胶凝砂砾石坝坝料力学性能与结构设计

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第1章 绪论
　　胶凝砂砾石坝，作为近几十年来在总结传统面板堆石坝与碾压混凝土坝优特点的基础上发展起来的一种新坝型，是通过在坝址附近河床或山区的天然砂砾石、废弃石料、碎石等石料中，添加少量胶凝剂、水，经拌和后，运抵施工仓面，摊铺、碾压而成的。它具有断面小、用料省、施工快速、导流方便、地基适应性强、抗震性能好、经济环保等优势，已在水电工程建设中得到了一些应用。该筑坝技术最大限度地利用了河床砂砾石及开挖废弃石料，可减轻水利枢纽对周围环境的破坏以及其他一些不利因素的影响，能在一定程度上降低工程总成本，是一种经济、环保的水工建筑物。
　　本章主要介绍胶凝砂砾石坝的特点及发展，胶凝砂砾石料力学性质、本构模型，胶凝砂砾石坝结构性能分析及结构设计等研究进展，并概要介绍本书内容及组织构架。
　　1.1 胶凝砂砾石坝的特点及发展
　　1.1.1 胶凝砂砾石坝的特点
　　2013年8月，在美国西雅图召开的第81届国际大坝委员会年会上，表决成立了胶结颗粒料坝专委会，旨在推广以胶凝砂砾石坝为代表的胶结颗粒料筑坝新理念，并促进该新型筑坝技术总结、应用以及推广。
　　在中华人民共和国水利部2014年发布的《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）［1］中，胶凝砂砾石坝被认为属于胶结颗粒料坝，强调“宜材适构、宜构适材”的理念。该筑坝技术扩大了坝型选择范围，放宽了筑坝条件，丰富了以土石坝、混凝土坝、砌石坝等为主的筑坝技术体系。
　　胶凝砂砾石坝断面形状通常为梯形，已有研究成果表明，该坝具有良好的适应性、较高的安全性与经济性。相较于面板堆石坝与碾压混凝土坝，胶凝砂砾石坝具有自身的特点［2］。与面板堆石坝相比，它主要体现在以下几个方面。
　　（1）胶凝砂砾石坝断面综合坡比一般仅占面板堆石坝坡比的50%，其断面小于堆石坝断面，总体填筑方量显著减少。
　　（2）砂砾石筑坝材料中掺入了胶凝剂，碾压后形成的胶结体坝料具有较高的抗剪、抗压强度，坝体表层及内部的抗冲蚀能力得到提升，施工期可允许临时过水，有利于降低施工导流标准；遭遇超标准洪水，亦可依靠坝体材料强度，降低大坝结构的漫顶速溃风险。
　　（3）与普通碾压堆石相比，胶凝砂砾石料变形模量较高，通常可达到堆石的10~100倍，可减小坝体变形，有利于改善防渗面板和接缝的工作性态，有效降低上游防渗体系失效风险。
　　（4）面板堆石坝修筑时一般设置主堆、次堆、反滤等分区，而胶凝砂砾石坝分区少。
　　（5）与堆石料、碾压混凝土相比，胶凝砂砾石料对级配要求较低。
　　胶凝砂砾石坝与碾压混凝土坝的主要区别如下。
　　（1）坝体防渗完全依靠防渗面板或变态胶凝砂砾石防渗体，坝体无防渗要求；
　　（2）胶凝砂砾石坝通常应用对称断面，坝体内部整体应力水平低，对筑坝材料强度的要求较低，因而可放宽骨料选择范围，充分利用河床砂砾石、开挖石料，减少弃料，有利于环保；
　　（3）胶凝砂砾石坝断面大于碾压混凝土坝，坝体底部应力分布更加均匀且应力水平较低，对基础的强度要求较低，大坝对基础的适应能力增强，坝体稳定性、抗震性能得到提高；
　　（4）坝料水泥掺量少，绝热温升低，温度效应小，一般无须采用专门的温控措施，可简化施工工艺，使施工更加简便、快速。
　　正是上述诸多优势，促进了胶凝砂砾石坝的建设与发展。
　　1.1.2 胶凝砂砾石坝的发展
　　1）国外发展概述
　　在1970年于美国加利福尼亚州召开的“混凝土快速施工会议”上，Raphael 分析了堆石体材料与常规混凝土材料物理力学性质的差异，率先提出通过掺入水泥提高散粒料的抗剪强度，使用高效的土料运输和碾压设备进行坝体施工，从而获得一种新型“最优重力坝”，其剖面介于重力坝与堆石坝之间，坝料性能也介于混凝土和堆石料之间，形成了胶凝砂砾石坝的雏形。1972年，Cannon提出的“用土料压实的方法建造混凝土坝”设想，本质上是胶凝砂砾石坝思想的进一步发展。1973年在第11届国际大坝会议上，A.I.B.Moffat建议将路基上使用的贫浆混凝土用于修筑混凝土坝，并用筑路机械压实，实现快速施工。上述研究工作对胶凝砂砾石坝概念内涵的形成起到了积极引导作用［3］。
　　1974年，美国加州大学伯克利分校的Johnson将胶凝砂砾石坝思想应用于巴基斯坦Tarbela坝的泄洪洞修复工程，设计了一种未筛洗砂砾石与少量水泥的拌和料，用于修复泄洪洞被冲毁的部位，并在42天内完成了35万m3的填筑量，此料被称为Rollcrete材料。实践表明，此种材料具有适宜的强度、耐久性及施工速度的优势。
