土石坝研究

对于不同围压的应力应变曲线，在应力过峰值后，
呈现一组线型相似的曲线组，故在峰值后的应力应变
曲线组上，随应变值的增加连续取同一应变下不同围
压的主应力差(
1)，做3 强度包线，得到不同应变
下的试样抗剪强度参数 、 ，水c 泥用量为60kg/m3时
饱和固结排水试验的 为0.25Mpac， 为49.3°。同理
3）胶凝砂砾石坝施工方法研究
目前国内外的胶凝砂砾石坝施工多采用两种类型，一种是采用 碾压混凝土坝的拌和及施工方法，另一种是利用施工机械进行非常 简易的拌和方式，前者施工质量较好，工程质量容易把握，但是当 坝体剖面较大时，经济效益不明显；后者虽然施工简单，但施工质 量难以保证，不能在永久工程建设当中采用。笔者认为应该通过实 际工程对胶凝砂砾石坝的施工方法、施工机械、施工程序、施工质 量控制标准进行深入探讨和研究，确定适合胶凝砂砾石坝施工方法 和施工机械，提出保证工程质量的施工程序和控制标准。由于施工 方法的改变对材料物理力学指标和坝体剖面型式都有直接的影响， 因此胶凝砂砾石坝的发展也是不断研究、不断改进、逐步发展的过 程，笔者真诚希望有更多的研究人员、业主单位、设计单位及施工 单位关注胶凝砂砾石坝的发展并参与胶凝砂砾石坝的研究，为胶凝 砂砾石坝这一既经济又安全的新坝型不断完善做出应有的贡献。
σ 1-σ 3(kPa)
7000 C60
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
2
4
6
8
C60应力～应变曲线
σ =800kPa 3
σ =600kPa
3
σ 3 =400kPa σ 3 =200kPa
10
12
ε (%)
由图可以看出，应力应变曲线存在一个峰值，其 前半枝(峰值之前)应力随应变的增加而增加，并呈现 线性关系，大约应变值在ε=2%左右处，曲线达到峰值， 继续施加轴向荷载，应变ε在2%～6%的阶段，试样的 抗剪强度下降很快，应变ε超过6%后，试样的抗剪强 度下降趋缓，最后趋于定值。
胶凝砂砾石坝与土石坝相比，由于该坝在河床砂砾石 中添加了少量胶凝材料（一般少于80kg/m3），使天然砂砾 石的抗剪强度明显增加，使其坝体上下游坝坡明显变陡， 达1:0.7左右，甚至到1:0.5，筑坝工程量明显减少，并且由 于胶凝材料的作用，坝体的抗渗透变形能力及抗冲刷能力
明显增加，使该坝的渗透稳定性和坝体过水能力增强。与
9
由图可见，随着水泥用量的增加，
8
胶凝砂砾石材料的抗压强度逐步增大，
f28(MPa)
7
当 水 泥 用 量 在 60kg/m3 以 下 时 ， 胶 凝
6
砂砾石材料的抗压强度增长缓慢，水
5
525#
425#
泥 用 量 为 60kg/m3 时 胶 凝 砂 砾 石 材 料 28天龄期的抗压强度不到 2MPa；水
1）胶凝砂砾石材料强度随养护龄期的增长而增大， 龄期为7天抗压强度约为28天的70%，龄期为90天抗压强 度约为28天的130%。
2）水灰比对胶凝砂砾石材料强度影响很大，其取值 范围应在0.8～1.2之间。
3）天然砂砾石的含砂率是胶凝砂砾石材料抗压强度 的另一关键参数，根据本次试验结果，最优含砂率为0.2。
得到了水泥用量为0、20、30、40、50、60kg/m3抗剪
强度参数 、 值。见表c 1。
表1 不同水泥用量的抗剪强度参数 c 、 值
水泥用量 C0 C20 C30
c (kPa)
0
76.5 82.5
(°)
38.7 42.5 46.2
C40 122.8 48.5
C50 204.9 48.7
3 胶凝砂砾石材料的抗剪强度
目前国内外对胶凝砂砾石材料的剪切试验研究较少，本课 题组在研究时发现由于胶凝材料含量较低，难以满足按重力坝 理论进行强度校核的要求。随后进行了少量三轴实验，试样尺
寸为 15×30cm圆柱体，采用期龄28天的试轴试验结果绘制的应力应变曲线见图。
