日本胶凝砂砾石坝设计与施工

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1　CSG坝概述

坝工技术的发展主要体现在3个方面，即材料、设计及施工方法。例如，碾压混凝土技术的发展使筑坝技术受益良多。为了进一步缩短工期，降低工程造价，同时保护环境，坝工技术需要不断发展。特别是在日本，由于料源选择和交通运输条件受限，近年混凝土骨料占到大坝建设总造价的40%左右，迫切需要革新筑坝材料，降低工程造价，减少料场开挖边坡对环境的影响。

图1所示为胶凝砂砾石(CSG)坝标准断面，坝体填筑主要为CSG材料，上下游坝坡由混凝土护坡，增强大坝耐久性。坝下上游侧布置防渗混凝土廊道，收集坝体渗水。坝底层的CSG为混合材料，增加耐久性。与常规混凝土坝一样，CSG坝采用弹性理论设计，泄洪建筑物和廊道可以设置在坝体内，非常溢洪道置于坝顶。

表1所示为日本两座已建和两座在建CSG坝。

2　CSG坝设计理念

2.1　主要特征

2.1.1材料

与常规混凝土重力坝相比， CSG坝对坝体材料的强度要求较低，因此筑坝材料的选择范围更广。

表1　日本CSG坝统计表(截止2016年)

除了要剔除或粉碎超径料块外，CSG料无需挑选，对级配无要求，也不需要冲洗，河床砂砾石、碎石，甚至易崩解的软岩均可作为CSG料。而常规混凝土骨料则需要挑选，对级配有要求。显然， CSG料的生产工艺比常规混凝土骨料要简单，与土石坝填筑料相似。

2.1.2设计方法

除了筑坝料强度要求较低外，CSG坝对坝基岩体的要求也较低，因此坝址选择更灵活。

混凝土重力坝设计中，坝体和坝基强度共同决定抗滑和抗倾稳定性。而在CSG坝设计中，竖向应力作用在整个坝体底层，因此坝底与坝基岩体间的摩擦力决定着抗滑稳定性。

CSG坝坝基摩阻系数不小于1才能满足抗滑稳定性要求，因此一般要求上、下游坝坡坡比约为0.8。

2.1.3施工方法

CSG坝可以使用简单的设备施工，使用连续搅拌系统可以提高施工效率。

2.2　设计特点

2.2.1整体稳定性

(1)抗倾稳定性。垂直应力作用在整个坝底，即使考虑扬压力，正常及地震两种工况下均为受压状态。

(2)抗滑稳定性。抗滑力取决于坝体与坝基间的摩擦力，抗滑稳定安全系数(Fs)由下式计算：

Fs=f×V/H

(1)

式中，Fs为滑动稳定安全系数；f为坝体与坝基间摩擦系数；V为作用于坝体的竖直方向合力；H为作用于坝体的水平方向合力。

2.2.2坝体稳定性(应力和强度)

在不同水位和荷载条件下，根据各断面坝体内部应力分布，计算CSG料所需强度。坝体内的应力均应低于CSG料的强度，CSG料强度取钻石体范围内的最小值。

∣σt∣×k

(2)

用F表示安全系数，所需CSG料强度Smax可用下式计算：

(3)

式中，max[A,B]表示A、B中的较大值。

2.2.3安全系数

CSG坝整体稳定(抗滑稳定性)和坝体稳定安全系数列于表2，其中Fs为抗滑稳定安全系数，F为坝体稳定安全系数。

表2　安全系数

注：*表示地震最大水平加速度2.5 m/s2。

2.2.4CSG强度

(1)CSG材料特性。图2所示为CSG材料单轴抗压试验测定的典型应力-应变曲线。可见，CSG材料具有弹塑性体的特征，弹性范围(应力应变曲线为直线)内的最大值取为CSG材料强度值，CSG坝在这一强度值内设计，因此可将CSG坝体视为弹性体。与常规混凝土性质不同，需要的CSG料强度不是极限强度，因而在强度试验中，不仅要测量应力，还要测量变形。图3示出了混凝土、CSG材料和岩石料的应力-应变曲线，CSG料的变形特性介于混凝土与岩石之间。

图2　CSG材料应力应变关系

图3　不同材料应力应变关系

(2)钻石体理论。除了需要剔除(或破碎)超径颗粒外，CSG材料无级配要求，因此即使从同一个料场采料，级配也不尽相同，也难保持相同的含水率，即使水泥掺量相同， CSG料的强度也存在波动。因此，CSG料强度按以下方法分析评估。①将取自同一料场不同位置的CSG料进行颗粒大小分析，找出最粗级配和最细级配料样。设计使用的CSG料级配介于最粗级配和最细级配之间，如图4所示。在随后的拌和试验中，选取不同含水率进行测试，确定最粗级配与最细级配含水率允许范围。②使用最粗和最细级配的全级配CSG料，最大颗粒粒径80 mm，水泥掺量相同而含水率不同，用电动锤击实制备直径300 mm、高600 mm的圆柱体试样，进行强度试验。试样密度与施工现场碾压密度相同，含水率在允许范围内，同时考虑试验条件可控性。施工时，CSG料的强度介于最粗和最细级配强度之间，含水率高于CSG料强度时的含水率，这就是确定CSG料强度的钻石体理论。

