(四川省都江堰勘測設(shè)計院，四川 都江堰，611830)

1 工程概況

順江堰引水樞紐位于都江堰外江灌區(qū)西河38+450樁號，該樞紐除向順江堰支渠直灌213.33hm2農(nóng)田輸水外，還向通濟(jì)堰3.47萬hm2農(nóng)田補(bǔ)水，同時承擔(dān)下游電站、灌區(qū)的人畜飲水及環(huán)境用水任務(wù)。設(shè)計引水流量為35.0m3/s，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物工程級別為3級，次要建筑物工程級別為4級，臨時工程建筑物為5級。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年(P=3.33%)一遇3960m3/s;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年(P=2%)一遇4450m3/s；消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年(P=3.33%)一遇。原工程為閘壩結(jié)合，泄洪沖沙閘、進(jìn)水閘采用條石和混凝土預(yù)制塊砌筑，條石嚴(yán)重風(fēng)化，閘門銹蝕、啟閉設(shè)備老化，閘房破舊；擋水溢流壩采用壩心砂夾石填心，壩殼為漿砌大卵石結(jié)構(gòu)。由于工程建設(shè)年代久，標(biāo)準(zhǔn)低，受水毀影響嚴(yán)重，壩體裂縫，存在嚴(yán)重安全隱患，必須進(jìn)行拆除重建。該項目納入都江堰灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目。

重建的引水樞紐中，泄洪沖沙閘、進(jìn)水閘采用鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，擋水溢流壩采用混凝土重力式結(jié)構(gòu)，樞紐布置及壩體剖面分別見圖1及圖2。

圖1 順江堰引水樞紐平面布置

圖2 順江堰溢流重力埋石壩典型剖面

2 順江堰樞紐溢流堰采用膠凝砂礫石壩的可行性分析

膠凝砂礫石壩(CSGR)是由中國水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的新型材料壩，介于混凝土壩(含碾壓混凝土壩)和土石壩之間，其筑壩材料是使用少量的膠凝材料和工程現(xiàn)場不篩分不水洗的砂、礫、石料，通過拌合、攤鋪、振動碾壓后形成的具備一定強(qiáng)度和抗剪性能的材料，最大粒徑可達(dá)150mm。

順江堰引水樞紐溢流壩的設(shè)計中，可研階段原壩體采用C20埋石混凝土，初設(shè)階段為積極推行新材料、新技術(shù)、新工藝的運(yùn)用，經(jīng)分析該壩具備選擇膠凝砂礫石壩(CSGR)壩型的條件。

2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場地勘資料，順江堰壩基主要為砂礫卵石，礫卵石成分主要為花崗巖、石英砂巖、灰?guī)r、白云巖等，呈圓狀至亞圓狀，質(zhì)地堅硬，粒徑一般10mm～100mm。骨架孔隙間充填中細(xì)砂，成分以石英、長石和巖屑為主，含少量的云母。其滲透系數(shù)K=3.5×10-2cm/s～5.3×10-3cm/s，屬強(qiáng)～中等透水層。

對工程現(xiàn)場20組砂礫石骨料顆粒級配進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明：5mm～150mm砂礫石中，40mm～80mm顆粒含量為45.3%，含量偏高；5mm～20mm顆粒含量為11.5%，含量偏低；砂率為13.0%～27.3%，平均17.7%，平均砂率基本在文獻(xiàn)[1]推薦的18%～35%范圍內(nèi)的下限左右，施工中需要外摻一定比例的砂；砂細(xì)度模數(shù)為1.39～1.93，平均1.54，為細(xì)砂；砂中含泥量為9.7%～20.9%，平均13.4%(砂礫石中平均含泥量約為2.37%)，滿足文獻(xiàn)[1]要求的砂礫石料中含泥量不大于5%的要求。

由此可見，該工程處地基的砂礫石可做為膠凝砂礫石材料的料源。

2.2 地形條件

水工建筑物布置中溢流壩段長270m，采用分期施工，每期壩段范圍寬敞，具備膠凝砂礫石壩機(jī)械碾壓施工布置條件，施工進(jìn)度快，可縮短工期。

2.3 占地環(huán)保

順江堰引水樞紐開挖砂礫石31.5萬m3，工程回填所需砂礫石12.6萬m3，有大量的棄渣需處置，采用膠凝砂礫石壩后可充分利用順江堰引水樞紐中的開挖料，減少棄渣，也減少了占地，有利于環(huán)境保護(hù)。

