梯形胶凝砂砾石坝发展史
2013-11-21日本藤泽忠彦
［日本］ 藤泽忠彦
梯形胶凝砂砾石(CSG)坝与传统重力坝和土石坝的不同之处在于:其坝体形状为梯形，用CSG料建造而成。
在日本，建造的第1座此类建筑物是长岛(Nagashima)坝的上游围堰。该围堰原来是一座不透水的钢坝，但是在1991年9月发生的一次台风期间被暴雨冲走。由于修复工作急，研发并采用了CSG法。具体来说，就是该围堰由CSG料建造。CSG料制备起来很简单，即使用骨料反铲机将水、水泥与取自附近河床上的砾石拌合而成，无需级配或冲洗。然后用推土机摊铺CSG，接着用振动碾将其压实。长岛坝钢围堰失事之后马上就进行了包括CSG材料试验和断面设计在内的紧张工作，并在第2年汛期到来之前完成了梯形CSG围堰的建造工作。
随后，陆续采用CSG料和CSG法兴建了许多上游围堰和其他临时建筑物，如道路压重填筑工程等，其原因在于很容易获得材料，并且施工方法也很简单。第一批工程证明了CSG料及其相关的施工方法是相当有效的，此后，该方法在像坝体这样的永久性建筑物中的应用需求增加。为了满足这种需求，根据已经获得的CSG物理性能和施工法方面的知识，于1999年开始采用梯形坝型和CSG法进行坝设计。第2年完成了建议的设计方法。
将水泥、水与坝址附近获得的材料在无需级配和冲洗的情况下拌合就可以很容易地制备CSG料，其强度当然没有混凝土那样高。为了克服这一缺陷，将该种材料与不需要很高强度的梯形坝型结合使用。研究时使用了有限元法和能够显示应力状态的地震加速波的动态分析法，并在设计中用到了这两种方法。
将新提出的梯形CSG坝设计法用于设计大保(Taiho)坝的渗控建筑物(体积34000 m3，高30 m)和灰塚(Haizuka)坝水库河川(Kawai)副坝的渗控建筑物(体积32000 m3，高14 m)，这两座建筑物均用CSG法进行施工。通过这两座建筑物的设计与施工，可以获得以下实际性能数据:
(1)CSG的物理性能;
(2)试验方法;
(3)CSG梯形坝设计并将其建成永久性建筑物所需要的强度规范方法;
(4)与设计、施工以及质量控制有关的其他许多创新。
根据这些结果，于2007年9月编制完成了《梯形CSG坝施工及质量控制工程手册》，为兴建全尺度水坝奠定了基础。其结果是，梯形CSG坝开始得以实质性的建设。
作为首批兴建的全尺度梯形CSG坝示范工程，当别(Tobetsu)坝(体积813000 m3，坝高30 m)和嘉赖(Kasegawa)坝水库副坝(体积68000 m3)的坝体施工于2009年开始，奥久(Okukubi)坝(体积339000 m3，坝高39 m)也于2010年开工建设。所有这些坝的CSG填筑均在1 a之内完成。
图1、图2和表1示出了当别坝和奥久坝的相关信息。
图1 当别坝剖面
图2 奥久坝剖面
表1 当别坝和奥久坝的性能指标
1 梯形CSG坝理念概述
坝工建设涉及设计、材料及施工。例如，为了使施工更为合理，发明了RCD法，在大坝的各个领域也发展了其他许多新技术。如今，为了降低成本、保护环境，需要研究新的技术。
尤其是在日本，获得坝体材料所需的料场条件(如产料率及运输条件)面临极大的挑战。在近期所建的混凝土坝中，混凝土骨料成本占总成本的比例达到了40%左右。因此，急需使材料的利用更加合理，以降低成本，并减少开挖边坡产生的环境影响等。
梯形CSG坝不仅可以合理利用材料(此为目前需要克服的最大挑战)，而且有助于改进设计，提高施工效率。
CSG法具有以下特点:
(1)能够合理利用材料。梯形CSG坝坝体所需强度较小，所以材料的强度要求可以降低，容许使用质量较低的材料，从而可增加选料的范围。
(2)设计更合理。除了坝体材料要求的强度较低之外，梯形CSG坝对坝基岩石的要求也不高，因而增加了坝址选择的灵活性。
(3)施工更合理。梯形CSG坝可由简易制料厂来建造，容许快速施工和拌合系统连续作业。
