胶结砂砾石筑坝技术在岷江航电堤防中的创新应用与展望

徐乐毅 杜双全 冯 炜

(1.四川岷江港航电开发有限责任公司，四川 成都 610000；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

1 背景概述

习总书记倡导的绿水青山就是金山银山的理念是新时代水利工作者的指南，要坚定不移走生态优先、绿色发展之路。水库大坝和堤防工程是国家重要的基础设施，是绿色发展的重要保障，对防洪安全、供水安全、能源安全具有极为重要的意义，未来仍然需要建设新的水利工程，并要采取更加环保的建坝技术。土石坝、混凝土坝是传统的两个主要坝型，土石坝建设经济快速，占比95%以上，但存在漫顶溃决的风险；混凝土坝安全，但对坝基要求高、建造成本高，占比小于5%。在土石坝和混凝土坝之间应寻求一种新坝型，既能最大限度地使用工程现场材料，又能施工快速，建造成本低。2009年贾金生等提出了胶结颗粒料坝(Cemented Material Dam，CMD，简称胶结坝)和“宜材适构”的新型筑坝理念，在土石坝和混凝土坝之间构建的新坝型，既经济又漫顶不溃。新的筑坝技术体系充分利用当地砂砾石等材料，甚至一些风化料等低品质材料胶结形成较低强度的固结体筑坝材料，采用成套高效施工技术建坝，在经济环保、施工效率和安全方面具有显著优势[1-3]。胶结坝按照原材料的粒径，分为胶结土坝、胶结砂砾石坝(包括硬填料坝、胶凝砂砾坝、胶凝人工砂石坝[4])、胶结堆石坝。新坝型按结构的功能梯度思路分区，将防渗、防冻保护等部分与主体分开，尽量避免重力坝材料超强过多的问题[5-6]。

基于早在2004年福建街面胶结砂砾石围堰等工程的实践成果，为引导该技术在永久工程的应用，2014年颁布了我国第一个有关胶结坝的水利行业技术标准《胶结颗粒料筑坝技术导则》[7]。在导则的指导下，我国第一座胶结砂砾石永久工程山西守口堡胶结坝于2015年开始正式施工，该坝坝高61.6m，是当前已建胶结坝工程中最高的大坝。除在围堰和大坝工程中采用胶结砂砾石筑坝技术以外，早在2011年就开展了在堤防工程中的应用研究。岷江航电枢纽工程中的犍为段成为我国第一个研究采用胶结砂砾石筑堤的工程。

岷江航电四个枢纽的库区防护堤总设计长度达80.3km，高度一般在7～10m，最高不超过18m，挡水水头较小；工程现场砂砾石储量丰富，具备采用胶结砂砾石筑堤的客观条件。根据国家发展改革委和交通运输部关于四川岷江犍为航电枢纽工程防洪堤审查意见，鉴于四川岷江犍为航电枢纽工程防洪堤防护等级高、防洪堤线长、征地困难、投资额度大等特点，并考虑工程建成后防洪效果及安全性，结合现场砂砾石料源丰富、征地移民难度大、防洪水头不高等实际情况，四川岷江港航电开发有限公司提出建议采用胶结砂砾石堤型方案建设防洪堤，开展岷江航电工程胶结砂砾石筑堤关键技术研究工作。

岷江犍为航电枢纽工程位于四川岷江干流下游河段，是岷江下游河段(乐山-宜宾)航运和水电规划的第三个梯级。犍为航电枢纽工程的库区堤防工程位于犍为县塘坝乡。防洪堤长约2.755km，最大堤高14.1m，地基为砂卵石地基，胶结砂砾石技术应用于非岩基、长距离的防护堤永久工程，尚未查到其他实例报道。实际施工现场的砂砾石料级配离散，如何保障胶结砂砾石材料强度满足设计要求是急需研究解决的课题。同时由于胶结砂砾石骨料粒径大，需要专门的拌和设备，且防渗层材料和止水方面也有待改进。在岷江航电工程应用胶结砂砾石技术，进一步拓宽骨料粒径到200mm，可充分利用坝址覆盖层开挖的砂卵石弃料，弃料作为原材料进行防护堤填筑，可减少开挖弃渣堆放和混凝土骨料开采制备占地，最大程度减小工程建设对当地环境的影响，节能环保，同时缩短工期，降低工程造价，具有显著的社会、经济、环境效益，意义重大。在岷江犍为航电枢纽工程的非岩基上建筑胶结砂砾石坝的研究开始于2011年，是最早开展此类研究的永久工程实例，研究成果为工程实践奠定了基础。

