新疆麻溝河防洪治理工程中護坡混凝土砌塊穩定性分析研究

郝偉民

(五家渠農六師勘測設計研究有限責任公司，新疆 五家渠 831300)

新疆地區部分內陸河由于夏季冰雪融化以及暴雨等影響，河道水位暴漲，導致下游河道防洪壓力倍增，特別是一些運營時間較長的防洪堤壩等[1- 3]，以麻溝河為例，在雨季水位流量常年高于80m3/s，因而，研究防洪樞紐工程安全運營性很有必要。在防洪堤壩等水工設施中，混凝土作為不可缺少的原材料，力學穩定性關乎著防洪結構的安全長久運營[4- 6]。目前，吳敏強[7]、胡良明等[8]、王瑞駿等[9]采用室內試驗手段，通過單、三軸等試驗方案，開展了混凝土壓縮力學、彎曲力學等力學特性研究，極大地豐富了水利工程中混凝土材料研究成果。作為一種典型顆粒流組成材料，利用PFC等顆粒流離散元仿真手段，計算研究實際工程約束荷載下混凝土材料應力變形特征，為實際工程設計提供了重要參考[10- 12]。不論是仿真計算亦或是室內試驗，一定程度上均脫離了實際工程開展研究，因而崔海波等[13]、張英達等[14]、肖楚珺等[15]在現場利用監測手段，研究了混凝土在實際工程運營過程中內部應力或變形變化，為探討最佳混凝土性能設計提供了依據。基于麻溝河實際工程應用背景下，設計開展不同因素影響下混凝土力學特征變化，為麻溝河防洪治理工程水利設計提供一定參考。

1 試驗介紹

1.1 工程背景

麻溝河是新疆昌吉境內重要水源河流，為地區內農業用水以及生活用水供應提供重要保障，流域面積200km2，多年平均徑流量為5.43×106m3，河道長約60km，其中灌溉下游農田面積8666.67hm2。由于上游中葛根河洪水常年水位較高，對下游生活區以及水資源調度設施均造成較大威脅，上游中葛根河來水流量常年高于60m3/s，下游麻溝河區段防洪壓力較大，為此，對麻溝河下游開展防洪治理很有必要。根據工程調查得知，目前麻溝河面臨洪水壓力最大的區段乃是-8+650—7+300，全長為15.95km，設計該區段內防洪標準為10a一遇、洪峰流量71.6m3/s。采用混凝土砌塊作為河岸護坡材料，防洪堤壩主體采用砂礫石料分層堆筑，在壩趾及坡腳等區域回填碎石等墊層材料，增強坡腳區域防滲性，設計防洪堤頂寬為3.5m，兩側坡度均為1/1.5，河道堤防護坡斷面如圖1所示。采用預制混凝土砌塊作為護坡材料，厚度為15cm；為增強整體防洪堤壩穩定性，在堤壩上按照間隔100m設置防滲墻與防洪墻，其中防滲墻厚度為60cm，與堤壩土工格膜等構成堤壩防滲系統，確保堤壩滲流安全。在該防洪治理工程中不僅僅在壩身護坡采用預制混凝土材料，在壩肩以及防浪墻等水利設施中均采用了該類混凝土砌塊，因而針對性開展預制混凝土力學穩定性研究對水利工程安全運營以及最佳設計方案均具有重要意義。

圖1 河道堤防護坡斷面圖(單位：cm)

1.2 試驗方案

本次防洪堤壩混凝土砌塊材料單軸加載試驗機采用RAW- 500性伺服式液壓控制試驗系統，該試驗系統包括有加載系統與數據采集系統，其中加載系統采用電腦程序控制軸向荷載，可變換力控與變形控制2種方式，數據采集系統可根據需要間隔0.5～10s采集，其中變形控制加載最小速率可達0.0001mm/min，軸向加載力傳感器最大可達1000kN，軸向位移傳感器最大量程可達20mm，環向變形傳感器量程為-10～10mm，各傳感器精度均滿足實驗要求，誤差不超過0.5%，確保實驗精度及試驗結果可靠性。根據麻溝河防洪堤壩預制混凝土材料基本設計參數得知，混凝土水灰比為0.4，水泥用量為387kg/m3，粗細骨料分別為1178、620kg/m3，水用量為216kg/m3。在護坡砌塊以及防浪墻等水利設施中，預制混凝土增加了膨潤土，根據不同工程應用摻量差異，膨潤土摻量分別設定為0%、10%、20%、30%；由于預制混凝土在護坡砌塊中尺寸差異顯著，而尺寸參數對預制混凝土力學穩定性具有較大影響，因而本試驗中以試樣高度作為表征預制混凝土尺寸差異，高度方案分別設定為150、300、450、550、700mm，采用的試樣尺寸長、寬均為150mm，研究試樣高度影響力學穩定性時，僅改變高度參數，而膨潤土影響性方案中混凝土試樣尺寸參數均保持一致，所制作的典型試樣如圖2所示，試驗具體方案見表1。