2.4 技術(shù)條件

目前，國內(nèi)采用膠凝砂礫石材料主要用于圍堰臨時工程，在永久工程建設(shè)和設(shè)計中有山西守口堡水庫大壩及岷江航電防護(hù)堤工程，已建或在建工程積累了一定的經(jīng)驗，但這些工程都屬于擋水建筑物，順江堰溢流壩采用膠凝砂礫石除擋水外還兼顧泄洪。

2.5 其它

該溢流壩體應(yīng)力低，對材料強(qiáng)度要求低，且具有良好的抗震性能，水泥用量少，絕熱溫升低，壩體可不設(shè)縱縫或少設(shè)橫縫。經(jīng)比較原設(shè)計，將三級配C20埋石混凝土方案調(diào)整為C10膠凝砂礫石方案后，可節(jié)省工程投資104.14萬元，投資下降幅度較明顯。

3 順江堰樞紐溢流堰壩體斷面設(shè)計

已建工程及文獻(xiàn)[2]推薦的膠凝砂礫石壩體斷面一般為對稱梯形，順江堰引水樞紐中的溢流壩，泄流量量級大，設(shè)計洪水3960m3/s，校核洪水4450m3/s。為減少上游淹沒，增加泄流量，堰體采用流量系數(shù)較大的曲線型實用堰，上游面垂直，堰頂上游堰頭采用三圓弧曲線；下游為WES冪曲線，冪曲線后采用1∶1的斜坡與壩腳反弧段相接，反弧段與消力池底板相接。材料分區(qū)溢流壩面為滿足抗沖和防滲要求，采用厚0.4mC40AFW6抗耐磨鋼筋混凝土；壩體上游及底部根據(jù)應(yīng)力、抗?jié)B及水工建筑物耐久性使用年限要求采用常態(tài)混凝土，上游面為1.0m厚C20(W6)混凝土，底部為0.8m厚C20(W6)混凝土；其余中部為C10膠凝砂礫石。壩體分縫只對常態(tài)混凝土進(jìn)行分縫，間距15m，與上游鋪蓋、岸邊邊墻及閘墩形成封閉圈，止水采用橡膠止水。上游鋪蓋及下游消能防沖設(shè)施都采用常態(tài)混凝土。斷面見圖3。

圖3 順江堰溢流重力壩調(diào)整后的剖面

對順江堰膠凝砂礫石壩分別采用材料力學(xué)法和有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計算復(fù)核壩體不同工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和應(yīng)力情況，以論證結(jié)構(gòu)安全性。

荷載及組合采用文獻(xiàn)[3]中6.1規(guī)定。

(1)荷載取值：自重?fù)?jù)現(xiàn)場施工試驗，設(shè)計強(qiáng)度高于6MPa時，膠凝砂礫石容重均大于24kN/m3，參照已建工程膠凝砂礫石設(shè)計容重取值為23.6kN/m3；

(2)揚(yáng)壓力：壩基無灌漿帷幕不折減；

(3)土壓力采用主動土壓力；

(4)地震荷載：按7度地震考慮；

(5)水壓力：按正常、設(shè)計及校核水位相應(yīng)確定。

經(jīng)計算，溢流壩各種工況下各層的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在壩基面特殊組合：正常水位`+地震情況，安全系數(shù)為1.13大于規(guī)范值1.05。

材料力學(xué)法計算出基底應(yīng)力0.09MPa～0.27MPa，均小于地基允許承載力0.4MPa～0.5MPa，同時應(yīng)力最大值與最小值之比的最大值出現(xiàn)在完建期，為2.28，小于規(guī)范規(guī)定的堅實地基的允許值2.5。

同時，運(yùn)用有限元法對溢流壩進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析。建立了有限元計算模型如圖4所示。有限元模型采用四結(jié)點平面應(yīng)變等參單元，其中壩體單元562個，地基單元1175個。

