膠凝砂礫石壩在福建街面水電站的應(yīng)用

膠凝砂礫石壩在福建街面水電站的應(yīng)用

1膠凝砂巖石壩壩壩設(shè)計該總理于20世紀(jì)70年代首次提出了該總理的新水庫，并在預(yù)制混凝土和壓裂混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展。它的特點是用聚縮式砂礫石材料建造水庫，并利用高效的土運輸機械和壓縮機械進行施工。由于水泥的膠凝作用增大了材料的抗剪強度,與面板壩比可以縮小壩體斷面;由于使用了土石壩的連續(xù)施工方法,與碾壓混凝土壩比可以簡化施工、縮短工期和減少費用。1988年,Londe提出其上、下游壩坡均可設(shè)計為1∶0.7,上游面設(shè)防水面板防滲。1992年,Londe再次對該壩型進行闡述,認(rèn)為放寬對碾壓混凝土性能和技術(shù)的要求,只求獲得一種“硬填方”而不是有較高強度的混凝土,總造價會降低且具有較高的安全度。膠凝砂礫石壩的設(shè)計原則與重力壩類似,壩體剖面依據(jù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定條件確定。圖1是希臘某膠凝砂礫石壩剖面圖。最近,日本發(fā)展了這一理念,將膠凝材料和水添加到河床砂礫石和開挖廢棄料等在壩址附近容易獲得的巖石基材中,然后用簡易的設(shè)備進行拌合。其不僅經(jīng)濟還可以充分利用施工過程中產(chǎn)生的棄料,減小對周圍環(huán)境的影響。由于膠凝砂礫石壩對筑壩材料、施工工藝以及壩基要求降低,大壩施工基本實現(xiàn)零棄料,凸顯了在適應(yīng)環(huán)境、減輕環(huán)境破壞方面所具有的優(yōu)勢,已開始得到國際壩工界的重視。表1列出了世界各國部分代表性的膠凝砂礫石壩。福建街面面板壩壩高126m,下游圍堰最大高度16.4m,頂寬4m,最大堰頂長度50m。圍堰在施工期要擋下游來水并有交通要求,運行期用作量水堰,因此,需要兩面擋水。原設(shè)計方案是常規(guī)重力壩,為加快施工進度、優(yōu)化設(shè)計,經(jīng)研究采用了膠凝砂礫石壩?？紤]工程的防滲要求不高,施工期未做防滲面板,如不能滿足防滲要求則可以后期灌漿加強。膠凝砂礫石筑壩國內(nèi)雖做過研究,但并未用于實際工程,且膠凝砂礫石材料的滲透溶蝕性能國內(nèi)外也未見相關(guān)的報道,因此,本文研究與工程應(yīng)用具有一定的意義。2性能及試樣結(jié)果2.1試驗材料采用正交試驗研究膠凝砂礫石的物理力學(xué)性能,包括抗壓強度、抗剪強度和滲透溶蝕性能。骨料選用河床天然砂礫混合料,砂率變化范圍為24%～52%?，F(xiàn)場剔除大于150mm礫石,將砂礫混合料篩分,優(yōu)選砂率進行配合比試驗?；旌狭虾Y分后,砂為中砂,FM=2.5,礫石為5～150mm連續(xù)分布,級配為(5～20)∶(20～40)∶(40～80)∶(80～150)≈2∶3∶3∶2。水泥采用龍巖三德水泥廠生產(chǎn)的42.5P.O.級普通硅酸鹽水泥。水泥、Ⅱ級粉煤灰和外加劑的性能分別列于表2～表4。正交設(shè)計安排試驗,選用L16(42)正交表。初定配合比為:水泥40kg/m3;粉煤灰40kg/m3;砂率21%;水70kg/m3;減水劑FDN-FZ摻量為水泥用量的0.8%。試驗采用正方體試件,其中抗壓試件尺寸為40cm×40cm×40cm,抗剪試件尺寸為20cm×20cm×20cm。膠凝砂礫石材料7、28、90及180d的抗壓強度和抗剪強度結(jié)果分別見圖2、表5。由于膠凝砂礫石材料骨料未經(jīng)沖洗篩分,抗?jié)B透性較差,且膠凝材料用量低(一般水泥40～60kg/m3,膠凝材料用量少于100kg/m3),摻合料(如粉煤灰)摻量較高,水化產(chǎn)物中Ca(OH)2含量較少,因此,在壓力水長期滲透作用下,膠凝砂礫石筑壩材料的溶蝕性能否趨于穩(wěn)定是值得深入研究的問題。滲透溶蝕試驗采用多功能壓力式混凝土溶蝕儀,試件試驗齡期28d。由于實際工程中膠凝砂礫石材料所承受的水力梯度很小,為加速試驗進程,試驗采用的水壓力為2MPa。滲透水采用去離子水。