2 胶结砂砾石筑堤在岷江犍为枢纽防护堤的应用

2.1 结构断面特点

胶结砂砾石坝一般按梯形设计，不同于传统重力坝，后者的坝踵应力在不同工况下变化较大(见图1)，对坝体材料的力学和耐久性要求也高。而梯形断面的胶结坝应力水平低、变化幅度小，因此大幅度降低了对筑坝材料的各项性能要求。针对犍为胶结砂砾石堤防工程结构设计，通过材料力学法和有限元二维、三维共10个方案的计算分析研究，对上游1∶0.5、下游1∶0.7的体型进行了复核，对比上游1∶0.6、下游 1∶0.6和上游1∶0.55、下游1∶0.65两个体型，综合优选推荐的岷江犍为胶结砂砾石堤防典型断面图见图2，上游坡比为1∶0.5，下游坡比为1∶0.7。 其中采用短趾板方案，防护堤的拉压应力值都有明显降低。在连接板间预设沉降缝对减小防护堤内部及连接板的应力具有明显作用，同时应考虑在沉降缝处做防渗止水设计。有限元各方案分析结果表明，坝体胶凝砂砾石区内的压应力基本都不超过抗压强度1.5MPa。坝体主体材料只要求结构的支撑作用，具备一定力学强度保证碾压施工的密实性就能满足工程安全，对其耐久性不作特殊要求。胶结砂砾石坝要更加严格遵循功能分区设置的原则，即保证在任何工况下，坝体主体内部都在受压状态，且最大应力小于材料的允许压应力。对于在施工、运行期可能出现拉应力的部位，以及具有防渗和抗冻要求的垫层和上下游保护层，应采用强度高、耐久性好的常态混凝土、加浆振捣胶结砂砾石、富浆胶结砂砾石等的材料，并注意强度等性能差异大的筑坝材料之间的衔接和渐变性，以免因材料性能相差过大引起变形不一致导致的开裂风险。

图1 重力坝和胶结砂砾石坝的应力对比

2.2 材料配合比设计和性能研究

岷江犍为堤防胶结砂砾石的原材料为河床天然砂砾石，剔除超径骨料(粒径大于150mm)后，无须筛分和水洗。胶结砂砾石的胶材用量(水泥和粉煤灰等)与碾压混凝土相比显著降低。由于骨料处理简化、胶材用量少，胶结砂砾石存在明显的强度离析。胶结砂砾石配合比设计，应对可能选用的料场进行细致勘探和骨料级配测试，得到料场砂砾石的级配分布曲线，见图3。对最粗级配、最细级配和平均级配的砂砾石开展配合比试验，选取不同胶凝材料用量和用水量进行胶结砂砾石工作性和强度试验，得到满足工作性要求的适宜用水量范围和对应的适宜强度范围，即“配合比控制范围”。胶结砂砾石的配合比设计不同于传统混凝土固定的“点”控制，其由“范围”控制，即用水量与强度随着级配而变化。配合比设计要求平均级配的胶结砂砾石强度最小值应满足配制强度要求，同时最细级配的胶结砂砾石强度最小值不得低于设计强度，即满足“双级配双强度控制原则”。

图2 岷江犍为胶结砂砾石堤防典型断面 (尺寸单位：cm)

图3 岷江犍为堤防料源点砂砾石料累计过筛曲线(22组)

工程现场料源点测试了22组砂砾石料的颗粒级配，由试验结果可知，特大石(80～150mm)比例平均为22.3%；大石(40～80mm)比例平均为28.9%；中石(20～40mm)比例平均为18.9%；小石(5～20mm)比例平均为11.1%；砂(5mm以下)比例平均为18.8%。配合比试验表明(见表1)：

a.砂率为28.1%的最细级配砂砾石，适宜的用水量区间为105～125kg/m3，湿筛试件28天抗压强度2.6～4.0MPa，90天抗压强度4.9～8.0MPa，180天抗压强度5.8～10.2MPa，在适宜用水量范围内，其180天最低强度大于4.0MPa的要求。砂率为18.8%的平均级配砂砾石，适宜的用水量区间为74～92kg/m3，湿筛试件28天抗压强度4.4～8.5MPa，90天抗压强度8.4～15.8MPa，180天抗压强度10.2～17.6MPa，在适宜用水量范围内，180天最低强度大于配制强度5.3MPa的要求。为保障施工质量，建议施工初期以18%砂率为适宜的最低砂率，施工过程中视现场碾压情况，在能保证施工质量的前提下可适当降低至17%。当工程料源点的砂率小于最低砂率值时，需要额外加砂以补充细料的不足。

