膠結砂礫石筑壩技術在岷江航電堤防中的創(chuàng)新應用與展望

徐樂毅 杜雙全 馮 煒

(1.四川岷江港航電開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610000；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

1 背景概述

習總書記倡導的綠水青山就是金山銀山的理念是新時代水利工作者的指南，要堅定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路。水庫大壩和堤防工程是國家重要的基礎設施，是綠色發(fā)展的重要保障，對防洪安全、供水安全、能源安全具有極為重要的意義，未來仍然需要建設新的水利工程，并要采取更加環(huán)保的建壩技術。土石壩、混凝土壩是傳統(tǒng)的兩個主要壩型，土石壩建設經濟快速，占比95%以上，但存在漫頂潰決的風險；混凝土壩安全，但對壩基要求高、建造成本高，占比小于5%。在土石壩和混凝土壩之間應尋求一種新壩型，既能最大限度地使用工程現(xiàn)場材料，又能施工快速，建造成本低。2009年賈金生等提出了膠結顆粒料壩(Cemented Material Dam，CMD，簡稱膠結壩)和“宜材適構”的新型筑壩理念，在土石壩和混凝土壩之間構建的新壩型，既經濟又漫頂不潰。新的筑壩技術體系充分利用當?shù)厣暗[石等材料，甚至一些風化料等低品質材料膠結形成較低強度的固結體筑壩材料，采用成套高效施工技術建壩，在經濟環(huán)保、施工效率和安全方面具有顯著優(yōu)勢[1-3]。膠結壩按照原材料的粒徑，分為膠結土壩、膠結砂礫石壩(包括硬填料壩、膠凝砂礫壩、膠凝人工砂石壩[4])、膠結堆石壩。新壩型按結構的功能梯度思路分區(qū)，將防滲、防凍保護等部分與主體分開，盡量避免重力壩材料超強過多的問題[5-6]。

基于早在2004年福建街面膠結砂礫石圍堰等工程的實踐成果，為引導該技術在永久工程的應用，2014年頒布了我國第一個有關膠結壩的水利行業(yè)技術標準《膠結顆粒料筑壩技術導則》[7]。在導則的指導下，我國第一座膠結砂礫石永久工程山西守口堡膠結壩于2015年開始正式施工，該壩壩高61.6m，是當前已建膠結壩工程中最高的大壩。除在圍堰和大壩工程中采用膠結砂礫石筑壩技術以外，早在2011年就開展了在堤防工程中的應用研究。岷江航電樞紐工程中的犍為段成為我國第一個研究采用膠結砂礫石筑堤的工程。

岷江航電四個樞紐的庫區(qū)防護堤總設計長度達80.3km，高度一般在7～10m，最高不超過18m，擋水水頭較小；工程現(xiàn)場砂礫石儲量豐富，具備采用膠結砂礫石筑堤的客觀條件。根據(jù)國家發(fā)展改革委和交通運輸部關于四川岷江犍為航電樞紐工程防洪堤審查意見，鑒于四川岷江犍為航電樞紐工程防洪堤防護等級高、防洪堤線長、征地困難、投資額度大等特點，并考慮工程建成后防洪效果及安全性，結合現(xiàn)場砂礫石料源豐富、征地移民難度大、防洪水頭不高等實際情況，四川岷江港航電開發(fā)有限公司提出建議采用膠結砂礫石堤型方案建設防洪堤，開展岷江航電工程膠結砂礫石筑堤關鍵技術研究工作。

