談中小型水利工程膠凝砂礫石應用
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砂礫石是一種常見的顆粒狀、無粘性材料，在工程中應用廣泛。膠凝砂礫石壩作為膠結(jié)顆粒料壩的一種，其最大骨料粒徑可以放寬至150mm（對于圍堰，最大粒徑小于300mm），是一種介于傳統(tǒng)重力式土石壩和混凝土壩之間的新型壩[1]。通過各種材料的膠結(jié)，形成一種各項性能稍低于混凝土的材料，強度、抗剪能力和抗沖刷能力都能滿足工程使用，但在壩體重要部位還應該使用高強度材料，壩體按照功能是常見的做法[2-4]。同時，膠凝砂礫石壩考慮不同地區(qū)使用要求時，需要進行配合比二次調(diào)整以滿足各種強度要求以及抗凍、防滲等要求。由于膠凝砂礫石對材料適應性強[5-6]，可以因地制宜利用當?shù)卦?，其在?jīng)濟適用、環(huán)保節(jié)約等方面具有綜合優(yōu)勢，是中小型水利工程領域新的發(fā)展方向，具有廣泛的適用性[7-8]。本文旨在前人研究技術上，對膠凝砂礫石在中小型水利工程的應用實踐進行分析，重點闡述配合比、施工工藝及膠凝砂礫石壩斷面形式方面的設計施工要點。
1砂礫石料制備
相對于碾壓混凝土，膠凝砂礫石骨料最大的區(qū)別為原則上可以是不用經(jīng)過復雜篩分水洗的砂礫石混合料，骨料就是砂礫石混合料，對于永久工程最大骨料粒徑可達150mm，在生產(chǎn)過程中只需剔除大于設計最大粒徑石料即可。同時骨料需滿足一定的砂率，相對于碾壓混凝土砂率可使用范圍變廣，可在18%～35%之間。粗骨料在使用中對各粒徑組的比例沒有嚴格限制，只對5mm～40mm粒徑含量有一定要求，宜在35%～65%之間。未經(jīng)開采的天然砂礫石混合料，其天然級配分布較為均勻，是膠凝砂礫石最為理想的骨料來源。人工砂石骨料亦是采用爆破混合料或工程開挖料等經(jīng)過簡易破碎獲得。對于膠凝砂礫石的人工骨料，沒有碾壓混凝土要求嚴格，無需經(jīng)過多次破碎和篩分來獲得滿足要求的各個粒徑組的骨料。膠凝砂礫石骨料生產(chǎn)系統(tǒng)流程圖見圖1。
2配合比設計
膠凝砂礫石的原材料一般為開采天然砂礫石、地基巖石開挖料、破碎料等，其最大骨料粒徑小于150mm，篩分之后超過使用要求的骨料將進行破碎處理，最大化合理利用原材料。膠凝砂礫石骨料相較于傳統(tǒng)混凝土用量較少，同時膠結(jié)材料用量（水泥和粉煤灰等）與碾壓混凝土相比要節(jié)約30%。膠凝砂礫石具有材料易得、處理簡單、施工方便、節(jié)約成本等優(yōu)點，適用于中小型水利工程建設[7]。膠凝砂礫石作為一種新型材料，在設計中必須保證膠凝砂礫石的強度滿足工程使用要求，陳斌興[8]根據(jù)日本CSG配合比設計方法，提出了一種膠凝砂礫石配合比設計方法。在料場取原材料后，根據(jù)篩分實驗繪制料場原料試樣砂礫石的級配包絡線，分別得出了最粗級配、最細級配和平均級配。在確定膠凝砂礫石土石壩施工配合比時，平均膠凝砂礫石的強度應該滿足配制強度fcu，0，且強度最小值不低于配置強度，膠凝砂礫石的最細級配強度滿足設計強度fcu，k，且強度最小值不低于設計強度。設計強度與配制強度的線性關系式為：式中：t是概率系數(shù)；σ為抗壓強度標準偏差。在膠凝砂礫石粗骨料選擇時宜以采用四個級配的粗骨料，直徑范圍在5mm～150mm之間，從小到大的直徑差值范圍區(qū)間分別為15mm、20mm、40mm、70mm。同時由于含泥量對膠凝砂礫石的強度影響很大，要求現(xiàn)場砂礫石骨料中含泥量不超過5%，過高的含泥量將影響膠凝砂礫石的材料強度、抗凍性及抗?jié)B性，因此在中小型水利工程，如土石壩中含泥量指標限制嚴格。在實際工程中建議的水膠比為0.7~1.3之間最為合適，過低的水膠比由于水量少、漿體量少，材料之間空隙多，導致密實性差、強度降低。膠凝砂礫石由于其骨料選擇范圍寬泛，比如河床砂礫石、壩基開挖料、人工骨料和天然骨料的混合料，都是可選骨料，由于骨料選擇不受傳統(tǒng)級配限制，因此骨料性質(zhì)對膠凝砂礫石的工程特性影響較大，一般需要基于工程實際開展室內(nèi)實驗，進行配合比的二次設計。室開展采用河床開挖料、砂巖與卵石混合骨料配制膠凝砂礫石，以及墊層富漿膠凝砂礫石配合比等試驗，流程見圖2。
3施工工藝
3.1膠凝砂礫石的拌和制備
