度按以下方法分析評估。①將取自同一料場不同位置的CSG料進(jìn)行顆粒大小分析，找出最粗級配和最細(xì)級配料樣。設(shè)計(jì)使用的CSG料級配介于最粗級配和最細(xì)級配之間，如圖4所示。在隨后的拌和試驗(yàn)中，選取不同含水率進(jìn)行測試，確定最粗級配與最細(xì)級配含水率允許范圍。②使用最粗和最細(xì)級配的全級配CSG料，最大顆粒粒徑80 mm，水泥摻量相同而含水率不同，用電動錘擊實(shí)制備直徑300 mm、高600 mm的圓柱體試樣，進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。試樣密度與施工現(xiàn)場碾壓密度相同，含水率在允許范圍內(nèi)，同時(shí)考慮試驗(yàn)條件可控性。施工時(shí)，CSG料的強(qiáng)度介于最粗和最細(xì)級配強(qiáng)度之間，含水率高于CSG料強(qiáng)度時(shí)的含水率，這就是確定CSG料強(qiáng)度的鉆石體理論。

3　當(dāng)別町大壩設(shè)計(jì)與施工

當(dāng)別町大壩位于北海道島，于2012年建成，壩高52 m，壩頂長432 m，填筑量81.3萬m3，控制流域面積231.1 km2，水庫面積5.8 km2，總庫容7 450萬m3，有效庫容6 650萬m3。水庫主要功能為防洪、維持生態(tài)流量、灌溉、供水等。

3.1　大壩設(shè)計(jì)

CSG壩最顯著的特點(diǎn)之一是壩體設(shè)計(jì)為彈性體，與混凝土壩類似，泄洪建筑物和檢修廊道布置在壩體內(nèi)，非常溢洪道設(shè)置在壩頂。但其設(shè)計(jì)方法與混凝土壩使用的剛性體方法明顯不同。

CSG壩依照CSG料的強(qiáng)度和彈性模量設(shè)計(jì)，壩體斷面形狀一經(jīng)確定，根據(jù)壩體所需強(qiáng)度設(shè)計(jì)混凝土配比，這與混凝土重力壩的設(shè)計(jì)有著本質(zhì)不同。CSG壩設(shè)計(jì)分三大步驟：

(1)步驟1。需要依照確定的CSG料特性(包括強(qiáng)度及彈性模量)和壩基巖體特性(彈性模量)開展設(shè)計(jì)工作；

(2)步驟2。設(shè)計(jì)應(yīng)滿足整體穩(wěn)定性(抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定)和壩體穩(wěn)定性需求；

(3)步驟3。確定壩型。

如果模型試驗(yàn)檢驗(yàn)CSG壩整體穩(wěn)定性和壩體穩(wěn)定性不能滿足要求，則應(yīng)增加上、下游坡比，重復(fù)上述3個(gè)步驟，直至得出合適的壩型。

CSG料具有明顯的彈塑性特征，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系類似于混凝土或巖石等材料。但普遍在CSG料的彈性區(qū)間內(nèi)進(jìn)行大壩設(shè)計(jì)，因而壩體可視為彈性體。一般采用二維有限單元法(FEM)分別對CSG壩靜態(tài)、動態(tài)荷載工況進(jìn)行應(yīng)力分析。

3.1.1壩體穩(wěn)定性

CSG應(yīng)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，不同工況下所要求的CSG材料強(qiáng)度最大值由最大壓應(yīng)力(對于受拉情況，由最大拉應(yīng)力乘以拉壓強(qiáng)度比進(jìn)行換算)乘以對應(yīng)安全系數(shù)獲得：正常工況安全系數(shù)為2，設(shè)計(jì)地震工況1.5，校核地震工況為1.2(見表2)。

圖5所示為當(dāng)別町大壩應(yīng)力分布與所需的CSG料強(qiáng)度。CSG料強(qiáng)度取壩體內(nèi)最大應(yīng)力值，僅3 N/mm2。

3.1.2整體穩(wěn)定性

對于壩體抗滑穩(wěn)定性，假設(shè)摩擦系數(shù)f為1.0， 當(dāng)別町大壩正常工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(Fs=f×V/H)不小于2.0，設(shè)計(jì)地震工況下不小于1.5，校核地震工況下不小于1.2，詳見表2。