混凝土重力坝相比，由于该坝使用河床天然砂砾石，对混
凝土骨料的要求显著降低，经济效益和环境保护效益增强；
同时胶凝材料用量低，水泥掺量较少，温控措施明显减少， 适应地基变形能力也优于混凝土重力坝。
2 胶凝砂砾石材料的抗压强度
由于胶凝砂砾石材料介于土石料和混凝土之间，相 对土石料有较高的抗剪和抗压强度；但是因为胶凝砂砾 石材料中的胶凝材料（水泥及粉煤灰）用量较少，不像 混凝土那样胶凝材料对骨料进行了充分的包裹，因此胶 凝砂砾石材料的抗压强度与混凝土材料比相对较低。 笔者在1995年承担的水利部重点科研项目—超贫胶 结材料坝研究（合同编号：SZ9509）中，采用大量的单 轴试验研究了材料的水泥用量、含砂率、水灰比、粉煤 灰掺量等对其强度的影响，取得了一系列的研究成果。 其中水泥用量与胶凝砂砾石材料28天龄期抗压强度的关 系 曲 线 见 下 图 。 图 中 两 条 曲 线 分 别 是 采 用 425# 水 泥 和 525#水泥的试验结果。
2）胶凝砂砾石坝剖面型式研究
纵观国内外已建工程，剖面型式多采用上下游基本对称的梯形 断面。根据本课题组研究，当胶凝材料含量大于40 kg/m3时，满足 坝坡自身稳定的临界坡比从1:0.7过渡到直坡，坝体剖面逐步从类 似于土石坝剖面过渡到混凝土重力坝剖面，因此当胶凝材料含量比 较高时，采用上下游基本对称的坝体剖面，不一定是经济合理的坝 体剖面型式，这时往往由于坝体剖面过大，而影响建坝的经济性能。 笔者认为应该在充分了解胶凝砂砾石材料物理力学性能的基础上， 研究确定胶凝砂砾石坝上、下游边坡的理论依据和计算方法，从而 科学的确定胶凝砂砾石坝坝体剖面的具体型式。同时由于胶凝砂砾 石材料抗渗性能较差，还应该研究坝体的防渗措施和具体型式以及 坝体过水的防护型式等。
5 胶凝砂砾石坝研究的主要问题
纵观国内外胶凝砂砾石坝的发展历程，安全性和经济 性一直是该新坝型发展的主题。由于胶凝砂砾石坝的安全 评价方法和施工方法与工程质量标准还没有统一规范，致 使该坝型在工程中的实际应用也受到限制，一般局限于临 时工程或局部工程。我们高兴的看到我国胶凝砂砾石坝技 术导则正在编写当中，这将对我国的胶凝砂砾石坝的发展 奠定基础。笔者认为要确保胶凝砂砾石坝安全性和经济性 满足工程建设要求，需要解决以下主要问题：
C60 245.7 49.3
由试验结果可见胶凝砂砾石材料的抗剪强度随胶凝 材料用量的增加而增加。需要说明的是以上研究结果由 于试验的试件组数较少，具体数据指标还需通过更多的 试验加以验证。
4 胶凝砂砾石坝剖面型式研究
课题组根据三轴试验得到的材料特性参数，按土 石坝边坡稳定分析方法进行分析，得出各种胶凝材料 含量对应的坝坡稳定坡角及坡比值，初步得出了胶凝 砂砾石材料用量C与坝坡稳定坡比值λ之间的关系。
欢迎各位专家批评指正 谢谢！
胶凝砂砾石坝的力学特性及剖面形式研究
孙明权 杨世锋
华北水利水电学院 二零一零年十月
1 胶凝砂砾石坝的特点
在坝工建设中，最常见的两种筑坝材料是混凝土和 土石料，长久以来，人们都把混凝土坝和土石坝作为两 种完全不同的筑坝型式。随着坝工建设的发展，两种坝 型在筑坝材料和施工方法上相互渗透而形成一些新坝型， 胶凝砂砾石坝（亦称CSG坝或Hardfill坝或超贫胶结材料 坝）就是其中的一种新坝型。
1）当胶凝材料含量为80.0kg/m3时，胶凝砂砾石材料 已经完全胶结成为整体，材料的抗剪强度基本可以满足直
坡要求，坝坡自身稳定不再是剖面设计的控制因素。因此， 当胶凝材料含量达80.0 kg/m3以上时基本不存在坝坡自身 稳定问题，控制坝体剖面的应该是坝体整体稳定和坝体应
力状况，此时的坝体剖面应属于重力坝剖面，剖面设计应
4）粉煤灰取代水泥，如果采用等量取代，则强度随 取代量增加强度而降低;当采用超量取代时存在最优取代 量，而且最优取代量随水泥用量的不同而不同。
