大粒徑膠凝砂礫石壩層間結(jié)合處理方式的試驗(yàn)研究

靳忠財(cái)，張德全，王學(xué)武

（1.山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西太原030002；2.大同市御河水利管理處，山西大同037006）

大粒徑膠凝砂礫石壩層間結(jié)合處理方式的試驗(yàn)研究

靳忠財(cái)1，張德全2，王學(xué)武1

（1.山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西太原030002；2.大同市御河水利管理處，山西大同037006）

膠凝砂礫石壩骨料的最大粒徑一般在80 mm以內(nèi)，我國(guó)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定的最大粒徑可以達(dá)到150 mm，膠凝砂礫石壩隨著骨料粒徑的增大，骨料的分離現(xiàn)象也越嚴(yán)重，給大壩的層間結(jié)合處理增加難度。本文給出了大粒徑料的定義，通過層間結(jié)合處理的室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比，指出了室內(nèi)試驗(yàn)存在的不足；試驗(yàn)結(jié)果表明：大粒徑的膠凝砂礫石壩，大大增加了層間結(jié)合處理的工作量，不利于大壩的機(jī)械化快速施工；適當(dāng)減小骨料的最大粒徑，可以減少骨料的分離現(xiàn)象，有利于保證膠凝砂礫石壩的施工質(zhì)量。

大粒徑；膠凝砂礫石壩；層間處理；滲透系數(shù)

1 研究背景

膠凝砂礫石壩是一種經(jīng)濟(jì)、施工簡(jiǎn)便、地基適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)形式介于碾壓混凝土壩與混凝土面板堆石壩之間的一種新壩型［1-2］，優(yōu)勢(shì)如下：第一，節(jié)省投資。單位水泥用量少，約為50～60 kg/m3，水化熱溫升低，壩的溫度應(yīng)力水平比碾壓混凝土壩還低，溫度裂縫少，大壩甚至不需要設(shè)置橫縫；第二，工期短。采用通倉(cāng)碾壓鋪筑，施工工期可以大大縮短，體現(xiàn)了快速施工的優(yōu)越性；第三，對(duì)材料性能的要求低。利用壩基開挖的砂礫石料作為骨料，就地取材，減少棄料堆積，有利于環(huán)境保護(hù)及節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)。

層間處理是膠凝砂礫石壩的難點(diǎn)之一，處理不好，將會(huì)成為大壩滲漏的主要通道。國(guó)內(nèi)外已完工的膠凝砂礫石壩，壩高普遍較低，且大多應(yīng)用于臨時(shí)工程，如圍堰等。日本的膠凝砂礫石壩數(shù)量最多［3］，且骨料最大粒徑不超過80 mm。2014年頒布的中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》［4］，是我國(guó)第一部關(guān)于膠凝砂礫石壩的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：連續(xù)上升鋪筑的壩體，當(dāng)層間間隔時(shí)間在初凝時(shí)間之內(nèi)時(shí)，層間可以不處理，直接鋪筑上一層；當(dāng)層間間隔時(shí)間超過初凝時(shí)間時(shí)，需要進(jìn)行層間處理才能進(jìn)行上一層鋪筑，層間處理包括沖（鑿）毛、鋪水泥漿或水泥砂漿。同時(shí)，技術(shù)導(dǎo)則中規(guī)定：膠凝砂礫石壩最大粒徑放寬至150 mm。

國(guó)內(nèi)學(xué)者王秀杰等［5］研究了膠凝砂礫石壩的應(yīng)力變形規(guī)律，李晶［6］研究了膠凝砂礫石壩的最優(yōu)斷面，賈金生等［7］對(duì)膠凝砂礫石壩的材料特性及應(yīng)力穩(wěn)定進(jìn)行了研究，樂治齊［8］對(duì)膠凝砂礫石壩在不同地基條件下的靜動(dòng)力特性與壩坡坡度關(guān)系進(jìn)行了研究，但均未涉及對(duì)大粒徑料的層間結(jié)合處理方式的試驗(yàn)研究，特別是現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)研究；劉建林等［9］研究的臨時(shí)圍堰雖然涉及了大粒徑料，但并未對(duì)層間結(jié)合處理提出新的方法。目前，對(duì)于粒徑不超過80 mm的膠凝砂礫石壩，層間結(jié)合處理方法比較成熟；而對(duì)于粒徑超過80 mm的膠凝砂礫石壩，由于粒徑增大，施工現(xiàn)場(chǎng)骨料分離情況比較嚴(yán)重，增加了層間防滲處理的難度，這方面的研究還未見到，為此展開本文的研究。

