胶结洞挖石渣在东庄围堰工程中的适用性研究

王民侠，王 健，王云涛，付登辉

（陕西省水利电力勘测设计研究院，西安710001）

1 研究背景

东庄水利枢纽位于陕西省咸阳市礼泉县叱干镇相家村，是目前陕西省库容最大、坝高最高的水库。东庄水库坝址距泾河入渭口约87 km［1］，距西安市约90 km。坝址处于高山峡谷区，河床深切，边坡最高达400 m。东庄水利枢纽为Ⅰ等大（1）型工程，水库总库容32.76 亿m³，坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高230 m，电站装机11 万kW。工程已于2018年7月开工，施工总工期95 个月，预计2025年建成投运。工程估算总投资163.61亿元。

东庄水利工程上游围堰担负着保障大坝主体按期施工的截流和防护作用，围堰只挡水不泄洪，堰前水位637.85 m，堰顶高程639.20 m，最大堰高55.2 m，堰顶宽7 m，堰顶长70 m。围堰轴线距拱坝轴线110 m。围堰保护对象为1 级建筑物混凝土双曲拱坝［2］，围堰使用年限2年6 个月，堰前库容2 582 万m3，为4 级建筑物，挡水标准为全年10年一遇洪水［3］，相应洪峰流量5 300 m3/s，施工工期为8 个月（11月-次年6月），考虑岸坡开挖和基础处理后，围堰有效填筑时间为3个月，按期完成围堰填筑成为围堰选型的主要制约因素。

东庄水库坝前分布有1 号破碎体，需处理70 万m3渣体，处理高度120 m左右，施工困难且危险性较大，因此上游围堰须避开1号破碎体布置。受限于场地条件，当地材料围堰布置困难，围堰型式可采用碾压混凝土围堰和胶结砂砾料围堰。经综合比较，胶结砂砾料围堰优于碾压混凝土围堰，但工程区因近些年生态保护效果明显，河道天然砂砾料缺乏，能否解决骨料问题成为是否选用胶结砂砾料围堰方案的关键。本文结合洞挖石渣料级配试验及配合比试验研究，分析采用工程洞挖石渣料替代天然砂砾料作为胶结骨料的适用性，既可减少弃渣同时也用较低造价解决了工程区天然砂砾料缺乏的难题，可使项目投资降低40%左右，为类似工程区利用开挖石渣料作为骨料建造胶结颗粒料坝提供有力支撑。

2 基本资料

2.1 气象资料

泾河流域属大陆性季风气候，降雨较少。坝址右岸礼泉县多年平均降水量527.7 mm，多年平均蒸发量1 412 mm，多年平均气温12.7 ℃，极端最高气温40.4 ℃，极端最低气温-20.0 ℃，最大冻土深度35 cm，最大风速21.3 m/s，风向为NNW。坝址左岸淳化县多年平均降水量585.8 mm，多年平均蒸发量1 536.2 mm，多年平均气温10.4 ℃，极端最高气温39.4 ℃，极端最低气温-21.0 ℃，最大冻土深度61 cm，最大风速25.3 m/s，最冷月（1月）平均气温-3.3 ℃，属寒冷地区。

2.2 地质资料

上游围堰部位河谷为“V”型谷，两岸地形陡峻，基岩裸露，左岸自然坡度近90°，右岸地形略缓。上游围堰基础部位基岩为厚层、巨厚层灰岩，岩石致密坚硬，抗风化能力强，岸坡表层强溶蚀风化带厚度一般不大于2 m。强卸荷带厚度2～5 m，弱卸荷带厚度5～10 m。

东庄坝前分布有1号破碎体和2号堆积体，1号破碎位于坝址上游左岸，顺河向长160 m，最近点距坝轴线约125 m，分布高程592～710 m，破碎体方量约70 万m3，1 号破碎体整体较稳定。2号堆积体位于左坝肩上游，距拱坝轴线最近距离60 m，分布高程695～775 m，一厚般厚10～60 m，初估方量10 万m3。

混凝土料场位于坝址右岸庙上灰岩料场，距坝址直线距离约1 km，边坡和洞室开挖料岩性为灰岩，破碎后可作为人工骨料使用。土料场位于东庄坝址上游右岸的菜家坡，距离东庄坝址约4.5 km。

上游胶凝砂石围堰方量约7 万m3，根据参考配合比计算需要洞挖石渣料16.45 万t。依据《水利水电工程施工组织设计规范》［2］SL303-2017 规定，考虑开采和运输过程中的损耗设计需要洞渣料为9.2 万m3（自然方），规划需要洞挖料为11.5 万m3。上游可利用的6 号-1、6 号-2、6 号-3 前期交通洞总开挖洞挖料6.96 万m3，可全部利用于上游围堰。根据以上分析上游围堰还需4.5 万m3洞挖石渣料，本阶段考虑利用导流洞的洞挖石渣料。棉花梁隧道洞挖石渣料5.3 万m3可作为上游胶结砂石围堰备用料源。

