胶凝砂砾石在中小型水利工程的应用分析

冉昊东，郑 州

（1.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 401120；2.重庆三峡学院，重庆 404199）

砂砾石是一种常见的颗粒状、无粘性材料，在工程中应用广泛。胶凝砂砾石坝作为胶结颗粒料坝的一种，其最大骨料粒径可以放宽至150 mm（对于围堰，最大粒径小于300 mm），是一种介于传统重力式土石坝和混凝土坝之间的新型坝[1]。通过各种材料的胶结，形成一种各项性能稍低于混凝土的材料，强度、抗剪能力和抗冲刷能力都能满足工程使用，但在坝体重要部位还应该使用高强度材料，坝体按照功能是常见的做法[2-4]。同时，胶凝砂砾石坝考虑不同地区使用要求时，需要进行配合比二次调整以满足各种强度要求以及抗冻、防渗等要求。由于胶凝砂砾石对材料适应性强[5-6]，可以因地制宜利用当地原料，其在经济适用、环保节约等方面具有综合优势，是中小型水利工程领域新的发展方向，具有广泛的适用性[7-8]。本文旨在前人研究技术上，对胶凝砂砾石在中小型水利工程的应用实践进行分析，重点阐述配合比、施工工艺及胶凝砂砾石坝断面形式方面的设计施工要点。

1 砂砾石料制备

相对于碾压混凝土，胶凝砂砾石骨料最大的区别为原则上可以是不用经过复杂筛分水洗的砂砾石混合料，骨料就是砂砾石混合料，对于永久工程最大骨料粒径可达150 mm，在生产过程中只需剔除大于设计最大粒径石料即可。同时骨料需满足一定的砂率，相对于碾压混凝土砂率可使用范围变广，可在18%～35%之间。粗骨料在使用中对各粒径组的比例没有严格限制，只对5 mm～40 mm 粒径含量有一定要求，宜在35%～65%之间。未经开采的天然砂砾石混合料，其天然级配分布较为均匀，是胶凝砂砾石最为理想的骨料来源。人工砂石骨料亦是采用爆破混合料或工程开挖料等经过简易破碎获得。对于胶凝砂砾石的人工骨料，没有碾压混凝土要求严格，无需经过多次破碎和筛分来获得满足要求的各个粒径组的骨料。胶凝砂砾石骨料生产系统流程图见图1。

图1 胶凝砂砾石骨料生产系统流程图

2 配合比设计

胶凝砂砾石的原材料一般为开采天然砂砾石、地基岩石开挖料、破碎料等，其最大骨料粒径小于150 mm，筛分之后超过使用要求的骨料将进行破碎处理，最大化合理利用原材料。胶凝砂砾石骨料相较于传统混凝土用量较少，同时胶结材料用量（水泥和粉煤灰等）与碾压混凝土相比要节约30%。胶凝砂砾石具有材料易得、处理简单、施工方便、节约成本等优点，适用于中小型水利工程建设[7]。

胶凝砂砾石作为一种新型材料，在设计中必须保证胶凝砂砾石的强度满足工程使用要求，陈斌兴[8]根据日本CSG 配合比设计方法，提出了一种胶凝砂砾石配合比设计方法。在料场取原材料后，根据筛分实验绘制料场原料试样砂砾石的级配包络线，分别得出了最粗级配、最细级配和平均级配。在确定胶凝砂砾石土石坝施工配合比时，平均胶凝砂砾石的强度应该满足配制强度fcu，0，且强度最小值不低于配置强度，胶凝砂砾石的最细级配强度满足设计强度fcu，k，且强度最小值不低于设计强度。设计强度与配制强度的线性关系式为：

式中：t 是概率系数；σ 为抗压强度标准偏差。

在胶凝砂砾石粗骨料选择时宜以采用四个级配的粗骨料，直径范围在5 mm～150 mm 之间，从小到大的直径差值范围区间分别为15 mm、20 mm、40 mm、70 mm。同时由于含泥量对胶凝砂砾石的强度影响很大，要求现场砂砾石骨料中含泥量不超过5%，过高的含泥量将影响胶凝砂砾石的材料强度、抗冻性及抗渗性，因此在中小型水利工程，如土石坝中含泥量指标限制严格。在实际工程中建议的水胶比为0.7～1.3 之间最为合适，过低的水胶比由于水量少、浆体量少，材料之间空隙多，导致密实性差、强度降低。

胶凝砂砾石由于其骨料选择范围宽泛，比如河床砂砾石、坝基开挖料、人工骨料和天然骨料的混合料，都是可选骨料，由于骨料选择不受传统级配限制，因此骨料性质对胶凝砂砾石的工程特性影响较大，一般需要基于工程实际开展室内实验，进行配合比的二次设计。室开展采用河床开挖料、砂岩与卵石混合骨料配制胶凝砂砾石，以及垫层富浆胶凝砂砾石配合比等试验，流程见图2。