圖4 溢流堰有限元計算模型

膠凝砂礫石彈性模量參考已建工程膠凝砂礫石設(shè)計參數(shù)及類似砂礫石材料的室內(nèi)試驗取值，取15GPa，泊松比為0.2。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，在各種工況下，壩體的應(yīng)力均較低，應(yīng)力和變形較均勻。在上游齒墻折坡處，因應(yīng)力集中，存在小范圍的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在正常蓄水位工況，為0.27MPa，設(shè)計洪水位和校核洪水位工況下，主拉應(yīng)力值均為0.1MPa左右，因該區(qū)域采用強(qiáng)度較高的C20常態(tài)混凝土，拉應(yīng)力均小于混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范規(guī)定值0.325MPa。計算結(jié)果顯示，壩體內(nèi)部膠凝砂礫石一直處于受壓狀態(tài)工作。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，材料抗壓安全系數(shù)在基本組合不小于4.0，特殊組合(不含地震情況)不小于3.5。根據(jù)材料力學(xué)和有限元法計算結(jié)果，最大主壓應(yīng)力發(fā)生在上游壩踵部位。最大主壓應(yīng)力為0.63MPa～0.64MPa小于膠凝砂礫石材料強(qiáng)度設(shè)計要求2.19MPa～2.54MPa。

4 膠凝砂礫石壩施工

4.1 施工程序

由于膠凝砂礫石壩水化熱低，為減少倉面準(zhǔn)備工作時間，采用通倉澆筑方式施工。

4.2 砂礫石開挖及運(yùn)輸

砂礫石開挖采用液壓反鏟開挖，配推土機(jī)集料，裝載機(jī)裝車，自卸汽車運(yùn)輸。

4.3 膠凝砂礫石拌制

采用具有拌合最大粒徑150mm能力的連續(xù)滾筒式膠凝砂礫石專用攪拌機(jī)拌制，骨料從料堆經(jīng)料倉采用皮帶機(jī)運(yùn)送至拌合機(jī)口，水泥、水、外加劑等其它材料均由該設(shè)備系統(tǒng)相應(yīng)功能區(qū)進(jìn)行稱量加入拌合機(jī)內(nèi)。因骨料是未經(jīng)篩分的天然砂礫石開挖料，它的級配是不同的，需要隨時根據(jù)開挖料的變化，通過現(xiàn)場試驗調(diào)整配合比。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中大量實驗數(shù)據(jù)得出，順江堰溢流壩工程可采用膠凝材料90kg/m3，其中水泥用量為60kg/m3，粉煤灰用量為30kg/m3的膠材方案，參考配合比用水量80kg/m3～110kg/m3，砂礫石料2250kg/m3～2300kg/m3，VC值2s～5s，預(yù)期強(qiáng)度能夠滿足C10的設(shè)計要求。

4.4 壩面作業(yè)

大壩大體積部分的膠凝石采用碾壓施工。倉面大的采用自卸汽車直接入倉，推土機(jī)平倉，倉面小的采用長臂反鏟挖裝入倉，小型推土機(jī)或人工平倉，入倉前需將車輪污垢清理干凈，平倉時大塊石不能集中到邊緣或個別位置，分散堆置；碾壓時倉面大的部分采用大的振動碾碾壓，先靜碾2遍后再振動碾壓6遍，邊角及小倉面處采用小型振動碾，碾壓時重疊15cm，面層初凝前進(jìn)行覆蓋，若形成施工縫時，層面鋪設(shè)15mm厚1∶3水泥凈漿。

4.5 模板

模板采用鋼木組合模板，模板施工工序：模板表面清理→涂刷脫模劑→模板安裝→模板支撐加固→驗收技術(shù)要求。

圖5 建設(shè)前后的順江堰引水樞紐溢流壩

5 結(jié)論

膠凝砂礫石壩直接利用壩基開挖砂礫石料拌合，無需要篩洗加工生產(chǎn)骨料，采用常規(guī)運(yùn)輸、入倉、澆筑方式，易于實現(xiàn)機(jī)械化施工，節(jié)省了投資；減少了棄渣處理，節(jié)省了占地。順江堰壩型采用非對稱WES實用堰型斷面，增加了泄流量，采用常規(guī)材料和膠凝砂礫石新型材料相接合，進(jìn)行合理的分區(qū)，使壩體滿足現(xiàn)行規(guī)范對該建筑物的不同要求。該工程已建成，運(yùn)行良好。