胶结颗粒料均质坝设计稳定性探讨

阎 烁，王立权，李 达，卫春安

(黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)

1 胶结颗粒料坝的研究现状

1.1 土石坝研究现状

混凝土重力坝的材料超强，但因水泥的用量较高，导致施工期的温度控制复杂及水化热的提升。为了改善上述问题，日本研发了胶凝砂砾坝，法国等国家也研发了硬填筑料的坝体，中国则研发了自己的胶凝砂砾石坝以及堆石的混凝土坝，这些坝型的研发都降低了工程施工建设的费用。为了更加科学充分利用好筑坝材料，胶结颗粒料坝的出现更好地实现了安全、经济建设大坝。这种坝型的设计理念是调整坝体的结构用以适应其材料的特性，更加充分地利用当地材料去修筑坝体。

我国的土石坝数量众多，土石坝不利于应对漫顶破坏，特别是地震区的大坝，更易受损失事，所以推进胶结颗粒料的新坝型应用势在必行。地震区的大坝需要不断提升大坝抗震性能研究，特别是汶川地震，使大坝抗震规律研究再上一个新的台阶。目前，胶结颗粒料坝在断面设计、性能试验方式以及施工质量控制等方面都有了一定的研究进展。

从工程的实践来看，胶结颗粒料坝可以节约投资的10%～20%，具有漫顶不溃，利于环境的保护及水土保持，并且可以缩短工程建设周期。新坝型也可充分利用当地条件，如当地地理、材料优势，通过石粉、水泥、砂浆等胶凝材料与土、砂、石材料混合，形成具有一定的强度、抗冲刷冲蚀以及抗剪能力的筑坝材料。同时，根据其结构设计，筑坝材料可充分发挥自身特性，并遵循结构设计适应当地材料等来确定大坝的断面，从而也达到经济、安全环保的目的。

1.2 发展与实践

为更好更充分利用当地材料并且实现安全、经济建设大坝目标，贾金生和刘宁等在2009年提出了一种新的坝型——胶结颗粒料坝(Cemented Material Dam，简称CMD)以及“宜材适构”这种新的筑坝理念。同时编制了胶结颗粒料坝水利行业技术标准，推动国际大坝委员会建立胶结颗粒料坝专业委员会。

我国的第一座胶凝砂砾石围堰(街面水电站下游围堰)于2004年建成，堰高16.3 m。之后陆续建成了福建洪口水电站上游过水围堰(H=35.5 m)、贵州沙沱水电站二期下游围堰(H=14 m)、四川飞仙关水电站一期纵向围堰(H=12 m)等，积累了丰富的经验。山西守口堡是采用胶凝砂砾石坝设计的第一座永久性工程，坝高61.6 m，于2015年8月开始建设[1]。

表1为国外采用胶凝砂砾石料修筑的工程实例。

表1 国外已建工程实例

2004年初，菲律宾修建了高40 m的Can -Asujan硬填方坝。实践证明，即便在地震应力作用下，基础应力也不会超过0.5 MPa。

1975-1982年，在巴基斯坦的塔伯拉泄洪洞的修复工程中曾经大量使用胶凝颗粒料。该工程采用未经筛洗的砂砾石料加入少量水泥拌和，经过振动碾压，修复被冲毁的部位。在42天内共填筑35×104m3，平均日浇筑强度为8 371 m3/d，最大日填筑强度达18 438 m3/d，显示出胶凝颗粒料在抢险修复工程中可以快速施工的巨大潜力[2]。

2 传统均质坝设计时稳定性的考虑

2.1 均质土坝设计原则

1) 防渗流原则。为了消除或减轻渗流的不利影响，采用防渗排水设施，保证坝基土及坝体的稳定性，同时减少水库的水量流失与渗漏。排水：设置在坝体下游段的透水性坝壳以及排水体等。

2) 防沉陷原则。为了防止沉陷后的坝顶高程低于设计标准，设计坝顶时要预留沉陷值并且对于重要的工程要通过相关沉陷计算预留沉陷值。

3) 防冲刷原则。确定坝顶的高程，需要在设计库水位以上有一定的安全超高，正确确定防洪标准，合理选定拥有足够泄水能力的泄水建筑物的尺寸，确保洪水不会漫顶[3]。

2.2 均质土坝优缺点

均质坝优点：①材料单一，工序简单，各工序间干扰少；②与坝基、岸坡以及混凝土建筑物的接触渗径比较长，也可以做简化的防渗处理。土石坝在建筑过程中使用材料简单，成本低并且坝体性能好寿命长[4]。在当今施工技术日益更新换代，使工程本身得到很多的优化与创新。

缺点：①设计坝坡较缓，工程量巨大；②土料的施工受天气影响较大，在部分地区使用与施工受限；③由于材料特性透水性较强，使得坝体内浸润线较高；④施工期因自重而产生的孔隙压力消散缓慢，对坝坡稳定不利。

