胶凝砂砾石坝水工设计技术浅析

李雪娇，鞠洪燕

（泰安市水利勘测设计研究院，山东 泰安 271000）

胶凝砂砾石坝是近几十年来国内外在总结面板堆石坝与碾压混凝土坝优点的基础上发展起来的一种新坝型，属于重力坝的一种，其特点是将少量的胶结材料（主要是指水泥、粉煤灰等在混凝土中起胶结作用的材料）、水与不经筛分的河床原状砂砾石或开挖的废弃料等地材用简易设备拌合，通过碾压的方式使之达到一定强度来满足应力和稳定的要求以构筑坝体。胶凝砂砾石坝在优化结构布置、适应地基特性，提高抗震能力、节约工程投资、实现快速施工、保护生态环境等方面具有显著的优点，泰安市也已将其作为多座中小型水库大坝的备选坝型之一。

1 设计理念

好的设计理念是确保水库大坝结构安全，施工便捷和降低造价的关键因素。胶凝砂砾石坝的设计基本理念：坝体的主要功能是满足应力与稳定的要求，无需承担防渗功能；其防渗功能由上游面专门设置的防渗结构来承担。该设计理念体现了功能分开的原则，是混凝土重力坝与面板堆石坝两种筑坝技术的交叉和优点的集合。

2 坝体构造

2.1 坝顶构造

坝顶布置应结合工程建筑的总体规划，并与周围环境相协调。非溢流坝段坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游侧防浪墙宜采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，且有足以抵抗波浪冲击和漂浮物撞击的厚度，高度通常1.2 m左右，其顶高程应高于波浪高程，具体数值参照《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）的有关规定确定。为安全计，坝顶下游侧应设置栏杆。坝顶最小宽度视剖面设计、运行管理、施工和两岸交通的需要而定，且不宜小于3.0 m。

溢流坝段坝顶的布置应结合泄洪闸门、启闭设施、操作检修、交通和观测等要求设置坝顶工作桥、交通桥，桥下应有足够的净空，并满足《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的要求。

2.2 坝体构造

坝体材料可以根据不同部位的要求和料源分布进行分区：建基面和岸坡部位宜采用常态混凝土、加浆振捣胶凝砂砾石或富浆胶凝砂砾石垫层，其厚度可为0.5～1.0 m；坝顶结构、溢洪设施、放水孔洞、防渗面板、防护面板、内部廊道等结构宜采用常态混凝土；其他部位，可采用同一标号的胶凝砂砾石。

3 坝体断面设计

3.1 断面初步拟定

目前，一般采用经验法进行胶凝砂砾石坝断面的拟定，通常非溢流坝段基本断面拟定为梯形。根据坝址筑坝材料的实际情况、地形地质条件以及气象水文条件等，参照已建类似工程，拟定几组上下游坡比组合。各坝段上游面宜协调，其坡比宜缓于1∶0.3；下游坝坡宜缓于1∶0.5。然后，以重力坝和碾压混凝土坝设计理论为基础，对拟定的几组断面进行稳定、应力计算，统筹考虑安全性、客观性和经济性等因素，经方案综合比选，最终确定相对最佳断面。

3.2 抗滑稳定计算

坝体抗滑稳定计算包括沿坝基面和坝内层面的抗滑稳定两个方面，当前系参照重力坝的计算分析方法进行。坝基面抗滑稳定计算采用抗剪断强度公式或抗剪强度公式，碾压层的抗滑稳定计算采用抗剪断强度公式，抗滑稳定安全系数参照《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）的相关规定执行。

3.3 坝体应力计算

胶凝砂砾石坝应力计算以材料力学法的计算成果为依据，有限元法的计算成果作为复核。在任何工况下，胶凝砂砾石坝的坝体最大主压应力应小于材料允许压应力，保护层拉应力应小于材料的允许拉应力，内部不出现主拉应力。运行期各种荷载组合作用下，坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基允许压应力；施工期坝踵垂直应力应小于材料允许压应力，坝趾垂直应力不允许出现拉应力。在非地震工况下，坝体内部胶凝砂砾石不应出现主拉应力。

3.4 允许应力与设计强度

胶凝砂砾石坝的允许压应力系按其极限强度除以相应的安全系数确定。材料的抗压强度安全系数，应根据大量工程实例的试验数据统计分析确定。而胶凝砂砾石筑坝技术目前在国内尚处于初级应用阶段，可供借鉴的实际工程经验不足，为了推广应用，根据保证足够安全余度的原则，现在一般参照混凝土的抗压强度安全系数选取，以保证胶凝砂砾石坝材料强度的安全储备不低于混凝土重力坝。

