戈雪良，陆采荣，3，张金海，梅国兴，刘伟宝，王 珩，杨 虎

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；3.国家能源水电工程安全与环境技术研发中心，江苏 南京 210029；4.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650214 )

1 研究背景

20世纪70年代美国加州大学伯克利分校Raphael[1]教授最早提出了用水泥胶结堆石料筑坝的构思，认为在重力坝和堆石坝之间存在一种最优坝型，坝体剖面介于重力坝与堆石坝之间、其填筑材料的性能也介于混凝土与堆石料之间，并称之为“最优重力坝(Optimun gravity dam)”。1992年，Londe将该类型筑坝材料命名为Hard-fill，并指出该筑坝材料应采用与其相对应的新坝型— FSHD(Faced Symmetrical HardfillDam)，基本剖面应为对称梯形，并在上游设置防渗面板，该新坝型不仅具有造价低廉、施工便利的特点，而且应具有更高的安全性和更好的抗震性能[2]。1993年，希腊建成了世界上第一座胶凝砂砾石坝，Marathia坝(坝高25 m)[3]；2002年，土耳其建设了目前世界上最高的胶凝砂砾石坝，Cindere坝(坝高107 m)[4]。我国自2004年贵州道塘水库上游围堰(高7 m)[5]采用胶凝砂砾石填筑材料以来，已有街面、洪口、功果桥等几座水电站围堰采用了胶凝砂砾石筑坝材料[6-7]，该筑坝技术及相关基础科研工作在国内取得了较大的发展[8-10]。

大华桥水电站拦河坝施工导流采用断流围堰一次拦断河流，枯水期围堰挡水、导流隧洞泄流，汛期基坑和导流隧洞联合泄流的导流方式。电站上游围堰采用胶凝砂砾石(CSG)过水围堰，围堰设计挡水标准采用10月～次年5月枯水时段10年一遇设计洪水，相应洪峰流量为6 950 m3/s，围堰设计挡水位1 424.6 m，堰顶高程为1 426.0 m，最大堰高为57.0 m，为我国在大江大河上建造的最高的胶凝砂砾石围堰工程。该上游围堰堰体胶凝砂砾石填筑材料的主要设计指标为材料密度>2 400 kg/m3，f′>0.55、C′>0.45 MPa，混凝土强度等级为C283.5，设计龄期强度保证率80%，骨料最大粒径250 mm。本文根据坝址附近河床天然砂砾石骨料及工程开挖料的特点与围堰材料的设计要求，对大华桥水电站上游胶凝砂砾石过水围堰堰体填筑材料的主要配合比参数、现场碾压工艺参数进行了研究。

2 原材料

采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，F类Ⅱ级粉煤灰，JM-Ⅱ高效减水剂，上述原材料均按照相应技术标准进行了品质参数检验，检验结果表明：水泥、粉煤灰、减水剂的主要品质参数均满足各自规范要求。胶凝砂砾石骨料取自河床天然砂砾料以及工程开挖石渣料，如图1所示。

图1 胶凝砂砾石围堰用天然砂砾料及开挖石渣骨料

对河床天然砂砾料和工程开挖石渣料进行了筛分，以掌握骨料的级配、含砂量等基本情况，两种骨料的筛分结果如表1所示。

表1 河床天然砂砾料、开挖石渣料筛分结果

由表1可知，河床天然砂砾料的含砂量为24.47%，80 mm以上特大石含量接近20%、其中>250 mm大颗粒含量达到了6.3%；开挖石渣料的含砂量为7.09%，80 mm以上特大石含量近30%，两种骨料在含砂量、特大石含量方面的差异较大；另外，河床天然砂砾料的含泥量检测结果表明，含泥量较大接近9%，且不同部位取样测试结果的波动较大(3%～9%)。因此胶凝砂砾石材料的配合比参数需要根据天然砂砾料、石渣开挖料中含砂量、特大石含量、含泥量、以及现场实际含砂波动等综合因素进行试验研究。

3 胶凝砂砾石材料配合比控制参数室内试验研究

大华桥水电站胶凝砂砾石材料最大的特点是利用了坝址区附近砂砾石及工程开挖弃渣料，使用时不对骨料进行清洗及级配调整。因此，围堰胶凝砂砾石材料性能因骨料级配、水泥用量、单位用水量的不同而不同，材料性质在理论上具有较大的离散性。为了满足材料性能设计要求，保障围堰工程质量，在配合比设计时，需研究提出满足现场骨料含砂量波动的用水量、水泥用量、水胶比等主要配合比参数范围，这与碾压混凝土材料的配合比设计具有较大差异。

3.1 全河床天然砂砾料方案

当围堰全部采用河床天然砂砾石料时，在24%砂率，Ⅱ级粉煤灰掺量30%条件下，胶凝砂砾石材料的水胶比、用水量与胶凝砂砾石材料的28 d立方体抗压强度(150 mm立方体)关系如图2所示。由图2可知，在24%砂率、30%粉煤灰掺量条件下，水胶比在0.6～1.4之间、单位体积混疑土水用量在87～95 kg范围内，25组胶凝砂砾石材料配合比的28 d抗压强度在1.1～15.8 MPa之间，其中满足28 d配制强度的配合比有13组，水胶比范围为0.6～1.0，单位体积混凝土用水量范围为87～95 kg。

图2 全砂砾料方案胶凝砂砾石抗压强度关系(现场)(水胶比-单位用水量-28 d)

