大粒径胶凝砂砾石坝层间结合处理方式的试验研究

靳忠财，张德全，王学武

（1.山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西太原030002；2.大同市御河水利管理处，山西大同037006）

大粒径胶凝砂砾石坝层间结合处理方式的试验研究

靳忠财1，张德全2，王学武1

（1.山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西太原030002；2.大同市御河水利管理处，山西大同037006）

胶凝砂砾石坝骨料的最大粒径一般在80 mm以内，我国《胶结颗粒料筑坝技术导则》规定的最大粒径可以达到150 mm，胶凝砂砾石坝随着骨料粒径的增大，骨料的分离现象也越严重，给大坝的层间结合处理增加难度。本文给出了大粒径料的定义，通过层间结合处理的室内试验与现场试验对比，指出了室内试验存在的不足；试验结果表明：大粒径的胶凝砂砾石坝，大大增加了层间结合处理的工作量，不利于大坝的机械化快速施工；适当减小骨料的最大粒径，可以减少骨料的分离现象，有利于保证胶凝砂砾石坝的施工质量。

大粒径；胶凝砂砾石坝；层间处理；渗透系数

1 研究背景

胶凝砂砾石坝是一种经济、施工简便、地基适应性强、结构形式介于碾压混凝土坝与混凝土面板堆石坝之间的一种新坝型［1-2］，优势如下：第一，节省投资。单位水泥用量少，约为50～60 kg/m3，水化热温升低，坝的温度应力水平比碾压混凝土坝还低，温度裂缝少，大坝甚至不需要设置横缝；第二，工期短。采用通仓碾压铺筑，施工工期可以大大缩短，体现了快速施工的优越性；第三，对材料性能的要求低。利用坝基开挖的砂砾石料作为骨料，就地取材，减少弃料堆积，有利于环境保护及节约型社会的建设。

层间处理是胶凝砂砾石坝的难点之一，处理不好，将会成为大坝渗漏的主要通道。国内外已完工的胶凝砂砾石坝，坝高普遍较低，且大多应用于临时工程，如围堰等。日本的胶凝砂砾石坝数量最多［3］，且骨料最大粒径不超过80 mm。2014年颁布的中华人民共和国水利行业标准《胶结颗粒料筑坝技术导则》［4］，是我国第一部关于胶凝砂砾石坝的技术标准，技术标准中规定：连续上升铺筑的坝体，当层间间隔时间在初凝时间之内时，层间可以不处理，直接铺筑上一层；当层间间隔时间超过初凝时间时，需要进行层间处理才能进行上一层铺筑，层间处理包括冲（凿）毛、铺水泥浆或水泥砂浆。同时，技术导则中规定：胶凝砂砾石坝最大粒径放宽至150 mm。

国内学者王秀杰等［5］研究了胶凝砂砾石坝的应力变形规律，李晶［6］研究了胶凝砂砾石坝的最优断面，贾金生等［7］对胶凝砂砾石坝的材料特性及应力稳定进行了研究，乐治齐［8］对胶凝砂砾石坝在不同地基条件下的静动力特性与坝坡坡度关系进行了研究，但均未涉及对大粒径料的层间结合处理方式的试验研究，特别是现场的试验研究；刘建林等［9］研究的临时围堰虽然涉及了大粒径料，但并未对层间结合处理提出新的方法。目前，对于粒径不超过80 mm的胶凝砂砾石坝，层间结合处理方法比较成熟；而对于粒径超过80 mm的胶凝砂砾石坝，由于粒径增大，施工现场骨料分离情况比较严重，增加了层间防渗处理的难度，这方面的研究还未见到，为此展开本文的研究。

大粒径料的定义：本文将最大粒径超过80 mm、粒径范围在0～150 mm之间的胶凝砂砾石坝骨料定义为大粒径料。所谓胶凝砂砾石坝是指利用水泥、掺合料（如粉煤灰等）和砂砾石料，经过拌和、分层摊铺及震动碾压形成的具有一定强度的坝体。骨料由不同粒径组成、有一定级配的要求，包括天然砂砾石料、人工砂砾石料和开挖石渣料等。