岷江犍為航電樞紐工程位于四川岷江干流下游河段，是岷江下游河段(樂山-宜賓)航運和水電規(guī)劃的第三個梯級。犍為航電樞紐工程的庫區(qū)堤防工程位于犍為縣塘壩鄉(xiāng)。防洪堤長約2.755km，最大堤高14.1m，地基為砂卵石地基，膠結砂礫石技術應用于非巖基、長距離的防護堤永久工程，尚未查到其他實例報道。實際施工現(xiàn)場的砂礫石料級配離散，如何保障膠結砂礫石材料強度滿足設計要求是急需研究解決的課題。同時由于膠結砂礫石骨料粒徑大，需要專門的拌和設備，且防滲層材料和止水方面也有待改進。在岷江航電工程應用膠結砂礫石技術，進一步拓寬骨料粒徑到200mm，可充分利用壩址覆蓋層開挖的砂卵石棄料，棄料作為原材料進行防護堤填筑，可減少開挖棄渣堆放和混凝土骨料開采制備占地，最大程度減小工程建設對當?shù)丨h(huán)境的影響，節(jié)能環(huán)保，同時縮短工期，降低工程造價，具有顯著的社會、經濟、環(huán)境效益，意義重大。在岷江犍為航電樞紐工程的非巖基上建筑膠結砂礫石壩的研究開始于2011年，是最早開展此類研究的永久工程實例，研究成果為工程實踐奠定了基礎。

2 膠結砂礫石筑堤在岷江犍為樞紐防護堤的應用

2.1 結構斷面特點

膠結砂礫石壩一般按梯形設計，不同于傳統(tǒng)重力壩，后者的壩踵應力在不同工況下變化較大(見圖1)，對壩體材料的力學和耐久性要求也高。而梯形斷面的膠結壩應力水平低、變化幅度小，因此大幅度降低了對筑壩材料的各項性能要求。針對犍為膠結砂礫石堤防工程結構設計，通過材料力學法和有限元二維、三維共10個方案的計算分析研究，對上游1∶0.5、下游1∶0.7的體型進行了復核，對比上游1∶0.6、下游 1∶0.6和上游1∶0.55、下游1∶0.65兩個體型，綜合優(yōu)選推薦的岷江犍為膠結砂礫石堤防典型斷面圖見圖2，上游坡比為1∶0.5，下游坡比為1∶0.7。 其中采用短趾板方案，防護堤的拉壓應力值都有明顯降低。在連接板間預設沉降縫對減小防護堤內部及連接板的應力具有明顯作用，同時應考慮在沉降縫處做防滲止水設計。有限元各方案分析結果表明，壩體膠凝砂礫石區(qū)內的壓應力基本都不超過抗壓強度1.5MPa。壩體主體材料只要求結構的支撐作用，具備一定力學強度保證碾壓施工的密實性就能滿足工程安全，對其耐久性不作特殊要求。膠結砂礫石壩要更加嚴格遵循功能分區(qū)設置的原則，即保證在任何工況下，壩體主體內部都在受壓狀態(tài)，且最大應力小于材料的允許壓應力。對于在施工、運行期可能出現(xiàn)拉應力的部位，以及具有防滲和抗凍要求的墊層和上下游保護層，應采用強度高、耐久性好的常態(tài)混凝土、加漿振搗膠結砂礫石、富漿膠結砂礫石等的材料，并注意強度等性能差異大的筑壩材料之間的銜接和漸變性，以免因材料性能相差過大引起變形不一致導致的開裂風險。

圖1 重力壩和膠結砂礫石壩的應力對比

2.2 材料配合比設計和性能研究

岷江犍為堤防膠結砂礫石的原材料為河床天然砂礫石，剔除超徑骨料(粒徑大于150mm)后，無須篩分和水洗。膠結砂礫石的膠材用量(水泥和粉煤灰等)與碾壓混凝土相比顯著降低。由于骨料處理簡化、膠材用量少，膠結砂礫石存在明顯的強度離析。膠結砂礫石配合比設計，應對可能選用的料場進行細致勘探和骨料級配測試，得到料場砂礫石的級配分布曲線，見圖3。對最粗級配、最細級配和平均級配的砂礫石開展配合比試驗，選取不同膠凝材料用量和用水量進行膠結砂礫石工作性和強度試驗，得到滿足工作性要求的適宜用水量范圍和對應的適宜強度范圍，即“配合比控制范圍”。膠結砂礫石的配合比設計不同于傳統(tǒng)混凝土固定的“點”控制，其由“范圍”控制，即用水量與強度隨著級配而變化。配合比設計要求平均級配的膠結砂礫石強度最小值應滿足配制強度要求，同時最細級配的膠結砂礫石強度最小值不得低于設計強度，即滿足“雙級配雙強度控制原則”。