考虑到现场砂砾料含砂情况波动，试验设计了20%、30%、35%三种砂砾料砂率条件，在30%Ⅱ级粉煤灰掺量条件下进行了水胶比、用水量、28 d抗压强度关系的试验研究，并与24%砂率时的配合比参数、28 d抗压强度进行了对比，如图3所示。由图3可知，天然砂砾料的含砂量在20%～35%范围波动时，需将胶凝砂砾石的水胶比控制在0.6～0.8范围、对应的单位体积混凝土用水量控制在86～94 kg，胶凝砂砾石材料的28 d抗压强度能满足配制强度的要求。

3.2 河床天然砂砾料与开挖石渣料复合方案

为减少工程弃渣，胶凝砂砾石围堰考虑将工程开挖石渣与河床天然砂砾料混合使用，作为胶凝砂砾石筑坝材料骨料。天然砂砾料与开挖石渣料的按70∶30进行混合，对混合骨料方案含砂量20%～35%范围、30%粉煤灰掺量条件下，胶凝砂砾石材料的水胶比、砂率、用水量、28 d抗压强度之间的关系进行了试验研究，试验结果如图4所示。由图4可知，在20%～35%的天然砂砾料与开挖石渣料复合骨料含砂量范围内，40组胶凝砂砾石材料配合比的28 d抗压强度在1.5～13.2 MPa之间，其中满足28 d配制强度的配合比有24组。满足强度设计要求的水胶比控制范围为0.6～0.8，单位体积混凝土用水量控制范围为87～95 kg。与全砂砾料方案胶凝砂砾石材料配合比参数相比，同样满足28 d抗压强度设计要求时，两种骨料方案的水胶比控制范围相同，但复合骨料方案的单位体积混凝土用水量比全砂砾料方案增加了1～2 kg。另外，在同水胶比、同单位用水量条件下，复合骨料30%的含砂量对应的胶凝砂砾石材料具有较高的抗压强度。

图3 全砂砾料方案胶凝砂砾石抗压强度

4 大粒径胶凝砂砾石材料现场碾压工艺试验研究

胶凝砂砾石材料是一种介于混凝土与堆石料之间的新型材料，国内已建的几个围堰工程基本参照碾压混凝土的施工工艺进行[6-7]。但大华桥水电站过水围堰胶凝砂砾石材料采用的天然砂砾料最大粒径达到250 mm，其碾压施工工艺需要专门进行研究。

现场碾压工艺试验采用反铲进行胶凝砂砾石材料拌制，拌制完毕采用自卸汽车运输入仓，推土机配合人工进行摊铺、平仓；现场摊铺厚度分为60、70、80 cm的3个条带，设计压实层厚分别50、60、70 cm；碾压时采用采用18T单钢轮振动碾，每个条带先无振2遍，再有振4、5、6、7遍，采用“挖坑法”对不同碾压工艺的胶凝砂砾石材料的压实容重、压实度进行检测，以确定250 mm大粒径胶凝砂砾石材料的摊铺厚度及碾压遍数。上仓面碾压胶凝砂砾石材料拌合物性能的3次抽检结果如表2所示、碾压工艺试验结果如表3所示。

由表3可知，CSG材料入仓时松铺厚度不同，达到最佳压实度的碾压工艺不同，松铺60 cm、压实50 cm时，无振2+有振5可使CSG材料达到最佳压实度；松铺70 cm、压实60 cm时，无振2+有振5可使CSG材料达到最佳压实度；松铺80 cm、压实70 cm时，无振2+有振7可使CSG材料达到最佳压实度；随着松铺厚度的增加，须相应增加有振碾压遍数，无振碾压一般2遍即可。综合不同碾压工艺条件下胶凝砂砾石的密度、仓面压实度情况，以及施工效率等因素，对于250 mm大粒径胶凝砂砾石材料推荐无振碾压2遍、有振碾压6遍碾压工艺，CSG材料松铺厚度70 cm、设计压实厚度60 cm。

图4 砂砾料、石渣料复合方案胶凝砂砾石抗压强度

表2 250 mm大粒径胶凝砂砾石材料拌合物性能

表3 250 mm大粒径胶凝砂砾石材料碾压工艺试验结果

注：*处进行压实度检测时，仓面坑内挖出粒径约30 cm的大骨料，密度及压实度数据偏大。

5 结 论

(1)大华桥水电站过水围堰胶凝砂砾石材料配合比参数根据骨料含砂量、含泥量波动等情况，试验提出了水胶比控制范围、单位体积混凝土用水量控制范围，以及砂率-水胶比-用水量-抗压强度之间的内在关系。胶凝砂砾石材料配合比设计时，在现场天然砂砾石骨料，以及天然砂砾石与开挖石渣料可能的砂率波动范围内，分别对最大水胶比限值、最小单位体积混凝土用水量限值进行严格控制，确保胶凝砂砾石材料28 d抗压强度满足设计要求。

(2)对于最大粒径达到250 mm的胶凝砂砾石材料，原则上仍可参照碾压混凝土的施工工艺进行浇筑施工，但具体摊铺厚度、碾压遍数等关键工艺参数则应根据工程实际情况试验确定。采用仓面容重、仓面压实度检测的方法，可对大粒径胶凝砂砾石材料的碾压施工质量进行检测，取压实容重大、压实度高的胶凝砂砾石材料对应的碾压工艺参数为较优参数。