金鸡沟水库软岩胶结材料筑坝技术研究

(1.四川省水利科学研究院，成都，610072；2.四川省水利厅工程建设处，成都，610017；3.水利部南水北调规划设计管理局，北京，100038；4.四川省水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

随着社会经济的飞速发展，工程领域的活动对自然生态环境的和谐性和友好性提出了更高的要求，水利水电行业的筑坝技术也随着材料的变化而日新月异。本文通过对金鸡沟水库大坝采用软岩胶结料筑坝的设计思路、施工方法和材料试验等方面的总结，为在红层地区采用软岩筑坝提供了技术参考。

1 工程概况

金鸡沟水库位于营山县境内流江河左岸一级支流石膏桥河上。水库属于中型水利工程，总库容1103万m3，正常水位库容1008万m3，灌溉面积为0.38万hm2[1]。

金鸡沟水库大坝采用C1808W4胶结砂砾石坝，最大坝高33.0m，坝顶高程为422.0m，坝顶宽度为8.0m。正常蓄水位为421.0m，设计洪水位421.05m，校核洪水位421.70m，死水位410.00m。坝体上游坝坡为1∶0.35，采用0.6m厚C20钢筋混凝土防渗，下游面坝坡为1∶0.75，表面为富浆胶结砂砾石。坝面溢流。

工程区位于扬子准地台四川台坳川中台拱的北部丘陵区，主要构造痕迹以宽缓型背向构造为主，工程区地震动峰值加速度为<0.05g，对应地震基本烈度为Ⅵ度，地震动反应谱特征周期为0.35s，区域构造稳定性好。库区地层主要为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)不等厚互层。坝址两岸对称，呈“V”型谷，两岸地形坡度50°～70°，下陡上缓，坡顶为20°～30°，坡高20m～35m。左、右坝肩主要为砂岩和砂质泥岩，大部分基岩裸露，有少量崩坡积。

2 砂岩制备胶结砂砾石配合比试验

2.1 原材料检测

使用P.O42.5R水泥，掺合料为Ⅱ级粉煤灰，外加剂品种为胶结砂砾石专用外加剂，骨料采用外购料场的天然河卵石骨料、当地砂岩及当地破碎的细骨料。

粉煤灰检测结果符合质量标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)中Ⅱ级粉煤灰的规定；专用外加剂掺量、减水率、泌水率比、含气量、凝结时间差、抗压强度比、收缩率比等指标应符合《混凝土外加剂规范》(GB 8076-2008)要求。砂岩各粒径骨料的表观密度较低，在2440kg/m3～2500kg/m3之间，最大粒径应不大于150mm。基本满足《胶结颗粒料筑坝技术导则》(SL 678-2014)规定的应不小于2450kg/m3的要求，平均饱和抗压强度32.8MPa，最低29MPa，软化系数0.71，压碎指标20.2%，超过《水工混凝土施工规范》(SL 677-2014)中压碎指标不大于16%的技术要求。

2.2 胶结砂砾石设计强度与配制强度

金鸡沟胶结砂砾石坝坝体设计强度为C1808。胶结砂砾石配合比设计依据《胶结颗粒料筑坝技术导则》(SL 678-2014)。设计强度为C1808的配制强度为10.7MPa，即要求平均级配砂砾石骨料的胶结砂砾石最低强度为10.7MPa，最细级配砂砾石骨料的胶结砂砾石最低强度为8.0MPa。

2.3 胶结砂砾石配合比及材料性能

制备了砂岩与卵石混合骨料的胶结砂砾石湿筛试件，开展砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例的胶结砂砾石材料性能试验，测试性能指标包括抗压强度、劈拉强度、抗剪强度和抗渗性能。

2.3.1 胶结软岩配合比

根据已选定的混合骨料配制砂岩胶结砂砾石料，砂岩胶结砂砾石配合比见表1。

表1砂岩胶结砂砾石配合比

备注：表中材料用量单位为kg/m3，骨料为饱和面干状态。

2.3.2 胶结软岩试件成型

依据相关技术导则和试验规程中碾压混凝土的有关试验方法成型胶结砂砾石试件(湿筛二级配)，胶结砂砾石湿筛小试件为边长150mm的立方体。开采现场砂岩骨料，进行一次破碎后，剔除超径石(骨料粒径>150mm)，然后运至储料堆；脱水后通过胶结砂砾石专用拌和设备进行拌和，在胶结砂砾石拌合生产过程中，从出机口取料，采用湿筛法将粒径大于40mm的粗骨料除去，成型湿筛小试件。选取钢铸模，试件在成型过程中，分两层加压振实，养护24h后拆模，强度较低时适当增加拆模前的养护时间。