3　当别町大坝设计与施工

当别町大坝位于北海道岛，于2012年建成，坝高52 m，坝顶长432 m，填筑量81.3万m3，控制流域面积231.1 km2，水库面积5.8 km2，总库容7 450万m3，有效库容6 650万m3。水库主要功能为防洪、维持生态流量、灌溉、供水等。

3.1　大坝设计

CSG坝最显著的特点之一是坝体设计为弹性体，与混凝土坝类似，泄洪建筑物和检修廊道布置在坝体内，非常溢洪道设置在坝顶。但其设计方法与混凝土坝使用的刚性体方法明显不同。

CSG坝依照CSG料的强度和弹性模量设计，坝体断面形状一经确定，根据坝体所需强度设计混凝土配比，这与混凝土重力坝的设计有着本质不同。CSG坝设计分三大步骤：

(1)步骤1。需要依照确定的CSG料特性(包括强度及弹性模量)和坝基岩体特性(弹性模量)开展设计工作；

(2)步骤2。设计应满足整体稳定性(抗滑稳定、抗倾覆稳定)和坝体稳定性需求；

(3)步骤3。确定坝型。

如果模型试验检验CSG坝整体稳定性和坝体稳定性不能满足要求，则应增加上、下游坡比，重复上述3个步骤，直至得出合适的坝型。

CSG料具有明显的弹塑性特征，其应力应变关系类似于混凝土或岩石等材料。但普遍在CSG料的弹性区间内进行大坝设计，因而坝体可视为弹性体。一般采用二维有限单元法(FEM)分别对CSG坝静态、动态荷载工况进行应力分析。

3.1.1坝体稳定性

CSG应满足设计强度要求，不同工况下所要求的CSG材料强度最大值由最大压应力(对于受拉情况，由最大拉应力乘以拉压强度比进行换算)乘以对应安全系数获得：正常工况安全系数为2，设计地震工况1.5，校核地震工况为1.2(见表2)。

图5所示为当别町大坝应力分布与所需的CSG料强度。CSG料强度取坝体内最大应力值，仅3 N/mm2。

3.1.2整体稳定性

对于坝体抗滑稳定性，假设摩擦系数f为1.0， 当别町大坝正常工况下抗滑稳定安全系数(Fs=f×V/H)不小于2.0，设计地震工况下不小于1.5，校核地震工况下不小于1.2，详见表2。

确保CSG坝抗倾稳定性，重要的是坝底竖向应力均应为压应力。当别町大坝的抗倾稳定性分析见图6，分析表明，无论在设计地震工况下还是校核地震工况下，大坝底部竖向应力均为压应力。

图5　当别町大坝不同工况下应力分布及强度要求分布(单位：N/mm2)

3.1.3CSG强度

原则上除需剔除或破碎个别超径颗粒外，CSG的原料无需调整级配。换言之，即使采自同一个料场，材料的颗粒大小分布也不尽相同(见图7)。图7还表明，混凝土骨料级配曲线为一条单一曲线。此外，CSG料级配的变化使得其含水率难以控制在一个恒定值上。

图7　当别町大坝CSG料和混凝土骨料粒径分布曲线

基于钻石体理论，当CSG料强度取钻石体内最小强度值时，任何级配、任何含水率条件下的强度均大于CSG料强度。图8(a)和图8(b)清晰地显示，CSG强度根据确定的级配和含水率进行调整，或者说CSG料强度受级配和含水率双向控制。图8(a)中，水泥含量为60 kg/m3的CSG料强度值为1.2 N/mm2；图8(b)显示，水泥含量为80 kg/m3时，CSG料强度为2.3 N/mm2。CSG料强度是在直径300 mm、高600 mm的全级配圆柱体试样上测试的结果。

(a) 单位水泥含量60 kg/m3

(b) 单位水泥含量80 kg/m3图8　CSG材料强度随级配及含水率变化情况

当别町大坝CSG料的水泥掺量根据计算得出的CSG料强度和实验测定的强度来确定，坝体上部的水泥掺量要比下部和内部的低。

3.2　大坝施工

由于使用连续搅拌系统、分层填筑工艺，CSG坝施工进度快。CSG坝施工包括3方面工作，即预制件模板安装、混凝土保护层浇筑和CSG坝料填筑。为实现快速施工的目标，上述3项工作分别在各自独立场地内施工，避免相互干扰，其中，预制件模板主要用于上、下游坝面。如果CSG材料连续填筑，并且3项工作在不同的场地各自独立进行，则CSG坝单层填筑周期为2 d，如图9所示。目前， CSG坝单层填筑厚度均为75 cm，为加快施工进度，需要研究增加单层填筑厚度的可行性。

