某水利樞紐工程中防滲墻結構復合型混合料力學特性試驗研究

段云輝

(江門市科禹水利規劃設計咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 概 述

在水利樞紐工程中，防滲系統建設尤為重要，而其中影響防滲結構最重要因素即是原材料。在當前水利工程中，主要應用有較多復合型混合料、塑性混凝土材料或其他新型土木工程材料[1-3]。但不可忽視，原材料的力學特性對防滲系統長期安全穩定性具有重要影響，因而開展防滲墻結構材料力學室內試驗研究很有必要。目前，已有一些專家學者基于數值仿真手段，建立原材料結構在單、三軸試驗環境下，應力應變發展趨勢特征，為預測混凝土或顆粒流混合料等材料失穩破壞提供重要理論分析依據[4-5]。基于現場長期監測或現場原位試驗，亦可較直接獲得工程現場原材料力學特征，并定性分析影響趨勢[6-7]。室內試驗可較好模擬研究材料在實際力學環境下，失穩破壞全過程力學特征，為混凝土等巖土材料提供重要試驗依據[8-10]。本文利用室內試驗手段，研究復合型混合料力學特征影響特性，為水利樞紐工程防滲墻結構設計提供參考。

2 試驗概況

2.1 試驗背景及試驗儀器

華南地區珠江上游某支流需進行水利樞紐工程建設，攔水大壩設計總長為85.5 m，頂寬度為6.3 m，主要承擔區域內水資源調度分配任務，保證地區水資源缺水率不超過國家標準。在該樞紐工程下游建設有輸水渠道，并與農田灌區渠道相連接，農業生產季可供水超過70×104m3，渠首流量可達0.68 m3/s，設計有格賓石籠作為渠道防滲結構，總長度超過85 km。現該樞紐工程溢洪閘道與輸水渠道連接口流場出現較不穩定狀態，抽水泵站與輸水干渠間流速穩定性欠佳，因而考慮對該水利工程重新設計加固防滲墻結構體系，保障水資源調度安全。工程設計部門考慮采用水泥-膨潤土為原材料，輔以瀝青、石子等粗細骨料，設計澆筑形成多類型混合料為主的防滲墻結構。而樞紐工程防滲墻防滲性能優劣性與混合料的力學特性息息相關，故而本文將基于此設計開展混合料三軸力學試驗。

本試驗利用液壓試驗機與靜壓滲透裝備，分別對混合料試驗的力學、滲透特性開展試驗探討。液壓試驗機采用程序控制加載，可根據試樣類型設計應變式或力控式加載形式，保證試樣加載精確控制。力傳感器最大可測量至1 000 kN，變形傳感器測量范圍為-10～10 mm，三軸試驗圍壓最大可達90 MPa。另可根據試驗環境需要，設定不同試驗溫度，工作溫度為-15℃～120℃，數據采集間隔為0.5 s，精度誤差低于0.5%，并可實時查看試樣加載過程中應力應變狀態。本試驗所采用的設備見圖1。

2.2 試驗方案

為保證防滲墻結構力學穩定與滲透特性，本文混合料試樣用量中水泥量控制在120～200 kg/m3，膨潤土用量在50～90 kg/m3，砂率75%，粗細骨料總量為1 500～1 600 kg/m3，在保證混合料和易性前提下，加入適量減水劑。經物理力學參數測量后，選擇出兩組適宜配合比，混合料減水劑添加量為6‰，水泥用量為130和140 kg/m3，膨潤土用量為60和100 kg/m3，粗細骨料用量為1 300 kg/m3，用水量為300 kg/m3，各組配合比具體用量參數、物理參數測試結果及試驗條件見表1，三軸力學試驗以上述配合比混合料試樣開展試驗研究。

三軸試驗步驟如下：

1) 檢查三軸試驗系統內各傳感器測試準確性，以隔油套筒包裹混凝土試樣，安裝至壓力艙內，在試樣表面按照位移傳感器，保證試樣中心對準加載臺垂直方向，儀器臺另裝好豎向傳感器，調整好量程范圍，清零力傳感器。

2) 先施加圍壓，后開始按照預設速率加載，實時采集數據，峰值應力后失穩破壞，停止試驗，結束采集。

3) 卸下荷載，取出試樣，進行下一塊試樣試驗。

3 混合料摻料對混合料力學特性影響

由于不同摻料配比對混合料力學特性影響頗大，因而本文將針對混合料中水泥、膨潤土兩個主要原料的含量影響性開展分析研究，設計獲得不同配合比摻料混合料力學試驗。

3.1 水泥含量

基于不同水泥摻量配合比試樣開展力學試驗，獲得圖2所示應力應變結果。

圖2 水泥含量影響下混合料應力應變曲線(圍壓400 kPa、膨潤土60 kg/m3、養護齡期14 d)

