胶结颗粒料坝(或称胶结坝)是中国水利水电科学研究院专家于2009年提出的新坝型,包括胶结土坝、胶凝砂砾石坝(或称胶结砂砾石坝)、胶结堆石坝。该坝型的设计理念是“宜材适构”、“宜构适材”,即根据材料特性优选断面结构,或根据断面形式优选材料,旨在土石坝和混凝土坝两种不同的坝型设计理念之外构建一种能够兼具二者优点的新坝型。具有经济安全、环境友好、漫顶不溃等优势,在我国临时工程及部分永久工程中逐渐得到推广应用。目前制约其发展的关键技术主要集中于以下几方面:(1)施工工艺优化、新型设备研发以及施工全过程质量控制技术;(2)全生命期安全评估技术与完整的筑坝技术体系;(3)配制技术的广源化与材料的宏细观性能研究等。胶凝砂砾石坝是胶结颗粒料坝的一种,目前,国内外在施工全过程质量控制技术研究、全过程仿真模拟研究、饱和与非饱和渗流场模拟研究以及考虑材料离散性的可靠度分析等方面比较薄弱。本文围绕上述问题开展了创新性研究,在胶凝砂砾石坝全过程质量控制方法、全过程安全评估、功能分区合理性评价等方面,取得了新的研究进展,相关研究成果已在国内外学术期刊上发表。本文的主要研究内容和创新成果如下:(1)胶凝砂砾石坝施工全过程质量控制基于《胶结颗粒料坝筑坝技术导则》SL 678-2014中有关胶凝砂砾石施工各环节的约束条件,建立了施工全过程质量控制目标函数集,梳理了逻辑结构图和软、硬件系统连接图。开发了胶凝砂砾石坝施工全过程质量监控系统,可实现胶凝砂砾石原材料检测、拌和监控、碾压监控及成品检测的无缝监控。碾压质量监控子系统可实现碾压轨迹、速度、遍数、层间间隔时间、收仓高程等的实时监控。采用数学方法解决了不同碾压车的振动阈值问题。同时,对胶凝砂砾石施工大数据进行深度挖掘,获得了碾压车行走速度分布规律、压实度与遍数的拟合关系等。(2)开展了胶凝砂砾石坝全过程仿真分析考虑胶凝砂砾石材料徐变、自生体积变形、绝热温升、弹模变化等因素,首次开展了针对该坝型的全过程仿真分析。研究了胶凝砂砾石坝的温度场、位移场、应力场的发展变化。计算结果表明,胶凝砂砾石坝与混凝土坝比温度、变形、应力变化幅度小,比较均匀,有利于安全。典型层面的位移分布图中,位移在面板与胶凝砂砾石结合部位缓慢渐变,无变形不协调现象。基于胶凝砂砾石坝特点和上述研究结果,提出利用挤压边墙施工技术在胶凝砂砾石坝防渗区与坝体胶凝砂砾石材料区之间形成过渡层,既方便碾压车施工,又可改善防渗面板混凝土与坝体胶凝砂砾石材料差异过大的问题。胶凝砂砾石坝挤压边墙技术已申请发明专利1项。(3)开展了胶凝砂砾石饱和与非饱和渗流场分析针对胶凝砂砾石材料的多孔性,参照土的非饱和渗流理论,首次对渗透水长期作用下胶凝砂砾石大坝的饱和与非饱和流场开展了计算分析。结果证明,胶凝砂砾石坝功能分区构造设计合理,可有效防止渗水进入CSGR坝体区。防渗体系失效后,均质胶凝砂砾石坝仍具有较高的抗渗安全性。基于胶凝砂砾石坝特点和上述计算结果,提出了胶凝砂砾石坝防渗与排水系统,大坝的防渗、排水、承载有分有合,形成功能分区,有利于充分发挥分区结构与分区材料的功能。胶凝砂砾石防渗排水技术已申请发明专利1项。(4)开展了胶凝砂砾石材料抗剪可靠性分析针对胶凝砂砾石坝材料抗剪强度低、离散性大的特点,引入可靠度分析方法并结合强度破坏法分析了结构的抗剪能力,推导了基于摩尔库伦破坏准则和俞茂宏双剪破坏准则、以单轴拉压强度为变量的极限状态方程。编制了相应的可靠度计算程序,可直接提取有限元应力计算结果,对不同失效准则下的可靠指标及失效概率进行了求解。计算结果显示,胶凝砂砾石坝抗剪可靠指标整体较高。降强法显示,胶凝砂砾石坝体具有较高的安全储备,在材料强度降低50%的情况下,坝体仍未形成贯通的破坏通道。同时,开展了胶凝砂砾石坝层面抗剪能力的可靠度分析。分别采用整体抗剪断公式、单点抗剪断公式、Mohr-Coulomb抗剪公式3种方法求解了不同碾压层面的抗剪可靠指标。结果均表明,CSGR坝的层面具有较高的抗剪可靠性。胶凝砂砾石坝强度破坏的可靠度分析研究,已发表SCI期刊论文1篇。胶凝砂砾石层面抗剪断试验分析,已发表核心期刊论文1篇。