無砂混凝土在高地下水位渠道邊坡襯砌中的應用

李永強

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

無砂混凝土是一種由水泥、粗集料和水拌合而成的開放級配混凝土，具有孔隙率大、排水性好、容重和收縮變形小、經(jīng)濟性高等優(yōu)點，且具有一定的強度，在公路、水利、取水等工程領域大量應用[1～3]。

無砂混凝土排水性優(yōu)良這一特點是其廣泛應用于工程的主要原因，很多專家學者針對無砂混凝土的滲透排水特性進行了試驗研究，得出配合比、容重、骨料種類等均是影響其

滲透性能的主要因素[4～7]。吳黨平[8]、徐飛[9]、黃岳文[10]等將無砂混凝土應用于邊坡工程當中，并取得了很好的實踐效果。

南水北調寶郟一標項目段地處不良地質段，且處于高地下水位區(qū)，一般常用的施工方法已不能滿足渠道邊坡安全穩(wěn)定的要求，因此決定對該段采用無砂混凝土代替砂礫料作為墊層。本文通過進行不同配比、不同水頭下的室內試驗，根據(jù)試驗成果，在現(xiàn)場進行優(yōu)化，最終確定出最佳施工配比。

1 工程概況

寶郟一標項目的地質情況較為復雜,渠坡主要由粘土巖、砂巖、礫巖、泥灰?guī)r、頁巖、灰?guī)r組成，而主渠道SH(3)21+250-SH(3)22+060段共計810 m，為高地下水位頁巖地質結構段，施工期發(fā)現(xiàn)頁巖裂隙內向外滲水現(xiàn)象突出，下雨和周邊農田灌溉時滲水量明顯加大，渠道原設計的墊層砂礫料壓實后被滲水帶走，墊層穩(wěn)定性無法保證，見圖1。其中，樁號S H21+115～SH22+060段以寒武系頁巖為主、夾有薄層灰?guī)r，巖層走向為 287°（NWW），傾向 16°（NNE），傾角 10°，地下水位多在渠道設計水位以上及附近 (地下水位比渠道底板高7 m以上)，施工時存在排水問題。

圖1 現(xiàn)場施工過程中滲水現(xiàn)象

為了保證高地下水位形成的動水壓力下墊層的穩(wěn)定性，且滿足滲排水功能，通過理論研究和大量的現(xiàn)場試驗，認為無砂混凝土透水性好，具有過濾功能，且具有一定的強度，工程效益也較好，遂決定進行無砂混凝土替代砂礫料作為墊層的相關試驗、設計和施工。

2 室內試驗

2.1 試驗配比

試驗共設置四組不同級配（不同單粒徑級配以及連續(xù)級配）的無砂混凝土，配合比根據(jù)前人研究經(jīng)驗和施工經(jīng)驗選取，見表1。水泥采用常規(guī)po42.5硅酸鹽水泥，平均密度3.05 kg/m3，粗集料保證潔凈耐久，壓碎值小于30%,z針片狀小于15%，含泥量小于1%，水位當?shù)刈詠硭?，不含其它雜質。

表1 試驗級配和配比情況

2.2 有效孔隙率

在混凝土中的孔隙率分為有效孔隙率（連通孔隙）和無效孔隙（非連通和半連通孔隙），而有效孔隙率是表征無砂混凝土排水性能的重要指標之一，其計算原理為：

式中：V 為外觀體積，cm3；W1為浸泡 24 h 后重量，g；W2為自然放置24 h后重量，g。

試驗得到的各試驗組的有效孔隙率對比見圖2。從圖中可以看到，有效孔隙率由大到小依次為試驗組S3＞S2＞S1＞S4，連續(xù)級配下的有效孔隙率明顯小于單級配無砂混凝土的有效孔隙率，單粒徑時，粒徑越大，有效孔隙率越大，這是因為無砂混凝土是水泥漿包裹粗集料西城的骨架孔隙結構材料，水泥漿厚度大致相同，故孔隙率主要由集料間距決定，單粒徑級配顆粒間容易相互嵌擠形成間隙，且粒徑越大，間隙越大，連續(xù)級配的間隙則會被小顆粒填充，故而有效孔隙率降低。

