談中小型水利工程膠凝砂礫石應(yīng)用

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［關(guān)鍵詞］膠凝砂礫石；中小型水利工程；工程應(yīng)用；施工工藝

砂礫石是一種常見(jiàn)的顆粒狀、無(wú)粘性材料，在工程中應(yīng)用廣泛。膠凝砂礫石壩作為膠結(jié)顆粒料壩的一種，其最大骨料粒徑可以放寬至150mm（對(duì)于圍堰，最大粒徑小于300mm），是一種介于傳統(tǒng)重力式土石壩和混凝土壩之間的新型壩[1]。通過(guò)各種材料的膠結(jié)，形成一種各項(xiàng)性能稍低于混凝土的材料，強(qiáng)度、抗剪能力和抗沖刷能力都能滿(mǎn)足工程使用，但在壩體重要部位還應(yīng)該使用高強(qiáng)度材料，壩體按照功能是常見(jiàn)的做法[2-4]。同時(shí)，膠凝砂礫石壩考慮不同地區(qū)使用要求時(shí)，需要進(jìn)行配合比二次調(diào)整以滿(mǎn)足各種強(qiáng)度要求以及抗凍、防滲等要求。由于膠凝砂礫石對(duì)材料適應(yīng)性強(qiáng)[5-6]，可以因地制宜利用當(dāng)?shù)卦?，其在?jīng)濟(jì)適用、環(huán)保節(jié)約等方面具有綜合優(yōu)勢(shì)，是中小型水利工程領(lǐng)域新的發(fā)展方向，具有廣泛的適用性[7-8]。本文旨在前人研究技術(shù)上，對(duì)膠凝砂礫石在中小型水利工程的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行分析，重點(diǎn)闡述配合比、施工工藝及膠凝砂礫石壩斷面形式方面的設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)。

1砂礫石料制備

相對(duì)于碾壓混凝土，膠凝砂礫石骨料最大的區(qū)別為原則上可以是不用經(jīng)過(guò)復(fù)雜篩分水洗的砂礫石混合料，骨料就是砂礫石混合料，對(duì)于永久工程最大骨料粒徑可達(dá)150mm，在生產(chǎn)過(guò)程中只需剔除大于設(shè)計(jì)最大粒徑石料即可。同時(shí)骨料需滿(mǎn)足一定的砂率，相對(duì)于碾壓混凝土砂率可使用范圍變廣，可在18%～35%之間。粗骨料在使用中對(duì)各粒徑組的比例沒(méi)有嚴(yán)格限制，只對(duì)5mm～40mm粒徑含量有一定要求，宜在35%～65%之間。未經(jīng)開(kāi)采的天然砂礫石混合料，其天然級(jí)配分布較為均勻，是膠凝砂礫石最為理想的骨料來(lái)源。人工砂石骨料亦是采用爆破混合料或工程開(kāi)挖料等經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易破碎獲得。對(duì)于膠凝砂礫石的人工骨料，沒(méi)有碾壓混凝土要求嚴(yán)格，無(wú)需經(jīng)過(guò)多次破碎和篩分來(lái)獲得滿(mǎn)足要求的各個(gè)粒徑組的骨料。膠凝砂礫石骨料生產(chǎn)系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。

2配合比設(shè)計(jì)

膠凝砂礫石的原材料一般為開(kāi)采天然砂礫石、地基巖石開(kāi)挖料、破碎料等，其最大骨料粒徑小于150mm，篩分之后超過(guò)使用要求的骨料將進(jìn)行破碎處理，最大化合理利用原材料。膠凝砂礫石骨料相較于傳統(tǒng)混凝土用量較少，同時(shí)膠結(jié)材料用量（水泥和粉煤灰等）與碾壓混凝土相比要節(jié)約30%。膠凝砂礫石具有材料易得、處理簡(jiǎn)單、施工方便、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，適用于中小型水利工程建設(shè)[7]。膠凝砂礫石作為一種新型材料，在設(shè)計(jì)中必須保證膠凝砂礫石的強(qiáng)度滿(mǎn)足工程使用要求，陳斌興[8]根據(jù)日本CSG配合比設(shè)計(jì)方法，提出了一種膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)方法。在料場(chǎng)取原材料后，根據(jù)篩分實(shí)驗(yàn)繪制料場(chǎng)原料試樣砂礫石的級(jí)配包絡(luò)線(xiàn)，分別得出了最粗級(jí)配、最細(xì)級(jí)配和平均級(jí)配。在確定膠凝砂礫石土石壩施工配合比時(shí)，平均膠凝砂礫石的強(qiáng)度應(yīng)該滿(mǎn)足配制強(qiáng)度f(wàn)cu，0，且強(qiáng)度最小值不低于配置強(qiáng)度，膠凝砂礫石的最細(xì)級(jí)配強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)cu，k，且強(qiáng)度最小值不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)強(qiáng)度與配制強(qiáng)度的線(xiàn)性關(guān)系式為：式中：t是概率系數(shù)；σ為抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差。在膠凝砂礫石粗骨料選擇時(shí)宜以采用四個(gè)級(jí)配的粗骨料，直徑范圍在5mm～150mm之間，從小到大的直徑差值范圍區(qū)間分別為15mm、20mm、40mm、70mm。同時(shí)由于含泥量對(duì)膠凝砂礫石的強(qiáng)度影響很大，要求現(xiàn)場(chǎng)砂礫石骨料中含泥量不超過(guò)5%，過(guò)高的含泥量將影響膠凝砂礫石的材料強(qiáng)度、抗凍性及抗?jié)B性，因此在中小型水利工程，如土石壩中含泥量指標(biāo)限制嚴(yán)格。在實(shí)際工程中建議的水膠比為0.7~1.3之間最為合適，過(guò)低的水膠比由于水量少、漿體量少，材料之間空隙多，導(dǎo)致密實(shí)性差、強(qiáng)度降低。膠凝砂礫石由于其骨料選擇范圍寬泛，比如河床砂礫石、壩基開(kāi)挖料、人工骨料和天然骨料的混合料，都是可選骨料，由于骨料選擇不受傳統(tǒng)級(jí)配限制，因此骨料性質(zhì)對(duì)膠凝砂礫石的工程特性影響較大，一般需要基于工程實(shí)際開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行配合比的二次設(shè)計(jì)。室開(kāi)展采用河床開(kāi)挖料、砂巖與卵石混合骨料配制膠凝砂礫石，以及墊層富漿膠凝砂礫石配合比等試驗(yàn)，流程見(jiàn)圖2。

3施工工藝

3.1膠凝砂礫石的拌和制備

在膠凝砂礫石拌和過(guò)程中，由于膠凝砂礫石原材料級(jí)配離散度高、骨料水敏感度強(qiáng)、含泥量較高，應(yīng)該采用特定的設(shè)備和工藝來(lái)保證施工質(zhì)量。現(xiàn)階段，膠凝砂礫石壩的施工拌和設(shè)備采用的北京水利科學(xué)研究院研制的連續(xù)拌和設(shè)備，主要特點(diǎn)有：利用滾筒將物料提升，然后自落，并利用滾筒內(nèi)葉片的強(qiáng)制拌和作用，實(shí)現(xiàn)膠結(jié)砂礫石的拌和；JLB-200型專(zhuān)用拌和設(shè)備可實(shí)現(xiàn)拌和，骨料、水泥和水等自動(dòng)準(zhǔn)確計(jì)量一體化；連續(xù)滾筒式專(zhuān)用攪拌機(jī)具有拌和最大粒徑為150mm的能力，其每小時(shí)生產(chǎn)能力可達(dá)到200m3，并且具有較高精準(zhǔn)度的計(jì)量系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足施工過(guò)程的快速高質(zhì)量完成[9]。在四川省順江堰膠凝砂礫石壩施工現(xiàn)場(chǎng)，JLB-200型專(zhuān)用拌和設(shè)備的使用情況見(jiàn)圖3。