图9　CSG坝施工循环示意(每2 d填筑一层)

施工中，通常先填筑一层CSG料，形成CSG边坡，后浇筑混凝土保护层或结构混凝土。CSG边坡的形成要使用特殊的顶坡碾压设备，保证足够的压实度。

CSG边坡示于图10，使用特殊边坡碾压设备对CSG料进行填铺和碾压。碾压设备是在震动切缝机的振动器上安装一块坡比为1∶0.8的碾压板制成，开发使用前边坡施工通常使用装备有0.4 m3铲斗的反铲机完成。为了提高施工效率，反铲机装配GPS定位系统，铲斗面与1∶0.8坡面间的夹角显示在驾驶室屏幕上，操作人员可以实时调控。

图10　CSG坝边坡典型断面(单位：cm)

坡顶的碾压标准控制在40 s，但由于连续碾压会增加相邻碾压区域的高差，影响碾压效果，因此将碾压分为3个时段，即10，20，10 s。

CSG料填筑两层后，开始浇筑混凝土保护层。如果第2层CSG料边坡与第1层基本齐平，混凝土模板和边坡面间的CSG料填铺作业就会变得十分困难，因此，第2层CSG料填铺时要在第1层坡顶基础上后退50 cm，留出施工空间。

3.3　CSG料质量控制

CSG坝质量的关键是CSG料的强度，故质量控制就是控制坝体填筑料的强度。

CSG料质量控制关键点如下：

(1)首要目的是控制CSG用料的强度；

(2)制备CSG料时，应用钻石体理论控制其强度，CSG料强度随级配和含水率的变化而浮动；

(3)填铺时，CSG材料强度应由压实能量(碾压遍数)控制；

(4)控制系统的适用性基于CSG料生产工艺以及现场填铺作业时其密实度变化幅度所决定的CSG料强度；

(5)现场实际检测的CSG料强度会有所浮动，但应遵循钻石体理论，即检测出的CSG料强度值应大于或等于CSG料强度设计值。如果检测的CSG料强度值低于CSG料强度设计值，则可能是所用料质量问题，也可能是称重系统故障引起的。

3.4　坝体和坝基状况

蓄水初期，对当别町大坝坝基以及上游分缝处外观变形和渗漏情况进行了监测。

3.4.1渗漏

蓄水初期，坝体经防渗处理后，坝体上游分缝处总渗漏量约为200 L/min。该渗流值在水库第一次蓄水后的4 a内，渗漏量逐年下降，到2015年渗漏量基本稳定。在坝基排水孔监测到的坝基总渗漏量约为40 L/min，并逐年下降， 到2015年坝基渗漏量也维持在稳定的水平。

3.4.2外观变形

分别在坝顶和下游边坡安装大坝外观变形监测设备，并采用光电测距仪进行测量。水库首次蓄水以来，4 a内，对坝体最大横断面处坝顶部位3个方向的外观变形情况进行了持续监测(误差控制在±5 mm以内)。监测结果表明： CSG坝外观变形量很小，并且与库水位升降无关。

4　金姆大坝

作为东冲绳河综合开发项目(Comprehensive Eastern Okinawa River Development Project)的一部分，金姆大坝项目是对已建的为金姆镇供水的金姆坝的扩建。扩建后的金姆大坝主要功能涵盖了防洪、保障供水、维持河流生态流量以及为城镇和农业灌溉系统供水等。重建的大坝为CSG材料坝，坝高39 m，坝顶长461.5 m，填筑量30万m3，控制流域面积14.6 km2，水库面积0.61 km2，总库容856万m3，有效库容786万m3，于2012年建成。坝体断面和上游设计分别见图11与图12。

图11　金姆坝典型断面(单位：mm)

图12 金姆坝上游概貌

第1次蓄水期间，坝体分缝及坝基渗流量分别为5 L/min和50 L/min。坝顶安装9台监测设备进行外观变形监测，首次蓄水期间对最大断面坝顶进行了3轮监测，其结果均在误差允许范围内，与当别町大坝的变形特性基本一致。

5　结　语

目前，日本已建成两座CSG坝，对大坝外观变形和渗漏情况监测结果令人满意。近期，又将有两座CSG坝正式开工建设，几座超百米高的CSG坝也在规划之中。本文研究结果表明，CSG坝的设计和施工是可靠和稳定的。