西河順江堰引水樞紐整治工程膠結(jié)砂礫石壩研究與實(shí)踐

羅巍，孔燁,楊會(huì)臣

(1.四川省都江堰外江管理處，四川崇州，611230；2.中國(guó)水利科學(xué)研究院，北京，100089)

1 膠結(jié)砂礫石筑壩技術(shù)簡(jiǎn)介

膠結(jié)砂礫石壩介于混凝土(含碾壓混凝土)壩和土石壩之間，是在碾壓混凝土筑壩技術(shù)和面板堆石筑壩技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新壩型。其筑壩材料是使用少量的膠凝材料和工程現(xiàn)場(chǎng)不篩分不水洗的砂、礫、石料，通過簡(jiǎn)易拌和，經(jīng)攤鋪、振動(dòng)碾壓后形成的具備一定強(qiáng)度和抗剪性能的材料。膠結(jié)砂礫石筑壩技術(shù)在大壩施工過程中充分利用開挖砂礫石料、減少棄料，減少分篩工序、縮短工期，降低造價(jià)，大幅減少大壩施工對(duì)環(huán)境的影響，符合低碳綠色筑壩技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用前景好。膠結(jié)砂礫石壩進(jìn)一步拓寬了當(dāng)?shù)夭牧戏秶?，最大粒徑?0mm增加到150mm，并且提出通過調(diào)整壩體結(jié)構(gòu)來適應(yīng)膠結(jié)砂礫石的材料特性，以充分利用當(dāng)?shù)乜赡艿牟牧稀Ｓ捎谒嗟哪z凝作用增大了材料的抗剪強(qiáng)度，與面板壩相比可以縮小壩體斷面；由于簡(jiǎn)化了材料的配比和骨料的制作，與碾壓混凝土壩相比可以簡(jiǎn)化施工、縮短工期和減少費(fèi)用。膠結(jié)砂礫石筑壩技術(shù)因施工快速、經(jīng)濟(jì)性和安全性好，以及環(huán)境友好，在國(guó)際上已廣為采用。順江堰工程開工建設(shè)前，在國(guó)內(nèi)該技術(shù)已具備專門的技術(shù)導(dǎo)則，山西守口堡水庫(kù)大壩、岷江航電犍為樞紐防護(hù)堤應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)。該新型筑壩技術(shù)的引進(jìn)研究及推廣應(yīng)用對(duì)我國(guó)面廣量大的中小型水庫(kù)大壩工程、圍堰工程建設(shè)，以及眾多的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程具有重大意義。膠結(jié)砂礫石筑壩技術(shù)一般施工工藝見圖1。

圖1 膠結(jié)砂礫石筑壩技術(shù)一般施工工藝

膠結(jié)砂礫石壩采用“宜材適構(gòu)”的設(shè)計(jì)理念，考慮壩體功能分區(qū)設(shè)置，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)分區(qū)的不同要求，選擇合適的材料，實(shí)現(xiàn)安全且不過度超強(qiáng)的目標(biāo)。壩體斷面形式可以調(diào)整，不局限于對(duì)稱或梯形，以充分發(fā)揮材料的性能為目標(biāo)，具有良好的適應(yīng)性。

膠結(jié)顆粒料重力壩施工的主要特點(diǎn)：

(1)技術(shù)方面，目前我國(guó)膠結(jié)砂礫石筑壩技術(shù)多應(yīng)用于圍堰工程，現(xiàn)僅有山西守口堡等少量永久工程應(yīng)用膠結(jié)砂礫石筑壩，掌握膠結(jié)砂礫石筑壩技術(shù)的施工單位很少；

(2)為了滿足膠結(jié)砂礫石快速、連續(xù)施工，需采用連續(xù)滾筒式膠結(jié)砂礫石專用拌和設(shè)備，受倉(cāng)面大小限制，為適應(yīng)施工強(qiáng)度及設(shè)備工作要求，對(duì)設(shè)備配置要求較高；

