本文是水土工程专业工程硕士论文，主要研究胶凝砂砾石坝结构设计研究与工程应用。

第一章前言

1.1问题的提出

目前，面板堆石坝和碾压混凝土坝是坝工界的两种主流现型，一种为散粒体坝，一种为连续体刚性现，两种现型均以其各自的优点获得了广泛应用。美国加利福尼亚大学J. M. Raphael教授于1970年在美国加州召开的“混凝土快速施工会议”上提出在混凝土修筑的重力琐与堆石料修筑的堆石琐之间，存在着一个最优坝型，它的现体剖面介于重力坝和堆石坝之间，其筑埂材料的性能也介于混凝土和堆石料之间，Raphae教授称之为“最优重力现”（Optimum gravity dam )。通过对堆石现与混凝土规筑现工艺和造价的分析，Raphael提出采用水泥增强的堆石料(Cement-enriched rockfiU)作为筑坝材料，而采用碾压工艺进行修筑最优重力现的概念⑴。1974年，在巴基斯坦Tarbela琐泄洪隧洞的修复中，伯克利大学的Johnson HA工程师首先将该思想付诸实践，使用了名为“Rollcrete”的材料ra。工程实践表明使用该材料具有非常大的速度优势和适宜的强度和耐久性。法国学者P. Londe在前人的研究基础上，对“最优重力顼”进行了重新思考。Londe指出，如果将对目前碾压混凝土的严格要求放宽，而产生一种新型材料，那么基于这种新筑现材料，采用新的剖面设计后可以获得一种安全性更高、造价更低的新现型。1992年，Londe发表了题为“对称面板硬填料坝（The facedsymmetrical Hardfill dam) ”的论文。Londe将这种材料称之为硬填料（Hardfill)，认为这种新型坝的基本剖面为对称旳梯形。Londe认为这种新坝型是最适应硬填料材料的坝体形式，不仅造价低廉，而且其稳定性高，具有高的安全性和优良的抗震性能，可以建在强震地区。1993年，隆德亲自担任技术顾问，在希腊Myconos岛建成了世界第一座硬填料现，现高28m的Marathia坝；1997年，另一座高32m的Ano Mera硬填料坝也在希腊建成。自此以后，硬填料筑现技术在日本、土耳其、多米尼加、法国、菲律宾等国家相继得到应用。硬填料在日本称之为CSG (Cemented Sand and Gravel)。1994年日本修建了Tyubetsu坝上游围堪和Kubusugawa顼上游围堰等两座CSG围堰[5]。1999年建成坝高33m的Nagashima水库栏砂坝，2002年建成坝高14m旳Haizuka水库栏砂坝[6]。2005年，日本第一座CSG栏河主坝一现高39m的Okukubi现在冲绳县开工兴建，随后又陆续建设了坝高50m的Samru顼和坝高64rn的Honmyogawa坝等。多米尼加共和国的Moncion反调节坝的中间溢流琐部分采用了这种坝工技术。Moncion反调节琐的坝高28m，为混合琐型，两侧均为土石现，长分别为140m和220tTi;中部270m长的部位为硬填料现，其上下游规坡为1:0.7，碾压层厚30cni，每15m设置了一条收缩缝，不处理冷缝。