3.2膠凝砂礫石壩壩體施工

針對(duì)膠凝砂礫石材料的特點(diǎn)，可采取兩種施工方法耦合，以碾壓施工為主，振搗施工為輔。碾壓施工是當(dāng)前一種常見(jiàn)的施工方法，將膠結(jié)材料（例如水泥）和水加入到原材料（天然砂礫石、地基巖石開(kāi)挖料、破碎料）中，經(jīng)過(guò)拌和、碾壓處理。但對(duì)于小型水庫(kù)、山塘等低壩而言，由于碾壓機(jī)械體積過(guò)大無(wú)法進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，因此在中小型水利工程中多以振搗施工來(lái)輔助施工。在澆筑施工時(shí)使用高頻率振搗，同時(shí)要求膠凝砂礫石具有一定的坍落度。該項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)水利工程施工中，不僅節(jié)省工程總投入，也拓寬了膠凝砂礫石壩的應(yīng)用范圍。在膠凝砂礫石壩壩體鋪筑時(shí)，入倉(cāng)采用自卸汽車(chē)運(yùn)輸，人工輔助進(jìn)行平倉(cāng)，最后進(jìn)行振動(dòng)碾壓。在確定碾壓方案之前應(yīng)該進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，從而確定靜碾次數(shù)和動(dòng)碾次數(shù)。對(duì)于邊角部位，由于施工設(shè)備的局限性，宜采用人工造孔的方式，在振搗與碾壓邊緣的交接部位應(yīng)該額外使用振動(dòng)設(shè)備進(jìn)行處理，保證整體施工質(zhì)量。注漿水膠比在0.7~1.3之間最為合適，保證適宜的密實(shí)性和足夠的強(qiáng)度。需注意，不同材料接觸部位的施工，應(yīng)該符合功能梯度概念實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)變化，保證水利工程安全可靠。膠凝砂礫石層面往往會(huì)因在初凝前不能及時(shí)全面覆蓋而產(chǎn)生施工縫，除了要保證在初凝前及時(shí)進(jìn)行覆蓋外，應(yīng)該盡量對(duì)膠凝砂礫石層進(jìn)行連續(xù)碾壓施工。對(duì)于未及時(shí)處理而產(chǎn)生的施工縫，毛化處理后鋪設(shè)水泥凈漿或水泥砂漿（厚度為15mm、水灰比為1∶3）。

4膠凝砂礫石壩斷面形式特征

經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，膠凝砂礫石壩壩體的斷面形式應(yīng)該采取材料適應(yīng)性最強(qiáng)的梯形，壩體尺寸見(jiàn)圖4，同時(shí)梯形的斷面形式也得到國(guó)內(nèi)外膠凝砂礫石壩工程實(shí)例的驗(yàn)證。在斷面形式為梯形的梯形壩坡中，坡率是影響工程量、壩體內(nèi)部應(yīng)力與位移的關(guān)鍵因素[10]。因此根據(jù)實(shí)際工程要求確定膠凝砂礫石壩壩坡坡率是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，梯形斷面形式可以適宜材料性能，應(yīng)力水平底、分布均勻、變化小，也在一定程度上彌補(bǔ)膠凝砂礫石強(qiáng)度、彈性模量及其他的性能參數(shù)低于混凝土的缺點(diǎn)。圖4中：L為膠凝砂石土壩頂寬度，H為膠凝砂石土壩體的高度，m為膠凝砂礫石壩坡坡率，hs1為壩體上游水位，hs2為壩體下游水位。膠凝砂礫石壩相對(duì)于常規(guī)重力壩，結(jié)構(gòu)上屬于膠結(jié)體結(jié)構(gòu)，通常需要斷面尺寸遠(yuǎn)大于常規(guī)重力壩，以滿(mǎn)足整體抗滑穩(wěn)定性要求。鑒于此，在滿(mǎn)足整體抗滑穩(wěn)定性要求的前提下可對(duì)基礎(chǔ)適當(dāng)放寬處理要求。同時(shí)在斷面形式設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮不同的功能分區(qū)理念，并且在功能分區(qū)部分應(yīng)該滿(mǎn)足應(yīng)力要求，需采用高強(qiáng)度混凝土、富漿膠凝砂礫石等強(qiáng)度較高的材料。合理設(shè)計(jì)防滲保護(hù)層、排水結(jié)構(gòu)設(shè)施以解決滲漏問(wèn)題、抗拉問(wèn)題、抗凍問(wèn)題從而在節(jié)省工程總投資的前提下最大程度滿(mǎn)足大壩的使用要求。

5結(jié)語(yǔ)

膠凝砂礫土壩作為一種新形式壩體，目前在我國(guó)已經(jīng)應(yīng)用廣泛，是對(duì)傳統(tǒng)筑壩技術(shù)體系的提升優(yōu)化。膠凝砂礫土壩是介于混凝土壩和傳統(tǒng)重力式土石壩之間的一種離散顆粒材料壩，大壩的設(shè)計(jì)理念不同于混凝土壩和土石壩。本文基于實(shí)際工程的應(yīng)用角度，充分考慮配合比、施工工藝、斷面形式的要求，介紹該壩形在材料、施工、結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步揭示出膠凝砂礫土壩在中小型水利工程上具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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作者：冉昊東 單位：重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院