对梯形CSG坝和混凝土重力坝(设计成一个弹性体)之间的基本差别进行了总结(表2)。图3示出了这两种建筑物设计过程的不同。
表2 两种设计之间的差别
图3 研究过程
梯形CSG坝工程从研究材料性能及使用这种材料的CSG的性能开始，然后对适合于这些性能的设计形状进行研究。而混凝土重力坝研究则从设计坝体形状开始。
图4示出了梯形CSG坝标准横断面及其结构组成。梯形CSG坝，将CSG用于建造坝体的主要部分，并将混凝土保护层浇注在坝的表面以增加其耐久性;在上游侧的底部用混凝土浇注廊道、结构混凝土及渗控系统;坝体底面上的CSG则为富灰混合料，以确保其耐久性。
图4 梯形CSG坝标准横截面
设计的梯形CSG坝其性能就像一个弹性体，因此，就像混凝土坝的情况一样，泄水系统、廊道等都可以布置在坝体内，而紧急溢洪道则可以建在坝顶上。
2 CSG及施工方法特点
用推土机摊铺CSG料(将水泥、水与材料在无需分类、级配及冲洗的情况下拌合而成)。该方法可以降低成本，加快施工进度并减少对环境的影响。
CSG特性及其使用方法如下所述。
2.1 材料的有效使用
CSG原料是像岩石一样的材料，如为了形成基础而开挖的石料、河床砂砾石、阶地上的泥沙以及风化岩等，所有这些材料都可以相当容易地获取。只需清除大石，所以不需要分类拣选、混合及其他级配调整和冲洗。这就意味着无需像建混凝土坝那样一般需要建一座较大的骨料加工厂。将水泥、水与CSG料拌合。采用一种连续拌合系统，它比通常使用的拌合系统更简单(见图5)。
图5 CSG料制备过程
2.2 简化施工
CSG法像RCD法一样，也是使用通用型机械，如自卸汽车、推土机和振动碾进行分层填筑。
单位水泥含量很低，几乎无渗出，所以无需进行浇筑层层面凿毛。
此外，除了左右坝肩附近之外，其余部位原则上无需设置横缝。因此，工作相对较简单，速度也快很多。
2.3 CSG特性
CSG具有弹塑性体的特性，将应力-应变关系曲线为直线区域(弹性区)的最大值定为CSG的强度。设计保持在这一强度范围内，所以可以将梯形CSG坝作为一个弹性体来处理。
与混凝土不同的是，CSG的强度不是其峰值强度，而是用强度试验获得的应力-应变曲线为线性关系(弹性区强度)区段的最大值。因此，在强度试验期间，不仅需要测量应力，而且需要测量变形。
比较了混凝土、CSG和石料的应力-应变关系曲线，发现CSG的变形性能在混凝土与石料的变形性能之间。
2.4 确定CSG强度的菱形理论
由于CSG既没有加以分类也没有通过级配进行调整，除了去除超径料(包括轧碎)之外，即使材料是从同一采料场获取，其级配也会发生变化。因此很难使其单位含水量保持不变，即使是单位含水量保持恒定，CSG的强度也会发生变化。
采用最粗级配和最细级配的CSG料在水泥含量不变、含水量变化的情况下制备试件，以测试CSG的强度。而单位含水量的范围则是根据单位含水量的容许范围来选择的，同时考虑了施工期间的可控范围。图6中的菱形(阴影部分)是根据代表采用的单位含水量范围的直线和最粗、最细级配料的强度曲线来设定的。
图6 菱形理论
将该“菱形”中的最低强度设定为CSG的强度。
采用最粗级配和最细级配之间的CSG料制成的CSG，其强度是根据上述过程和图6中所述的方法确定的，可以确保一个大于确定的CSG强度值。这便为确定CSG强度的“菱形”理论。
2.5 CSG施工
CSG填筑步骤一般是:每个填筑层厚75 cm，用推土机分3层(每层25 cm厚)摊铺和找平，然后根据规定的次数用11 t重的振动碾压机进行压实(振捣用两台碾压机进行)。
CSG的摊铺/找平以及碾压压实均由安装在推土机和振动碾上的GPS设备控制。
当别坝CSG填筑过程是:先在填筑面上喷水雾，在碾压后的表面上盖上一层防水帆布以防干燥。
3 未来展望
到目前为止，已经建成了3座全比尺梯形CSG坝。通过对这些坝的材料试验、设计、施工和质量控制，已经引入了许多创新技术，并获得了很多知识。在日本，已经规划兴建大型梯形CSG坝，所以将获得更多的经验来改进此类建筑物的设计、施工及质量控制。