　　1982年，美国俄勒冈州建成的柳溪（Willow Creek）坝，是世界上**座坝体内部采用超贫碾压混凝土的重力坝，其内部碾压混凝土的胶凝掺量仅为66kg/m3。大坝内部水泥用量少，水化热温升低，坝体弹性模量也较低，因此，整个大坝未分横缝，而是采用30cm厚的薄层进行铺筑、碾压。该坝中33.1万m3碾压混凝土的浇筑在5个月内完成，比常态混凝土重力坝缩短工期1~1.5年，造价仅为常态混凝土重力坝的40%，相当于堆石坝的60%。柳溪坝的成功修建为胶凝砂砾石筑坝积累了实践经验。
　　1988年，法国学者Londe对前人的筑坝思想进行了进一步剖析，并在第16届国际大坝会议上建议用贫胶混凝土作为筑坝材料，并将当前碾压混凝土级配要求适当降低。他结合上、下游坝坡比为1：0.70~1：0.75的假想坝分析了坝体应力特征，指出此类坝的断面大、应力小、材料要求低、筑坝成本低等特点。1992年，他又发表了《对称硬填方面板坝》的论文，指出这种剖面对称体型的新坝型不仅成本低，还具有更高的安全度，为人们更好地了解此类大坝结构特点发挥了重要作用［4］。
　　希腊是胶凝砂砾石坝实践的先行者，1992年建成了坝高25m的Mykonos Ⅰ坝，1993年建成了坝高28m的Marathia坝，1997年建成了坝高32m的Ano Mera坝，上述三座大坝均为对称梯形断面，断面上、下游坡比均为1：0.5。图1.1为Ano Mera坝断面图，上游面做防渗处理，下游面采用阶梯形。筑坝材料主要来源于河床和坝址附近，骨料最大粒径为60mm，胶凝剂为粉煤灰和水泥，合计70kg/m3（其中粉煤灰含量20%），容重为2300~2400kg/m3，7d、28d、90d的强度分别为3MPa、4MPa、5MPa，碾压层厚在200~300mm。此后，希腊于2003年建成32m高的Steno坝，2009年又建成了3座同类型大坝，分别是坝高32m的Lithaios坝、坝高56m的Valsamiotis坝以及坝高95m的Platanoaryssi坝，2010年建成42m高的Koris Yefiri坝。
　　图1.1 希腊Ano Mera胶凝砂砾石坝断面图
　　日本坝工界自20世纪90年代起开始，投入大量人力、物力和财力，研究胶凝砂砾石筑坝技术，并称这种新坝型筑坝材料为CSG（cemented sand and gravel）。1999年采用CSG修建了**座**性建筑物——Nagashima水库拦沙坝；2002年建成了Haizuka水库拦沙坝；2004年建成Taiho坝。2007年9月，日本大坝工程中心公布了《梯形胶凝砂砾石坝施工与质量控制工程手册》，标志着日本胶凝砂砾石坝建设形成了自己的特色。随后，日本又与2012年建成坝高52.4m的Tobetsu坝，2013年建成Okukubi坝。此外，日本修建的胶凝砂砾石坝还有Sanru坝（46.0m）、Honmyogawa坝（64.0m）、Mikasapombetsu坝（53.0m）、Choukai坝（81.0m）、Apporo坝（47.2m）等，截至目前成为完建与拟建此类工程最多的国家。
　　土耳其是将胶凝砂砾石筑坝技术应用于高坝的国家，2007年完建的Beydag坝及2010年完建的Oyuk坝高度均达到100m。2008年完建的Cindere坝（图1.2）高度达到107m，是世界上已建的最高胶凝砂砾石坝。Cindere坝坝体采用对称的梯形结构，坝顶长280.58m，宽10m，上、下游坝面坡比为1：0.7。坝体每20m设置一个垂直缝。大坝只在上游面设置防渗面板和排水系统，防渗面板是混凝土面板加聚氯乙烯（PVC）膜防渗，在PVC膜后设置渗漏收集管道，集中到上游面板后的排水管道中。坝料胶凝剂为50kg/m3水泥（强度为42.3MPa）和20kg/m3的粉煤灰。大坝施工共用了150万m3的胶凝堆石料和18万m3的常规混凝土。
　　图1.2 土耳其Cindere坝
　　此外，法国、多米尼加、菲律宾、伊朗、美国、老挝等国家也应用胶凝砂砾石料进行筑坝，为胶凝砂砾石筑坝技术发展总结了更多的经验。表1.1列出了一些利用胶凝砂砾石筑坝技术建造的国外工程实例。
　　表1.1 国外的胶凝砂砾石工程
　　2）国内发展概述
　　国内坝工界对胶凝砂砾石坝这一新坝型的构想大体上与国外是同步的。1970年，林一山先生提出一种由迎水面相对不透水防渗墙与后部体型肥胖的低胶结堆石体组成的结构型式。该类坝的体积介于土石坝与混凝土重力坝之间，筑坝材料的水泥掺量也在两者之间，其实质上就是胶凝面板堆石坝早期构型。
　　20世纪80年代中后期，我国碾压混凝土坝、混凝土面板堆石坝建设进入了快速发展期。坝工界关注重点主要是传统的混凝土坝、碾压混凝土坝以及混凝土面板堆石坝，对胶凝砂砾石坝的关注极少。随着面板堆石坝建设高度的增加，该类坝面板与趾板之间的不均匀变形问题日益突出。1993年，郭诚谦探讨了在堆石坝坝体下部高应力区掺加水泥的堆石料，以减少200m级大坝周边缝处面板与趾板间较大的不均匀变形问题，胶凝砂砾石料的应用再次在坝工界得到关注。