图2 生产性工艺试验流程图

3 施工工艺

3.1 胶凝砂砾石的拌和制备

在胶凝砂砾石拌和过程中，由于胶凝砂砾石原材料级配离散度高、骨料水敏感度强、含泥量较高，应该采用特定的设备和工艺来保证施工质量。现阶段，胶凝砂砾石坝的施工拌和设备采用的北京水利科学研究院研制的连续拌和设备，主要特点有：利用滚筒将物料提升，然后自落，并利用滚筒内叶片的强制拌和作用，实现胶结砂砾石的拌和；JLB-200 型专用拌和设备可实现拌和，骨料、水泥和水等自动准确计量一体化；连续滚筒式专用搅拌机具有拌和最大粒径为150 mm 的能力，其每小时生产能力可达到200 m3，并且具有较高精准度的计量系统，能够满足施工过程的快速高质量完成[9]。在四川省顺江堰胶凝砂砾石坝施工现场，JLB-200 型专用拌和设备的使用情况见图3。

图3 顺江堰胶凝砂砾石拌合设备

3.2 胶凝砂砾石坝坝体施工

针对胶凝砂砾石材料的特点，可采取两种施工方法耦合，以碾压施工为主，振捣施工为辅。碾压施工是当前一种常见的施工方法，将胶结材料（例如水泥）和水加入到原材料（天然砂砾石、地基岩石开挖料、破碎料）中，经过拌和、碾压处理。但对于小型水库、山塘等低坝而言，由于碾压机械体积过大无法进入施工现场，因此在中小型水利工程中多以振捣施工来辅助施工。在浇筑施工时使用高频率振捣，同时要求胶凝砂砾石具有一定的坍落度。该项技术目前已经应用于多个水利工程施工中，不仅节省工程总投入，也拓宽了胶凝砂砾石坝的应用范围。

在胶凝砂砾石坝坝体铺筑时，入仓采用自卸汽车运输，人工辅助进行平仓，最后进行振动碾压。在确定碾压方案之前应该进行碾压试验，从而确定静碾次数和动碾次数。对于边角部位，由于施工设备的局限性，宜采用人工造孔的方式，在振捣与碾压边缘的交接部位应该额外使用振动设备进行处理，保证整体施工质量。注浆水胶比在0.7～1.3 之间最为合适，保证适宜的密实性和足够的强度。需注意，不同材料接触部位的施工，应该符合功能梯度概念实现渐进变化，保证水利工程安全可靠。

胶凝砂砾石层面往往会因在初凝前不能及时全面覆盖而产生施工缝，除了要保证在初凝前及时进行覆盖外，应该尽量对胶凝砂砾石层进行连续碾压施工。对于未及时处理而产生的施工缝，毛化处理后铺设水泥净浆或水泥砂浆（厚度为15 mm、水灰比为1∶3）。

4 胶凝砂砾石坝断面形式特征

经过计算验证，胶凝砂砾石坝坝体的断面形式应该采取材料适应性最强的梯形，坝体尺寸见图4，同时梯形的断面形式也得到国内外胶凝砂砾石坝工程实例的验证。在断面形式为梯形的梯形坝坡中，坡率是影响工程量、坝体内部应力与位移的关键因素[10]。因此根据实际工程要求确定胶凝砂砾石坝坝坡坡率是设计中的关键问题。同时，梯形断面形式可以适宜材料性能，应力水平底、分布均匀、变化小，也在一定程度上弥补胶凝砂砾石强度、弹性模量及其他的性能参数低于混凝土的缺点。

图4 胶凝砂砾石坝体典型剖面

图4 中：L 为胶凝砂石土坝顶宽度，H 为胶凝砂石土坝体的高度，m 为胶凝砂砾石坝坡坡率，hs1为坝体上游水位，hs2为坝体下游水位。

胶凝砂砾石坝相对于常规重力坝，结构上属于胶结体结构，通常需要断面尺寸远大于常规重力坝，以满足整体抗滑稳定性要求。鉴于此，在满足整体抗滑稳定性要求的前提下可对基础适当放宽处理要求。同时在断面形式设计时，应当考虑不同的功能分区理念，并且在功能分区部分应该满足应力要求，需采用高强度混凝土、富浆胶凝砂砾石等强度较高的材料。合理设计防渗保护层、排水结构设施以解决渗漏问题、抗拉问题、抗冻问题从而在节省工程总投资的前提下最大程度满足大坝的使用要求。

5 结语

胶凝砂砾土坝作为一种新形式坝体，目前在我国已经应用广泛，是对传统筑坝技术体系的提升优化。胶凝砂砾土坝是介于混凝土坝和传统重力式土石坝之间的一种离散颗粒材料坝，大坝的设计理念不同于混凝土坝和土石坝。本文基于实际工程的应用角度，充分考虑配合比、施工工艺、断面形式的要求，介绍该坝形在材料、施工、结构上的优势，进一步揭示出胶凝砂砾土坝在中小型水利工程上具有良好的应用前景。