(3)施工過程中，容易出現(xiàn)大骨料集中、碾壓不密實(shí)等質(zhì)量問題，質(zhì)量控制要求嚴(yán)格。

2 順江堰工程概況

順江堰引水樞紐整治工程位于都江堰外江灌區(qū)西河38+450樁號(hào)處，天然砂卵石資源豐富，且工程砂卵石開挖量大、工期緊，具備應(yīng)用膠結(jié)砂礫石筑壩技術(shù)的條件。為推廣該項(xiàng)技術(shù)在我省的應(yīng)用，初步設(shè)計(jì)方案經(jīng)省水利廳以川水函〔2015〕1397號(hào)文批準(zhǔn)，在順江堰樞紐整治工程中采用膠結(jié)砂礫石料重力壩技術(shù)。順江堰樞紐采用閘壩攔河擋水，在左岸布置270.00m長(zhǎng)溢流壩，右岸布置3孔泄洪沖沙閘和兩孔進(jìn)水閘。溢流壩頂部為WES曲線型實(shí)用堰，壩芯采用C10膠結(jié)砂礫石，基礎(chǔ)墊層、齒槽和上游面層采用C20可振搗富漿膠結(jié)砂礫石，膠結(jié)砂礫石設(shè)計(jì)總方量27130m3；溢流面采用C40AF鋼筋混凝土40cm防沖磨。由于坐落在砂卵石層上，為防止不均勻沉降，壩體每30m設(shè)一道沉降縫。壩體斷面和樞紐平面布置如圖2和圖3所示。

圖2 溢流壩壩體斷面

圖3 樞紐平面布置

3 膠結(jié)砂礫石配合比和性能

3.1 膠結(jié)砂礫石設(shè)計(jì)強(qiáng)度

順江堰溢流壩最大壩高為11.6m，壩前擋水高度為4.0m，應(yīng)力水平相對(duì)較低，壩體設(shè)計(jì)洪水位最大和最小主應(yīng)力分別如圖4所示，各工況下的壩體最大壓應(yīng)力見表2。

表2 各工況下壩體最大壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4 設(shè)計(jì)洪水位工況的壩體最小和最大主應(yīng)力(單位：KPa，壓為負(fù))

根據(jù)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》(SL 678-2014)，材料抗壓安全系數(shù)在基本組合不小于4.0，特殊組合(不含地震情況)不小于3.5。根據(jù)材料力學(xué)和有限元法計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)強(qiáng)度取C18010，能夠滿足材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，并具有較大的安全余度。

綜合考慮順江堰工程情況和運(yùn)行工況，結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)分析，采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C18010。

3.2 施工配合比及性能

根據(jù)勘測(cè)單位提供的砂礫石料顆粒級(jí)配結(jié)果，砂細(xì)度模數(shù)為1.39～1.93，平均1.54，為細(xì)砂；砂中含泥量為9.7%～20.9%，平均13.4%，砂礫石中平均含泥量約為2.37%，滿足導(dǎo)則要求的砂礫石料中含泥量不大于5%的要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)砂礫石級(jí)配，壩體主體的C18010膠結(jié)砂礫石配合比，水泥用量為78kg/m3，粉煤灰用量為52kg/m3，用水量為97kg/m3～110kg/m3。

富漿膠結(jié)砂礫石配合比為：墊層的C18020富漿膠結(jié)砂礫石，水膠比為0.52，粉煤灰摻量為40%。保護(hù)層的C9020富漿膠結(jié)砂礫石，水膠比為0.50，粉煤灰摻量為30%。

4 膠結(jié)砂礫石施工工藝

4.1 施工程序

順江堰引水樞紐整治工程采用分期導(dǎo)流施工。西河右岸為一期圍堰，左岸為二期圍堰。一期圍堰主要是完成右岸堤防、右部壩體及進(jìn)水閘和泄洪閘施工，二期圍堰主要完成左岸堤防、左部壩體施工。一期圍堰先圍右岸，主體施工完成后，拆除一期圍堰然后再填筑二期圍堰，待二期圍堰主體施工完成后，拆除圍堰，進(jìn)行右岸溢流壩段和沖砂閘施工；二期圍左岸施工。