從圖2(a)可看出，水泥含量與三軸偏應力為正相關，在相同應變1.5%下，水泥含量120 kg/m3偏應力為2 799.5 kPa，而水泥含量130、140和150 kg/m3偏應力相對前者分別增長10.2%、26.5%和32.7%。筆者認為，當水泥含量增多時，混合料內膠凝材料流動性大大增強，在拌合水作用下愈多的膠凝材料逐漸與混合料主骨架結構相凝固，對主骨架穩定性具有較大促進作用，使混合料試樣趨于脆性特性。另一方面，水泥含量與試樣應變為負相關，在相同加載偏應力均為2 300 kPa時，水泥含量150 kg/m3應變量為0.5%，而水泥含量120、130和140 kg/m3此刻偏應力對應的應變分別為0.73%、0.65%和0.57%。前文分析已知，水泥含量可使混合料試樣變形由塑性為主轉變為脆性，因而試樣變形能力大大降低，此與水泥含量在混合料試樣內對骨架穩定性的“保護”具有較大關系，骨架變形能力受之約束。

為準確分析混合料試樣變形能力與水泥含量之間關系，獲得三軸加載過程中試樣體變變化特征，見圖2(b)。從圖2(b)可知，各水泥含量試樣的體積應變拐點均為隨水泥含量增多而遞減，體積應變拐點反映了試樣在三軸壓縮加載過程中由壓密狀態轉變至擴容狀態的過程[11]。在水泥含量為120 kg/m3下，體積應變拐點值為1.12%；水泥含量為130、150 kg/m3，體積應變拐點分別下降至0.9%、0.42%。即低水泥含量試樣進入擴容段變形較為滯后，在壓密階段具有較大變形能力；而高水泥含量試樣由于水泥膠凝材料的凝固填充孔隙，導致壓密階段較短，三軸加載中較快進入擴容變形。

圖3為不同水泥含量試樣分別在圍壓400和800 kPa下峰值偏應力(三軸強度)變化特征曲線。從圖3中可知，兩圍壓下各水泥含量試樣強度均與水泥含量為正相關變化。在圍壓400 kPa條件下，水泥含量120 kg/m3試樣強度為2 799.5 kPa；而水泥含量140、150 kg/m3強度相比前者分別增長32.1%、67.4%。當圍壓增長至700 kPa時，水泥含量140、150 kg/m3試樣的強度與前者變化幅度為58.5%、112.1%，即高圍壓可促進水泥含量對混合料試樣強度的增長效應。

圖3 水泥含量影響下峰值偏應力變化曲線(膨潤土60 kg/m3、養護齡期14 d)

3.2 膨潤土含量

圖4為不同膨潤土含量試樣三軸應力應變曲線。

圖4 膨潤土含量影響下混合料應力應變曲線(圍壓400 kPa、水泥含量140 kg/m3、養護齡期14 d)

從圖4中應力應變曲線變化可知，在相等應變條件下，高膨潤土含量試樣偏應力相對較低。在圍壓400 kPa、應變值均為2%時，膨潤土含量0 kg/m3試樣偏應力為4 423.1 kPa；含量60、100 kg/m3試樣偏應力相比前者分別降低22.3%、45.7%。分析認為，當混合料內膨潤土含量占比增多時，勢必會加速混合料孔隙度增大，進而大大削弱混合料試樣主骨架承載穩定性。而在相同應力條件下，膨潤土含量試樣較高者變形能力較大，在同為偏應力1 900 kPa時，含量100 kg/m3試樣變形能力達0.89%，而含量60 kg/m3試樣應變值僅為0.63%。體積應變拐點亦可看出，高膨潤土含量試樣拐點更為滯后，三軸壓密階段更長。從細觀角度亦可知，膨潤土含量愈多，則在三軸壓縮加載過程中可變形孔隙發育愈多，試樣變形能力提升，表現在三軸應變上即是應變值較大。從水利樞紐工程防滲結構應用方面來看，當混合料防滲墻材料可承受變形較大時，孔隙結構會受到沖擊影響，改變防滲墻結構內部防滲體系，影響樞紐工程防滲效果。

