鳳不群,何建新
(1.四川隆祚工程咨詢有限公司,四川 成都 610213;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830052;4.堤壩工程安全及災(zāi)害防治兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830052)
膠凝砂礫石壩(Cement Sand and Gravel Dam)又稱硬填方壩(Hardfill Dam),是一種采用低強(qiáng)度膠凝顆粒材料形成的,具有一定強(qiáng)度和抗剪性能的固體介質(zhì)材料形成的壩體,其雛形發(fā)展于Raphael提出的“最優(yōu)重力壩”的概念[1],并由Londe進(jìn)一步研究命名為Hardfill壩型[2]。在膠凝砂礫石壩引入我國之后,我國學(xué)者針對(duì)該壩型進(jìn)行了相關(guān)研究,并獲得了一些成果。鄧子謙等[3]通過對(duì)比Hardfill壩和重力壩的結(jié)構(gòu)特性,結(jié)果表明膠凝砂礫石壩體承載能力高,應(yīng)力分布均勻,是一種安全性較高的壩型;張劭華等[4]以我國修建的第一座膠凝砂礫石壩-山西守口堡工程為例,研究了膠凝砂礫石壩的抗震性能,分析得出了在設(shè)計(jì)地震烈度作用下,膠凝砂礫石壩具有良好的抗震安全性能;吳鳳先等[5]建立了膠凝堆石壩壩基豎向應(yīng)力求解方法,研究了不同壩高和壩體密度情況下壩基應(yīng)力分布規(guī)律,對(duì)實(shí)際工程具有重要意義。馮煒等[6]研究了膠凝砂礫石材料配合比設(shè)計(jì)方法,分析了水膠比、水泥用量等參數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律,提出了膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍。張傲齊等[7]對(duì)采用膠凝砂礫石作為溢洪道基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工工藝研究,取得了滿足工程要求的系列成果。由于我國對(duì)膠凝砂礫石壩型的研究起步較晚,且國內(nèi)已建此類壩型較少,使得該壩型在設(shè)計(jì)和施工方面仍有很大的研究空間。因此,本文在已有研究的基礎(chǔ)上介紹了目前膠凝砂礫石壩的發(fā)展及具有的特點(diǎn),并詳述了已建成的木壘平頂山膠凝砂礫石壩采用的設(shè)計(jì)理論與施工工藝,最后通過質(zhì)量檢測證明了該壩型施工質(zhì)量的可靠性,相關(guān)的研究成果可為后續(xù)同類壩型的建設(shè)提供一定的指導(dǎo),并為國內(nèi)膠凝砂礫石壩的建設(shè)實(shí)踐積累了經(jīng)驗(yàn)。
膠凝砂礫石壩與常規(guī)的混凝土壩相比,可就地取材、快速施工、利于保護(hù)環(huán)境;與常規(guī)的土石壩相比,其抗震和泄洪方面有突出的優(yōu)勢,對(duì)水利工程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展有極大促進(jìn)作用。各國部分代表性的膠凝砂礫石工程見表1。
表1 各國部分代表性的膠凝砂礫石工程
改革開放以來,我國的壩工技術(shù)迅速發(fā)展[8],碾壓混凝土(RCC)壩和混凝土面板堆石壩(CFRD)兩壩型已成為壩工建設(shè)的主導(dǎo)壩型,膠凝砂礫石壩則兼顧上述兩壩的優(yōu)勢,充分利用當(dāng)?shù)夭牧希瑴p少棄料,被視為“綠色環(huán)保壩型”。
在工程實(shí)踐方面,中國水利水電科學(xué)研究院賈金生等[9]人承擔(dān)的“膠凝砂礫石壩筑壩材料特性及其對(duì)面板防滲體影響的研究”,采用膠凝砂礫石材料成功建成了我國第一座臨時(shí)工程—福建街面水電站下游圍堰并成功運(yùn)行。在此經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上又陸續(xù)在福建洪口水電站上游圍堰、云南功果橋水電站上游圍堰和烏江沙坨水電站下游圍堰等多項(xiàng)臨時(shí)工程成功應(yīng)用,直到2014年山西守口堡水庫大壩采用膠凝砂礫石材料開工建設(shè),標(biāo)志了該材料正式應(yīng)用到了永久性工程中。盡管如此,膠凝砂礫石壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)仍較為匱乏。因此,針對(duì)新疆木壘縣平頂山膠凝砂礫石壩(如圖1所示)的設(shè)計(jì)與施工,通過工程建設(shè)實(shí)踐以積累經(jīng)驗(yàn)。