確保CSG壩抗傾穩(wěn)定性，重要的是壩底豎向應(yīng)力均應(yīng)為壓應(yīng)力。當(dāng)別町大壩的抗傾穩(wěn)定性分析見圖6，分析表明，無論在設(shè)計(jì)地震工況下還是校核地震工況下，大壩底部豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力。

圖5　當(dāng)別町大壩不同工況下應(yīng)力分布及強(qiáng)度要求分布(單位：N/mm2)

3.1.3CSG強(qiáng)度

原則上除需剔除或破碎個(gè)別超徑顆粒外，CSG的原料無需調(diào)整級配。換言之，即使采自同一個(gè)料場，材料的顆粒大小分布也不盡相同(見圖7)。圖7還表明，混凝土骨料級配曲線為一條單一曲線。此外，CSG料級配的變化使得其含水率難以控制在一個(gè)恒定值上。

圖7　當(dāng)別町大壩CSG料和混凝土骨料粒徑分布曲線

基于鉆石體理論，當(dāng)CSG料強(qiáng)度取鉆石體內(nèi)最小強(qiáng)度值時(shí)，任何級配、任何含水率條件下的強(qiáng)度均大于CSG料強(qiáng)度。圖8(a)和圖8(b)清晰地顯示，CSG強(qiáng)度根據(jù)確定的級配和含水率進(jìn)行調(diào)整，或者說CSG料強(qiáng)度受級配和含水率雙向控制。圖8(a)中，水泥含量為60 kg/m3的CSG料強(qiáng)度值為1.2 N/mm2；圖8(b)顯示，水泥含量為80 kg/m3時(shí)，CSG料強(qiáng)度為2.3 N/mm2。CSG料強(qiáng)度是在直徑300 mm、高600 mm的全級配圓柱體試樣上測試的結(jié)果。

(a) 單位水泥含量60 kg/m3

(b) 單位水泥含量80 kg/m3圖8　CSG材料強(qiáng)度隨級配及含水率變化情況

當(dāng)別町大壩CSG料的水泥摻量根據(jù)計(jì)算得出的CSG料強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)測定的強(qiáng)度來確定，壩體上部的水泥摻量要比下部和內(nèi)部的低。

3.2　大壩施工

由于使用連續(xù)攪拌系統(tǒng)、分層填筑工藝，CSG壩施工進(jìn)度快。CSG壩施工包括3方面工作，即預(yù)制件模板安裝、混凝土保護(hù)層澆筑和CSG壩料填筑。為實(shí)現(xiàn)快速施工的目標(biāo)，上述3項(xiàng)工作分別在各自獨(dú)立場地內(nèi)施工，避免相互干擾，其中，預(yù)制件模板主要用于上、下游壩面。如果CSG材料連續(xù)填筑，并且3項(xiàng)工作在不同的場地各自獨(dú)立進(jìn)行，則CSG壩單層填筑周期為2 d，如圖9所示。目前， CSG壩單層填筑厚度均為75 cm，為加快施工進(jìn)度，需要研究增加單層填筑厚度的可行性。

圖9　CSG壩施工循環(huán)示意(每2 d填筑一層)

施工中，通常先填筑一層CSG料，形成CSG邊坡，后澆筑混凝土保護(hù)層或結(jié)構(gòu)混凝土。CSG邊坡的形成要使用特殊的頂坡碾壓設(shè)備，保證足夠的壓實(shí)度。

CSG邊坡示于圖10，使用特殊邊坡碾壓設(shè)備對CSG料進(jìn)行填鋪和碾壓。碾壓設(shè)備是在震動切縫機(jī)的振動器上安裝一塊坡比為1∶0.8的碾壓板制成，開發(fā)使用前邊坡施工通常使用裝備有0.4 m3鏟斗的反鏟機(jī)完成。為了提高施工效率，反鏟機(jī)裝配GPS定位系統(tǒng)，鏟斗面與1∶0.8坡面間的夾角顯示在駕駛室屏幕上，操作人員可以實(shí)時(shí)調(diào)控。

圖10　CSG壩邊坡典型斷面(單位：cm)

坡頂?shù)哪雺簶?biāo)準(zhǔn)控制在40 s，但由于連續(xù)碾壓會增加相鄰碾壓區(qū)域的高差，影響碾壓效果，因此將碾壓分為3個(gè)時(shí)段，即10，20，10 s。