2 工程实例

大同市守口堡水库位于大同阳高县境内的黑水河上，大坝为胶凝砂砾石坝，是我国第一座应用于永久工程的胶凝砂砾石坝，最大坝高61.6 m，坝顶长354 m，上下游坡比均为1∶0.6，上游防渗面板采用1.5 m厚的常态混凝土，抗渗指标W6；胶凝砂砾石坝体抗渗指标W2。骨料源于坝基开挖及上游河道开挖的砂砾料，最大粒径150 mm，剔除粒径150 mm以上骨料后的筛分实验结果见表1［10］。

表1 骨料筛分试验结果表

由于开挖的砂砾料中平均砂率达43.6%，砂率偏大且细，掺入25%的公路开挖弃料后，砂率降低至34.9%，因此建议掺入25%的公路开挖弃料作为外掺料，以降低砂率，减少用水量，增大胶水比，提高胶凝砂砾料的强度。

施工参数为：碾重27 t，碾压次数10遍，铺料厚度45 cm，VC值（胶凝拌合物震动出浆的允许时间值，单位，秒）3～10 s。

3 室内试验研究

3.1 试验工况施工配合比经实验室试配，见表2。

表2 施工配合比表

室内抗剪断试验试件用150 mm立方体试模制作，分两次成型，剔除大骨料后，先取试件一半多高度所需的胶凝砂砾石坝料装入试模，振捣成型后厚度为试模高度的一半，放入养护室养护至要求的间隔时间后，取出试模，按要求进行层面处理后再成型上半部，养护至龄期后，进行试验。试验的四种工况见表3。

表3 室内试验工况表

3.2 试验结果分析抗剪强度公式如下：

式中：τ为极限抗剪强度，MPa；σ为法向应力，MPa；c为黏聚力，MPa；f为摩擦系数，

四种工况的胶凝砂砾石坝料层面抗剪试验结果见表4。

从表3、表4分析可知：

（1）工况1：层面间隔时间在5 h内，层面不处理、直接铺筑上层胶凝砂砾石坝料时，由于在初凝时间（5～6 h）之内，浆层尚未凝结，碾压上层胶凝料时，下层料再次被碾压，上层胶凝料中的骨料下沉，嵌入下层料表面，摩擦系数大，使得层面与层面有较好的结合性。因此，高强度、大仓面的胶凝砂砾石坝连续快速摊铺碾压，有利于层面的结合，也有利于层间抗渗。

表4 层面抗剪试验结果表

（2）工况2：层面间隔时间超过17 h，浆层已经凝结，层面已经形成冷缝，所以必须进行层面处理后才能进行上一层铺筑。即便铺筑了1 cm厚度的砂浆，碾压上层胶凝料时，下层料也不可能再次被碾压，上层胶凝料中的骨料也不可能下沉到下层料表面，使得层面与层面的结合性较差，抗剪试验的摩擦系数由工况1的1.02、0.74分别下降为0.88、0.70。

（3）工况3与4：层面间隔时间超过46 h，层面刮毛处理时，露出石子的摩擦系数为1.03、0.93，不露出石子的摩擦系数为0.93、0.87，这说明层面处理时刮毛露出石子能一定程度上提高抗剪强度，有利于层间抗渗。其次，工况3、工况4的摩擦系数均比工况2的大，说明层面刮毛后再铺砂浆比直接铺砂浆效果要好。

（4）室内试验结果表明，工况1～4的层面抗剪摩擦系数均超过了设计值0.48，而工况4为最优；同时，5组层间抗渗试验值均≤A×10-9cm/s（1＜A＜10），满足设计抗渗值W2的要求。

4 现场试验研究

4.1 芯样的抗渗试验从施工现场垫层钻芯取样来看，由于芯样均在层间结合处断裂，芯样分成数段，层间的渗透情况无法测得；但每一碾压层内的芯样抗渗试验的结果显示，渗透级别均超过W6指标，满足设计的抗渗要求。

4.2 试坑的抽水试验虽然钻芯取样不能取出完整的芯样，但在垫层钻芯后的钻孔中抽水试验时，3个钻孔的渗透系数均在10-2cm/s量级。由于这部分垫层层面处理仅仅采用了冲毛、铺砂浆的方法，且碾压完成后冲毛的间隔时间过长，冲毛的效果不好，所以层间渗漏严重，达不到设计要求。

