官地水電站大壩碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

詹 候 全， 王 紅 霞， 李 光 偉， 楊 宏 偉

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

官地水電站大壩碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

詹 候 全， 王 紅 霞， 李 光 偉， 楊 宏 偉

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

碾壓混凝土抗剪參數(shù)的選取對(duì)碾壓混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算起著關(guān)鍵作用。針對(duì)施工中可能遇到的主要工況和施工措施進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)碾壓混凝土層內(nèi)抗剪、層間初凝前不同時(shí)間直接鋪筑、層間初凝到終凝間不同時(shí)間及不同鋪漿方式、層間終凝后冷縫處理、降雨強(qiáng)度對(duì)抗剪斷參數(shù)影響等工況進(jìn)行試驗(yàn)取得的成果表明：采取合理的措施，碾壓混凝土層內(nèi)和層間的抗剪斷參數(shù)可以滿足工程要求。

官地水電站；碾壓混凝土；抗剪強(qiáng)度；摩擦系數(shù)；粘聚力

1 概 述

碾壓混凝土大壩采用大倉(cāng)面薄層攤鋪、分層碾壓連續(xù)上升的施工方法，一般碾壓層厚30 cm為一層，而大量的層面易產(chǎn)生隱形的層狀結(jié)構(gòu)。影響層面粘結(jié)強(qiáng)度的因素主要有：混凝土的粘聚性差，骨料包裹不好，容易分離；層面間隙暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，層面已經(jīng)初凝，進(jìn)而影響層間的凝聚力；VC值過(guò)大，可碾性差，致使碾壓后的層面液化泛漿差和施工工藝及質(zhì)量控制不嚴(yán)等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致層縫面成為薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)于這些薄弱層面，如果處理不當(dāng)，可能會(huì)成為大壩滲流集中通道和抗滑穩(wěn)定的相對(duì)薄弱面[1]。對(duì)于高碾壓混凝土壩而言，其層間的抗剪參數(shù)關(guān)系到大壩的抗滑穩(wěn)定，是設(shè)計(jì)者和建設(shè)者最關(guān)心的參數(shù)。

官地水電站裝機(jī)容量為2 400 MW，樞紐建筑物主要由左右岸擋水壩、中孔壩段和溢流壩段(碾壓混凝土重力壩)、消力池、右岸引水系統(tǒng)及地下廠房發(fā)電系統(tǒng)組成。碾壓混凝土壩壩高為168 m，大壩碾壓混凝土約297萬(wàn)m3，其大壩抗剪強(qiáng)度特性是計(jì)算碾壓混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定和確定大壩斷面尺寸的一個(gè)非常重要參數(shù)。

結(jié)合官地水電站實(shí)際，采用當(dāng)?shù)匦鋷r加工的人工骨料以及工程選定的PMH42.5水泥和Ⅱ級(jí)粉煤灰，開(kāi)展了在不同施工工況和所采用的施工措施條件下大壩層間碾壓混凝土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，從而確定了達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)合理的施工碾壓參數(shù)和層間處理措施。

2 混凝土原材料的基本性能及配合比參數(shù)

2.1 混凝土原材料的基本性能

試驗(yàn)采用的膠凝材料為PMH42.5水泥和Ⅱ級(jí)粉煤灰，水泥和粉煤灰的基本性能分別見(jiàn)表1和表2。

表1 PMH42.5水泥基本性能表

表2 Ⅱ級(jí)粉煤灰基本性能表

試驗(yàn)采用當(dāng)?shù)刂褡訅瘟蠄?chǎng)玄武巖加工的人工骨料，其中玄武巖粗骨料的表觀密度為2.95 g/cm3，吸水率為0.7%～0.8%，壓碎指標(biāo)為4.3%；玄武巖人工砂的表觀密度為3 g/cm3，吸水率為2.1%，細(xì)度模數(shù)為2.84，石粉含量為16.9%。

2.2 大壩碾壓混凝土基本配合比及性能

試驗(yàn)所采用的大壩碾壓混凝土配合比見(jiàn)表3，其中粗骨料的級(jí)配為：中石∶小石=50∶50，大石∶中石∶小石=35∶35∶30，碾壓混凝土復(fù)摻一定量的緩凝高效減水劑和引氣劑。大壩碾壓混凝土的強(qiáng)度性能見(jiàn)表4。

表3 大壩碾壓混凝土基本配合比表

表4 大壩碾壓混凝土強(qiáng)度性能表

3 大壩碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

為了核定壩體混凝土設(shè)計(jì)配合比的合理性，檢測(cè)碾壓混凝土層間抗剪切的性能，提供壩體抗剪穩(wěn)定參數(shù)，我們開(kāi)展了大壩碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究具體分為：直接鋪筑時(shí)間、層間鋪漿方式、層間縫處理方式以及降雨等級(jí)等因素對(duì)壩體層間碾壓混凝土抗剪強(qiáng)度的影響。

碾壓混凝土的拌合、成型、養(yǎng)護(hù)以及試驗(yàn)均按照“水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程(SL352-2006)”[2]中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，其中抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)均采用15 cm3標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，對(duì)于有層面的碾壓混凝土試件分兩次振搗成型。

3.1 碾壓混凝土壩體層內(nèi)抗剪強(qiáng)度

碾壓混凝土壩體層內(nèi)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，試驗(yàn)結(jié)果表明：碾壓混凝土壩體層內(nèi)的摩擦系數(shù)介于1.14～1.23之間，粘聚力介于2.64～3.43 MPa之間。隨著碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，其粘聚力有所增加。

表5 碾壓混凝土壩體層內(nèi)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 碾壓混凝土壩體層間抗剪強(qiáng)度

