胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用

年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目水利部计划项目作者简介贾金生男河南民权人教授级高级工程师主要从事拱坝结构分析面板坝防渗体系及胶凝砂砾石坝的研究文章编号胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用贾金生马锋玲李新宇陈祖坪中国水利水电科学研究院北京首钢工学院北京摘要本文阐述了胶凝砂砾石坝的起源和发展情况根据福建街面水电站下游围堰的施工要求即施工期作为挡水堰运行期作为量水堰设计了围堰坝体的断面对堰体的应力稳定和渗流进行了分析提出了材料的性能参数要求并探讨了胶凝砂砾石材料的渗透溶蚀性能研究结果表明采用当地天然砂砾石掺入水泥和粉煤灰各?其龄期抗压强度等级可达到并满足围堰的力学稳定防渗和抗溶蚀要求缩短了工期降低了造价关键词胶凝砂砾石坝渗透溶蚀围堰材料特性抗压强度中图分类号文献标识码研究背景胶凝砂砾石坝是在面板坝和碾压混凝土重力坝基础上发展起来的一种新坝型昀早由于年提出其特点是采用胶凝砂砾石材料筑坝使用高效率的土石方运输机械和压实机械施工由于水泥的胶凝作用增大了材料的抗剪强度与面板坝比可以缩小坝体断面由于使用了土石坝的连续施工方法与碾压混凝土坝比可以简化施工缩短工期和减少费用年提出其上下游坝坡均可设计为上游面设防水面板防渗年再次对该坝型进行阐述认为放宽对碾压混凝土性能和技术的要求只求获得一种硬填方而不是有较高强度的混凝土总造价会降低且具有较高的安全度胶凝砂砾石坝的设计原则与重力坝类似坝体剖面依据应力标准和稳定条件确定图是希腊某胶凝砂砾石坝剖面图表世界各国代表性的胶凝砂砾石坝坝名所在国家坝高?建成年份希腊希腊反调节坝多米尼加菲律宾建设中法国土耳其建设中日本昀近日本发展了这一理念将胶凝材料和水添加到河床砂砾石和开挖废弃料等在坝址附近容易获得的岩石基材中然后用简易的设备进行拌合其不仅经济还可以充分利用施工过程中产生的弃料减小对周围环境的影响由于胶凝砂砾石坝对筑坝材料施工工艺以及坝基要求降低大坝施工基本实现零弃料凸显了在适应环境减轻环境破坏方面所具有的优势已开始得到国际坝工界的重视表列出了世界各国部分代表性的胶凝砂砾石坝福建街面面板坝坝高下游围堰昀大高度顶宽昀大堰顶长度围堰在施工期图希腊某胶凝砂砾石坝剖面图中未标注单位为要挡下游来水并有交通要求运行期用作量水堰因此需要两面挡水原设计方案是常规重力坝为加快施工进度优化设计经研究采用了胶凝砂砾石坝考虑工程的防渗要求不高施工期未做防渗面板如不能满足防渗要求则可以后期灌浆加强胶凝砂砾石筑坝国内虽做过研究但并未用于实际工程且胶凝砂砾石材料的渗透溶蚀性能国内外也未见相关的报道因此本文研究与工程应用具有一定的意义胶凝砂砾石材料性能研究试验材料采用正交试验研究胶凝砂砾石的物理力学性能包括抗压强度抗剪强度和渗透溶蚀性能骨料选用河床天然砂砾混合料砂率变化范围为现场剔除大于砾石将砂砾混合料筛分优选砂率进行配合比试验混合料筛分后砂为中砂砾石为连续分布级配为水泥采用龙岩三德水泥厂生产的级普通硅酸盐水泥水泥级粉煤灰和外加剂的性能分别列于表表表水泥的物理力学性能名称凝结时间初凝终凝细度稳定性抗折强度?抗压强度?合格三德合格表粉煤灰性能试验结果序号性能指标级别检验结果细度方孔筛筛余不大于需水量比不大于烧失量不大于含水量不大于不规定三氧化硫不大于注检测依据为表高效减水剂性能试验结果名称减水率泌水率比含气量凝结时间?抗压强度比初凝终凝正交设计安排试验选用正交表初定配合比为水泥?粉煤灰?砂率水?减水剂掺量为水泥用量的图强度随龄期增长曲线表抗剪断试验结果凝聚力?摩擦系数试验采用正方体试件其中抗压试件尺寸为抗剪试件尺寸为胶凝砂砾石材料及的抗压强度和抗剪强度结果分别见图表由于胶凝砂砾石材料骨料未经冲洗筛分抗渗透性较差且胶凝材料用量低一般水泥?