膠結(jié)顆粒料均質(zhì)壩設(shè)計(jì)穩(wěn)定性探討

閻 爍，王立權(quán)，李 達(dá)，衛(wèi)春安

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

1 膠結(jié)顆粒料壩的研究現(xiàn)狀

1.1 土石壩研究現(xiàn)狀

混凝土重力壩的材料超強(qiáng)，但因水泥的用量較高，導(dǎo)致施工期的溫度控制復(fù)雜及水化熱的提升。為了改善上述問(wèn)題，日本研發(fā)了膠凝砂礫壩，法國(guó)等國(guó)家也研發(fā)了硬填筑料的壩體，中國(guó)則研發(fā)了自己的膠凝砂礫石壩以及堆石的混凝土壩，這些壩型的研發(fā)都降低了工程施工建設(shè)的費(fèi)用。為了更加科學(xué)充分利用好筑壩材料，膠結(jié)顆粒料壩的出現(xiàn)更好地實(shí)現(xiàn)了安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)大壩。這種壩型的設(shè)計(jì)理念是調(diào)整壩體的結(jié)構(gòu)用以適應(yīng)其材料的特性，更加充分地利用當(dāng)?shù)夭牧先バ拗误w。

我國(guó)的土石壩數(shù)量眾多，土石壩不利于應(yīng)對(duì)漫頂破壞，特別是地震區(qū)的大壩，更易受損失事，所以推進(jìn)膠結(jié)顆粒料的新壩型應(yīng)用勢(shì)在必行。地震區(qū)的大壩需要不斷提升大壩抗震性能研究，特別是汶川地震，使大壩抗震規(guī)律研究再上一個(gè)新的臺(tái)階。目前，膠結(jié)顆粒料壩在斷面設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)方式以及施工質(zhì)量控制等方面都有了一定的研究進(jìn)展。

從工程的實(shí)踐來(lái)看，膠結(jié)顆粒料壩可以節(jié)約投資的10%～20%，具有漫頂不潰，利于環(huán)境的保護(hù)及水土保持，并且可以縮短工程建設(shè)周期。新壩型也可充分利用當(dāng)?shù)貤l件，如當(dāng)?shù)氐乩?、材料?yōu)勢(shì)，通過(guò)石粉、水泥、砂漿等膠凝材料與土、砂、石材料混合，形成具有一定的強(qiáng)度、抗沖刷沖蝕以及抗剪能力的筑壩材料。同時(shí)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，筑壩材料可充分發(fā)揮自身特性，并遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適應(yīng)當(dāng)?shù)夭牧系葋?lái)確定大壩的斷面，從而也達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全環(huán)保的目的。

1.2 發(fā)展與實(shí)踐

為更好更充分利用當(dāng)?shù)夭牧喜⑶覍?shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)大壩目標(biāo)，賈金生和劉寧等在2009年提出了一種新的壩型——膠結(jié)顆粒料壩(Cemented Material Dam，簡(jiǎn)稱(chēng)CMD)以及“宜材適構(gòu)”這種新的筑壩理念。同時(shí)編制了膠結(jié)顆粒料壩水利行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)國(guó)際大壩委員會(huì)建立膠結(jié)顆粒料壩專(zhuān)業(yè)委員會(huì)。

我國(guó)的第一座膠凝砂礫石圍堰(街面水電站下游圍堰)于2004年建成，堰高16.3 m。之后陸續(xù)建成了福建洪口水電站上游過(guò)水圍堰(H=35.5 m)、貴州沙沱水電站二期下游圍堰(H=14 m)、四川飛仙關(guān)水電站一期縱向圍堰(H=12 m)等，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。山西守口堡是采用膠凝砂礫石壩設(shè)計(jì)的第一座永久性工程，壩高61.6 m，于2015年8月開(kāi)始建設(shè)[1]。

表1為國(guó)外采用膠凝砂礫石料修筑的工程實(shí)例。

表1 國(guó)外已建工程實(shí)例

2004年初，菲律賓修建了高40 m的Can -Asujan硬填方壩。實(shí)踐證明，即便在地震應(yīng)力作用下，基礎(chǔ)應(yīng)力也不會(huì)超過(guò)0.5 MPa。