大粒徑料的定義：本文將最大粒徑超過80 mm、粒徑范圍在0～150 mm之間的膠凝砂礫石壩骨料定義為大粒徑料。所謂膠凝砂礫石壩是指利用水泥、摻合料（如粉煤灰等）和砂礫石料，經(jīng)過拌和、分層攤鋪及震動(dòng)碾壓形成的具有一定強(qiáng)度的壩體。骨料由不同粒徑組成、有一定級(jí)配的要求，包括天然砂礫石料、人工砂礫石料和開挖石渣料等。

2 工程實(shí)例

大同市守口堡水庫(kù)位于大同陽(yáng)高縣境內(nèi)的黑水河上，大壩為膠凝砂礫石壩，是我國(guó)第一座應(yīng)用于永久工程的膠凝砂礫石壩，最大壩高61.6 m，壩頂長(zhǎng)354 m，上下游坡比均為1∶0.6，上游防滲面板采用1.5 m厚的常態(tài)混凝土，抗?jié)B指標(biāo)W6；膠凝砂礫石壩體抗?jié)B指標(biāo)W2。骨料源于壩基開挖及上游河道開挖的砂礫料，最大粒徑150 mm，剔除粒徑150 mm以上骨料后的篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1［10］。

表1 骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果表

由于開挖的砂礫料中平均砂率達(dá)43.6%，砂率偏大且細(xì)，摻入25%的公路開挖棄料后，砂率降低至34.9%，因此建議摻入25%的公路開挖棄料作為外摻料，以降低砂率，減少用水量，增大膠水比，提高膠凝砂礫料的強(qiáng)度。

施工參數(shù)為：碾重27 t，碾壓次數(shù)10遍，鋪料厚度45 cm，VC值（膠凝拌合物震動(dòng)出漿的允許時(shí)間值，單位，秒）3～10 s。

3 室內(nèi)試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)工況施工配合比經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試配，見表2。

表2 施工配合比表

室內(nèi)抗剪斷試驗(yàn)試件用150 mm立方體試模制作，分兩次成型，剔除大骨料后，先取試件一半多高度所需的膠凝砂礫石壩料裝入試模，振搗成型后厚度為試模高度的一半，放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至要求的間隔時(shí)間后，取出試模，按要求進(jìn)行層面處理后再成型上半部，養(yǎng)護(hù)至齡期后，進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的四種工況見表3。

表3 室內(nèi)試驗(yàn)工況表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析抗剪強(qiáng)度公式如下：

式中：τ為極限抗剪強(qiáng)度，MPa；σ為法向應(yīng)力，MPa；c為黏聚力，MPa；f為摩擦系數(shù)，

四種工況的膠凝砂礫石壩料層面抗剪試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表3、表4分析可知：

（1）工況1：層面間隔時(shí)間在5 h內(nèi)，層面不處理、直接鋪筑上層膠凝砂礫石壩料時(shí)，由于在初凝時(shí)間（5～6 h）之內(nèi)，漿層尚未凝結(jié)，碾壓上層膠凝料時(shí)，下層料再次被碾壓，上層膠凝料中的骨料下沉，嵌入下層料表面，摩擦系數(shù)大，使得層面與層面有較好的結(jié)合性。因此，高強(qiáng)度、大倉(cāng)面的膠凝砂礫石壩連續(xù)快速攤鋪碾壓，有利于層面的結(jié)合，也有利于層間抗?jié)B。