菲律宾在2004年初修建了 40m高的Can-Asujan硬填料坝[8]。法国的25rn高的圣马丁德隆莱斯顼（St Martin de Londress)也采用了这种新坝型。目前世界上已建最高的硬填料坝是土耳其的Cindere现，河床到坝顶为72rn，琐基到埂顶为107m，坝顶长280.58m,宽10.00m，上、下游坡比为1:0.7。我国对该坝型的技术研究始于上世纪90年代，中国水利水电科学研究院、武汉大学、华北水利水电学院水利学院等单位相继开展了相关的研宄。研究过程中，该现曾被称之为“超贫胶结材料现”、“硬填料现”、“胶凝堆石料现”、或者“贫胶濟碗料碾压混凝土琐”等，结合工程实践和科研工作，贾金生等人研宄认为就筑琐材料而言，不仅可以用天然河床砂、烁，也可采用人工砂、石，因此将此类现命名为胶凝砂碌石现[9]。为叙述方便，下文对这一类现统称为胶凝砂烁石现。2004年，中国水利水电科学研宄院、福建省水利水电勘测设计院、以及中国水利水电第十六工程局等单位合作，建成了我国第一座胶凝砂烁石坝围堰一高16.3m的福建尤溪街面水电站下游围堰。2006年，福建省水利水电勘测设计研究院又在福建洪口水电站完成上游胶凝砂碌石围堰的现场生产试验和碾压施工，该围堰最大堰高35.5m。2006年6月霍童溪流域因暴雨形成接近50年一遇的洪水，并直接作用于新建好的洪口水电站围堰，洪水多次过堪，最大堰上水头8m。退水后，经检查，除堰顶部分常态混凝土被冲刷、下游面预制块局部冲坏外，堰体安然无恙，未发现任何裂缝。随后，我国又陆续修建了云南功果桥、贵州沙论、四川飞仙关等围堰工程，最大现高60.6ni的山西守口堡胶凝砂烁石永久工程正在设计中。由于胶凝砂烁石坝对筑规材料、施工工艺以及现基要求降低，大坝施工基本实现零弃料，凸显了在适应环境、减轻环境破坏方面所具有的优势，得到了国内外的充分认可与高度评价，该现被称为“最安全的大规” _与“终极琐"[11]。国际大坝委员会已成立专业委员会，对该坝型进行研究与推广。表1-1列出了部分国内外已建胶凝砂确石坝工程。

第二章胶凝砂确石烦受力与变形特性研究

2.1胶凝砂研、石琐受力特性研究

2.1.1基于材料力学的胶凝砂确石现受力特性研究

胶凝砂烁石现由于其对称的断面体型，具有应力水平低、分布均匆的特性。而材料力学方法具有概念清晰，计算简单，应用广泛，经验积累较丰富等优点，可初步分析现体应力，确定坝体断面尺寸等。本文对比分析了同等高度的胶凝砂烁石现与重力现的受力特性。目前己建胶凝砂碌石工程为百米级，因此选择100m高的胶凝砂烁石现进行受力特性研宄。现体上下游坡比采用1:0.7和1:0.6两种对称体型，同等高度的重力坝采用1:0.75，三种坝顶宽度均为6m，顼体体型如图2-1所示。胶凝砂烁石与混凝土容重均取为24KN/m3,上游水位按100m计，下游无水，坝基设灌菜帷幕，排水孔处扬压力强度系数取0.25。岩体假定为II类岩体，建基面地基参数根据混凝土重力坝设计规范现基面层面参数/取为为0.6, /’取为 1.0，C’取为l.0MPa。经过计算，规腫和坝址处的应力结果如表2- 1所示。经过对比分析可以发现，胶凝砂烁石坝坝鍾压应力远大于重力规，且坝址处的压应力小于重力顼，建基面竖向应力分布较混凝土重力规均勾很多。从直观上判断，胶凝砂烁石琐建基面长，扬压力增大，但是从扬压力占竖向力的比值来看，随着断面的增大，以及倾斜的上游面利用的水重的增加，胶凝砂石乐石琐扬压力占比要小于混凝土重力琐。坝体稳定方面，胶凝砂烁石规由于较大的坝体断面和倾斜的上游面，琐体稳定性较之混凝土重力现有非常大的优越性，琐体适应地基能力明显提高。