1975-1982年，在巴基斯坦的塔伯拉泄洪洞的修復(fù)工程中曾經(jīng)大量使用膠凝顆粒料。該工程采用未經(jīng)篩洗的砂礫石料加入少量水泥拌和，經(jīng)過(guò)振動(dòng)碾壓，修復(fù)被沖毀的部位。在42天內(nèi)共填筑35×104m3，平均日澆筑強(qiáng)度為8 371 m3/d，最大日填筑強(qiáng)度達(dá)18 438 m3/d，顯示出膠凝顆粒料在搶險(xiǎn)修復(fù)工程中可以快速施工的巨大潛力[2]。

2 傳統(tǒng)均質(zhì)壩設(shè)計(jì)時(shí)穩(wěn)定性的考慮

2.1 均質(zhì)土壩設(shè)計(jì)原則

1) 防滲流原則。為了消除或減輕滲流的不利影響，采用防滲排水設(shè)施，保證壩基土及壩體的穩(wěn)定性，同時(shí)減少水庫(kù)的水量流失與滲漏。排水：設(shè)置在壩體下游段的透水性壩殼以及排水體等。

2) 防沉陷原則。為了防止沉陷后的壩頂高程低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)壩頂時(shí)要預(yù)留沉陷值并且對(duì)于重要的工程要通過(guò)相關(guān)沉陷計(jì)算預(yù)留沉陷值。

3) 防沖刷原則。確定壩頂?shù)母叱?，需要在設(shè)計(jì)庫(kù)水位以上有一定的安全超高，正確確定防洪標(biāo)準(zhǔn)，合理選定擁有足夠泄水能力的泄水建筑物的尺寸，確保洪水不會(huì)漫頂[3]。

2.2 均質(zhì)土壩優(yōu)缺點(diǎn)

均質(zhì)壩優(yōu)點(diǎn)：①材料單一，工序簡(jiǎn)單，各工序間干擾少；②與壩基、岸坡以及混凝土建筑物的接觸滲徑比較長(zhǎng)，也可以做簡(jiǎn)化的防滲處理。土石壩在建筑過(guò)程中使用材料簡(jiǎn)單，成本低并且壩體性能好壽命長(zhǎng)[4]。在當(dāng)今施工技術(shù)日益更新?lián)Q代，使工程本身得到很多的優(yōu)化與創(chuàng)新。

缺點(diǎn)：①設(shè)計(jì)壩坡較緩，工程量巨大；②土料的施工受天氣影響較大，在部分地區(qū)使用與施工受限；③由于材料特性透水性較強(qiáng)，使得壩體內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)較高；④施工期因自重而產(chǎn)生的孔隙壓力消散緩慢，對(duì)壩坡穩(wěn)定不利。

2.3 土石壩失穩(wěn)

依靠重力維持穩(wěn)定，由于是散粒體堆筑，壩坡穩(wěn)定需要采用肥大的剖面，壩體不可能產(chǎn)生水平滑動(dòng)，其失穩(wěn)主要是壩坡滑動(dòng)或者傾倒破壞，壩基一起滑動(dòng)[5]。土石壩上游壩坡長(zhǎng)期處于水下飽和狀態(tài)，水庫(kù)水位也可能快速下降，為了保持壩坡穩(wěn)定，因此上游壩坡比下游壩坡平緩[6]。土石壩滲流變形：管涌；流土；接觸沖刷；接觸流土和接觸管涌。防止?jié)B透變形的措施：全面截阻滲流，延長(zhǎng)滲徑。設(shè)置排水設(shè)施，反濾層，排滲減壓井。影響因素：壩體滑坡滑裂面的形狀，壩體結(jié)構(gòu)，土料，地基的性質(zhì)，壩的工作條件。

3 膠結(jié)顆粒料在均質(zhì)土壩中的設(shè)計(jì)原則

3.1 基本原則

1) 膠結(jié)顆粒料的制備是介于普通堆石料和混凝土材料之間。倡導(dǎo)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)以盡可能地適應(yīng)當(dāng)?shù)夭牧闲阅堋?/p>

2) 膠結(jié)顆粒料壩在抗震以及抗漫頂破壞方面按照混凝土重力壩的同等的安全裕度設(shè)計(jì)。

3) 在與混凝土和碾壓混凝土相比，顯著的降低膠凝材料(水泥、粉煤灰等)用量。

4) 采用“宜材適構(gòu)”和“功能分區(qū)”設(shè)計(jì)理念。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1) 大壩斷面大小介于重力壩以及土石壩之間，與重力壩相比，壩體橫斷面增加，增加應(yīng)力儲(chǔ)備。