圖2 岷江犍為膠結砂礫石堤防典型斷面 (尺寸單位：cm)

圖3 岷江犍為堤防料源點砂礫石料累計過篩曲線(22組)

工程現(xiàn)場料源點測試了22組砂礫石料的顆粒級配，由試驗結果可知，特大石(80～150mm)比例平均為22.3%；大石(40～80mm)比例平均為28.9%；中石(20～40mm)比例平均為18.9%；小石(5～20mm)比例平均為11.1%；砂(5mm以下)比例平均為18.8%。配合比試驗表明(見表1)：

a.砂率為28.1%的最細級配砂礫石，適宜的用水量區(qū)間為105～125kg/m3，濕篩試件28天抗壓強度2.6～4.0MPa，90天抗壓強度4.9～8.0MPa，180天抗壓強度5.8～10.2MPa，在適宜用水量范圍內，其180天最低強度大于4.0MPa的要求。砂率為18.8%的平均級配砂礫石，適宜的用水量區(qū)間為74～92kg/m3，濕篩試件28天抗壓強度4.4～8.5MPa，90天抗壓強度8.4～15.8MPa，180天抗壓強度10.2～17.6MPa，在適宜用水量范圍內，180天最低強度大于配制強度5.3MPa的要求。為保障施工質量，建議施工初期以18%砂率為適宜的最低砂率，施工過程中視現(xiàn)場碾壓情況，在能保證施工質量的前提下可適當降低至17%。當工程料源點的砂率小于最低砂率值時，需要額外加砂以補充細料的不足。

b.全級配膠結砂礫石振實容重在2492～2551kg/m3之內，VC值為3s左右時，平均級配的膠結砂礫石，180天齡期全級配抗壓強度為10.1MPa，相應濕篩試件抗壓強度為11.8MPa；最細級配的膠結砂礫石，180天齡期全級配抗壓強度為6.0MPa，相應濕篩試件抗壓強度為6.5MPa；全級配試件抗壓強度低于濕篩試件，平均比值為0.88。平均級配膠結砂礫石，180天齡期全級配試件彈性模量為25.6GPa，相應濕篩試件彈性模量為22.8GPa；最細級配膠結砂礫石，180天齡期全級配試件彈性模量為18.1GPa，相應濕篩試件彈性模量為13.2GPa。比較而言，平均級配的膠結砂礫石軸壓強度和彈性模量都高于最細級配的膠結砂礫石；全級配試件彈性模量高于濕篩試件，平均比值約為1.25。

膠結砂礫石的滲透溶蝕性能是各方關注的重要問題，因此開展了相關試驗研究。測試結果表明：隨著養(yǎng)護齡期的延長(1年齡期后)，膠結砂礫石中的水泥水化程度進一步加深，膠凝材料體系中的粉煤灰進一步消耗了產出的氫氧化鈣，生成的水化硅酸鈣凝膠提高了不同相界面過渡區(qū)的密實性，有效削弱了氫氧化鈣產生較大的結晶形成擇優(yōu)取向的趨勢，這種現(xiàn)象即是所謂的“自愈現(xiàn)象”或“自封閉現(xiàn)象”[8-9]?？捉Y構測試結果也表明：養(yǎng)護了1年齡期的膠結砂礫石內部的孔隙率越來越小，因此其抗?jié)B能力增強，可溶出的Ca2+進一步降低，見圖4。掃描電鏡、差熱分析等微觀測結果證明：膠凝材料水化產物中很難發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2晶體。水利水電工程從建設期到運行投入通常都在1年以上，已經過長達1年養(yǎng)護的膠結砂礫石，其內部可溶出的Ca2+已極少，因此已具備較高的抗?jié)B透溶蝕能力。