3.2.1 直接鋪筑時(shí)間對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

選擇8 h、10 h和12 h三種層面間隔時(shí)間,開(kāi)展直接鋪筑對(duì)碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。層面間隔時(shí)間對(duì)層間碾壓混凝土摩擦系數(shù)以及粘聚力的影響見(jiàn)圖1。由試驗(yàn)結(jié)果可知：碾壓混凝土的層間摩擦系數(shù)和粘聚力均隨層間間隔時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。

3.2.2 不同加漿方式對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

選擇砂漿和水泥摻合料漿兩種加漿方式，所開(kāi)展的不同加漿方式對(duì)層間碾壓混凝土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：與層間鋪筑砂漿相比，在相同條件下，層間鋪筑水泥摻合料漿可以提高層間碾壓混凝土的抗剪強(qiáng)度。

表6 直接鋪筑時(shí)間對(duì)碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果表

(a)粘聚力 (b)摩擦系數(shù)圖1 層間間隔時(shí)間對(duì)碾壓混凝土層間抗剪參數(shù)影響圖

強(qiáng)度等級(jí)工況相關(guān)關(guān)系摩擦系數(shù)f'粘聚力c'/MPaC9020W6F50三級(jí)配C9020W6F50二級(jí)配本體τ'=1.14σ+2.87,R2=0.9721.142.8718h膠材漿τ'=1.13σ+1.85,R2=0.9991.131.8518h砂漿τ'=1.19σ+1.52,R2=0.9911.191.52本體τ'=1.11σ+3.76,R2=0.9881.113.7620h膠材漿τ'=1.11σ+2.14,R2=0.9871.112.1420h砂漿τ'=1.09σ+2.05,R2=0.9971.092.05

3.2.3 層間縫處理方式對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

選擇砂漿和水泥摻合料漿兩種加漿方式，所開(kāi)展的不同加漿方式處理層間縫對(duì)層間碾壓混凝土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：碾壓混凝土形成冷縫后，既使鋪砂漿或膠材漿墊層，其粘聚力較碾壓混凝土層內(nèi)粘聚力下降約47%。與鋪筑砂漿處理方式相比，在相同條件下，鋪筑水泥摻合料漿處理層間縫有利于提高層間碾壓混凝土的抗剪強(qiáng)度。

3.2.4 降雨對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

由于官地水電站碾壓混凝土大壩施工周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，施工過(guò)程中出現(xiàn)降雨是不可避免的自然條件。考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的氣候條件，采用四種模擬降雨強(qiáng)度(1 mm/h、3 mm/h、5 mm/h和8 mm/h)進(jìn)行降雨對(duì)碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9和圖2。

從試驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)降雨強(qiáng)度從1 mm/h增加到5 mm/h時(shí)，碾壓混凝土層間的摩擦系數(shù)增大，而粘聚力減小。當(dāng)降雨強(qiáng)度從5 mm/h增加到8 mm/h時(shí)，碾壓混凝土層間的摩擦系數(shù)在減小，而粘聚力亦在減小。

4 結(jié) 語(yǔ)

表8 層間縫處理方式對(duì)碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果表

表9 降雨對(duì)碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果表

(a)粘聚力 (b)摩擦系數(shù)圖2 降雨對(duì)碾壓混凝土層間抗剪參數(shù)影響圖

碾壓混凝土的層間抗剪強(qiáng)度是壩工設(shè)計(jì)者十分關(guān)心的參數(shù)，特別是高碾壓混凝土壩，其更顯得重要。改善碾壓混凝土施工層面結(jié)合質(zhì)量，提高施工層面混凝土的抗剪強(qiáng)度是碾壓混凝土層間結(jié)合質(zhì)量研究的一個(gè)重要課題。

結(jié)合官地水電站實(shí)際，所開(kāi)展的大壩碾壓混凝土層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在初凝時(shí)間內(nèi)連續(xù)鋪筑的碾壓混凝土層面抗剪強(qiáng)度遜于層內(nèi)碾壓混凝土的抗剪強(qiáng)度，隨著間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，其抗剪強(qiáng)度有所降低。

(2)在終凝時(shí)間內(nèi)采用鋪漿方式處理的層間抗剪強(qiáng)度低于碾壓混凝土層內(nèi)抗剪強(qiáng)度，其中鋪筑膠材漿的層間抗剪強(qiáng)度優(yōu)于鋪筑砂漿的層間抗剪強(qiáng)度。

(3)對(duì)于提高層間抗剪強(qiáng)度而言，采用鋪筑膠材漿的方式處理層間縫優(yōu)于采用砂漿處理層間縫。

(4)隨著降雨強(qiáng)度的增加，碾壓混凝土層間的抗剪強(qiáng)度會(huì)有所降低。筆者建議：在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)視當(dāng)時(shí)的雨量選擇合理的施工防護(hù)措施。

[1] 田育功．碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2010．

[2] SL352-2006，水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TU192;[TV221.2];TV522

B

1001-2184(2017)01-0029-04

詹侯全(1981-)，男， 四川眉山人，高級(jí)工程師，工程碩士，從事水工混凝土試驗(yàn)研究及試驗(yàn)室管理工作；

王紅霞(1970-)，女，甘肅秦安人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水電站建設(shè)建筑材料試驗(yàn)及項(xiàng)目管理工作；

李光偉(1962-)，男，湖北武漢人，副所長(zhǎng)，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水工混凝土試驗(yàn)研究工作；

楊宏偉(1965-)，男，四川成都人，專業(yè)總工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師，工程碩士，從事水工混凝土試驗(yàn)研究工作.