表4 層面抗剪試驗(yàn)結(jié)果表

（2）工況2：層面間隔時(shí)間超過17 h，漿層已經(jīng)凝結(jié)，層面已經(jīng)形成冷縫，所以必須進(jìn)行層面處理后才能進(jìn)行上一層鋪筑。即便鋪筑了1 cm厚度的砂漿，碾壓上層膠凝料時(shí)，下層料也不可能再次被碾壓，上層膠凝料中的骨料也不可能下沉到下層料表面，使得層面與層面的結(jié)合性較差，抗剪試驗(yàn)的摩擦系數(shù)由工況1的1.02、0.74分別下降為0.88、0.70。

（3）工況3與4：層面間隔時(shí)間超過46 h，層面刮毛處理時(shí)，露出石子的摩擦系數(shù)為1.03、0.93，不露出石子的摩擦系數(shù)為0.93、0.87，這說明層面處理時(shí)刮毛露出石子能一定程度上提高抗剪強(qiáng)度，有利于層間抗?jié)B。其次，工況3、工況4的摩擦系數(shù)均比工況2的大，說明層面刮毛后再鋪砂漿比直接鋪砂漿效果要好。

（4）室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，工況1～4的層面抗剪摩擦系數(shù)均超過了設(shè)計(jì)值0.48，而工況4為最優(yōu)；同時(shí)，5組層間抗?jié)B試驗(yàn)值均≤A×10-9cm/s（1＜A＜10），滿足設(shè)計(jì)抗?jié)B值W2的要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

4.1 芯樣的抗?jié)B試驗(yàn)從施工現(xiàn)場(chǎng)墊層鉆芯取樣來(lái)看，由于芯樣均在層間結(jié)合處斷裂，芯樣分成數(shù)段，層間的滲透情況無(wú)法測(cè)得；但每一碾壓層內(nèi)的芯樣抗?jié)B試驗(yàn)的結(jié)果顯示，滲透級(jí)別均超過W6指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)的抗?jié)B要求。

4.2 試坑的抽水試驗(yàn)雖然鉆芯取樣不能取出完整的芯樣，但在墊層鉆芯后的鉆孔中抽水試驗(yàn)時(shí)，3個(gè)鉆孔的滲透系數(shù)均在10-2cm/s量級(jí)。由于這部分墊層層面處理僅僅采用了沖毛、鋪砂漿的方法，且碾壓完成后沖毛的間隔時(shí)間過長(zhǎng)，沖毛的效果不好，所以層間滲漏嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

4.3 試坑的灌水試驗(yàn)為了改進(jìn)上述試驗(yàn)中的不足，在現(xiàn)場(chǎng)又分三個(gè)碾壓條帶，嚴(yán)格控制沖毛時(shí)間在碾壓完成后8～12 h進(jìn)行，最后挖圓柱形試坑數(shù)個(gè)，用灌水法檢驗(yàn)層間的抗?jié)B情況。

灌水試驗(yàn)求滲透系數(shù)公式如下：

式中：k為滲透系數(shù)，cm/s；Q為試坑滲水流量，cm3/s；W為試坑滲水量，cm3；A為試坑滲水面積，cm2；t為試坑滲水時(shí)間，s；i為水力坡降。

灌水試驗(yàn)結(jié)果見表5。

4.4 原位剪切試驗(yàn)為了檢驗(yàn)?zāi)z凝料的層間結(jié)合情況，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了3組原位剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1、表6。

4.5 補(bǔ)充設(shè)計(jì)與試驗(yàn)為了與粒徑為0～80 mm的膠凝料對(duì)比分析，設(shè)計(jì)決定在建基面高程上部3 m的高程部位，全面鋪筑一層粒徑為0～80 mm、厚度50 mm的膠凝料，層面處理采用表5中的序號(hào)7。膠凝料碾壓完成后，進(jìn)行了挖坑灌水試驗(yàn)，10組灌水試驗(yàn)的滲透系數(shù)值均小于A×10-8cm/s（1＜A＜10），滿足設(shè)計(jì)的抗?jié)BW2要求。

4.6 結(jié)果分析從上述芯樣抗?jié)B試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、灌水試驗(yàn)、原位剪切試驗(yàn)、補(bǔ)充設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的結(jié)果分析可知：