壩體膠結(jié)砂礫石施工采用碾壓為主，振搗為輔方式。一、二期(右、左岸)溢流堰各4和5個(gè)壩段，軸線長(zhǎng)均為30m，壩基高程453.5m(齒槽452m)，壩頂高程465.1m，壩底寬15.95m。其中，上游面富漿膠結(jié)砂礫石防滲層厚1m，壩體C10膠結(jié)砂礫石部分底寬12.95m，頂寬1.5m。采用分層碾壓施工，壩體下部澆筑到459.7m高程后，間歇3d后繼續(xù)澆筑壩體上部到設(shè)計(jì)頂高程。綜合考慮大倉(cāng)面通倉(cāng)快速施工和適當(dāng)減小倉(cāng)面內(nèi)碾壓施工強(qiáng)度的要求，將幾個(gè)壩段合并為大倉(cāng)面施工。

4.2 膠結(jié)砂礫石拌制

采用針對(duì)膠結(jié)砂礫石專門研發(fā)的連續(xù)滾筒式膠結(jié)砂礫石專用攪拌機(jī)拌制，該設(shè)備的主要特點(diǎn)是：

(1)具有拌和最大粒徑150mm的能力，拌和能力可達(dá)到200m3/h，拌和能力根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)；

(2)計(jì)量系統(tǒng)靈敏、精確、可靠，拌和時(shí)間、拌和量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整；

(3)攪拌均勻，不出現(xiàn)大骨料集中，大于80mm的顆粒料裹漿、分散，80mm以內(nèi)的顆粒料充分混合、裹漿、粘聚。

4.3 C20富漿膠結(jié)砂礫石施工

為加快施工速度，基礎(chǔ)及底部膠結(jié)砂礫石采用專用拌合設(shè)備拌制，采用20t自卸汽車運(yùn)輸，至倉(cāng)面后加入適量水膠比為0.8的水泥凈漿，改變其工作性為可振搗富漿膠結(jié)砂礫石。通倉(cāng)連續(xù)澆筑，采用裝載機(jī)、反鏟等將膠結(jié)砂礫石料推平，人工輔助平倉(cāng)，振搗時(shí)采用φ100插入式振搗器。

為保證工程施工質(zhì)量和進(jìn)度要求，一期施工采用保護(hù)層富漿膠結(jié)砂礫石與壩體碾壓膠結(jié)砂礫石同步施工；二期由于工期要求，在交界部位支撐模板，首先施工碾壓膠結(jié)砂礫石，拆模后，鑿毛交界面，然后進(jìn)行保護(hù)層富漿膠結(jié)砂礫石的振搗施工。

4.4壩體碾壓膠結(jié)砂礫石施工

壩體自下而上分為下、中、上部三層施工。454.3m～456.5m高程為第一層，456.5m～459.6m(鋪蓋高程)為第二層，459.6m～461.5m為第三層。壩體461.5m高程以上部分由于倉(cāng)面狹小，無法碾壓施工，采用富漿膠結(jié)砂礫石施工方式振搗施工。膠結(jié)砂礫石采用20t自卸汽車直接入倉(cāng)，通倉(cāng)連續(xù)鋪筑，采用反鏟將膠結(jié)砂礫石料推平，人工輔助平倉(cāng)。膠結(jié)砂礫石采用20t級(jí)單鋼輪振動(dòng)碾碾壓施工，由于下游臺(tái)階設(shè)計(jì)高度為60cm，因此，單層臺(tái)階采用兩次施工，即單層鋪筑40cm厚，碾壓完成后為30cm。正式施工前進(jìn)行碾壓工藝性試驗(yàn)，最終采用靜2+動(dòng)8進(jìn)行碾壓。

膠結(jié)砂礫石層面盡量在初凝前進(jìn)行覆蓋，連續(xù)碾壓施工。當(dāng)層面不能及時(shí)覆蓋形成施工縫時(shí)，層面沖毛后鋪設(shè)一層15mm厚1∶3水泥凈漿或水泥砂漿，通倉(cāng)鋪設(shè)處理。水泥砂漿采用JZC750混凝土攪拌機(jī)拌制攪拌，運(yùn)輸車運(yùn)至倉(cāng)面，人工攤鋪，然后進(jìn)行上層碾壓膠結(jié)砂礫石施工。

振動(dòng)碾碾壓不到的邊角部位，采用人工造孔、注漿、振搗的方式進(jìn)行施工；振搗與碾壓邊緣的結(jié)合部位，采用平板振動(dòng)器振實(shí)。