圖2 級配、配比類型與有效孔隙率關系

2.3 強度

對各試驗組進行了抗壓、抗折和劈裂試驗，得到三者的對比關系見圖3。從圖中可以看到：抗壓、抗折和劈裂強度與有效孔隙率成反比，有效孔隙率越大，強度值越低，即S3＜S2＜S1＜S4，這是因為強度主要取決于水泥用量、水灰比以及碎石級配，而骨料的強度遠遠大于其試件強度，因此受力破壞主要還是集中于膠結點的破壞，膠結面積越小，強度越低，故而在保證有效孔隙率的情況下，應該適當增加水泥用量以增大膠結面積。

圖3 級配、配比類型與強度的關系

2.4 滲透特性

試驗獲得了不同水頭作用下各組的滲透量，并根據(jù)達西定律得到了相應的滲透系數(shù)變化規(guī)律，見圖4。從圖中可以對比看到：在相同水頭下，各試驗組的滲透系數(shù)大小與有效孔隙率保持一致，即S3＞S2＞S1＞S4，連續(xù)級配的滲透系數(shù)明顯小于單粒級配滲透系數(shù)；隨著水頭的不斷增大，滲透系數(shù)呈冪函數(shù)型y=axb增長，且相關系數(shù)R2大于0.97；根據(jù)內插法計算，在7 MPa水頭下，各試驗組的滲透系數(shù)大小分別為0.39 cm/s、0.39 cm/s、0.44 cm/s、0.22 cm/s。

圖4 不同水頭下滲透系數(shù)變化關系

3 現(xiàn)場試驗

3.1 初選

確保工程質量安全的前提下，各參建單位根據(jù)室內試驗結果，初步擬定了相應的技術指標：①混凝土強度指標C10；②滲透系數(shù)不小于2×10-1cm/s。由于施工現(xiàn)場料場內的碎石粒徑在5 mm～20 mm之間，故根據(jù)室內試驗結果，對配合比做了微調，并初步選定了六組C10無砂混凝土配合比，具體見表2。

表2 初擬C10無砂混凝土配合比

由于工期較緊，故首先對混凝土試件3 d強度和滲透率(水壓7 MPa)進行了測定，測定結果見圖5。從圖5可以看到：在各配合比下3 d滲透系數(shù)雖然都滿足了設計要求，但強度非常高，有5組已經(jīng)超過C10的強度要求（但工程效益得不到保障），故經(jīng)分析后認為沒有必要再等7 d和28 d強度，應該及時調整優(yōu)化配合比并重新試驗，得出最佳配比。

圖5 現(xiàn)場初擬配比強度和滲透系數(shù)關系

3.2 優(yōu)化

根據(jù)初步擬定的試驗結果，對無砂混凝土的配合比進行了優(yōu)化調整，具體參數(shù)見表3。

表3 調整優(yōu)化后C10無砂混凝土配合比

鑒于工期緊張的緣故，僅對7 d的強度和滲透系數(shù)進行了測定，見圖6。從圖6可以看到：調整優(yōu)化后的配合比7d滲透系數(shù)都能滿足設計要求，但強度總體仍然偏高，有3組已經(jīng)超過C10的強度要求，分別為T3、T5和T6組，考慮到位7 d的抗壓強度，后續(xù)強度仍有增長，且經(jīng)過和易性、坍落度等情況綜合分析，挑選出了編號“T4”的配合比，作為先行施工的推薦配合比。

圖6 優(yōu)化后各試驗組強度、滲透系數(shù)關系

3.3 討論

施工完成后28 d，在現(xiàn)場鉆取試件若干，進行了抗壓和滲透試驗，結果顯示滲透系數(shù)平均值8.31×10-1cm/s，滿足設計要求的不小于2×10-1cm/s技術指標，平均抗壓強度為13.7 MPa，也滿足了相應的強度指標，故認為本文得出的無砂混凝土最佳配合比技術合理，同時滿足了經(jīng)濟適用性。最終變更方案得到了設計單位的認可，工程施工得以順利實施，解決了工程質量安全隱患、推動工程進展、為南水北調順利通水提供有力的保障。

4 結論

（1）連續(xù)級配無砂混凝土的有效孔隙率和滲透系數(shù)明顯低于單粒徑級配，粒徑越大的無砂混凝土有效孔隙率和滲透系數(shù)越大；強度值表現(xiàn)則與有效孔隙率和滲透系數(shù)相反。

（2）隨著水頭的增大，無砂混凝土的滲透系數(shù)呈冪函數(shù)型增加。

（3）通過現(xiàn)場初擬和優(yōu)化調整，最終確定了最佳施工配合比為：水灰比0.45，灰骨比1∶6，水∶水泥∶石子=135.5∶301∶1806。

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