2) 膠結(jié)顆粒料壩對(duì)于應(yīng)力和穩(wěn)定的要求與重力壩相似。

3) 膠結(jié)顆粒料壩體應(yīng)時(shí)刻處于受壓狀態(tài)，無(wú)論是施工或者運(yùn)行中的壩體如果受拉，可以采用堆石混凝土、加漿振搗膠凝砂礫石等抗拉性能較好的材料。

4) 非巖基筑壩不超過(guò)50 m[7]。

3.3 滲流穩(wěn)定計(jì)算

3.3.1 滲透坡降計(jì)算

滲透坡降計(jì)算采用達(dá)西定律基本公式，計(jì)算公式如下：

式中：J為滲透坡降；L為滲透途徑長(zhǎng)度；ΔH為上下游水頭差。

3.3.2 滲流量及滲流水深計(jì)算

1) 不透水地基均質(zhì)土壩。公式如下：

2) 有限透水地基均質(zhì)土壩。公式如下：

式中：q為通過(guò)壩體及壩基的滲流量；qD為通過(guò)壩體的滲流量，按不透水地基上的均質(zhì)土壩計(jì)算；h為壩體滲流量計(jì)算中滲流水深；h0為壩基滲流量計(jì)算中滲流水深；m3為排水棱體臨水側(cè)坡比；T為有限透水地基厚度；H1為上游水深；H2為下游水深；L為滲徑；k為壩體滲透系數(shù)，取《地質(zhì)報(bào)告》建議平均值；k0為壩基滲透系數(shù)，取《地質(zhì)報(bào)告》建議平均值；m1為上游坡比。

4 結(jié)論與建議

1) 注重地基的處理。均質(zhì)土壩本身適應(yīng)地基變形能力較強(qiáng)，采用膠結(jié)新材料筑壩，散粒材料具有一定的剛性，則對(duì)于地基要做相應(yīng)的處理。

2) 滲透性研究。材料抗?jié)B抗凍性能增強(qiáng)，滲透水流以及滲透坡降的變化，滑坡的概率也會(huì)降低。

3) 壩體斷面減小以節(jié)省材料。壩體填筑工程量減少，土料填筑受氣候的影響也相應(yīng)減少，可能會(huì)縮短工期(氣候條件影響工期)。

4) 施工導(dǎo)流在均質(zhì)土壩較困難，并且壩頂不能溢流，壩身不能開(kāi)孔?；蛟S根據(jù)材料的性能，使得壩身有開(kāi)孔的可能性，無(wú)需另設(shè)泄水建筑物(由抗沖刷能力決定)。

5) 沉陷的考慮。土料的施工后沉陷，特別是黏土土壩，需要足夠的壩高，并且預(yù)留沉陷值。膠結(jié)顆粒料的使用，沉陷值會(huì)減小，那么需要考慮的壩高及預(yù)留沉陷值，要根據(jù)材料性能重新制定。

6) 壩體剖面及細(xì)部構(gòu)造，需要考慮壩體沉降的問(wèn)題，防止不均勻沉降，材料的不同，其沉降值也不同。同時(shí)做好土料的壓實(shí)。

7) 滑坡問(wèn)題也是土石壩失穩(wěn)最常見(jiàn)的破壞形式。當(dāng)局部范圍剪應(yīng)力>允許剪應(yīng)力，就會(huì)產(chǎn)生壩體滑動(dòng)或者壩體連同地基一起滑動(dòng)。當(dāng)使用了新的膠結(jié)材料，其壩面坡度會(huì)隨之增大(減少土料使用)，那么隨之而來(lái)的是滑坡風(fēng)險(xiǎn)的增加，即便是膠結(jié)材料具有一定的剛性，歸根結(jié)底也是土料的一種。壩基和壩體必須穩(wěn)定可靠。

8) 寒冷地區(qū)，均質(zhì)土壩護(hù)坡在冬季負(fù)溫作用下會(huì)產(chǎn)生凍脹變形，春季溫度上升使其融化產(chǎn)生融沉變形，春季在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生冰推力，經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融、冰推和風(fēng)浪作用下土壩護(hù)坡會(huì)產(chǎn)生破壞。凍融凍脹作用及冰推力對(duì)寒冷地區(qū)各類(lèi)工程及建筑物會(huì)造成很大危害。現(xiàn)有均質(zhì)土壩護(hù)坡主要在壩體填土表面鋪設(shè)混凝土板然后形成均質(zhì)土壩護(hù)坡，壩體護(hù)坡結(jié)構(gòu)單一，春季在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生冰推力，經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融、冰推和風(fēng)浪作用下土壩護(hù)坡會(huì)產(chǎn)生破壞。