4.5 抗沖耐磨混凝土施工

膠結(jié)砂礫石施工完后，對(duì)表面進(jìn)行鑿毛處理，并采用φ16鋼筋插筋，間距200cm，梅花形布置，插筋伸入C10膠結(jié)砂礫石不小于40cm，然后進(jìn)行抗沖磨混凝土的澆筑。整體施工流程如圖5所示。

圖5 一期膠結(jié)砂礫石壩施工過程

圖6 完建與擋水的順江堰膠結(jié)砂礫石壩

5 膠結(jié)砂礫石質(zhì)量控制

作為我國(guó)第一座建成的膠結(jié)砂礫石永久工程，在施工過程中，參建各方非常重視施工質(zhì)量控制。中國(guó)水科院也派出研究團(tuán)隊(duì)中的骨干在施工現(xiàn)場(chǎng)駐守，研發(fā)并應(yīng)用了膠結(jié)砂礫石壩施工質(zhì)量控制系統(tǒng)，實(shí)施全過程監(jiān)控。施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)按照“優(yōu)化施工、發(fā)現(xiàn)異常、及時(shí)預(yù)警”的原則，基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)理念，利用非接觸式測(cè)量、超寬帶定位技術(shù)、移動(dòng)數(shù)據(jù)終端、三維仿真分析等先進(jìn)手段實(shí)時(shí)采集分析施工動(dòng)態(tài)信息，創(chuàng)建膠凝砂礫石壩質(zhì)量監(jiān)控軟件平臺(tái)，將膠結(jié)顆粒料壩的母材開采、拌合施工、上壩澆筑、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)納入監(jiān)控，進(jìn)行工程全過程、全景錄像，實(shí)現(xiàn)工程的精細(xì)化控制，確保膠結(jié)顆粒料壩的建設(shè)質(zhì)量。主要質(zhì)量控制措施有：

(1)采用施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全過程監(jiān)控。在右岸、河床和左岸拌和站等主要范圍搭建4個(gè)無線基站，建立網(wǎng)絡(luò)連接，基于超寬帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合膠結(jié)砂礫石施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，采用質(zhì)量監(jiān)控管理平臺(tái)，對(duì)拌和施工、碾壓施工全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制生產(chǎn)配合比、碾壓車速和碾壓遍數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)，布設(shè)了4個(gè)攝像頭，對(duì)施工進(jìn)行全程、全景錄像。

(2)增加措施，保障工程質(zhì)量和進(jìn)度。順江堰引水樞紐膠結(jié)顆粒料壩將成為我國(guó)首座建成的膠結(jié)顆粒料壩永久工程，意義重大。為確保工程質(zhì)量，發(fā)揮首座工程的示范作用，推進(jìn)新技術(shù)的推廣應(yīng)用，在工程施工和質(zhì)量控制過程中，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)投入，保障工程質(zhì)量和進(jìn)度。針對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的與原方案不相符的情況，積極增加措施，如：實(shí)際開挖的河床砂礫石中，砂的細(xì)度模數(shù)為1.2，較原勘測(cè)細(xì)度模數(shù)值2.12減小幅度大，加上工期緊、堆料場(chǎng)地限制和空氣濕度大等導(dǎo)致的無法充分?jǐn)備伭罆?，砂礫石料含水率偏高，現(xiàn)場(chǎng)采取增加水泥、粉煤灰用量進(jìn)行調(diào)整；對(duì)富漿可振搗膠結(jié)砂礫石，在入倉(cāng)前在倉(cāng)面附近進(jìn)行加拌，確保拌和均勻性；合并施工倉(cāng)，對(duì)4個(gè)或5個(gè)壩段進(jìn)行通倉(cāng)鋪筑碾壓，增加施工設(shè)備，對(duì)層面進(jìn)行鋪漿處理，確保施工層面結(jié)合質(zhì)量。

