胶凝砂砾石坝在福建街面水电站的应用

胶凝砂砾石坝在福建街面水电站的应用

1胶凝砂岩石坝坝坝设计该总理于20世纪70年代首次提出了该总理的新水库，并在预制混凝土和压裂混凝土的基础上发展。它的特点是用聚缩式砂砾石材料建造水库，并利用高效的土运输机械和压缩机械进行施工。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。1988年,Londe提出其上、下游坝坡均可设计为1∶0.7,上游面设防水面板防渗。1992年,Londe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1是希腊某胶凝砂砾石坝剖面图。最近,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1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126m,下游围堰最大高度16.4m,顶宽4m,最大堰顶长度50m。围堰在施工期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。2性能及试样结果2.1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24%～52%。现场剔除大于150mm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,FM=2.5,砾石为5～150mm连续分布,级配为(5～20)∶(20～40)∶(40～80)∶(80～150)≈2∶3∶3∶2。水泥采用龙岩三德水泥厂生产的42.5P.O.级普通硅酸盐水泥。水泥、Ⅱ级粉煤灰和外加剂的性能分别列于表2～表4。正交设计安排试验,选用L16(42)正交表。初定配合比为:水泥40kg/m3;粉煤灰40kg/m3;砂率21%;水70kg/m3;减水剂FDN-FZ掺量为水泥用量的0.8%。试验采用正方体试件,其中抗压试件尺寸为40cm×40cm×40cm,抗剪试件尺寸为20cm×20cm×20cm。胶凝砂砾石材料7、28、90及180d的抗压强度和抗剪强度结果分别见图2、表5。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40～60kg/m3,胶凝材料用量少于100kg/m3),掺合料(如粉煤灰)掺量较高,水化产物中Ca(OH)2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28d。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2MPa。渗透水采用去离子水。渗透溶出液中的Ca(OH)2的量采用化学滴定法测定。试验结果见图3。经渗透溶蚀后,胶凝砂砾石材料的抗压强度见表6。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。3坝体材料特性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4所示。在工况2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。设计最大堰底宽17m,堰顶宽4m,堰最大高度16.3m,堰顶长度49.5m,上、下游面坡比1∶0.4(施工实际坡比为1∶0.6),总方量约4500m3,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f=0.85,抗剪断凝聚力C=0.75MPa,堰体材料与岩体接触面的摩擦系数f=0.70。坝体胶凝砂砾石的取值见表7。可靠度计算中,拉、压强度的变异系数均取0.3,其它为定值。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(主应力最大值仅为0.42MPa),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。最终用于现场施工的参数如下:堆放后的砂砾石+水泥40kg/m3+粉煤灰40kg/m3,根据现场拌和情况加水。采用2台容量均为3m3的装载机进行拌和,每次铲8斗砂砾石,约20m3,人工将水泥和粉煤灰均匀的洒在砂砾石上,然后采用装载机拌和8次;每层摊铺厚度75cm,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26t的振动碾进行碾压,仓面共碾压6次,其中第1次和最后1次采用静碾,中间4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2004年11月21日开始施工,2004年12月3日建成并投入使用,工期仅13d,比原设计采用常态混凝土方案缩短17d,造价降低约25%。4胶凝砂石坝坝体设计胶凝砂砾石坝采用上、下游面等坡比(一般1∶0.5～1∶0.7),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