圖1 平頂山膠凝砂礫石壩
由于膠凝砂礫石壩材料設(shè)計(jì)采用了隨機(jī)級(jí)配的貧混凝土思想,施工方法采用了土石方填筑碾壓的施工工藝。從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定角度考慮,壩體剖面應(yīng)是介于混凝土重力壩(陡邊坡)和土石壩(緩邊坡)兩種壩型的中間,實(shí)際工程中其剖面經(jīng)常采用一種梯形對(duì)稱或近似對(duì)稱的結(jié)構(gòu),上下游邊坡坡度多采用1∶0.6~1∶0.8,膠凝砂礫石壩基本剖面示意如圖2所示。
圖2 膠凝砂礫石壩的基本剖面
對(duì)于不同高度的膠凝砂礫石壩,只要選擇合適的上下游邊坡坡度,壩體和壩基結(jié)構(gòu)理論上是可以實(shí)現(xiàn)無拉設(shè)計(jì)的。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于一個(gè)100m高采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的膠凝砂礫石壩,無論是在滿庫還是空庫條件下,壩基都存在lMPa以上的壓應(yīng)力,甚至在設(shè)計(jì)加速度0.2g的地震荷載下,壩體結(jié)構(gòu)也未產(chǎn)生拉應(yīng)力。壩體的最大法向壓應(yīng)力則是控制壩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要條件,計(jì)算的壩體中最大壓應(yīng)力低于1.5MPa。因此,對(duì)膠凝砂礫石材料的唯一指標(biāo)要求就是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,當(dāng)其值達(dá)到4~6MPa時(shí),就可保證大壩強(qiáng)度安全系數(shù)達(dá)到3-4的要求。
河床寬10~15m,縱坡為20‰~25‰,為沖積砂礫石覆蓋層,厚度6m。兩岸山體高聳雄厚,無鄰谷滲漏問題,高程上滿足筑壩要求。壩址處河谷形態(tài)呈對(duì)稱的“U”型,岸坡呈左陡右緩,坡度為30°~55°,兩岸坡基巖出露,分布的巖性為灰色-灰黑色凝灰質(zhì)砂巖,巖石堅(jiān)硬,整體性較好,無斷層、破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造分布,岸坡穩(wěn)定。
2.2.1樞紐布置
樞紐由擋水壩、壩身溢洪道和輸水壓力鋼管組成。其中導(dǎo)流兼供水鋼管布置在左岸,由洞身段,閘閥井段和消力池段組成,總長36.213m;溢流壩段布置在河床中部壩身上,采用無閘控制表面溢流泄洪方式,控制段長5.165m,采用凈寬3.5m的WES溢流堰,泄槽段位于壩體下游壩坡上,為矩形斷面整體式結(jié)構(gòu),泄槽凈寬為3.5m。溢洪道末端消能采用底流消能,接消力池池長14.0m,寬3.5m,深1.5m,后接10.0m長格賓石籠作為海漫段與下游河床連接。
2.2.2壩體剖面設(shè)計(jì)
膠凝砂礫石壩遵循了分區(qū)設(shè)計(jì)的原則,在壩體中分別設(shè)置防滲區(qū)與穩(wěn)定體區(qū),類似于混凝土面板堆石壩。
(1)壩頂結(jié)構(gòu)
參考SL 319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]壩頂最小寬度不宜小于3.0m,本工程大壩為5級(jí)建筑物,設(shè)計(jì)最大壩高22.3m,壩頂寬度4.0m,壩頂長度68m。壩頂采用瀝青路面,設(shè)傾向下游2%的坡度以利排水,上游設(shè)高1.2m的鋼筋混凝土防浪墻,并與上游混凝土防滲面板相接。下游壩肩設(shè)有鋼制欄桿,欄桿高出壩頂路面1.2m。
(2)壩坡規(guī)劃
壩體采用非對(duì)稱的梯型剖面,上游壩坡在高程1740.8~1743.8m為垂直段,1740.8m以下坡比為1∶0.5,下游壩坡坡比為1∶0.75。
(3)壩體排水
壩體底部設(shè)置縱橫向排水管,縱橫向排水管均采用無砂砼管,管徑30cm,以降低壩基揚(yáng)壓力。
(4)帷幕灌漿
本工程水頭較低,壩基條件相對(duì)較好,故僅設(shè)單排帷幕灌漿進(jìn)行彌補(bǔ)壩基防滲,孔距2m,深度以5Lu線作為控制標(biāo)準(zhǔn)。
(5)壩體材料分區(qū)
壩體膠凝砂礫石應(yīng)滿足強(qiáng)度和填筑時(shí)良好的壓實(shí)性能要求,壩體混凝土和膠凝砂礫石按部位和工作條件采用不同標(biāo)號(hào),壩體分區(qū)示意圖如圖3所示。
圖3 平頂山膠凝砂礫石壩標(biāo)準(zhǔn)剖面