4.3 试坑的灌水试验为了改进上述试验中的不足，在现场又分三个碾压条带，严格控制冲毛时间在碾压完成后8～12 h进行，最后挖圆柱形试坑数个，用灌水法检验层间的抗渗情况。

灌水试验求渗透系数公式如下：

式中：k为渗透系数，cm/s；Q为试坑渗水流量，cm3/s；W为试坑渗水量，cm3；A为试坑渗水面积，cm2；t为试坑渗水时间，s；i为水力坡降。

灌水试验结果见表5。

4.4 原位剪切试验为了检验胶凝料的层间结合情况，在现场进行了3组原位剪切试验，试验结果见图1、表6。

4.5 补充设计与试验为了与粒径为0～80 mm的胶凝料对比分析，设计决定在建基面高程上部3 m的高程部位，全面铺筑一层粒径为0～80 mm、厚度50 mm的胶凝料，层面处理采用表5中的序号7。胶凝料碾压完成后，进行了挖坑灌水试验，10组灌水试验的渗透系数值均小于A×10-8cm/s（1＜A＜10），满足设计的抗渗W2要求。

4.6 结果分析从上述芯样抗渗试验、抽水试验、灌水试验、原位剪切试验、补充设计与试验的结果分析可知：

（1）芯样抗渗试验及试坑抽水试验时，虽然层面采用了冲毛、凿毛、铺稠砂浆的处理措施，但层间防渗效果并不好。究其原因，一方面，是由于胶凝料入仓后，大骨料分离严重，没有采取进一步的措施，减少骨料的分离。因而，直接摊铺碾压后，层间结合较差，钻芯取样从薄弱的层间断裂，层间渗漏严重，达不到设计的要求；另一方面，砂浆厚度1 cm太薄，当大骨料堆积碾压时，没有足够的砂浆充填满骨料的空隙，因而形成渗漏通道。

（2）从试坑灌水试验的情况分析：

①层面冲毛、凿毛后，胶凝料直接摊铺碾压，当砂浆厚度较薄时（1～2 cm），无论是稠砂浆还是干硬砂浆，层间抗渗都达不到设计要求，究其原因仍然是大骨料分离严重、砂浆厚度不够所致，如表5中序号1、序号4。

表5 灌水法层间结合试验结果表

表6 原位剪切试验结果表

图1 原位剪切试验结果图

②层面冲凿毛后，摊铺干硬砂浆或变态混凝土，层间砂浆或变态混凝土厚度达3 cm时，胶凝料即使直接摊铺碾压，层间抗渗也能满足设计要求，如表5中序号5～7。其原因是由于砂浆或变态混凝土厚度足够厚，在胶凝料碾压时，即使有大骨料堆积，浆液也能充满气空隙，杜绝其渗流的通道。由于铺砂浆或变态混凝土均能满足防渗要求，铺筑砂浆比变态混凝土更经济些；其次，因仓面大，每层的凿毛工作量也大，影响大坝的机械化快速施工。

③层面及时用高压水冲毛，摊铺稀砂浆，碾压后，层间抗渗也能达到设计的要求，究其原因是由于胶凝料在现场的二次拌和，很大程度上减少了大骨料的分离，只是因增加一道拌和程序，工程费用也将增加。其次，采用冲毛代替凿毛，大大减少了层间处理的工作量，有利于大坝的机械化快速施工，如表5中序号2、序号3。

（3）从原位剪切试验结果分析：现场三组试验的层面抗剪摩擦系数值在0.53～0.58之间，超过设计值0.48。现场试验值之所以比室内实验值0.88～1.33小，是由于现场试验料为0～150 mm的胶凝料，而室内试验时，胶凝料已剔除了大粒径的骨料，二者的值会有差别；再者，现场大规模拌制的胶凝材料的均匀性也差一些，也会影响到层面的抗剪值。

（4）补充设计与试验表明：0～80 mm的小粒径胶凝料，现场碾压施工时，层间容易达到抗渗W2的设计指标，说明小粒径的胶凝料骨料分离现象不严重，层间抗渗效果要比0～150 mm的大粒径料好的多。

5 结论

（1）对比室内试验与现场试验的结果来分析，室内取样试验时，层间刮毛、铺薄砂浆处理后，层间抗渗指标能够达到设计要求的W2指标。但由于取样时剔除了大粒径的骨料，并不能反映现场真实的情况；现场试验时，由于有大骨料的存在，层面需要冲毛（凿毛）、铺厚层砂浆或胶凝料二次拌制后，才能达到设计的抗渗要求。