第三章胶凝砂碌石坝地基适应性研究............. 39

3.1胶凝砂砾石坝对地基弹性模量的要求............. 39

3.1.1坝体受力对地基弹性模量要求 .............39

3.1.2坝体稳定对地基弹性模量的要求 43

3.2不同坝体体型情况下的坝体地基适应性分析............. 45

3.2.1不同坝体体型条件下的应力分析............. 46

3.2.2不同坝体体型条件下的稳定分析............. 46

3.3本章小结............. 47

第四章胶凝砂碌石坝超载破坏模式及极限............. 48

4.1胶凝砂砾石本构模型............. 48

4.2胶凝砂砾石坝超载破坏模式与极限............. 53

4.3本章小结............. 66

第五章胶凝砂碌石坝抗震安全研究............. 67

5.1胶凝砂砾石材料动态性能............. 67

5.2胶凝砂砾石坝动力特性............. 69

5.3胶凝砂砾石坝地震动响应分析............. 70

5.4本章小结............. 81

结论

(1)通过对比分析日本与土耳其类似工程导则或者设计标准，结合我国重力现设计规范要求和胶凝砂烁石筑坝特点，提出了胶凝砂烁石坝结构设计的应力和稳定控制标准，为胶凝砂烁石坝在我国的推广应用提供技术指导。

(2)胶凝砂烁石坝应力水平低、分布均勾。本文提出的改进后的有限元等效应力方法适宜分析胶凝砂烁石现的应力分布，在避免有限元结果的应力集中的同时，能够反映材料力学计算结果所不能反映的地基条件等。胶凝砂烁石坝除坝踵、现址等应力集中区外，顼体应力水平很低，建基面应力分布较混凝土重力现均匀很多。坝踵、现耻及琐面部分的较大的压应力和可能的拉应力可以由坝体上游防渗保护层与下游保护层承担，现体应力安全有较大的安全余度。由于较大的坝体断面，以及倾斜的上游面，胶凝砂烁石现扬压力占比要小于混凝土重力现。

(3)胶凝砂碌石现体稳定性较之混凝土重力坝有非常大的优越性，规体适应地基能力明显提高。从坝体受力和稳定角度出发，现体、地基适宜的弹性模量比可限定在0.5~2倍范围内。当地基、坝体弹性模量难以满足0.5~2倍关系时，对于较软地基，通过选用较大的顼体断面和较地基弹性模量较低的琐体弹性模量。

(4)胶凝砂烁石现需要进行耐久性保护，可在上游面设置防渗层，在下游面设置保护层。胶凝砂研、石垠变形量较小，分布较均匆，坝体上游面表层由坝顶至地基处最大变形相差较小，而且变形沿保护层长度方向分布均勾，对于防渗保护层的变形与受力非常有利，而且胶凝砂烁石材料具有一定的抗渗性能，不存在由于面板淘空导致的面板开裂等问题。

参考文献

[1] Raphael, J.M., The Optimun Gravity Dam [C]. Rapid Construction of Concrete Dams,ASCE, 1970:221-224.

[2] Johnson H A, Chao P C. Rollcrete Usage at Tarbela Dam[J]. Concrete International, 1979,1(11):20-33.

[3] P. Londe and M. Lino. The faced symmetrical Hardfill dam: a new concept for RCC[J].International Water Power & Dam Construction. 1992,44(2): 19-24.

[4] D.G Coumoulos and T.P. Koryalos, Lean RCC dams — laboratory testing methods andquality control procedure during construction[A], Proceedings 4th InternationalSymposium on Roller Compacted Concrete Dams[C]，Madrid, 2003: 233-238.

[5] Y. Hattori，et al，Construction of a sediment trap Dam using CSG concrete[J]. DamTechnology, No.150, March 1993，50-58.

[6] I. Nagayama, et al, www.steelbee.net Development of the CSG construction method for sediment trapdams [J], Civil Engineering Journal, Vol. 41，No. 7，July 1999，6-17.

[7] T. Hirose, et al, Design Criteria for Trapezoid-Shaped CSG Dams[A]. ICOLD-69thAnnual meeting[C], Dresden，2001.

[8] P. J. Mason, R. A. N. Hughes. The design and construction of a face symmetrical Hardfilldam[J]. Hydropower&Dams，(3)，2008，90-94.

[9]贾金生，陈改新，马锋玲等译.碾压混凝土坝发展水平和工程实例-国际大坝委员会技术公报126[M].中国水利水电出版社，北京，2006.

[10] Stevens M A, Linard J. The safest dam[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2002, (2):139-142.