２０１６年第６期 ２０１６ Ｎｕｍｂｅｒ ６ 水电与新能源 总第１４４期 Ｔｂｔａｌ Ｎｏ．１４４ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ ＤＯＩ：１０．１３６２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２—１８００／ｔｖ．１６７１—３３５４．２０１６．０６．００２ 胶凝砂砾石坝的地质适应性试验研究 张（１．大同市水利规划设计研究院，山西大同华 ，王学武 ０３０００２） ０３７００８；２．山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西太原摘要：胶凝砂砾石坝是介于混凝土重力坝与堆石坝之间的新坝型。目前，胶凝砂砾石坝的建基面设计仍参照混凝土重 力坝的建基面设计要求。针对胶凝砂砾石坝与混凝土重力坝结构的差异性，提出了胶凝砂砾石坝坝基的地质适应性问 题。通过现场的弹性波试验与原位剪切试验，坝基的强度及抗滑稳定性可以满足设计要求，证明适当放宽胶凝砂砾石坝 建基面要求，不仅技术上是可行的，而且可以减少工程量，节约资金，降低工程投资。 关键词：胶凝砂砾石坝；建基面；弹性波试验；原位剪切试验 中图分类号：ＴＶ６４１：ＴＵ５２１．１：ＴＵ４７２．４文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—３３５４（２０１６）０６—０００７—０４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｃｅｍｅｎｔ－－ｓａｎｄ－－ｇｒａｖｅｌ Ｄａｍ ＺＨＡＮＧ Ｈｕａ ，ＷＡＮＧ Ｘｕｅｗｕ （１．Ｄａｔｏｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄａｔｏｎｇ ０３７００８，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｘｉ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ—ｓａｎｄ—ｇｒａｖｅｌ（ＣＳＧ）ｄａｍ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｄａｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｄａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｄｅｓｉｇｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＧ ｄａｍ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｄａｍ． Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ＣＳＧ ｄａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｄａｍ，ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＧ ｄａｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎ—ｓｉｔｕ ｅｌａｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｔｅｓｔｓ ａｎｄ ｓｈｅａＦ ｔｅｓｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ａｎｔｉ—ｓｌｉｄｉｎｇ ｓｔｂｉａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＧ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｕｓ，ｉｔ ｉｓ ｔｅｃｈｎｉｃａｌｌｙ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｔｏ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅ— ｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ＣＳＧ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ａｌｓｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔ—ｓａｎｄ－ｇｒａｖｅｌ ｄａｍ；ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ；ｅｌａｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｔｅｓｔ；ｉｎ—ｓｉｔｕ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔ 胶凝砂砾石坝是一种新型材料的挡水建筑物，它 利用坝基开挖的砂砾石作为粗细骨料，掺人少量的水 泥、粉煤灰以及外加剂，经过摊铺分层碾压填筑而成。 由于它利用了开挖的弃料，既减少了弃料堆放对环境 造成的污染及占地，也能减少砂石骨料开采加工对环 项目的只有山西省大同市守口堡水库大坝，但也处在 实施阶段。 依据混凝土重力坝设计规范坝基开挖的要求 ： 坝高超过１００ ｍ时，建基面置于新鲜、微风化或弱风化 下部的基岩上；坝高在５０～１００ ｍ时，建基面可置于微 风化至弱风化中部的基岩上；坝高小于５０ ｍ时，建基 面可置于弱风化中部一上部的基岩上。对于胶凝砂砾 石坝，设计横断面采用的是梯形断面，断面积比混凝土 境造成的破坏，具有广阔的应用前景；其次，掺人的水 泥用量很少，材料的温度升高幅度小，对抑止大坝裂缝 的产生极为有利；再次，由于掺入了胶凝材料，上下游 坝坡坡度比堆石坝的坡度陡，可以减小坝体的横断面 积 ｊ，减少工程量，降低工程造价。上世纪８０年代， 国外首先开始对此种坝型的研究工作 。我国于近 重力坝的直角三角形断面积要大许多。因此，建基面 的要求可否比混凝土重力坝适当降低呢 ？如果可 以，对于相同库容的大坝，不仅可以减少坝基石方开挖 工程量，也可以减少坝高增加的工程量，有利于降低工 年来也开始了此类坝型的研究 ｊ，但从目前情况来 看，绝大多数是应用于临时工程项目，应用于永久工程 程的造价，体现胶凝砂砾石坝的优越性。 收稿日期：２０１６—０５—２２ 作者简介：张华，男，高级工程师，从事水利工程设计与管理工作。 ７ 水电与新能源 ２０１６年第６期 １ 工程实例 守口堡胶凝砂砾石大坝位于山西省大同市阳高县 境内，坝顶长３４０ ｍ，在保持库容９８０万ｍ 不变的情 况下，建基面置于微风化基岩层顶部，坝高为６４ ｍ，基 坑最深部位须挖至１ １７９ ｍ高程；若建基面置于弱风 化基岩层顶部，坝高为６１ ｍ，基坑须挖至１ １８２ ｍ高 程。二者比较可以减少石方开挖深度３ ｍ，降低大坝 高度３ ｍ。 注：表中波速单位为ｒｎ／ｓ；斜线前为灌浆前数据，后为灌浆后 数据。 从表１分析可知：坝基经固结灌浆处理后，经单孔 声波测试，波速提高了９．５％～２９．５％，平均提高 １９．５％。 将上述平均波速值带入公式（１）： 。 ｜ ± ） ｜ 一 二 垡 Ｐ ‘ Ｐ １一 取泊松比０．２４，计算得灌浆后纵波ＶＰ波速范围 为了研究胶凝砂砾石坝建基面置于弱风化基岩顶 部的可行性，结合工程施工，展开了如下的试验研究。 ２试验结果及分析 ２．１弹性波试验 为了保证抬高建基面高程后坝基的强度，基坑开 挖完成后，对坝基建基面进行了固结灌浆，固结灌浆孔 数１ ０００个，灌浆孔的排距孔距均为３ ｍ，孔深６～ ８ ｍ，固结灌浆后的透水率均小于５ Ｌｕ。固结灌浆前 和完成后均进行了单孔声波测试，以便进行对比，分析 灌浆后建基面的承载能力。弹性波测试采用单孔声波 法和地震波法两种方法进行。 ２．１．１单孔声波法 采用地表激发孔中接收法，试验主要通过对灌浆 孔灌前、灌后波速的对比分析，评价建基面垂向的岩体 质量及固结灌浆的效果。布孔数量６０个，总进尺 ６００ ｍ，测点１ ２００个，试验结果见表１。 表１ 单孔声波法横波波速结果表 ８ 在３ ６３４～４ ７３７ ｍ／ｓ，平均值４ １８５ ｍ／ｓ。 ２．１．２地震波法 采用多道瞬态面波测试法，震源采用锤击，用于评 价建基面的岩体质量。 