（1）芯樣抗?jié)B試驗(yàn)及試坑抽水試驗(yàn)時(shí)，雖然層面采用了沖毛、鑿毛、鋪稠砂漿的處理措施，但層間防滲效果并不好。究其原因，一方面，是由于膠凝料入倉(cāng)后，大骨料分離嚴(yán)重，沒有采取進(jìn)一步的措施，減少骨料的分離。因而，直接攤鋪碾壓后，層間結(jié)合較差，鉆芯取樣從薄弱的層間斷裂，層間滲漏嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求；另一方面，砂漿厚度1 cm太薄，當(dāng)大骨料堆積碾壓時(shí)，沒有足夠的砂漿充填滿骨料的空隙，因而形成滲漏通道。

（2）從試坑灌水試驗(yàn)的情況分析：

①層面沖毛、鑿毛后，膠凝料直接攤鋪碾壓，當(dāng)砂漿厚度較薄時(shí)（1～2 cm），無(wú)論是稠砂漿還是干硬砂漿，層間抗?jié)B都達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，究其原因仍然是大骨料分離嚴(yán)重、砂漿厚度不夠所致，如表5中序號(hào)1、序號(hào)4。

表5 灌水法層間結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果表

表6 原位剪切試驗(yàn)結(jié)果表

圖1 原位剪切試驗(yàn)結(jié)果圖

②層面沖鑿毛后，攤鋪干硬砂漿或變態(tài)混凝土，層間砂漿或變態(tài)混凝土厚度達(dá)3 cm時(shí)，膠凝料即使直接攤鋪碾壓，層間抗?jié)B也能滿足設(shè)計(jì)要求，如表5中序號(hào)5～7。其原因是由于砂漿或變態(tài)混凝土厚度足夠厚，在膠凝料碾壓時(shí)，即使有大骨料堆積，漿液也能充滿氣空隙，杜絕其滲流的通道。由于鋪砂漿或變態(tài)混凝土均能滿足防滲要求，鋪筑砂漿比變態(tài)混凝土更經(jīng)濟(jì)些；其次，因倉(cāng)面大，每層的鑿毛工作量也大，影響大壩的機(jī)械化快速施工。

③層面及時(shí)用高壓水沖毛，攤鋪稀砂漿，碾壓后，層間抗?jié)B也能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，究其原因是由于膠凝料在現(xiàn)場(chǎng)的二次拌和，很大程度上減少了大骨料的分離，只是因增加一道拌和程序，工程費(fèi)用也將增加。其次，采用沖毛代替鑿毛，大大減少了層間處理的工作量，有利于大壩的機(jī)械化快速施工，如表5中序號(hào)2、序號(hào)3。

（3）從原位剪切試驗(yàn)結(jié)果分析：現(xiàn)場(chǎng)三組試驗(yàn)的層面抗剪摩擦系數(shù)值在0.53～0.58之間，超過設(shè)計(jì)值0.48?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值之所以比室內(nèi)實(shí)驗(yàn)值0.88～1.33小，是由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)料為0～150 mm的膠凝料，而室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，膠凝料已剔除了大粒徑的骨料，二者的值會(huì)有差別；再者，現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模拌制的膠凝材料的均勻性也差一些，也會(huì)影響到層面的抗剪值。

（4）補(bǔ)充設(shè)計(jì)與試驗(yàn)表明：0～80 mm的小粒徑膠凝料，現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工時(shí)，層間容易達(dá)到抗?jié)BW2的設(shè)計(jì)指標(biāo)，說明小粒徑的膠凝料骨料分離現(xiàn)象不嚴(yán)重，層間抗?jié)B效果要比0～150 mm的大粒徑料好的多。

5 結(jié)論

（1）對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)分析，室內(nèi)取樣試驗(yàn)時(shí)，層間刮毛、鋪薄砂漿處理后，層間抗?jié)B指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的W2指標(biāo)。但由于取樣時(shí)剔除了大粒徑的骨料，并不能反映現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的情況；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，由于有大骨料的存在，層面需要沖毛（鑿毛）、鋪厚層砂漿或膠凝料二次拌制后，才能達(dá)到設(shè)計(jì)的抗?jié)B要求。