为了节省工期，保证施工安全，上游围堰尽量避开1号破碎体布置，在施工安排上将2号堆积体处理时间前置，在围堰填筑前完成。

3 围堰型式研究

考虑避开1号破碎体后，围堰轴线距坝轴线位置较近，均质黏土围堰布置困难，加之本工程围堰施工期为枯水季节，历经寒冷地区冬季，由于冻土原因，土料碾压时间受到限制，按期完工较为困难。面板堆石围堰和混凝土拱围堰由于施工工序复杂等原因，工期无法保障，均不列入围堰型式比选。

因此，综合考虑本工程地形、地质、建筑材料等因素，上游围堰具备选用碾压混凝土重力围堰、胶结洞挖石渣料围堰的条件。

3.1 碾压混凝土重力围堰

碾压混凝土重力围堰是一种技术成熟的围堰结构形式，单位用水量和水泥用量较小，混凝土运输、平仓、振实、切缝等均可采用通用机械施工，能连续作业，实现施工机械化；施工时结合大仓面薄层浇筑，可简化人工冷却措施；施工速度快，工期保证率高。施工技术成熟，国内应用案例较多，最高碾压混凝土围堰为龙滩水电站围堰，最大堰高82.7 m。碾压混凝土围堰施工速度快，最大月上升高度20.7～27.9 m，月高峰浇筑强度12.3～48 万m3/月。东庄水库上游碾压混凝土围堰高56.2 m，混凝土总量5.2 万m3，3个月浇筑完成的风险较小。

混凝土重力围堰堰顶高程639.20 m，堰顶宽7 m，最大堰高56.2 m，最大断面底宽44.96 m，堰顶长82.72 m。围堰建基面坐落于坝基弱风化岩石中部～下部，建基面高程583.00 m，堰体断面基本三角形顶点同设计水位637.85 m，上游面垂直，下游面在高程630.45 以上垂直，以下坡比1∶0.8。碾压混凝土总方量约6.65 万m3。碾压混凝土重力围堰平面布置见图1，碾压混凝土围堰标准横剖面见图2。

图2 碾压混凝土围堰标准横剖面Fig.2 Standard cross section of RCC cofferdam

3.2 胶结洞挖石渣料围堰

胶凝砂砾石简称CSG［4］，与碾压混凝土同源，也称贫胶渣砾料碾压混凝土、贫胶粗粒料、超贫胶结材料、硬填料等。是J M拉斐尔于1970年在“混凝土快速施工会议”上首先提出的，使用胶凝砂砾材料筑坝，用高效率运输机械和压实机械施工，近10多年来，胶凝砂砾石筑坝技术在国内外有了较大发展。2014年6月28日《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL678-2014）的实施，有力推动了该筑坝新技术的广泛应用和快速发展。

胶凝砂砾石筑坝技术是在面板堆石筑坝技术和碾压混凝土筑坝技术基础上发展起来的一种新型筑坝技术，介于土石料筑坝和混凝土坝之间的一种新型式，采用添加少量胶凝材料的砂砾石料（包括砂、石碴、砾石等）筑坝，使用高效率机械施工，使砂砾石料从散粒体变成连续刚性体，“宜材适构”地按照结构设计适应当地材料［5］、材料能充分发挥自身特性，从而达到安全、经济和环保的目的。胶结料围堰以自重维持稳定，将防渗、防冻和保护等部分与主体分开，主体承压为主，避免受拉，充分发挥材料的抗压能力，同时可避免材料超强过多造成浪费。对于围堰工程，最大粒径可按小于300 mm控制。

胶凝砂砾石是适合于天然砂砾料丰富地区的一种较好型式，在街面水电站下游围堰、福建洪口水电站上游过水围堰、云南功果桥水电站上游过水围堰、贵州沙沱水电站二期下游围堰、四川飞仙关水电站一期纵向围堰、山西守口堡是等工程中得到较好应用。天然砂砾料的优势在于无需筛分，但是随着环境保护要求的日益加强，河道管理制度的日趋严格，天然砂砾料的开采应用受到限制，破碎处理后的人工砂石料将是胶结骨料的主要材料。东庄上游围堰附近洞挖石渣料大于300 mm 粒径含量在1.9%～15.3%，通过进一步改进爆破参数等可使开挖石渣料利用率进一步提高，利用就近洞挖石渣作为骨料比人工砂石料处理进一步简化，筛除300 mm 以上料后可直接拌和，胶凝材料用量少、运距短、含泥量小且减少弃渣，可使工程费用大大降低。