从实验的整体结果来看胶凝砂砾石材料的抗压强
度比较低，这一结果在国际上一些同类工程中也得到 证实，如希腊的Marathia坝和AnoMera坝，胶凝材料 为 70kg/m3( 粉 煤 灰 含 量 20%) ， 特 殊 情 况 下 为 水 泥 80kg/m3，此时就不再添加粉煤灰或其它的胶凝材料， 7天、28天、90天龄期设计强度分别为3MPa、4MPa、 5MPa；目前世界上己建的最高的胶凝砂砾石坝土耳其 的Cindere坝，坝高107m，胶凝材料为50kg/m3水泥和 20kg/m3的粉煤灰，180天龄期的强度也仅有6MPa。
3）当胶凝材料含量为40 kg/m3～80 kg/m3之间时，满足坝坡自 身稳定的临界坡比从1:0.7过渡到直坡，坝体剖面逐步从类似于土石 坝剖面过渡到混凝土重力坝剖面，此时的胶凝砂砾石坝既有混凝土 重力坝的特征又有土石坝的特征。也就是说坝体剖面设计的上、下 游边坡首先要满足坝坡自身稳定的边坡要求，当满足这一要求的边 坡比较陡（如小于1:0.5）时，坝体的下游边坡还要满足坝体的整体 稳定要求。强度校核标准要根据坝体的应力分布状况而确定。最大、 最小应力出现在坝体表面，按单轴抗压、抗拉强度校核；最大应力 出现在坝体内部既要校核坝体内部应力水平，又要按坝体边缘应力 校核其抗压、抗拉强度。土耳其的Cindere坝，坝高107m，胶凝砂 砾石材料180天龄期的强度也仅有6MPa。这一强度如果按重力坝规 范标准进行强度校核，很难满足强度要求。
按重力坝设计理论设计。由于重力坝的最大、最小应力出
现在坝体表面，而坝体表面为一维应力状态，因此，其最 大应力是以单轴实验的抗压强度进行校核。
2）当胶凝材料含量为40.0kg/m3时，满足坝坡自身稳 定的临界坡比为1:0.7左右，接近于一般混凝土重力坝的 下游坡比，为满足其坝体自身稳定，坝体剖面呈上、下 游基本对称的梯形剖面。此时坝体剖面将比混凝土重力 坝肥大的多，因此不存在整体稳定问题，剖面形式类似 于土石坝，经计算坝体应力分布规律也类似与土石坝， 此时控制剖面的应该是坝坡的自身稳定及坝体局部抗剪 强度问题。坝体剖面设计应按土石坝设计理论设计，即 进行坝体边坡自身稳定和坝体内部应力水平校核。
1）详细了解胶凝砂砾石材料的物理力学性能
要研究胶凝砂砾石坝的安全评价方法，首先要充分了解胶凝砂 砾石材料的物理力学性能。而胶凝砂砾石的特点是利用河道天然砂 砾石，其颗粒组成、级配等各地差异很大。因此，我们应当选取影 响胶凝砂砾石材料物理力学性能的主要因素进行大量的物理力学性 能试验，同时采用常规单轴试验和大三轴试验，进一步明确材料强 度与骨料级配和胶凝材料含量之间的变化规律，建立材料性能指标 体系；进一步分析应力应变关系，寻求适合胶凝砂砾石材料的本构 模型，合理选择和确定模型参数，为该新坝型的安全评价和进一步 的推广应用提供理论依据。
4
泥 用 量 大 于 60kg/m3 时 ， 随 着 水 泥 用
3
量的增加，胶凝砂砾石材料强度增长
2
明 显 。 水 泥 用 量 为 80kg/m3 时 胶 凝 砂
1
C(kg/m3)
砾石材料抗压强度分别达3.23 MPa和
0
4.37 MPa。
0
20
40
60
80
100 120
另外本研究还对胶凝砂砾石材料的龄期、水灰比、 含砂率、粉煤灰添加等问题进行研究，得出如下结论：
10
λ8
6
计算点 拟合曲线 渐近线
4
2
0 0 20 40 60 80 100
c(kg/m3)
根据散点分布的特 点，以双曲线拟合的情 况较好，拟合方程为：
λ ＝ 56.52 C 76.74
由曲线可见，坝体边坡随胶凝材料含量的增加而变 陡，通过曲线拟合并求得曲线的渐进线为C=76.74，此 时坝体稳定坡角可达90°，即这时坝体已经不存在边 坡自身稳定问题。因此，我们提出了针对不同胶凝材 料含量的胶凝砂砾石坝的“三段设计法”：