胶凝材料用量少于?掺合料如粉煤灰掺量较高水化产物中含量较少因此在压力水长期渗透作用下胶凝砂砾石筑坝材料的溶蚀性能否趋于稳定是值得深入研究的问题渗透溶蚀试验采用多功能压力式混凝土溶蚀仪试件试验龄期由于实际工程中胶凝砂砾石材料所承受的水力梯度很小为加速试验进程试验采用的水压力为渗透水采用去离子水渗透溶出液中的的量采用化学滴定法测定试验结果见图图单个试件累计溶出量表溶蚀前后的强度对照溶出的所占总的百分比溶蚀后的抗压强度?强度下降百分比平均值注标准养护下的抗压强度为经渗透溶蚀后胶凝砂砾石材料的抗压强度见表除对胶凝砂砾石材料的抗压强度抗剪强度及渗透溶蚀性能进行研究外还对指定配合比的胶凝砂砾石材料的劈裂抗拉强度抗弯强度抗压弹性模量极限拉伸强度干缩性能和抗冻性能进行了试验研究结果参见文献工程应用福建省街面水电站位于福建省尤溪江上坝址附近砂砾石料源丰富级配良好下游围堰建设采用胶凝砂砾石坝由福建省水利水电勘测设计研究院设计福建街面水电站浙闽联合体施工中国水利水电科学研究院结构材料研究所承担前期研究并提供技术咨询街面水电站下游胶凝砂砾石围堰有两种工作状态其一是作为下游围堰在施工期挡下游水其二是作为坝体的下游坡脚和量水堰在大坝运行期挡上游水和堆石两种工况下的计算简图及荷载如图所示在工况中由于下游围堰是坝体的下游坡脚坝体堆石对下游围堰有推力这个推力按静止土压力计算图下游围堰的两种计算工况及荷载单位设计昀大堰底宽堰顶宽堰昀大高度堰顶长度上下游面坡比施工实际坡比为总方量约中部采用富浆变态混凝土作防渗体分别采用材料力学方法和随机有限元方法进行抗滑稳定和应力计算根据前述对胶凝砂砾石筑坝材料性能的研究成果抗滑稳定计算中取堰体材料与岩体接触面的抗剪断摩擦系数抗剪断凝聚力堰体材料与岩体接触面的摩擦系数坝体胶凝砂砾石的取值见表可靠度计算中拉压强度的变异系数均取其它为定值表胶凝砂砾石材料取值材料弹性模量?泊桑比饱和容重??抗压强度?抗拉强度?材料力学方法和随机有限元方法计算结果均表明坝体抗滑稳定安全系数较高任何工况任何位置都没有拉应力且压应力很小主应力昀大值仅为完全满足相关规范的要求根据工地现场条件及前述试验成果胶凝砂砾石母材直接采用坝址附近河床的砂砾石砂砾石在拌和之前需堆放一段时间以免含水量过大采用装载机拌和自卸汽车上坝反铲式挖掘机摊铺振动碾碾压的施工工艺正式施工前还进行了现场工艺试验以确定胶凝砂砾石材料的具体配合比即水泥用量和粉煤灰用量以及装载机拌和遍数和振动碾碾压遍数昀终用于现场施工的参数如下堆放后的砂砾石水泥?粉煤灰?根据现场拌和情况加水采用台容量均为的装载机进行拌和每次铲斗砂砾石约人工将水泥和粉煤灰均刀的洒在砂砾石上然后采用装载机拌和次每层摊铺厚度下一层胶凝砂砾石摊铺前层面中间铺设一层水泥砂浆采用的振动碾进行碾压仓面共碾压次其中第次和昀后次采用静碾中间次采用振动碾压岸坡部位浇筑常态混凝土街面水电站下游胶凝砂砾石围堰从年月日开始施工年月日建成并投入使用工期仅比原设计采用常态混凝土方案缩短造价降低约结语胶凝砂砾石坝采用上下游面等坡比一般可充分利用上游水重增加了坝体稳定改善了坝体应力分布因此可以相应简化防渗帷幕的布设由于胶凝砂砾石坝中水泥用量较少预期绝热温升约为常规碾压混凝土的一半因此可以加大伸缩缝的设置间距胶凝砂砾石材料有一定的强度和抗冲刷能力克服了土石坝坝顶不能过水的缺点允许坝顶设置溢洪道可以省去岸边溢洪道等便于施工导流和枢纽建筑物布置街面胶凝砂砾石围堰施工表明筑坝材料易得施工工艺简化坝体材料较少与其他坝型比工期短造价低围堰受力状态良好在两种工况下都不会产生拉应力且在高水压力梯度作用下经渗透溶蚀之后的胶凝砂砾石材料强度仍然满足设计要求参考文献福建省水利水电勘测设计研究院试验中心街面水电站下游围堰现场试验研究初步成果报告福州福建省水利水电勘测设计院贾金生陈祖坪马锋玲俞钦等胶凝砂砾石坝筑坝材料特性及其对面板防渗体影响的研究北京中国水利水电科学研究院?责任编辑王冰传