Ⅰ區(qū):是壩體的支撐區(qū),采用膠凝砂礫石填筑。主受力區(qū)的應(yīng)力條件是由材料的極限抗壓強(qiáng)度控制的,即計(jì)算截面上的最大垂直壓應(yīng)力應(yīng)小于膠凝砂礫石壩體和壩基的容許壓應(yīng)力值。允許壓應(yīng)力按膠凝砂礫石的極限抗壓強(qiáng)度除以一定的安全系數(shù)K進(jìn)行確定,當(dāng)計(jì)算荷載為基本組合時(shí),K不應(yīng)小于4;特殊組合時(shí)K不應(yīng)小于3.5。
Ⅱ區(qū):混凝土防滲面板,采用厚度50cm的C20F200W6混凝土防滲面板。防滲層縱向分縫,間距8m為宜,以防止溫度-收縮裂縫的發(fā)生,并滿足防滲和耐久性要求,板內(nèi)縱橫向配0.4%的溫度構(gòu)造鋼筋,縫面設(shè)表層塑性填料止水。
Ⅲ區(qū):下游壩坡保護(hù)層,采用厚度30cm的C20F200W6常態(tài)混凝土面板,保護(hù)膠凝砂礫石材料。
Ⅳ區(qū):壩體基礎(chǔ)墊層,采用厚度50cm的C20F200W6混凝土澆筑。
Ⅴ區(qū):溢洪道混凝土區(qū),采用二級(jí)配C25F200W6鋼筋混凝土澆筑,配筋率0.4%。
2.3.1原材料
(1)水泥:32.5(P.C)普通硅酸鹽水泥。
(2)砂礫料:由附近河床開采,將粒徑大于200mm的超徑料剔除,以篩漏全料作為膠凝砂礫石骨料,經(jīng)級(jí)配統(tǒng)計(jì)分析,細(xì)料含量(<5mm顆粒含量)平均值為36.4%,含泥量(<0.075mm顆粒含量)的平均值為1.6%。
(3)外加劑:根據(jù)木壘地區(qū)的施工要求以及環(huán)境條件,拌和物初、終凝時(shí)間應(yīng)滿足層間間隔時(shí)間的要求,保證施工的連續(xù)性,膠凝砂礫石中添加緩凝劑采用檸檬酸鈉,減水劑采用NF-1型高效減水劑。
(4)水:采用普通自來水,相應(yīng)用量由拌合物VC值確定。
2.3.2配合比確定
根據(jù)平頂山大壩膠凝砂礫石的施工及運(yùn)行工況,所用膠凝砂礫石拌合物和硬化后強(qiáng)度應(yīng)滿足表2—3的技術(shù)要求:
表2 膠凝砂礫石拌和物技術(shù)要求
表3 膠凝砂礫石力學(xué)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)
膠凝砂礫石材料強(qiáng)度主要受膠材用量、骨料中細(xì)料含量、含泥量和水膠比等多因素影響[11]。經(jīng)配合比試驗(yàn),并結(jié)合工程區(qū)氣候、施工特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求,膠凝砂礫石拌合物出機(jī)口VC值為2~5s;擊實(shí)后試件最大干密度為2.35g/cm3,28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)5.0MPa以上。同時(shí),為保證碾壓層面的結(jié)合質(zhì)量,初凝時(shí)間控制在≥10h,終凝時(shí)間分別控制在≥26h,經(jīng)過配合比優(yōu)選,最后確定該工程膠凝砂礫石材料配合比見表4。
表4 膠凝砂礫石配合比
2.3.3現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)
根據(jù)施工配套機(jī)械,設(shè)計(jì)不同碾壓遍數(shù)及鋪料厚度,并通過現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)測定相應(yīng)的壓實(shí)密度和含水率,以設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)為控制指標(biāo),確定現(xiàn)場施工碾壓參數(shù)和工藝,相應(yīng)的現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)結(jié)果見表5。本工程設(shè)計(jì)要求壓實(shí)度為≥98%,相應(yīng)的碾壓干密度≥2.30g/cm3。
表5 碾壓試驗(yàn)場地各測點(diǎn)壓實(shí)度度試驗(yàn)結(jié)果匯總表
試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)鋪料厚度為50cm,碾壓遍數(shù)為8遍和10遍時(shí),場地3個(gè)測點(diǎn)的壓實(shí)度均能滿足設(shè)計(jì)要求。為保證碾壓質(zhì)量,最終確定膠凝砂礫石施工參數(shù)為:自行式振動(dòng)碾碾重20t,行車速度2~3km/h,鋪料厚度50cm,碾壓遍數(shù)10遍。在此碾壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上編制了《平頂山膠凝砂礫石壩施工工法》指導(dǎo)工程施工。