坝基全部开挖清理完成后，在坝基基础２００ ｍ× ６０ ｍ的范围内布设测线，面波测线１２条，按坝轴上下 游均匀布置，上下游各６条，测点数１６８个，试验结果 见表２。 表２灌浆后面波 测试结果表 注：表中波速单位为ｍ／ｓ；纵波 为推导值。 从表２可知，坝基固结灌浆处理，经地震波测试， 纵波波速提高值达到３ ６７２～５ １９３ ｒｎ／ｓ，平均值 ４ ３９６ ｍ／ｓ。 张华，等：胶凝砂砾石坝的地质适应性试验研究 ２．１．３结果分析 １）从波速值大小分析。纵波波速的最小值范围 偏小，参照资料 卜 Ｊ：纵波波速在３ ０００～４ ０００ ｍ／ｓ， 属Ⅲ类岩体；纵波波速在４ ０００～５ ０００ ｍ／ｓ，属Ⅱ类岩 体。从表１和表２可知：坝基表层４～８ ｍ深度范围内 波速值超过４ ０００ ｍ／ｓ，属Ⅱ类岩体，Ⅱ类岩体属层状 结构岩体，经过基础处理可以作为混凝土重力坝的坝 基；表层０～４ ｍ深度范围内岩体的波速也偏小，属Ⅲ 类岩体，Ⅲ类岩体属碎裂镶嵌结构岩体，完整性较差， 不均匀沉降明显，作为混凝土重力坝的坝基是不可以 的，尤其是中高坝型。 ２）从岩体的完整程度和风化程度分析¨引。灌浆 处理后的，表层４～８ ｍ深度范围内，岩体完整性指数 为０．６２，岩体完整程度等级为较完整；风化系数为≥ ０．７８，属弱风化与微风化的分界带，地基处理后可以建 造中高坝型的混凝土重力坝；表层０～４ ｍ深度范围 内，岩体完整性指数为０．５，岩体完整程度等级为较破 碎；风化系数为０．７，属弱风化带，建造中高坝型的混 凝土重力坝是不适宜的。 ３）上述两种弹性波试验法测试的结果表明：守口 堡胶凝砂砾石坝，适当抬高建基面至弱风化岩层顶部， 然后采用固结灌浆处理后，纵波的波速分别达到３ ６３４ ～４ ７３７ ｍ／ｓ（平均值４ １８５ ｍ／ｓ）、３ ６７２～５ １９３ ｍ／ｓ （平均值４ ３９６ ｒｎｆｓ）。从一般的工程经验判断：坝基 固结灌浆处理后，纵波波速超过３ ５００ ｍ／ｓ，即可认定 为合格¨ 。再者，胶凝砂砾石坝基底面积比混凝土重 力坝坝基底面积大，变形模量小，基地的应力最大值也 比混凝土重力坝要小，因此，胶凝砂砾石坝适当抬高建 基面至弱风化岩层顶部，坝基的强度能够满足筑坝的 技术要求。 ２．２原位剪切试验 ２．２．１场地布置 利用已完工的坝基１ ｍ厚度的富浆胶凝砂砾石垫 层作为现场试验场地，在桩号０＋０９７、０＋２８５处布置 三处试验区，试验区尺寸１０ ｍ×５ ｍ。将富浆胶凝砂 砾石垫层挖深至基岩面高程，试点制取采用切割机安 装锯片和磨片，对富浆胶凝砂砾石进行切取，然后人工 进一步加工至预留深度，并保证试点面的起伏差小于 ５ ｍｍ。 ２．２．２试件养护 试点浸水饱和１０ ｄ以上，切割好的试件养护２８ ｄ ２０１６年６月 以上，富浆胶凝砂砾石试块的平均抗压强度为 １４ ＭＰａ。 ２．２．３抗剪试验 按照《水利水电工程岩石试验规程》ＳＬ２６４—２００１ 的要求，试验最大垂直应力１ ２５０ ｋＰａ，剪切面积 ２ ５００ ｃｍ ，本次试验共进行３组，每组为５个试块，试 验垂直应力分为５级：２５０、５００、７５０、１ ０００、１ ２５０ ｋＰａ， 每个试块分别逐级施加。最大剪切荷载分１０级施加， 直至试件被剪断。同时还要在１Ｏ级最大剪切荷载下， 对试块进行多点摩擦试验，直至试验终止的破坏条件。 试验时必须保证剪力方向垂直于坝轴线，并从上游方 向下游方向水平施加剪力。 ２．２．４试验结果 抗剪试验结果见图１及表３。 １．４ ｌ ３ １．２ １．１ 皇１．ｏ ｏ．９ ｏ．ｓ ｏ．７ ０ ６ ０ ５ ｏ．４ 正应力／ＭＰａ 图１ 原位抗剪试验结果图 表３原位抗剪试验结果表 ２．２．５结果分析 １）总结三组原位抗剪试验的结果可知，建基面与 垫层之间的粘聚力在０．４８～０．５２ ＭＰａ，摩擦角在２８。 ～３０。。经验算，上述指标满足胶凝砂砾石坝基的抗滑 稳定要求。因此，胶凝砂砾石坝适当抬高建基面至弱 风化岩层顶部后，建基面的抗剪强度满足稳定性的 要求。 ２）参照资料 ＨＪ ，上述抗滑稳定性指标ｃ＝ ０．４８～０．５２ ＭＰａ、 ＝２８。～３０。，均比混凝土重力坝坝 基要求的ｃ、西值偏小，因此，不能满足混凝土重力坝坝 ９ 水电与新能源 ２０１６年第６期 基的抗滑稳定性要求。 ３）项目地勘试验结果，饱和变形模量值在５．４７～ ｌ３．１８ ＭＰａ，平均８．６５ ＭＰａ，不能满足混凝土重力坝基 ［２］王秀杰．