胶凝洞挖石渣采用专用拌和设备进行拌和，自卸汽车运输，618 m高程以下直接入仓，618 m高程以上采用溜槽入仓，铺料厚度60 cm，26 t振动碾碾压。施工方案与碾压混凝土施工基本相同。浇筑强度为2.5 万m3/月，月平均上升高度为14 m/月。已建大华侨水电站胶结人工砂石混凝土围堰月上升高度为28 m/月，月浇筑强度5 万m3/月，3 个月完成围堰填筑是有工期保障的。

胶结洞挖石渣围堰基础处理要求低于重力围堰，清除基岩表层松动体后可直接进行围堰填筑，犍为防洪堤在砂砾石基础上也可直接进行填筑，胶结骨料围堰对地质条件的适应范围大于重力围堰。东庄围堰处地质条件较好，强风化层厚度2～5 m，堰高比重力围堰低1 m，胶结材料对基础适用范围广的优势尚未得到充分发挥。围堰堰顶宽7 m，堰顶长66.8 m，最大堰高55.2 m，最大断面底宽62.22 m，上游面边坡634.2 m 以上垂直，以下1∶0.5，下游坡坡比634.20 以上垂直，以下1∶0.6，堰顶采用1 m 厚C9015 富浆胶结料。上游防渗层采用C9015W6 富浆胶结料，外侧坡比1∶0.5，内侧坡比1∶0.48，顶部宽度1 m；在高程597.00 m处设宽6.5m灌浆平台，堰体内部采用C4W2胶结料；下游保护层采用C9015W2 富浆胶结人工砂石料，厚度1 m，坡比1∶0.5；基础垫层采用1 m 厚C9015W6 富浆胶结料。上游防渗层及下游保护层每15～20 m设一道伸缩缝，缝内设一道铜止水和一道橡胶止水。胶结料总方量约7 万m3。胶结洞挖石渣围堰平面布置见图3，胶结洞挖石渣围堰标准横剖面见图4。

图3 胶结石渣料围堰平面布置图Fig.3 Layout plan of cemented excavated gravel cofferdam

图4 胶结石渣料围堰标准横剖面Fig.4 Standard cross section of cemented excavated gravel cofferdam

3.3 围堰型式选择

从建筑材料，施工工期、施工临建布置、施工方法、温控及节能环保方面对胶结洞挖石料料围堰和碾压混凝土围堰进行对比分析见表1。

从表1可知：从建筑材料对比，两方案均采用开挖石渣作为骨料，胶结石渣料骨料无需破碎加工，仅筛除超径料后即可直接拌和，而碾压混凝土骨料需破碎筛分为人工骨料方可应用；从施工辅助企业看，胶结石渣料由于粒径较大，需专用拌和设备，拌和系统规模较大；从碾压上料施工方法来看，两者一致；从温控措施上看，胶结石渣料无温控要求，比碾压混凝土优；从工期对比来看，胶结石渣料围堰施工期2.5 个月，碾压混凝土围堰施工期3个月，围堰施工期满足工程要求，胶结料围堰施工期较短；从节能角度讲，胶结石渣料能耗更低；从投资来看，胶结料围堰由于基础处理工程量较少，骨料生产成本低，虽填筑方量大，但投资约为碾压混凝土围堰60%；通过两种堰型地形地质条件、平面布置、施工组织设计、工程量及投资等方面比较，胶结洞挖石渣料围堰具有安全可靠、施工较快、工期较短、工艺简单、经济性好、减少环境破坏等优点，故东庄上游围堰选定胶结洞挖石渣料型式进行填筑。

4 洞渣料性能验证

东庄水库导流洞及6 号交通洞距离上游围堰较近，胶结骨料主要选用6 号交通洞开挖石渣，洞挖石渣料与边坡开挖料相比具有颗粒较细、利用率较高的优点，为研究洞挖石渣料的特性，现场取样七组进行颗分试验，级配曲线见图5。

从图5 可以看出，七组洞挖石渣料最大粒径500 mm，大于300 mm 粒径含量在1.9%～15.3%，大于200 mm 粒径含量在5.2%～28.3%，大于150 mm 粒径含量11.4%～41.5%，5 mm 以下粒径含量1.7%～2.8%。由于洞渣料大于150 mm 粒径含量较多，后期可结合配合比试验成果研究将围堰最大骨料粒径放宽至300 mm 的可行性，也可将超径渣料初碎加工后作为胶结骨料或制备人工砂原料。在工程实施中也可通过调整洞室爆破参数减小超径粒含量。