（2）大粒径砂砾料最大粒径150 mm，为了达到层间抗渗W2指标，必须解决骨料分离问题，如：结合层面必须全面地冲毛、必要时还需局部凿毛处理；层间砂浆摊铺厚度也需要增加至3 cm；或者增加胶凝料在仓面的二次拌制；大大增加了层面处理的工作量，不利于胶凝砂砾石坝的机械化快速施工。

（3）鉴于目前我国大粒径胶凝砂砾石坝的基础研究成果缺乏，建议现阶段还是参考目前比较成熟的做法为上，如：限定永久项目的胶凝料最大粒径不超过80 mm。80 mm与150 mm相比，最大单块重量可以减小6.6倍。骨料越大越容易分离，越小越不易分离，这样，可以大大减少胶凝料的骨料分离现象，层面处理方法也可以简化许多。如日本目前的层面处理方法：简单冲洗层面、摊铺1cm厚度砂浆、胶凝料也不需在仓面二次拌制。不仅节省费用，层间抗渗指标也能得以提高，有利于保证工程质量。虽然，骨料粒径减小会增加骨料筛分的工程量，但从守口堡大坝料筛分试验可知（见表1），80～150 mm粒径的砂砾料仅占总量的12.4%，增加的筛分量并不太大，因此，从控制工程费用角度分析，也是经济的。

［1］刘学章，李宪.胶凝砂砾石坝特点及国外已建工程简介［J］.广西水利水电，2011（3）：75-78.

［2］谢洋，江坤.CSG坝的应用前景研究［J］.水利科技与经济，2014（2）：54-55.

［3］日本大坝工程中心.梯形胶凝砂砾石坝施工与质量控制手册［M］.日本大坝工程中心，2007.

［4］中华人民共和国水利部.胶凝颗粒料筑坝技术导则：SL678-2014［S］.北京：中国水利水电出版社，2014.

［5］王秀杰，何蕴龙.梯形断面CSG坝初探［J］.中国农村水利水电，2005（8）：105-107.

［6］李晶.胶凝砂砾石坝与常规重力坝最优断面研究［D］.北京：中国水利水电科学研究院，2013.

［7］贾金生，马锋玲，李新宇，等.胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用［J］.水利学报，2006，37（5）：578-582.

［8］乐治济.不同地基条件下胶结砂砾石坝工作特性研究［D］.武汉：武汉大学，2005.

［9］刘建林，范林文.贫胶和富胶凝渣砾料筑坝技术的应用［J］.四川水力发电，2014（增1）：115-119.

［10］杨会臣.胶凝砂砾石结构设计研究与工程应用［D］.北京：中国水利水电科学研究院，2013.

Test research of interlayer combination treatment of Cemented Sand Gravel and Rock dam

JIN Zhongcai1，ZHANG Dequan2，WANG Xuewu1
（1.Shanxi water conservancy and hydropower engineering construction supervision limited company，Taiyuan030002，China；
2.Datong Yuhe irrigation management office，Datong037006，China）

According to our country's Technical Guideline for Cemented Granular Material Dams,the maxi⁃mum aggregate size of Cemented Sand Gravel and Rock dam（CSGR dam）is within 150mm.With the in⁃crease of aggregate size,aggregate separation is more serious.Thus interlayer combination treatment is more difficult.The definition of large size aggregate is given,and then the deficiencies of laboratory test are cor⁃rected through the interlayer combination treatment of laboratory test and field test.The results show that large size aggregate greatly increases workload of interlayer combination treatment and prevents the mechani⁃zation of rapid construction.The results also show that appropriate decrease of aggregate size can reduce ag⁃gregate separation and ensure construction quality of CSGR dam.

large size aggregate；Cemented Sand Gravel and Rock dam；interlayer treatment；coefficient of permeability

TV551

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.04.007

1672-3031（2016）04-0280-05

（责任编辑：李福田）

2016-01-19

山西省水利科学技术研究与推广项目（2016XS01）

靳忠财（1966-），男，高级工程师，从事水利工程的设计及监理工作。E-mail：wangxuewu1964@sina.com