(3)除控制原材料、拌和以及碾壓施工過程，還分別對(duì)各倉(cāng)次進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)，同時(shí)采用灌水法等評(píng)定碾壓密實(shí)度，配合鉆芯取樣，以及落球法等無損檢測(cè)新技術(shù)手段，綜合評(píng)價(jià)整體碾壓質(zhì)量。28d齡期強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表明，面層C20富漿膠結(jié)砂礫石強(qiáng)度均大于15MPa，壩體C10膠結(jié)砂礫石強(qiáng)度均大于6MPa，滿足設(shè)計(jì)齡期的強(qiáng)度要求，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

目前，順江堰膠結(jié)砂礫石壩已建成并擋水4a，工程運(yùn)行正常。通過工程應(yīng)用，充分證明了膠結(jié)砂礫石壩的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可總結(jié)為：

(1)環(huán)境友好性。工程直接利用河床開挖砂礫石料3萬余方，15cm以下直接用于膠結(jié)砂礫石的施工，15cm以上被摻入C20混凝土中，用于澆筑消力池、擋墻等，基本實(shí)現(xiàn)工程零棄料。

(2)施工簡(jiǎn)便性。因?yàn)槟z結(jié)砂礫石制備方式簡(jiǎn)單，與混凝土比，在材料加工、篩分、級(jí)配方面，工作量大大簡(jiǎn)化。水泥、粉煤灰等膠結(jié)材料與混凝土壩、碾壓混凝土壩比要節(jié)省很多。同時(shí)，膠結(jié)砂礫石專用拌和設(shè)備拌和能力達(dá)200m3/h，再配合碾壓施工，在倉(cāng)面小、存在施工交叉等不利條件下，膠結(jié)砂礫石日最大施工強(qiáng)度達(dá)1500m3，充分保證了工程汛期前完成，實(shí)現(xiàn)供水功能的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(3)經(jīng)濟(jì)性。由于膠結(jié)砂礫石直接采用簡(jiǎn)單篩分后的河床砂礫石和少量的膠結(jié)材料，在使用專用拌和設(shè)備、增加質(zhì)量控制系統(tǒng)的情況下，工程節(jié)約直接投資約13%，如再考慮開挖棄渣的處理等，則經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。

(4)安全性。基于IT技術(shù)的智能數(shù)字化監(jiān)控在膠結(jié)砂礫石壩的應(yīng)用，較好地控制了施工全過程的質(zhì)量。分析結(jié)果表明，較之混凝土重力壩，膠結(jié)砂礫石壩的應(yīng)力較低，在適應(yīng)非巖石地基等方面，膠結(jié)砂礫石壩具有更高的安全性。

6.2 供參考的經(jīng)驗(yàn)

通過工程設(shè)計(jì)和實(shí)施，關(guān)于膠結(jié)砂礫石壩設(shè)計(jì)方面，有如下經(jīng)驗(yàn)供參考：

(1)基本斷面。對(duì)于中低壩，可以沿用傳統(tǒng)重力壩的斷面，原因是壩體應(yīng)力水平很低，材料的強(qiáng)度余度能夠滿足要求。

(2)材料分區(qū)。中低壩，除過流沖刷等特殊部位采用常規(guī)混凝土外，壩體其他部分均可采用膠結(jié)砂礫石，對(duì)于防滲和保護(hù)層，可采用最大骨料粒徑80mm的加漿振搗膠結(jié)砂礫石。

6.3 建議

基于順江堰工程的成功建設(shè)，面對(duì)十四五期間，我國(guó)建設(shè)大量水利工程的實(shí)際需求，建議：

(1)在設(shè)計(jì)階段，盡可能增加論證膠結(jié)砂礫石壩的比選，充分發(fā)揮其環(huán)保安全、經(jīng)濟(jì)快速的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(2)在中小型水利工程中，條件允許的情況下，盡可能增加施工質(zhì)量控制系統(tǒng)，做到全過程質(zhì)量控制，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)施工過程各參數(shù)的回溯。

(3)充分貫徹膠結(jié)砂礫石壩的“宜材適構(gòu)”的設(shè)計(jì)理念，充分認(rèn)識(shí)膠結(jié)砂礫石壩的特點(diǎn)，進(jìn)一步放低筑壩材料要求，進(jìn)一步擴(kuò)大膠結(jié)砂礫石壩的應(yīng)用范圍，如護(hù)岸、擋墻等部位。