表1 試驗具體方案

圖2 典型試樣

按照如下試驗程序進行：

(1)針對目標試樣尺寸參數以及膨潤土設計摻量等完成制作，并放入養護箱內養護24h，完成試驗前準備工作后，將試樣安裝在RAW- 500型單軸加載系統中，安裝好軸向變形、環向變形等數據采集傳感器，在試驗機加載程序中設定好相關試樣物理特征參數，如圖3所示。

圖3 傳感器安裝后試樣

(2)開始軸向加載，加載方式以力控與變形控制組合方式完成單軸加載，其中變形控制加載速率為0.02mm/min，力控加載速率為30kN/min，直至試樣發生失穩破壞。

(3)結束試驗，卸下軸向荷載與相關監測傳感器，更換試樣，重復進行上述操作。

2 膨潤土摻量與混凝土力學特征關系

2.1 荷載位移分析

膨潤土作為一種混凝土添加劑，當施加不同摻量時混凝土內部黏結性以及流動性均會受到影響，進而改變混凝土材料力學特征，為此，試驗獲得了膨潤土摻量對混凝土力學特征影響關系曲線，如圖4所示。從圖中可看出，膨潤土摻量與各試樣荷載關系為先增后減，其中以摻量20%試樣荷載水平最大，當試樣高度為300mm時，在試樣相同位移2mm下，其中摻量0%混凝土荷載為15.65kN，而摻量10%、20%對應的荷載相比前者增大了72.3%、2.09倍，但摻量30%混凝土試樣加載荷載又相比摻量20%降低了23.6%，表明膨潤土摻量對混凝土單軸荷載影響具有臨界拐點。當處于臨界拐點以下時，膨潤土摻量與混凝土承載能力為正相關，當超過臨界拐點，則承載能力呈降低態勢，而本次實驗中膨潤土摻量臨界拐點則為20%。筆者認為，膨潤土作為一種細顆粒骨料，在混凝土顆粒骨架中能夠很好地起到填充孔隙作用，進而提升混凝土整體顆粒骨架穩定性，確保混凝土試樣承載能力[16]；但不可忽視，膨潤土承載強度與混凝土強度終究存在著差距，當膨潤土在混凝土試樣中占比較多時，其勢必需要參與混凝土的強度承載中來，因而會削弱混凝土承載能力。

圖4 不同膨潤土摻量影響下混凝土荷載位移曲線

與應力特征具有相反態勢的是，混凝土試樣變形特征隨膨潤土摻量為先減后增變化，其中該變形特征以峰值位移與最大位移為例，試樣高度為300mm時，膨潤土摻量0%試樣的峰值位移為9.8mm，而膨潤土摻量10%、20%試樣峰值位移為6.89、5.21mm，但摻量30%峰值位移相比摻量20%下，增大為6.13mm。其中最大位移變化特征如圖5所示，最大位移隨膨潤土摻量呈“V”字變化，各高度下試樣特征均是如此，當試樣高度均為450mm時，以摻量20%最大位移為最低，僅為8.55mm，其中膨潤土摻量0%、30%最大位移基本相接近，均穩定在9.8mm。分析表明，當混凝土內膨潤土摻量處于20%以下時，混凝土顆粒骨架整體承載能力較強，脆性變形占據主導，塑性變形能力較弱，因而最大位移呈遞減態勢。

圖5 最大位移與膨潤土摻量關系曲線

2.2 強度特征

膨潤土摻量不僅僅影響加載過程中應力位移特征，從結果論角度來看，混凝土單軸抗壓強度均受膨潤土摻量影響，圖6為混凝土抗壓強度與膨潤土摻量關系曲線。其中試樣高度300mm時，膨潤土摻量20%單軸抗壓強度為3.43MPa，而摻量為0%、10%抗壓強度相比前者降低了23.9%、7.3%，摻量30%抗壓強度又降低了11.1%，當膨潤土摻量低于臨界拐點時，平均每增長10%摻量，抗壓強度增長14.8%，而摻量高于臨界拐點后，平均增長10%摻量，抗壓強度降低11%；當試樣高度增大至700mm時，在摻量臨界點前后2個階段中，增長量與降低量分別為12.5%、12.7%，表明膨潤土摻量影響混凝土強度幅度差異在試樣高度參數改變下無顯著性改變，此種現象在試樣高度300～700mm中均是如此，但以試樣高度150mm例外，其抗壓強度乃是最大。