b.全级配胶结砂砾石振实容重在2492～2551kg/m3之内，VC值为3s左右时，平均级配的胶结砂砾石，180天龄期全级配抗压强度为10.1MPa，相应湿筛试件抗压强度为11.8MPa；最细级配的胶结砂砾石，180天龄期全级配抗压强度为6.0MPa，相应湿筛试件抗压强度为6.5MPa；全级配试件抗压强度低于湿筛试件，平均比值为0.88。平均级配胶结砂砾石，180天龄期全级配试件弹性模量为25.6GPa，相应湿筛试件弹性模量为22.8GPa；最细级配胶结砂砾石，180天龄期全级配试件弹性模量为18.1GPa，相应湿筛试件弹性模量为13.2GPa。比较而言，平均级配的胶结砂砾石轴压强度和弹性模量都高于最细级配的胶结砂砾石；全级配试件弹性模量高于湿筛试件，平均比值约为1.25。

胶结砂砾石的渗透溶蚀性能是各方关注的重要问题，因此开展了相关试验研究。测试结果表明：随着养护龄期的延长(1年龄期后)，胶结砂砾石中的水泥水化程度进一步加深，胶凝材料体系中的粉煤灰进一步消耗了产出的氢氧化钙，生成的水化硅酸钙凝胶提高了不同相界面过渡区的密实性，有效削弱了氢氧化钙产生较大的结晶形成择优取向的趋势，这种现象即是所谓的“自愈现象”或“自封闭现象”[8-9]。孔结构测试结果也表明：养护了1年龄期的胶结砂砾石内部的孔隙率越来越小，因此其抗渗能力增强，可溶出的Ca2+进一步降低，见图4。扫描电镜、差热分析等微观测结果证明：胶凝材料水化产物中很难发现Ca(OH)2晶体。水利水电工程从建设期到运行投入通常都在1年以上，已经过长达1年养护的胶结砂砾石，其内部可溶出的Ca2+已极少，因此已具备较高的抗渗透溶蚀能力。

表1 推荐胶结砂砾石全级配和湿筛试件抗压强度试验结果

图4 Ca2+日溶出浓度与渗透溶蚀历时曲线

2.3 专用拌和设备和质量控制系统研发

由于对砂砾石仅要求剔除150mm以上的骨料，不采用筛分和水洗等措施，因此砂砾石级配离散性大、含水率和含泥量相对较大，拌和设备方面与传统混凝土的要求不同。为了满足高产能拌和生产，同时能均匀拌和最大粒径150mm，甚至个别超过150mm以上骨料的胶结砂砾石，研制了胶结砂砾石专用滚筒式拌和设备和碾压施工质量控制系统。通过优化滚筒式搅拌机的叶片布置，极大提高了拌和能力和超径骨料拌和的适应性，达到能拌和粒径大于200mm的砂砾石，拌和能力最大达200m3/h，满足了岷江犍为堤防胶结砂砾石快速施工的要求。搅拌机内部结构和拌和设备在犍为堤防现场应用情况见图5。

图5 胶结砂砾石专用拌和设备滚筒构造和工程现场应用

基于胶结砂砾石的材料特点，砂砾石的级配、拌和物的工作性和碾压密实度是施工过程中的重点，如采用传统人工测试和监理旁站等方式，工作量极大且难以达到有效控制，需要采用现代化和信息化的手段监控。因此基于4G和5G物联网和超宽带信息技术，研发了用于碾压施工的胶结砂砾石质量控制系统，通过数据自动采集、动态分析，对堤防工程所用的胶结砂砾石配合比各参数、拌和物拌和时间、层面允许铺筑时间以及振动碾压施工等全过程进行有效监控和超值预警提醒等，工程实践表明其在胶结砂砾石坝建设中发挥了重要的质量控制作用。岷江犍为堤防胶结砂砾石质量控制系统功能框架见图6。