2.4.1壩體建基面抗滑穩(wěn)定分析
在對(duì)壩體沿地基表面的抗滑穩(wěn)定分析及應(yīng)力計(jì)算時(shí),需考慮以下荷載:
壩體及其上部設(shè)備自身承受的重力荷載:混凝土重度取24kN/m;
水荷載:水庫正常蓄水位為1742.46m,設(shè)計(jì)洪水位為1743.16m,校核洪水位為1743.53m。
泥沙壓力:壩前的泥沙淤積高程為1734.35m,泥沙的水下內(nèi)摩擦角取12°,浮重度為8kN/m3。
揚(yáng)壓力:壩基設(shè)有灌漿帷幕和排水孔。表6給出了在排水和帷幕失效最不利工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),折減系數(shù)取1.0進(jìn)行計(jì)算。
表6 膠凝砂礫石壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)
根據(jù)SL 319—2005規(guī)定,壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可分別按抗剪強(qiáng)度和抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算。
由表6可知,建基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范允許值,平頂山水庫膠凝砂礫石壩抗滑穩(wěn)定。
2.4.2壩踵及壩趾應(yīng)力計(jì)算
按SL 319—2005壩基應(yīng)力分布的規(guī)定,采用彈性力學(xué)方法計(jì)算了壩踵及壩趾應(yīng)力,結(jié)果見表7。
表7 大壩壩踵及壩趾垂直應(yīng)力計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)
根據(jù)規(guī)范規(guī)定,壩踵和壩趾之間的垂直應(yīng)力抗壓安全系數(shù)在各種荷載組合情況下(不包括地震荷載)應(yīng)不低于4。相應(yīng)地,為使壩體應(yīng)力滿足規(guī)范要求,計(jì)算出膠凝砂礫石的極限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于1.3MPa。
膠凝砂礫石壩的施工基本類同于碾壓混凝土重力壩,工藝流程為:拌和、運(yùn)輸、攤鋪碾壓與質(zhì)量檢測等。
拌和:拌和是控制施工進(jìn)度和質(zhì)量的關(guān)鍵工序,由于工程規(guī)模較小,使用兩臺(tái)斗容量2.5m3裝載機(jī)(如圖4所示)進(jìn)行料堆堆砌,分層添加膠凝材料并適當(dāng)加水,每盤拌和需時(shí)20min左右,料堆直徑4m,料堆高度2.0m,每盤約20~25m3,每小時(shí)可生產(chǎn)膠凝砂礫石拌合物60~80m3。拌合物的VC值考慮損失攤鋪完畢后,倉面上應(yīng)控制在3~5s為宜,以此來確定加水量或水泥漿量。
圖4 裝載機(jī)簡易拌和
運(yùn)輸:膠凝砂礫石拌合場地距大壩僅300m,仍采用裝載機(jī)直接運(yùn)輸上壩入倉。
攤鋪:采用推土機(jī)進(jìn)行倉面攤鋪平倉。根據(jù)碾壓試驗(yàn)鋪層厚度50cm。為減少膠凝砂礫石的離散性,每個(gè)碾壓層可分兩層攤鋪,每層25~30cm。
碾壓:碾壓工藝的選擇對(duì)膠凝砂礫石填筑質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用,現(xiàn)場的碾壓作業(yè)如圖5所示。在進(jìn)行碾壓時(shí),建議選擇與堤壩軸線方向相同的方向進(jìn)行碾壓,同時(shí)碾壓條帶的寬度應(yīng)為3m,碾壓條帶之間的搭接寬度應(yīng)為0.4m,而順碾壓方向的搭接長度不應(yīng)小于1.0~1.5m。振動(dòng)碾在施工過程中的行走速度應(yīng)保持在2~3km/h范圍內(nèi)。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,確定了碾壓遍數(shù)為10遍,其中包括靜壓2遍和動(dòng)碾8遍。
圖5 膠凝砂礫石碾壓作業(yè)
圖6 制作的膠凝砂礫石試件