图1 胶结砂砾石抗压强度试件成型

2.3.3 胶结砂砾石力学性能试验结果

研究了不同砂岩掺量与不同龄期的胶结砂砾石力学性能，其结果如表2所列。

表2力学性能试验结果

由表2可看出：

(1)砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例的胶结砂砾石湿筛试件设计龄期抗压强度均在11MPa以上，满足设计值C1808要求。

(2)砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例的胶结砂砾石抗压强度均随龄期增加而增大，后期抗压强度增加有变缓的趋势；两种砂岩掺量的胶结砂砾石抗压强度发展规律几乎相同、强度数值接近。

(3)砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例的胶结砂砾石劈拉强度随龄期增加而增大，后期劈拉强度增加有变缓的趋势；两种砂岩掺量的胶结砂砾石劈拉强度发展规律相似、强度数值接近。

(4)180d龄期胶结软岩抗剪断摩擦系数随砂岩掺量增加而增大；砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例的胶结砂砾石抗剪断力粘聚力相差不大。

(5)180d龄期胶结软岩砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例的胶结砂砾石摩擦系数相差不大；抗剪粘聚力在砂岩与天然卵石按照60%-40%掺配比例时粘聚力较大但不明显，砂岩掺量对抗剪强度有一定的影响。

2.3.4 抗渗性(W)

抗渗试验结果见表3。

表3抗渗性检验结果

由表3可看出：

(1)砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例的胶结砂砾石的渗水高度随龄期的增加而明显降低，表明两种胶结砂砾石的抗渗性随着龄期的增加而增强。

(2)28d龄期砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例胶结砂砾石的渗水高度接近，随着龄期的增加，两种砂岩掺量胶结砂砾石的渗水高度逐渐降低。

(3)180d龄期砂岩与天然卵石按照60%-40%掺配比例胶结砂砾石的渗水高度远低于砂岩与天然卵石按照50%-50%掺配比例胶结砂砾石，表明砂岩掺量为60%时胶结砂砾石抗渗性优于砂岩掺量为50%的胶结砂砾石。

(4)两种不同砂岩掺量胶结砂砾石抗渗等级均能够达到W4等级，满足设计要求。

2.3.5 胶结砂岩直剪试验

坝体直剪试验采用平推法，包括抗剪断和抗剪试验两种方式。通过材料配合比、施工工艺、质量监控的实施，砂岩胶结砂砾石施工质量可靠，参数满足大坝抗滑稳定、层间结合需要，满足金鸡沟胶结坝稳定需求。根据试验测试得砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例的胶结砂砾石的层面或接触面抗剪断峰值强度摩擦系数f′为1.0～1.1，C′为0.3MPa～0.5MPa，抗剪参数满足中低坝应力要求。各种掺配组合的抗剪断峰值强度、残余强度、抗剪峰值强度摩擦系数及4组直剪成果汇总见表4，典型剪切面如图2、图3。综合分析后可看出：砂岩骨料50%掺配(胶结砂砾石层面)呈混合破坏为主；砂岩骨料60%掺配(与富浆胶结砂砾石接触面)沿面上胶结体剪坏为主。

图2 砂岩骨料50%掺配(层面)典型剪切面

图3 砂岩骨料60%掺配(与富浆胶结砂砾石接触面)典型剪切面

表4胶结砂岩直剪试验结果

3 结语

四川省是全国水利大省，也是我国西南地区红层分布极为广泛的省份之一。红层主要形成于侏罗系、白垩系及小部分三叠系以及早第三系，指那些已成岩的，主色调为红色的砂岩、粉砂岩、泥岩等岩性的一套陆相及浅水湖相沉积物，主要分布在我国华南、中南、西南广大地区，岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、砂岩、泥质砂岩等[2]。

红层地区可开采岩石主要为砂岩，砂岩属于水成岩，主要由各种砂粒胶结而成的，颗粒直径在0.05m～2mm，其中砂粒含量要大于50%，结构稳定，通常呈淡褐色或红色，主要含硅、钙、黏土和氧化铁，绝大部分砂岩是由石英或长石组成[3]。

金鸡沟工程所在的四川省营山县，当地砂岩平均单轴饱和抗压强度32.8MPa，最低值低于29MPa，软化系数为0.71，具有软岩特征[4-6]。依托金鸡沟胶结坝开展了材料配比、现场试验等系统研究，得到主要结论如下：

(1)砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例时，均可以配制满足设计强度C1808要求的胶结砂砾石。两种胶结砂砾石均满足强度设计指标。

(2)砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例试件的抗压强度、劈拉强度等均随龄期的增加而逐渐增大。

(3)两种砂岩掺量对胶结软岩抗剪断强度的影响不突出，但是对抗剪强度有一定的影响。180d龄期胶结软岩，砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例时抗剪摩擦系数相差不大。

(4)砂岩与天然卵石按照50%-50%、60%-40%掺配比例胶结砂砾石的抗渗性随着龄期的增加而增大，180d龄期胶结砂砾石抗渗等级能够达到W4等级，满足设计要求。