滲透溶出液中的Ca(OH)2的量采用化學(xué)滴定法測定。試驗結(jié)果見圖3。經(jīng)滲透溶蝕后,膠凝砂礫石材料的抗壓強度見表6。除對膠凝砂礫石材料的抗壓強度、抗剪強度及滲透溶蝕性能進行研究外,還對指定配合比的膠凝砂礫石材料的劈裂抗拉強度、抗彎強度、抗壓彈性模量、極限拉伸強度、干縮性能和抗凍性能進行了試驗研究,結(jié)果參見文獻。3壩體材料特性福建省街面水電站位于福建省尤溪江上,壩址附近砂礫石料源豐富,級配良好。下游圍堰建設(shè)采用膠凝砂礫石壩,由福建省水利水電勘測設(shè)計研究院設(shè)計,福建街面水電站浙閩聯(lián)合體施工,中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所承擔(dān)前期研究并提供技術(shù)咨詢。街面水電站下游膠凝砂礫石圍堰有兩種工作狀態(tài),其一是作為下游圍堰,在施工期擋下游水;其二是作為壩體的下游坡腳和量水堰,在大壩運行期擋上游水和堆石。兩種工況下的計算簡圖及荷載如圖4所示。在工況2中,由于下游圍堰是壩體的下游坡腳,壩體堆石對下游圍堰有推力,這個推力按靜止土壓力計算。設(shè)計最大堰底寬17m,堰頂寬4m,堰最大高度16.3m,堰頂長度49.5m,上、下游面坡比1∶0.4(施工實際坡比為1∶0.6),總方量約4500m3,中部采用富漿變態(tài)混凝土作防滲體。分別采用材料力學(xué)方法和隨機有限元方法進行抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力計算。根據(jù)前述對膠凝砂礫石筑壩材料性能的研究成果,抗滑穩(wěn)定計算中,取堰體材料與巖體接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)f=0.85,抗剪斷凝聚力C=0.75MPa,堰體材料與巖體接觸面的摩擦系數(shù)f=0.70。壩體膠凝砂礫石的取值見表7。可靠度計算中,拉、壓強度的變異系數(shù)均取0.3,其它為定值。材料力學(xué)方法和隨機有限元方法計算結(jié)果均表明,壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較高,任何工況、任何位置都沒有拉應(yīng)力,且壓應(yīng)力很小(主應(yīng)力最大值僅為0.42MPa),完全滿足相關(guān)規(guī)范的要求。根據(jù)工地現(xiàn)場條件及前述試驗成果,膠凝砂礫石母材直接采用壩址附近河床的砂礫石,砂礫石在拌和之前需堆放一段時間,以免含水量過大。采用裝載機拌和,自卸汽車上壩,反鏟式挖掘機攤鋪,振動碾碾壓的施工工藝。正式施工前還進行了現(xiàn)場工藝試驗,以確定膠凝砂礫石材料的具體配合比(即水泥用量和粉煤灰用量)以及裝載機拌和遍數(shù)和振動碾碾壓遍數(shù)。最終用于現(xiàn)場施工的參數(shù)如下:堆放后的砂礫石+水泥40kg/m3+粉煤灰40kg/m3,根據(jù)現(xiàn)場拌和情況加水。采用2臺容量均為3m3的裝載機進行拌和,每次鏟8斗砂礫石,約20m3,人工將水泥和粉煤灰均勻的灑在砂礫石上,然后采用裝載機拌和8次;每層攤鋪厚度75cm,下一層膠凝砂礫石攤鋪前層面中間鋪設(shè)一層水泥砂漿;采用26t的振動碾進行碾壓,倉面共碾壓6次,其中第1次和最后1次采用靜碾,中間4次采用振動碾壓;岸坡部位澆筑常態(tài)混凝土。街面水電站下游膠凝砂礫石圍堰從2004年11月21日開始施工,2004年12月3日建成并投入使用,工期僅13d,比原設(shè)計采用常態(tài)混凝土方案縮短17d,造價降低約25%。4膠凝砂石壩壩體設(shè)計膠凝砂礫石壩采用上、下游面等坡比(一般1∶0.5～1∶0.7),可充分利用上游水重,增加了壩體穩(wěn)定,改善了壩體應(yīng)力分布,因此可以相應(yīng)簡化防滲帷幕的布設(shè)。由于膠凝砂礫石壩中水泥用量較少,預(yù)期絕熱溫升約為常規(guī)碾壓混凝土的一半,因此可以加大伸縮縫的設(shè)置間距。膠凝砂礫石材料有一定的強度和抗沖刷能力,克服了土石壩壩頂不能過水的