设计和校核工况（不含地震工况）下，坝体最大主应力不能超过胶凝砂砾石材料的设计强度。

4 胶凝砂砾石配合比设计

4.1 设计参数

工程现场拌和胶凝砂砾石，当胶凝材料用量低于80 kg/m3时，其浆砂比明显降低，可碾性、液化泛浆及层间结合等性能较差，对硬化后的结石性能影响较大，所以，胶凝砂砾石坝的胶凝材料用量不宜低于80 kg/m3，水泥熟料用量不宜低于32 kg/m3。施工现场胶凝砂砾石拌和物VC值控制在2～12 s是比较合适的。

胶凝砂砾石单位用水量及水胶比主要取决于砂砾石的天然级配、施工VC值、强度要求以及外加剂使用情况等因素。由于胶凝砂砾石用的是现场不经筛分的河床原状砂砾石或开挖的废弃料等地材，其级配变化很大，很难使用水量保持固定，所以，与常规混凝土级配和用水量能够控制在一个固定水平不同，胶凝砂砾石的用水量及水胶比是随着地材级配的变化而变化的，需要控制在一个适宜的范围内。

胶凝砂砾石振动液化达到密实的条件是：由用水量、水泥用量、掺合料用量所组成的浆体（灰浆）应填满砂子的所有空隙，并包裹住所有的砂子；由灰浆和砂子组成的砂浆应填满石子的所有空隙，并包裹住所有的石子。因此，配合比设计时，灰浆裕度α和砂浆裕度β的最小值不能小于1，以防骨料分离。

4.2 配合比设计方法

1）首先将做配合比试验的砂砾石母材，在剔除大于150 mm粒径的石块后，将混和砂砾石筛分为4个级配的粗骨料（粒径分别为150～80 mm、80～40 mm、40～20 mm、20～5 mm 的石子）和粒径小于5 mm的砂子，分别称量配制。

2）根据筛分试验，绘制砂砾石的级配包络线，得到最粗级配、最细级配和平均级配。由此，料场砂砾石级配将分布在最粗和最细粒径范围内。

3）确定“配合比控制范围”。根据胶凝砂砾石的设计强度，选取2～3个胶凝材料用量，对于每个胶凝材料用量，分别按最粗级配、最细级配和平均级配的砂砾石比例，在较宽范围内选取不同用水量进行强度试验，建立不同级配下28 d龄期及设计龄期的抗压强度与用水量的关系，以确定既满足设计强度要求又满足与之相对应的施工VC值用水量要求的范围。

4）根据不同胶凝材料用量下的“配合比控制范围”选定胶凝材料用量。在某胶凝材料用量下，“配合比控制范围”中平均级配胶凝砂砾石设计龄期强度最小值应满足配制强度要求，同时“配合比控制范围”中最细级配胶凝砂砾石设计龄期强度最小值不低于设计强度。可见，在此范围内不同用水量的任何级配的胶凝砂砾石均可以获得比设计强度更高的强度。

5 胶凝砂砾石坝防渗与排水体系

5.1 坝体防渗

胶凝砂砾石材料本体虽然具备一定的抗渗能力，但是长期耐久性指标相对较低，为了保障工程长期安全运行，胶凝砂砾石坝坝面应该设置保护层，上下游面水下部分均需设置防渗层。保护层和防渗层的设置，均应满足《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL678-2014）的要求。

5.2 坝基防渗

胶凝砂砾石坝可以建设在弱风化岩层的上部，风化基岩在减小不均匀沉降并满足抗滑稳定的同时，还应满足渗透稳定的要求，其抗渗能力应足以有效降低渗透压力，限制渗水流量。

5.3 止水设施

为了防止坝体上游面、溢流面以及下游面最高尾水位以下设置的横缝产生渗漏，横缝处均应布设止水。坝内孔洞和坝基廊道穿过横缝的周边等部位，也应布设止水。

5.4 排水系统

根据大坝的运行环境、结构布置、地质条件以及重要程度等因素，可以在坝基设置排水廊道，用以汇集坝体、坝基渗水，集中排入下游河道。

6 结语

胶凝砂砾石坝是基于“宜材适构”的理念，将不受传统级配限制的、离散性较大的砂砾石，用较少的水泥砂浆胶结起来，通过合理的结构设计和便捷的施工工法筑成的一种新的坝型，属于从散粒材料坝到碾压混凝土坝之间的过渡坝型。与土石坝相比，施工工艺和质量相对容易控制，且抗冲刷能力大大提高，提高了坝体抵御洪水风险的能力，对中低坝安全度将会产生很大的提升。