CSG料填筑兩層后，開始澆筑混凝土保護(hù)層。如果第2層CSG料邊坡與第1層基本齊平，混凝土模板和邊坡面間的CSG料填鋪?zhàn)鳂I(yè)就會變得十分困難，因此，第2層CSG料填鋪時(shí)要在第1層坡頂基礎(chǔ)上后退50 cm，留出施工空間。

3.3　CSG料質(zhì)量控制

CSG壩質(zhì)量的關(guān)鍵是CSG料的強(qiáng)度，故質(zhì)量控制就是控制壩體填筑料的強(qiáng)度。

CSG料質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)如下：

(1)首要目的是控制CSG用料的強(qiáng)度；

(2)制備CSG料時(shí)，應(yīng)用鉆石體理論控制其強(qiáng)度，CSG料強(qiáng)度隨級配和含水率的變化而浮動；

(3)填鋪時(shí)，CSG材料強(qiáng)度應(yīng)由壓實(shí)能量(碾壓遍數(shù))控制；

(4)控制系統(tǒng)的適用性基于CSG料生產(chǎn)工藝以及現(xiàn)場填鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)其密實(shí)度變化幅度所決定的CSG料強(qiáng)度；

(5)現(xiàn)場實(shí)際檢測的CSG料強(qiáng)度會有所浮動，但應(yīng)遵循鉆石體理論，即檢測出的CSG料強(qiáng)度值應(yīng)大于或等于CSG料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。如果檢測的CSG料強(qiáng)度值低于CSG料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，則可能是所用料質(zhì)量問題，也可能是稱重系統(tǒng)故障引起的。

3.4　壩體和壩基狀況

蓄水初期，對當(dāng)別町大壩壩基以及上游分縫處外觀變形和滲漏情況進(jìn)行了監(jiān)測。

3.4.1滲漏

蓄水初期，壩體經(jīng)防滲處理后，壩體上游分縫處總滲漏量約為200 L/min。該滲流值在水庫第一次蓄水后的4 a內(nèi)，滲漏量逐年下降，到2015年滲漏量基本穩(wěn)定。在壩基排水孔監(jiān)測到的壩基總滲漏量約為40 L/min，并逐年下降， 到2015年壩基滲漏量也維持在穩(wěn)定的水平。

3.4.2外觀變形

分別在壩頂和下游邊坡安裝大壩外觀變形監(jiān)測設(shè)備，并采用光電測距儀進(jìn)行測量。水庫首次蓄水以來，4 a內(nèi)，對壩體最大橫斷面處壩頂部位3個(gè)方向的外觀變形情況進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(誤差控制在±5 mm以內(nèi))。監(jiān)測結(jié)果表明： CSG壩外觀變形量很小，并且與庫水位升降無關(guān)。

4　金姆大壩

作為東沖繩河綜合開發(fā)項(xiàng)目(Comprehensive Eastern Okinawa River Development Project)的一部分，金姆大壩項(xiàng)目是對已建的為金姆鎮(zhèn)供水的金姆壩的擴(kuò)建。擴(kuò)建后的金姆大壩主要功能涵蓋了防洪、保障供水、維持河流生態(tài)流量以及為城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)供水等。重建的大壩為CSG材料壩，壩高39 m，壩頂長461.5 m，填筑量30萬m3，控制流域面積14.6 km2，水庫面積0.61 km2，總庫容856萬m3，有效庫容786萬m3，于2012年建成。壩體斷面和上游設(shè)計(jì)分別見圖11與圖12。

圖11　金姆壩典型斷面(單位：mm)

圖12 金姆壩上游概貌

第1次蓄水期間，壩體分縫及壩基滲流量分別為5 L/min和50 L/min。壩頂安裝9臺監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行外觀變形監(jiān)測，首次蓄水期間對最大斷面壩頂進(jìn)行了3輪監(jiān)測，其結(jié)果均在誤差允許范圍內(nèi)，與當(dāng)別町大壩的變形特性基本一致。

5　結(jié)　語

目前，日本已建成兩座CSG壩，對大壩外觀變形和滲漏情況監(jiān)測結(jié)果令人滿意。近期，又將有兩座CSG壩正式開工建設(shè)，幾座超百米高的CSG壩也在規(guī)劃之中。本文研究結(jié)果表明，CSG壩的設(shè)計(jì)和施工是可靠和穩(wěn)定的。