（2）大粒徑砂礫料最大粒徑150 mm，為了達(dá)到層間抗?jié)BW2指標(biāo)，必須解決骨料分離問題，如：結(jié)合層面必須全面地沖毛、必要時(shí)還需局部鑿毛處理；層間砂漿攤鋪厚度也需要增加至3 cm；或者增加膠凝料在倉(cāng)面的二次拌制；大大增加了層面處理的工作量，不利于膠凝砂礫石壩的機(jī)械化快速施工。

（3）鑒于目前我國(guó)大粒徑膠凝砂礫石壩的基礎(chǔ)研究成果缺乏，建議現(xiàn)階段還是參考目前比較成熟的做法為上，如：限定永久項(xiàng)目的膠凝料最大粒徑不超過80 mm。80 mm與150 mm相比，最大單塊重量可以減小6.6倍。骨料越大越容易分離，越小越不易分離，這樣，可以大大減少膠凝料的骨料分離現(xiàn)象，層面處理方法也可以簡(jiǎn)化許多。如日本目前的層面處理方法：簡(jiǎn)單沖洗層面、攤鋪1cm厚度砂漿、膠凝料也不需在倉(cāng)面二次拌制。不僅節(jié)省費(fèi)用，層間抗?jié)B指標(biāo)也能得以提高，有利于保證工程質(zhì)量。雖然，骨料粒徑減小會(huì)增加骨料篩分的工程量，但從守口堡大壩料篩分試驗(yàn)可知（見表1），80～150 mm粒徑的砂礫料僅占總量的12.4%，增加的篩分量并不太大，因此，從控制工程費(fèi)用角度分析，也是經(jīng)濟(jì)的。

［1］劉學(xué)章，李憲.膠凝砂礫石壩特點(diǎn)及國(guó)外已建工程簡(jiǎn)介［J］.廣西水利水電，2011（3）：75-78.

［2］謝洋，江坤.CSG壩的應(yīng)用前景研究［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2014（2）：54-55.

［3］日本大壩工程中心.梯形膠凝砂礫石壩施工與質(zhì)量控制手冊(cè)［M］.日本大壩工程中心，2007.

［4］中華人民共和國(guó)水利部.膠凝顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則：SL678-2014［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

［5］王秀杰，何蘊(yùn)龍.梯形斷面CSG壩初探［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005（8）：105-107.

［6］李晶.膠凝砂礫石壩與常規(guī)重力壩最優(yōu)斷面研究［D］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2013.

［7］賈金生，馬鋒玲，李新宇，等.膠凝砂礫石壩材料特性研究及工程應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37（5）：578-582.

［8］樂治濟(jì).不同地基條件下膠結(jié)砂礫石壩工作特性研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2005.

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［10］楊會(huì)臣.膠凝砂礫石結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究與工程應(yīng)用［D］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2013.

Test research of interlayer combination treatment of Cemented Sand Gravel and Rock dam

JIN Zhongcai1，ZHANG Dequan2，WANG Xuewu1
（1.Shanxi water conservancy and hydropower engineering construction supervision limited company，Taiyuan030002，China；
2.Datong Yuhe irrigation management office，Datong037006，China）

According to our country's Technical Guideline for Cemented Granular Material Dams,the maxi?mum aggregate size of Cemented Sand Gravel and Rock dam（CSGR dam）is within 150mm.With the in?crease of aggregate size,aggregate separation is more serious.Thus interlayer combination treatment is more difficult.The definition of large size aggregate is given,and then the deficiencies of laboratory test are cor?rected through the interlayer combination treatment of laboratory test and field test.The results show that large size aggregate greatly increases workload of interlayer combination treatment and prevents the mechani?zation of rapid construction.The results also show that appropriate decrease of aggregate size can reduce ag?gregate separation and ensure construction quality of CSGR dam.

large size aggregate；Cemented Sand Gravel and Rock dam；interlayer treatment；coefficient of permeability

TV551

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.04.007

1672-3031（2016）04-0280-05

（責(zé)任編輯：李福田）

2016-01-19

山西省水利科學(xué)技術(shù)研究與推廣項(xiàng)目（2016XS01）

靳忠財(cái)（1966-），男，高級(jí)工程師，從事水利工程的設(shè)計(jì)及監(jiān)理工作。E-mail：wangxuewu1964@sina.com