膠凝砂礫石攤鋪完成至開始碾壓的暴露時(shí)間間隔,以VC值不超過可碾值進(jìn)行控制,通??梢罁?jù)現(xiàn)場的氣溫、濕度和風(fēng)速等環(huán)境條件,進(jìn)行動(dòng)態(tài)確定。
為提高膠凝砂礫石層間縫面結(jié)合質(zhì)量,宜采用連續(xù)上升攤鋪碾壓,碾壓層面間隔如小于初凝時(shí)間,可直接進(jìn)行下一層膠凝砂礫石的鋪筑碾壓;若上層膠凝砂礫石鋪筑時(shí)間超過初凝時(shí)間,這時(shí)的層面即出現(xiàn)“冷縫”,為保證碾壓層面有效結(jié)合,碾壓后的膠凝砂礫石表面應(yīng)全面泛漿,略有彈性,可在“冷縫”層面上鋪設(shè)一層水泥砂漿,層厚15mm。表明達(dá)到較好壓實(shí)狀態(tài)。對(duì)振動(dòng)碾壓不到的部位,采用蛙式打夯機(jī)或人工輔助分層夯實(shí)。
3.2.1壓實(shí)度檢測
為檢驗(yàn)拌合物碾壓質(zhì)量,在每一碾壓層均勻選取3個(gè)測點(diǎn)檢測拌合物的壓實(shí)密度,計(jì)算壓實(shí)度,并以合格率和均勻性對(duì)碾壓質(zhì)量作出評(píng)價(jià)。整個(gè)施工期間,共計(jì)選取242個(gè)樣本點(diǎn),其中干密度最小值為2.30g/cm3,最大值為2.35g/cm3,壓實(shí)度均在98%~100%區(qū)間內(nèi),合格率100%;且樣本密度數(shù)據(jù)計(jì)算出的方差接近0,離散程度很小。表明膠凝砂礫石拌合攤鋪均勻,碾壓質(zhì)量可靠度高。
3.2.2抗壓強(qiáng)度檢測
為檢驗(yàn)拌合物力學(xué)性能,在每單元攤鋪層取1試驗(yàn)組所需用量的拌合物,制作抗壓試件,并進(jìn)行強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析。拌合物的制作、成型及養(yǎng)護(hù)參照混凝土濕篩制樣法,脫模養(yǎng)護(hù)至28d后做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。施工期間共取30組試件,相應(yīng)的28d抗壓強(qiáng)度結(jié)果顯示,抗壓強(qiáng)度最大值8.72MPa,最小值5.26MPa,以本工程及要求的抗壓強(qiáng)度1.3MPa為基準(zhǔn),即使是抗壓強(qiáng)度最小值也遠(yuǎn)大于基準(zhǔn),且抗強(qiáng)度自身離散性較小,表明拌合物質(zhì)量是可靠的。
3.2.3鉆孔芯樣檢測
鉆孔取樣是檢測膠凝砂礫石整體施工質(zhì)量的直接手段,在其齡期達(dá)14d后進(jìn)行取樣,膠凝砂礫石芯樣如圖7所示,并待芯樣養(yǎng)護(hù)至28d,測定其極限抗壓強(qiáng)度。本工程分別在第20層和最后1層共鉆取5組芯樣,取出的芯樣表面光滑致密,肉眼觀察無氣孔,粗細(xì)骨料分布相對(duì)均勻。養(yǎng)護(hù)至28d的芯樣抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表9,以標(biāo)準(zhǔn)立方體試件為基準(zhǔn),抗壓強(qiáng)度最大值為8.4MPa,最小值為5.9MPa,抗壓強(qiáng)度最小值遠(yuǎn)高于工程設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度,且離散性較小,抗壓強(qiáng)度分布均勻,表明膠凝砂礫石整體施工質(zhì)量較好。
圖7 膠凝砂礫石芯樣
表9 膠凝砂礫石芯樣抗壓強(qiáng)度檢測表
膠凝砂礫石壩是近年來出現(xiàn)的新壩型,具有對(duì)材料性能要求較低、施工簡便和造價(jià)低廉等特點(diǎn)。平頂山水庫工程的成功實(shí)踐,再一次驗(yàn)證了相關(guān)設(shè)計(jì)理論的可靠性,并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大了該壩型的應(yīng)用條件,同時(shí)為相關(guān)設(shè)計(jì)理論的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。工程的施工即使采用了簡易的施工工藝,仍能滿足材料性能要求并保證施工質(zhì)量,相應(yīng)的質(zhì)量檢測結(jié)果表明物理、力學(xué)指標(biāo)均存在一定的離散性,但離散性程度并不大,且相應(yīng)的指標(biāo)值均能滿足設(shè)計(jì)要求,壩體施工質(zhì)量能夠得到保障。該工程的建設(shè)范例,可為后續(xù)同類工程在施工和設(shè)計(jì)方面提供一定的參考和指導(dǎo)。