圖6 單軸抗壓強度與膨潤土摻量關系曲線

3 試樣高度與混凝土力學特征關系

3.1 應力變形

同理獲得試樣高度參數對混凝土力學特征影響，圖 7為不同試樣高度下應力位移曲線特征。從圖7可以看出，除試樣高度150mm以外，試樣高度與單軸荷載為正相關，當位移均為1.5mm時，試樣高度300mm的荷載為16.2kN，高度450、700mm試樣相應的荷載乃是前者的1.25、1.62倍。筆者認為，當試樣高度超過長、寬尺寸后，則試樣承載方向以高度方向一致，當高度參數增大，則加載應力有一定增長，但相比之下，當試樣高度處于長、寬尺寸一致時，試樣內部晶體顆粒骨架穩定性以及初始裂隙發育率均較低，進而導致混凝土試樣整體穩定性較高，承載能力亦較大[17]。

圖7 不同試樣高度影響下混凝土荷載位移曲線

圖8為不同試樣高度的混凝土最大位移變化特征。從圖中可看出，相同膨潤土摻量下最大位移隨試樣高度呈先減后增態勢變化，其中試樣高度450mm試樣的最大位移為最小，膨潤土摻量10%下時其最大位移為9.2mm，試樣高度300mm最大位移相比之增大了30.4%，但試樣高度550、700mm相比之亦增大了9.7%、19.2%；當膨潤土摻量提升至20%后，最大位移整體水平均降低，但各個高度試樣間的最大位移值差異幅度基本保持一致，試樣高度300、550、700mm最大位移相比高度450mm分別增大了31.2%、10.3%、19.5%；由此可知，膨潤土摻量改變對試樣高度與混凝土最大位移之間關系無顯著性影響。

圖8 最大位移與試樣高度關系曲線

體積變形作為衡量試樣變形壓縮與擴容的重要指標，根據本試驗結果同樣獲得了最大壓縮體積應變與2個影響因素關系曲線，如圖9所示。從圖9可看出，相同膨潤土摻量下最大壓縮體變與試樣高度為負相關，在同為膨潤土摻量10%時，試樣高度150mm的最大壓縮體積應變為1.6%，而試樣高度為550、700mm的最大壓縮體變分別為0.39%、0.33%；而對比相同試樣高度下，最大壓縮體變與膨潤土摻量為先減后增變化，以膨潤土摻量20%時的最大壓縮體變為最小，試樣高度300mm中，膨潤土摻量20%的最大壓縮體變為0.53%，而摻量0%、10%、30%最大壓縮體變分別為0.62%、0.58%、0.65%。

圖9 最大壓縮體變與試樣高度變化關系

3.2 強度特征

圖10為不同試樣高度影響下混凝土抗壓強度變化特征。從強度變化特征可知，試樣高度150mm的抗壓強度最大，隨高度參數增大，抗壓強度呈先減后增變化，此變化特征在各個膨潤土摻量對比組中均是如此，以膨潤土摻量20%為例，試樣高度150mm下抗壓強度為5.6MPa，而高度增大至300、550、700mm后的抗壓強度相比前者分別降低了52.7%、43.2%、38.1%；在試樣高度變化過程中，以高度150～300mm之間，抗壓強度降幅最大，可達52.7%，而在高度300～700mm間，平均每增長1mm高度，抗壓強度增大了0.002MPa。分析認為，從工程設計安全性以及材料經濟性綜合角度考慮，試樣高度應該保證在強度增長性最佳狀態，并與工程實際尺寸需要相契合。

圖10 單軸抗壓強度與試樣高度關系曲線

4 結論

(1)混凝土強度隨膨潤土摻量為先增后減變化，臨界點為摻量20%，當摻量低于臨界拐點時，每增長10%摻量，抗壓強度平均增長14.8%，而高于臨界點后，增長10%摻量，抗壓強度降低11%。

(2)混凝土峰值位移與最大位移均隨膨潤土摻量呈先減后增態勢，以摻量20%位移特征值最小。

(3)混凝土強度隨高度呈先減后增態勢，在高度150～300mm之間，強度降幅最大，而在高度300～750mm間，平均每增長1mm高度，抗壓強度增大了0.002MPa。

(4)相同膨潤土摻量下最大位移隨高度呈先減后增態勢；相同摻量下最大壓縮體變與高度為負相關，相同高度下，最大壓縮體變與摻量呈先減后增態勢。