胶凝砂砾石坝经济性研究

2020-08-17赵华

陕西水利 2020年5期

赵华

（新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆昌吉 831100）

随着现代工程科技的进一步发展，越来越经济且实用的材料被用于坝体。上世纪70年代有一种使用胶结材料来构建砂砾石材料坝被提出，2004年在法国、日本、土耳其、希腊等国关于Hardfill坝和CSG坝的实践基础上，贾金生[1～2]等正式提出了胶凝砂砾石坝（CSGRD）的概念，并被我国广泛采用。该材料先后应用在顺江堰、猫猫河山塘等少数永久性工程，而守口堡水库大坝作为国内首座胶凝砂砾石大坝也已完工。

胶凝砂砾石坝是将土石坝和混凝土重力坝综合的一种新型坝[3]，相较于面板坝拥有更小坝体断面，相对于碾压混凝土坝施工费用更少、工期更短、方法更简单。另外，胶凝砂砾石坝用料可以就地取材，将骨料最大粒径扩大到150 mm，尽可能用尽当地砂砾石，基本实现零弃料，对当地生态环境的影响程度降到最低。正是这诸多的优越性，胶凝砂砾石坝受到国际坝工界的格外青睐，我国也相继将胶结颗粒料筑坝技术进行推广使用，在通过围堰工程实验性应用之后，逐步在永久性工程上应用。

平顶山万亩旱田景区供排水工程位于木垒河上游低山丘陵区，建设内容包括新建调蓄水池、输水管道系统、污水处理系统等，其中新建的调蓄水池的坝体就采用胶结颗粒料筑坝技术。调蓄水池工程等级为Ⅳ等，正常蓄水位1742.46 m，容量5.4万m3。坝址所处的河床上覆第四系全新统冲积层（Q4al），下部为石炭系上统沙雷塞尔克组第一亚群（C3sa）灰色-灰黑色凝灰质砂岩。河床覆盖层岩性主要为卵砾石层，厚度为6.0 m，母岩成分主要为凝灰质砂岩和砾岩等，可见最大粒径约50 cm。可以充分利用就地材料，达到节省投资、加快施工进度、减少弃料保护环境的效果。

以调蓄水池为对象，结合胶凝砂砾石单价、工程造价，影响因素等进行综合比较，从施工各环节分析此工程采用胶凝砂砾石坝经济合理性。

1 经济性分析参数

根据《新疆维吾尔自治区水利水电工程设计概（估）预算编制规定》中的单价和工程造价计算方法，将工程费率标准提取见表1。

表1 费率标准汇总表（%）

2 胶凝砂砾石坝经济性分析与施工工艺

经济性分析与评价不但是工程项目投资决策的基础，也在工程项目施工方案的设计规划中起着重要的作用。而某一项工程的经济性是否合理也取决于施工工艺的选择。在此工程中，坝体所用胶凝砂砾石材料的骨料开采和运输、配合比、拌和方式及施工过程中的各个环节都影响着经济性合理与否。

2.1 经济性分析

根据地形、地貌及所处位置等选择料场三处，即C1#、C2#和C3#坝壳料场。通过室内颗粒分析和水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251-2000）附录A.2中表A.2.1土料质量指标进行评价，C1#、C2#、C3#料场中的粗骨料各项质量技术指标均符合要求，但细骨料含泥量偏高，需冲洗，建议采用商品混凝土。由于C2#料场储量大于20万m3，是需要量的2倍，运距13.0 km，开采条件较好，便于大型机械施工，最后确定C2#料场为选定砂砾石料场。另外，考虑到碱-硅酸盐反应，工程使用复合水泥32.5 R。胶凝砂砾石配合比及材料用量见表2。

表2 胶凝砂砾石材料试验配合表

平顶山万亩旱田景区供排水工程中调蓄水池坝体的砂砾石料开采时，在生产场地设置一次储料堆，存储量为3 d～5 d的使用量；在拌和站皮带进料口附近宜设置二次储料堆，存储量为不少于1 d的使用量。砂砾石应剔除毛料中超大粒径的石块；在存储砂砾石时，应综合考虑降雨、降雪及天气条件，采取必要的保护及排水措施；在采用自卸汽车进行运输时应避免混入泥块。

胶凝砂砾石坝的筑坝原材料主要包括砂砾石、水泥、粉煤灰和水等，不同于其他新型材料，胶凝砂砾石材料不需要复杂的制作设备。在国内主要有拌合楼搅拌和CSG连续拌合两种制备方式。

常规的拌合楼搅拌运用范围广，而CSG连续拌合却少见，是胶凝砂砾石坝特有的搅拌系统。相较于拌合楼搅拌方式，CSG连续拌合系统不用电力驱动，而是利用重力势能使拌合料通过上下运动完成搅拌，具有节能环保、投入成本低、生产效率高等优点。CSG连续拌合系统示意图见图1，其估价结果见表3。

图1 CSG连续拌合系统示意图

表3 CSG连续拌合系统估价表

对2×3.0 m3混凝土拌和楼制备与连续拌合系统制备的估算价格进行比较，两种制备方法的直接费估算结果见表4。

表4 两种制备方法搅拌费用对比表

从表4的估算结果来看，两种制备方案中CSG连续拌和经济性较好。所以，平顶山万亩旱田景区供排水工程中的调蓄水池坝体材料可以选用CSG连续拌和的方案进行制备。

2.2 胶凝砂砾石施工

调蓄水池坝体工程施工中，施工工序为:仓面冲毛—浆液配制—胶凝砂砾石拌和物入仓—摊铺—注浆—振捣。混凝土骨料采用15 T自卸汽车运输至现场，再采用平仓机、推土机将胶凝砂砾石料推平，在边角部位应该采用小型挖掘机或人工平仓，铺料厚度为每层25 cm，共三层为75 cm。在碾压过程中振动碾的行走速度宜控制在1.0 km/h～1.5 km/h，碾压方向宜垂直于水流方向。采用无振碾压2遍和有振碾压6遍的组合方式，碾压作业面应通过人工补充细料找平，边角部位要采用手扶式振动碾碾压或者人工夯实。

在胶凝砂砾石坝体的施工中还有一道极其重要的工序，那就是注浆。注浆的质量直接影响着胶凝砂砾石质量，此工程胶凝砂砾石坝体施工中采用分层注浆法，也就是层间铺设一层厚度为15 mm的水泥砂浆，使用装载机或者人工进行摊铺。

根据上述的施工步骤工艺，对胶凝砂砾石材料的单价进行计算，结果见表5。其单价组成成分见图2。

表5 胶凝砂砾石单价表

图2 胶凝砂砾石单价组成示意图

由图2可以看出，在单价中所占比例最大的部分是材料费，超过制备运输和综合取费的总和，材料费中包括水泥、砂砾石、砂、油料等采购费用。而其中占极大比重的砂砾石又可以在原地取材，不但节省投资，还加快了施工进度、避免了环境污染，是一种具有较高推广价值的新型坝型。

3 不同坝型工程造价比较

现在常用的坝型有碾压混凝土重力坝，将其与不同边坡、不同防渗方式的胶凝砂砾石坝的工程造价进行比较。根据《新疆维吾尔自治区水利水电工程设计概（估）预算编制规定》，按照同一概（估）算价格对两种两种坝型的综合造价进行比较，主要包括基础工程、坝体工程、施工临时工程、工程占地、水土保持工程和环境保护工程费用等。计算结果见表6。