2.3 土石坝失稳

依靠重力维持稳定，由于是散粒体堆筑，坝坡稳定需要采用肥大的剖面，坝体不可能产生水平滑动，其失稳主要是坝坡滑动或者倾倒破坏，坝基一起滑动[5]。土石坝上游坝坡长期处于水下饱和状态，水库水位也可能快速下降，为了保持坝坡稳定，因此上游坝坡比下游坝坡平缓[6]。土石坝渗流变形：管涌；流土；接触冲刷；接触流土和接触管涌。防止渗透变形的措施：全面截阻渗流，延长渗径。设置排水设施，反滤层，排渗减压井。影响因素：坝体滑坡滑裂面的形状，坝体结构，土料，地基的性质，坝的工作条件。

3 胶结颗粒料在均质土坝中的设计原则

3.1 基本原则

1) 胶结颗粒料的制备是介于普通堆石料和混凝土材料之间。倡导通过结构设计的改进以尽可能地适应当地材料性能。

2) 胶结颗粒料坝在抗震以及抗漫顶破坏方面按照混凝土重力坝的同等的安全裕度设计。

3) 在与混凝土和碾压混凝土相比，显著的降低胶凝材料(水泥、粉煤灰等)用量。

4) 采用“宜材适构”和“功能分区”设计理念。

3.2 结构设计原则

1) 大坝断面大小介于重力坝以及土石坝之间，与重力坝相比，坝体横断面增加，增加应力储备。

2) 胶结颗粒料坝对于应力和稳定的要求与重力坝相似。

3) 胶结颗粒料坝体应时刻处于受压状态，无论是施工或者运行中的坝体如果受拉，可以采用堆石混凝土、加浆振捣胶凝砂砾石等抗拉性能较好的材料。

4) 非岩基筑坝不超过50 m[7]。

3.3 渗流稳定计算

3.3.1 渗透坡降计算

渗透坡降计算采用达西定律基本公式，计算公式如下：

式中：J为渗透坡降；L为渗透途径长度；ΔH为上下游水头差。

3.3.2 渗流量及渗流水深计算

1) 不透水地基均质土坝。公式如下：

2) 有限透水地基均质土坝。公式如下：

式中：q为通过坝体及坝基的渗流量；qD为通过坝体的渗流量，按不透水地基上的均质土坝计算；h为坝体渗流量计算中渗流水深；h0为坝基渗流量计算中渗流水深；m3为排水棱体临水侧坡比；T为有限透水地基厚度；H1为上游水深；H2为下游水深；L为渗径；k为坝体渗透系数，取《地质报告》建议平均值；k0为坝基渗透系数，取《地质报告》建议平均值；m1为上游坡比。

4 结论与建议

1) 注重地基的处理。均质土坝本身适应地基变形能力较强，采用胶结新材料筑坝，散粒材料具有一定的刚性，则对于地基要做相应的处理。

2) 渗透性研究。材料抗渗抗冻性能增强，渗透水流以及渗透坡降的变化，滑坡的概率也会降低。

3) 坝体断面减小以节省材料。坝体填筑工程量减少，土料填筑受气候的影响也相应减少，可能会缩短工期(气候条件影响工期)。

4) 施工导流在均质土坝较困难，并且坝顶不能溢流，坝身不能开孔。或许根据材料的性能，使得坝身有开孔的可能性，无需另设泄水建筑物(由抗冲刷能力决定)。

5) 沉陷的考虑。土料的施工后沉陷，特别是黏土土坝，需要足够的坝高，并且预留沉陷值。胶结颗粒料的使用，沉陷值会减小，那么需要考虑的坝高及预留沉陷值，要根据材料性能重新制定。

6) 坝体剖面及细部构造，需要考虑坝体沉降的问题，防止不均匀沉降，材料的不同，其沉降值也不同。同时做好土料的压实。

7) 滑坡问题也是土石坝失稳最常见的破坏形式。当局部范围剪应力>允许剪应力，就会产生坝体滑动或者坝体连同地基一起滑动。当使用了新的胶结材料，其坝面坡度会随之增大(减少土料使用)，那么随之而来的是滑坡风险的增加，即便是胶结材料具有一定的刚性，归根结底也是土料的一种。坝基和坝体必须稳定可靠。

8) 寒冷地区，均质土坝护坡在冬季负温作用下会产生冻胀变形，春季温度上升使其融化产生融沉变形，春季在风浪作用下产生冰推力，经过反复冻融、冰推和风浪作用下土坝护坡会产生破坏。冻融冻胀作用及冰推力对寒冷地区各类工程及建筑物会造成很大危害。现有均质土坝护坡主要在坝体填土表面铺设混凝土板然后形成均质土坝护坡，坝体护坡结构单一，春季在风浪作用下产生冰推力，经过反复冻融、冰推和风浪作用下土坝护坡会产生破坏。