表1 推薦膠結砂礫石全級配和濕篩試件抗壓強度試驗結果

圖4 Ca2+日溶出濃度與滲透溶蝕歷時曲線

2.3 專用拌和設備和質量控制系統(tǒng)研發(fā)

由于對砂礫石僅要求剔除150mm以上的骨料，不采用篩分和水洗等措施，因此砂礫石級配離散性大、含水率和含泥量相對較大，拌和設備方面與傳統(tǒng)混凝土的要求不同。為了滿足高產能拌和生產，同時能均勻拌和最大粒徑150mm，甚至個別超過150mm以上骨料的膠結砂礫石，研制了膠結砂礫石專用滾筒式拌和設備和碾壓施工質量控制系統(tǒng)。通過優(yōu)化滾筒式攪拌機的葉片布置，極大提高了拌和能力和超徑骨料拌和的適應性，達到能拌和粒徑大于200mm的砂礫石，拌和能力最大達200m3/h，滿足了岷江犍為堤防膠結砂礫石快速施工的要求。攪拌機內部結構和拌和設備在犍為堤防現(xiàn)場應用情況見圖5。

圖5 膠結砂礫石專用拌和設備滾筒構造和工程現(xiàn)場應用

基于膠結砂礫石的材料特點，砂礫石的級配、拌和物的工作性和碾壓密實度是施工過程中的重點，如采用傳統(tǒng)人工測試和監(jiān)理旁站等方式，工作量極大且難以達到有效控制，需要采用現(xiàn)代化和信息化的手段監(jiān)控。因此基于4G和5G物聯(lián)網和超寬帶信息技術，研發(fā)了用于碾壓施工的膠結砂礫石質量控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)自動采集、動態(tài)分析，對堤防工程所用的膠結砂礫石配合比各參數(shù)、拌和物拌和時間、層面允許鋪筑時間以及振動碾壓施工等全過程進行有效監(jiān)控和超值預警提醒等，工程實踐表明其在膠結砂礫石壩建設中發(fā)揮了重要的質量控制作用。岷江犍為堤防膠結砂礫石質量控制系統(tǒng)功能框架見圖6。

圖6 膠結砂礫石壩智能化質量控制系統(tǒng)框架與應用

3 創(chuàng)新成果的總結

岷江航電工程膠凝砂礫石筑堤，是膠結砂礫石筑壩新型技術在非巖基堤防上的首次應用。取得如下成果：

a.提出了膠結砂礫石新壩型和“宜材適構、宜構適材”的新設計理念，利用少量水泥、粉煤灰和當?shù)厣啊⒌[、石料拌和筑壩，通過調整壩體結構以適應當?shù)夭牧咸匦?、采用不同筑壩材料構建功能梯度結構，形成了介于土石壩和混凝土壩之間的新型筑壩體系，實現(xiàn)了用當?shù)夭牧显诜菐r基上筑壩的突破。

b.提出了廣源材料筑壩的材料配制、數(shù)字拌和控制和結構設計方法。提出了雙級配雙強度控制的配合比設計方法和基于數(shù)字拌和的智能調控方法，解決了材料大粒徑、寬級配、高離散復雜條件下保障工程安全的挑戰(zhàn)性技術難題，成功建設了新型壩。提出了基于功能梯度結構的新壩型結構設計理論和方法，研發(fā)了用于防滲保護層的富漿、可振搗膠結砂礫石等功能梯度材料，構建了壩體結構設計和施工控制指標體系，成果納入水利行業(yè)技術標準和國際大壩委員會技術導則。

c.發(fā)明并研制了數(shù)字化拌和專用設備、智能加漿振搗設備等專用設備，發(fā)明了加漿振搗膠結砂礫石制備方法、新型表層止水及施工方法，提出了層面質量控制、膠結砂礫石與常態(tài)混凝土及岸坡銜接部位施工等工法，形成了安全優(yōu)質高效的新壩型施工成套技術，解決了最大粒徑200mm、寬級配膠結砂礫石料和上下游防滲保護層高效、高質量施工的技術難題。