ＣＳＧ坝静动力性能及最佳剖面研究［Ｄ］．武汉： 武汉大学，２００５ ［３］日本大坝工程中心．梯形胶凝砂砾石坝施工与质量控制工 程手册［Ｍ］．日本大坝工程中心，２００７ ［４］贾金生，马锋玲，李新宇，等．胶凝砂砾石坝材料特性研 岩体变形模量１０ ＭＰａ以上的要求¨ 。 ３ 结语 究及工程应用［Ｊ］．水利学报，２００６，３７（５）：５７８—５８２ ［５］王秀杰，何蕴龙．梯形断面ＣＳＧ坝初探［Ｊ］．中国农村水 １）胶凝砂砾石坝建基面固结灌浆处理后，经过弹 性波测试及原位剪切试验表明：坝基的强度及抗滑稳 定性均满足设计的要求，因此，胶凝砂砾石坝基的建基 面要求较混凝土重力坝的可以适当放宽，这在技术上 是可行的。 利水电，２００５（８）：１０５—１０７ ［６］刘建林，范林文．贫胶和富胶凝渣砾料筑坝技术的应用 ［Ｊ］．四川水力发电，２０１４，３３（Ａ０１）：１１５—１１９，１３１ ［７］杨会臣．胶凝砂砾石坝结构设计研究与工程应用［Ｄ］．北 京：中国水利水电科学研究院，２０１３ ［８］乐治济．不同地基条件下胶结砂石料坝工作特性研究 ［Ｄ］．武汉：武汉大学，２００５ ［９］ＤＬ５１０８—１９９９，混凝土重力坝设计规范［Ｓ］ ［１Ｏ］ＳＬ６７８—２０１４，胶结颗粒料筑坝技术导则［Ｓ］ ［１１］王世夏．水工设计的理论和方法［Ｍ］．北京：中国水利水 电出版社，２０００ ２）胶凝砂砾石坝建基面适当抬高后，可以节约石 方开挖１５０万元，节省混凝土１ ６００万元，扣除增加的 固结灌浆费用５０万元后，可节约资金１ ７００万元，在 经济上也是合理的。 ３）胶凝砂砾石坝是介于混凝土重力坝与堆石坝 之间的一种新坝型，还没有成熟的建基面开挖规范要 求，目前只是参考混凝土重力坝的建基面要求进行设 ［１２］水利电力部水利水电规划设计院．水利水电工程地质手 册［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，１９８５ ［１３］孙钊．大坝基岩灌浆［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社， ２００４ 计，而混凝土重力坝对建基面的要求是比较严格的，因 此，针对胶凝砂砾石坝的建基面展开研究是有现实意 义的。 ［１４］余波．水电水利工程地质参数取值问题的几点讨论［Ｊ］． 水利水电技术，２０１３（８）：４０—４６ ［１５］周建平，党林才．水工设计手册（第５卷）：混凝土坝 ［Ｍ］．２版．北京：中国水利水电出版社，１９８７ 参考文献： ［１］李晶．胶凝砂砾石坝与常规重力坝最优断面研究［Ｄ］．北 京：中国水利水电科学研究院，２０１３ （上接第６页） 报能够准确预报降雨时空分布的情况下，采用人工综 合耦合的方法可在一定程度上提高水文预报的预报精 度。但在实际应用中，不能简单采用修正系数的方法， ５结语 本文采用ＷＲＦ数值预报成果，对长江上游寸滩 由于人工综合预报仅预报某一天大尺度分区的定量降 雨数据，没有给出更精确的时空分布结果，忽略了时空 分布的差异，所以在采用修正系数修正时可能产生较 以上区域进行了水文气象耦合研究，研究发现采用数 值预报成果可以在一定程度上延长预见期，提高预报 精度。 大误差，还须研究更精细的方法进行综合耦合研究。 参考文献： ［１］杨文发，周新春，段红．三峡水库中期水文气象耦合预报 应用试验及探讨［Ｊ］．水文，２００７，２７（３）：３９—４２，６２ ［２］杨文发，史芳斌，葛松华．１９９８年宜昌水文站水文气象耦 合预报试验验结果［Ｊ］．湖北气象，１９９９（４）：ｌ３—１６ ［３］徐杨，徐涛，李长春．长江上游变化条件下的流域水文预 报模型系统研究［Ｊ］．水电与新能源，２０１４（８）：１１—１５ ［４］邱辉，訾丽．ＷＲＦ模型在山洪灾害预警预报中的试验应用 ［Ｊ］．人民长江，２０１３，４４（１３）：５—９ １）数值预报成果已经取得了长足发展，目前可以 对未来降雨的落区和量级进行预报，为水文气象模型 的耦合提供降雨输入，为进一步研究分布式水文模型 与降雨耦合应用提供了有力的技术支撑。 ２）采用大、中、小尺度分区分别计算耦合成果，各 种尺度耦合的误差相差不大，相对而言中尺度分区预 报成果稍高。对于寸滩站来说，耦合预报的洪量较洪 峰预报平均误差更小，预报精度更高。 ３）在人工综合预报能较好把握降雨量级，数值预 １０