在膠凝砂礫石拌和過程中，由于膠凝砂礫石原材料級配離散度高、骨料水敏感度強、含泥量較高，應該采用特定的設備和工藝來保證施工質(zhì)量?，F(xiàn)階段，膠凝砂礫石壩的施工拌和設備采用的北京水利科學研究院研制的連續(xù)拌和設備，主要特點有：利用滾筒將物料提升，然后自落，并利用滾筒內(nèi)葉片的強制拌和作用，實現(xiàn)膠結(jié)砂礫石的拌和；JLB-200型專用拌和設備可實現(xiàn)拌和，骨料、水泥和水等自動準確計量一體化；連續(xù)滾筒式專用攪拌機具有拌和最大粒徑為150mm的能力，其每小時生產(chǎn)能力可達到200m3，并且具有較高精準度的計量系統(tǒng)，能夠滿足施工過程的快速高質(zhì)量完成[9]。在四川省順江堰膠凝砂礫石壩施工現(xiàn)場，JLB-200型專用拌和設備的使用情況見圖3。
3.2膠凝砂礫石壩壩體施工
針對膠凝砂礫石材料的特點，可采取兩種施工方法耦合，以碾壓施工為主，振搗施工為輔。碾壓施工是當前一種常見的施工方法，將膠結(jié)材料（例如水泥）和水加入到原材料（天然砂礫石、地基巖石開挖料、破碎料）中，經(jīng)過拌和、碾壓處理。但對于小型水庫、山塘等低壩而言，由于碾壓機械體積過大無法進入施工現(xiàn)場，因此在中小型水利工程中多以振搗施工來輔助施工。在澆筑施工時使用高頻率振搗，同時要求膠凝砂礫石具有一定的坍落度。該項技術目前已經(jīng)應用于多個水利工程施工中，不僅節(jié)省工程總投入，也拓寬了膠凝砂礫石壩的應用范圍。在膠凝砂礫石壩壩體鋪筑時，入倉采用自卸汽車運輸，人工輔助進行平倉，最后進行振動碾壓。在確定碾壓方案之前應該進行碾壓試驗，從而確定靜碾次數(shù)和動碾次數(shù)。對于邊角部位，由于施工設備的局限性，宜采用人工造孔的方式，在振搗與碾壓邊緣的交接部位應該額外使用振動設備進行處理，保證整體施工質(zhì)量。注漿水膠比在0.7~1.3之間最為合適，保證適宜的密實性和足夠的強度。需注意，不同材料接觸部位的施工，應該符合功能梯度概念實現(xiàn)漸進變化，保證水利工程安全可靠。膠凝砂礫石層面往往會因在初凝前不能及時全面覆蓋而產(chǎn)生施工縫，除了要保證在初凝前及時進行覆蓋外，應該盡量對膠凝砂礫石層進行連續(xù)碾壓施工。對于未及時處理而產(chǎn)生的施工縫，毛化處理后鋪設水泥凈漿或水泥砂漿（厚度為15mm、水灰比為1∶3）。
4膠凝砂礫石壩斷面形式特征
經(jīng)過計算驗證，膠凝砂礫石壩壩體的斷面形式應該采取材料適應性最強的梯形，壩體尺寸見圖4，同時梯形的斷面形式也得到國內(nèi)外膠凝砂礫石壩工程實例的驗證。在斷面形式為梯形的梯形壩坡中，坡率是影響工程量、壩體內(nèi)部應力與位移的關鍵因素[10]。因此根據(jù)實際工程要求確定膠凝砂礫石壩壩坡坡率是設計中的關鍵問題。同時，梯形斷面形式可以適宜材料性能，應力水平底、分布均勻、變化小，也在一定程度上彌補膠凝砂礫石強度、彈性模量及其他的性能參數(shù)低于混凝土的缺點。圖4中：L為膠凝砂石土壩頂寬度，H為膠凝砂石土壩體的高度，m為膠凝砂礫石壩坡坡率，hs1為壩體上游水位，hs2為壩體下游水位。膠凝砂礫石壩相對于常規(guī)重力壩，結(jié)構(gòu)上屬于膠結(jié)體結(jié)構(gòu)，通常需要斷面尺寸遠大于常規(guī)重力壩，以滿足整體抗滑穩(wěn)定性要求。鑒于此，在滿足整體抗滑穩(wěn)定性要求的前提下可對基礎適當放寬處理要求。同時在斷面形式設計時，應當考慮不同的功能分區(qū)理念，并且在功能分區(qū)部分應該滿足應力要求，需采用高強度混凝土、富漿膠凝砂礫石等強度較高的材料。合理設計防滲保護層、排水結(jié)構(gòu)設施以解決滲漏問題、抗拉問題、抗凍問題從而在節(jié)省工程總投資的前提下最大程度滿足大壩的使用要求。
5結(jié)語
膠凝砂礫土壩作為一種新形式壩體，目前在我國已經(jīng)應用廣泛，是對傳統(tǒng)筑壩技術體系的提升優(yōu)化。膠凝砂礫土壩是介于混凝土壩和傳統(tǒng)重力式土石壩之間的一種離散顆粒材料壩，大壩的設計理念不同于混凝土壩和土石壩。本文基于實際工程的應用角度，充分考慮配合比、施工工藝、斷面形式的要求，介紹該壩形在材料、施工、結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，進一步揭示出膠凝砂礫土壩在中小型水利工程上具有良好的應用前景。
參考文獻
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[10]楊冬升,吳艾儒,羅遠,等.不同坡率的膠凝砂礫石高壩應力與位移分析[J].人民黃河,2018,40(04):100-102+107.
作者：冉昊東 單位：重慶市水利電力建筑勘測設計研究院