洞渣料堆积密度为1.4～1.53 g/cm3；表观密度2.7～2.82 g/cm3，大于2 450 kg/m3；含泥量0.2%～0.6%，小于5%；粒度模数为7.54～8.69。洞挖料泥块含量小于0.5%。洞渣料压碎指标、含泥量、表观密度和吸水率等指标均满足规范要求，骨料质量较好。

采用不同胶凝材料用量［6］（80、100、110 kg/m3）、砂率（35%、25%、18%）进行试验，28 d龄期时，各试验组湿筛试件的28天抗压强度都在11 MPa以上，在胶凝材料为80 kg/m3，抗压强度最低为11.0 MPa，使用洞渣料制备胶结料可以满足围堰强度C284 的设计要求。

表2 洞挖石渣料湿筛试件试验结果表Tab.2 Test results of wet sieve specimens for excavated gravel

经试验验证，胶结洞挖石渣料抗压强度远超设计强度，东庄围堰胶结骨料采用洞挖石渣料是可行的，根据试验数据还可通过降低胶凝材料用量、调整水灰比进一步优化配合比设计。

5 围堰结构分析

当胶凝砂砾石材料抗压强度低于3 MPa 时［7］，坝体剖面形式属于土石坝断面形式，应按土石坝设计理论进行设计；当材料抗压强度大于6 MPa 时，坝体剖面形式属于重力坝断面形式，应按重力坝设计理论进行设计；抗压强度为3～6 MPa 时，剖面设计既要考虑坝体整体稳定性、坝体应力状况，又要考虑坝坡的自身稳定及坝体局部抗剪强度。本工程设计材料抗压强度4 MPa，为验证拟定围堰体型的合理性，进行围堰结构分析。

围堰抗滑稳定计算依据《水利水电工程围堰设计规范》［2］SL645-2013 附录A 进行计算，取最大堰高按单宽进行分析。

（1）荷载及假定。计算荷载有：堰体自重，上游静水压力，堰前泥沙压力，扬压力，浪压力；胶凝人工砂石容重γc=22 kN/m3；净水容重γw=9.8 kN/m3；浑水容重γw′=13.8 kN/m3；上游设计洪水位637.85 m，下游无水；堰前淤沙高程593 m，计算泥沙浮容重γs=6.5 kN/m3；内摩擦角φs=15°；扬压力计算按无帷幕无排水考虑，扬压力不折减；浪压力计算风速采用50年重现期年最大风速25.3 m/s。

（2）作用组合。根据工程的实际情况，主要作用有自重、静水压力、扬压力（包括浮托力和渗透压力）、泥沙压力、浪压力等，其设计状况、荷载组合见表3。

表3 围堰荷载作用组合表Tab.3 Cofferdam coaxial action combination table

（3）抗剪力学参数。根据地质建议抗剪断参数：混凝土/岩体f′=0.9，c′＝0.7 MPa，f=0.55。

（4）计算断面：取河床最大断面，按1 m单宽核算堰体稳定。

（5）堰基抗滑稳定按抗剪断强度公式计算。

式中：K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；C′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力；A为坝基接触面截面积；ΣW为作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动面的法向分值；ΣP为作用于坝体上全部荷载对滑动面的切向分值。

（6）计算结果。堰基抗滑稳定计算成果见表4。根据计算结果，堰基在各种工况下均能满足抗滑稳定要求，堰体采用4 MPa强度满足设计要求。

6 结 论

洞挖石渣料用于胶结骨料修筑胶结料围 堰在国内尚无先例，胶结洞挖石渣料围堰对建基面要求较低，基础及边坡开挖工程量小，施工进度快，防渗结构简单，工程投资较小，满足工程设计相关参数要求，是适合东庄上游围堰的较好型式。胶结洞挖石渣料围堰无温控要求，可减少弃渣外运和渣场治理费用，符合节能环保要求。

本工程可通过以下四点进一步优化胶结洞挖石渣围堰设计，节省工程投资。①调整设计破参数控制洞挖石渣料的粒径级配，减少超径粒比率；②降低胶凝材料用量、调整水灰比进一步优化配合比设计，使胶结洞渣料抗压强度不低于4 MPa即可，避免超强过多造成浪费；③根据配合比试验数据分析简化防渗保护层材料的可行性；④通过调整帷幕灌浆布置型式，缩短围堰施工总工期。

本工程的实施，可为胶结开挖石渣料筑坝技术在我省乃至全国类似工程应用提供参考和借鉴，根据后期对骨料粒径放宽至300 mm 及简化防渗结构布置研究成果，可进一步推动行业科技进步。 □