图6 胶结砂砾石坝智能化质量控制系统框架与应用

3 创新成果的总结

岷江航电工程胶凝砂砾石筑堤，是胶结砂砾石筑坝新型技术在非岩基堤防上的首次应用。取得如下成果：

a.提出了胶结砂砾石新坝型和“宜材适构、宜构适材”的新设计理念，利用少量水泥、粉煤灰和当地砂、砾、石料拌和筑坝，通过调整坝体结构以适应当地材料特性、采用不同筑坝材料构建功能梯度结构，形成了介于土石坝和混凝土坝之间的新型筑坝体系，实现了用当地材料在非岩基上筑坝的突破。

b.提出了广源材料筑坝的材料配制、数字拌和控制和结构设计方法。提出了双级配双强度控制的配合比设计方法和基于数字拌和的智能调控方法，解决了材料大粒径、宽级配、高离散复杂条件下保障工程安全的挑战性技术难题，成功建设了新型坝。提出了基于功能梯度结构的新坝型结构设计理论和方法，研发了用于防渗保护层的富浆、可振捣胶结砂砾石等功能梯度材料，构建了坝体结构设计和施工控制指标体系，成果纳入水利行业技术标准和国际大坝委员会技术导则。

c.发明并研制了数字化拌和专用设备、智能加浆振捣设备等专用设备，发明了加浆振捣胶结砂砾石制备方法、新型表层止水及施工方法，提出了层面质量控制、胶结砂砾石与常态混凝土及岸坡衔接部位施工等工法，形成了安全优质高效的新坝型施工成套技术，解决了最大粒径200mm、宽级配胶结砂砾石料和上下游防渗保护层高效、高质量施工的技术难题。

d.开发了基于超宽带定位技术的施工质量数字监控系统，实现了在无通信信号区新坝型建设全过程数字监控，建立了胶结砂砾石坝质量控制指标体系，实现了施工全过程优化、动态调控和实时预警。岷江航电胶结坝的有关成果，经科技评价为“国际领先水平”，国际大坝委员会评价认为“胶结坝是一项发明，既节省了投资又增强了安全性，意义重大，是大坝发展史上的重要新进展，具有里程碑意义”。岷江犍为2.7km胶结坝堤防于2019年11月建成，堤防航拍面貌见图7。该工程经受了2020年8月乐山地区百年未遇的大洪水考验，性态正常。

图7 岷江犍为2.7km胶结坝堤防建成后航拍面貌

4 结语与展望

目前已建、在建、待建胶结坝40余座，在未来中小型水利水电工程中有广阔的应用前景。四川顺江堰胶结坝(高11.6m)为建于砂卵石基础上的溢流坝，坝顶长270m，50天完成填筑，比原埋石混凝土坝方案节省投资27.6%，2016年4月蓄水以来长期处于自溢流工况运行，性态良好。贵州福泉两赶坝(高20.3m)、安顺花鱼井坝(高11.5m)采用胶结人工砂石修建。四川金鸡沟坝(高33m)建于泥质砂岩地基上，采用50%砂岩(饱和抗压强度：<30MPa，软化系数：0.71，压碎指标：20.2%)掺天然砂卵石修建。在建的贵州西江胶结坝(高49.5m)采用风化料与河床砂卵石混掺(掺50%)填筑。已建最高的胶结坝为山西守口堡(高61.6m，胶结砂砾石总方量46万m3)，设计中最高的为新疆TLTL胶结坝(高88m)；已建轴线最长的工程为四川岷江犍为胶结砂砾石防护堤(高14.1m、长2.755km，胶结砂砾石总方量42万m3)。胶结坝新型筑坝技术的最大特点是利用当地材料胶结筑坝实现漫顶不溃，具有安全、经济、环境友好等突出优势，可应用于中小型水库大坝、堤防、基础处理、围堰、除险加固工程等领域，在河床砂砾石料储量丰富地区尤其适用。由于可最大限度利用当地材料，采用胶结土、胶结砂砾石、胶结堆石等实现少弃料或无弃料，因此在开挖受限、生态环保要求高的地区具有突出优势。此外，放宽了骨料和基础的要求，在坝址地质条件不满足混凝土坝要求、中低强度料源(如30MPa以下)情况下均可应用。

岷江航电工程第四个梯级龙溪口航电枢纽工程已开始建设，待建的库区防护堤有23km，其地基为粉土和砂卵石共存的二元结构，部分坝段的粉土层厚近10m，相应地基承载力和地震液化等方面都需要重视，如何在粉土地基上建设胶结坝，并能够最大限度地应用粉土，拓展胶结土的利用空间，减少弃渣等是一个新的课题，课题组3年的试验研究结果表明在配套的地基处理措施下，龙溪口堤防具备采用胶结砂砾石建堤的条件，采用该技术将提高堤防的工程安全，并将节约资金近2亿元。随着岷江犍为堤防的成功应用以及当前在岷江龙溪口堤防中的应用，胶结砂砾石筑堤技术在岷江老木孔、东风岩堤防工程以及其他堤防工程中的实践优势将越来越显著。