d.開發(fā)了基于超寬帶定位技術的施工質量數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了在無通信信號區(qū)新壩型建設全過程數(shù)字監(jiān)控，建立了膠結砂礫石壩質量控制指標體系，實現(xiàn)了施工全過程優(yōu)化、動態(tài)調控和實時預警。岷江航電膠結壩的有關成果，經科技評價為“國際領先水平”，國際大壩委員會評價認為“膠結壩是一項發(fā)明，既節(jié)省了投資又增強了安全性，意義重大，是大壩發(fā)展史上的重要新進展，具有里程碑意義”。岷江犍為2.7km膠結壩堤防于2019年11月建成，堤防航拍面貌見圖7。該工程經受了2020年8月樂山地區(qū)百年未遇的大洪水考驗，性態(tài)正常。

圖7 岷江犍為2.7km膠結壩堤防建成后航拍面貌

4 結語與展望

目前已建、在建、待建膠結壩40余座，在未來中小型水利水電工程中有廣闊的應用前景。四川順江堰膠結壩(高11.6m)為建于砂卵石基礎上的溢流壩，壩頂長270m，50天完成填筑，比原埋石混凝土壩方案節(jié)省投資27.6%，2016年4月蓄水以來長期處于自溢流工況運行，性態(tài)良好。貴州福泉兩趕壩(高20.3m)、安順花魚井壩(高11.5m)采用膠結人工砂石修建。四川金雞溝壩(高33m)建于泥質砂巖地基上，采用50%砂巖(飽和抗壓強度：<30MPa，軟化系數(shù)：0.71，壓碎指標：20.2%)摻天然砂卵石修建。在建的貴州西江膠結壩(高49.5m)采用風化料與河床砂卵石混摻(摻50%)填筑。已建最高的膠結壩為山西守口堡(高61.6m，膠結砂礫石總方量46萬m3)，設計中最高的為新疆TLTL膠結壩(高88m)；已建軸線最長的工程為四川岷江犍為膠結砂礫石防護堤(高14.1m、長2.755km，膠結砂礫石總方量42萬m3)。膠結壩新型筑壩技術的最大特點是利用當?shù)夭牧夏z結筑壩實現(xiàn)漫頂不潰，具有安全、經濟、環(huán)境友好等突出優(yōu)勢，可應用于中小型水庫大壩、堤防、基礎處理、圍堰、除險加固工程等領域，在河床砂礫石料儲量豐富地區(qū)尤其適用。由于可最大限度利用當?shù)夭牧?，采用膠結土、膠結砂礫石、膠結堆石等實現(xiàn)少棄料或無棄料，因此在開挖受限、生態(tài)環(huán)保要求高的地區(qū)具有突出優(yōu)勢。此外，放寬了骨料和基礎的要求，在壩址地質條件不滿足混凝土壩要求、中低強度料源(如30MPa以下)情況下均可應用。

岷江航電工程第四個梯級龍溪口航電樞紐工程已開始建設，待建的庫區(qū)防護堤有23km，其地基為粉土和砂卵石共存的二元結構，部分壩段的粉土層厚近10m，相應地基承載力和地震液化等方面都需要重視，如何在粉土地基上建設膠結壩，并能夠最大限度地應用粉土，拓展膠結土的利用空間，減少棄渣等是一個新的課題，課題組3年的試驗研究結果表明在配套的地基處理措施下，龍溪口堤防具備采用膠結砂礫石建堤的條件，采用該技術將提高堤防的工程安全，并將節(jié)約資金近2億元。隨著岷江犍為堤防的成功應用以及當前在岷江龍溪口堤防中的應用，膠結砂礫石筑堤技術在岷江老木孔、東風巖堤防工程以及其他堤防工程中的實踐優(yōu)勢將越來越顯著。