圖5為膨潤土含量影響下三軸強度變化特征曲線。

圖5 膨潤土含量影響下峰值偏應力曲線(水泥含量140 kg/m3、養護齡期14 d)

從圖5中變化可知，膨潤土含量與三軸強度為負相關特征，膨潤土含量0 kg/m3試樣強度為4 721.2 kPa，而含量60、10 kg/m3試樣強度相比前者分別降低26.7%、39.3%；而當圍壓增大至800kPa時，膨潤土含量之間降低幅度仍然維持在26%、39%左右。從三軸壓縮加載試驗中可知，復合型混合料試樣三軸強度受膨潤土含量抑制顯著，且圍壓增大，膨潤土含量抑制混合料強度效應并不會得到太大減弱。

4 試驗條件對混合料力學特性影響

前文已對混合料組成材料影響特性開展分析，而在三軸試驗條件下，混合料試樣力學特性亦受之不同試驗環境影響較大，本文將以養護齡期以及圍壓特征開展分析。

4.1 三軸圍壓

圖6為不同圍壓下的混合料試樣應力應變曲線。

圖6 不同圍壓下應力應變曲線(膨潤土100 kg/m3、水泥130 kg/m3、養護齡期14 d)

從圖6中可看出，圍壓可促進偏應力發展，但不同圍壓之間差異僅在偏應力2 900 kPa后才顯著，而此時相對應的應變值為1.1%，與體積應變拐點相對應的軸向應變幾乎一致，因而該復合型混合料試樣受圍壓效應影響僅在擴容階段顯著，在壓密階段變形具有一致性。從峰值應力來看，圍壓100 kPa試樣為2 958.5 kPa，而圍壓300、500和700 kPa試樣峰值應力相比前者分別增長了17.3%、43.4%和60.3%。從峰值應力點對應應變來看，4個圍壓下的試樣應變分別為0.84%、1.92%、3.36%和3.96%，即高圍壓下試樣應變亦能得到促進作用。筆者認為，當試驗圍壓增大，會導致試樣側向變形與裂紋擴展均得到較大約束效應，即試樣脆性破壞特征會減弱，圖6(a)中高圍壓試樣峰值應力后曲線應力下降較緩即是印證，且破壞后宏觀裂紋發育并不會太顯著，因而圍壓可改變該復合型混合料的力學與破壞特征。

4.2 養護齡期

圖7為不同養護齡期下混合料試樣應力應變曲線。

從圖7中可以看出，相同圍壓與配合比條件下，養護齡期愈長，則混合料試樣偏應力愈大，當試樣變形同為1%時，養護齡期14 d混合料試樣偏應力為2 705 kPa；而養護齡期增長至28 d后，加載偏應力增大19.2%。另一方面，養護齡期愈長，試樣變形能力受約束發展，圍壓200 kPa時養護齡期14 d的試樣峰值應力點應變值為1.5%；而養護齡期為28d時的該點應變值降低至1.1%。表明養護齡期愈長，可加快水泥此類膠凝材料的凝結程度，提升混合料試樣整體穩定性，且抑制混合料試樣變形能力的發展。當圍壓增大至800 kPa時，28 d養護齡期峰值應力相比14 d下混合料試樣增長17.8%；而在200 kPa圍壓下兩者之間幅度差異為23.2%，即圍壓增大可減弱養護齡期對混合料試樣強度影響效應。

圖7 養護齡期影響下應力應變曲線(膨潤土120 kg/m3、水泥120 kg/m3)

5 結 論

為研究某水利樞紐工程防滲墻復合型混合料力學特性，設計不同摻量配合比與試驗環境因素影響下混合料力學變化特性，主要得到以下幾點結論：

1) 獲得了水泥含量與峰值偏應力為正相關，但與變形為負相關，低水泥含量試樣體積變形擴容點較為滯后；水泥含量140、150 kg/m3強度相比水泥含量120 kg/m3試樣分別增長32.1%、67.4%，且圍壓愈高，水泥含量對混合料強度促進作用愈顯著。

2) 分析了膨潤土抑制混合料強度增長效應，含量60、10 kg/m3試樣強度相比0 kg/m3含量分別降低26.7%、39.3%，圍壓增大，對膨潤土抑制混合料強度增長效應并不減弱；膨潤土含量促進試樣變形發展，高膨潤土含量試樣擴容階段較滯后。

3) 研究了混合料試樣三軸力學圍壓效應，但僅在擴容階段較為顯著，當圍壓增長至300、500和700 kPa時，試樣峰值應力相比圍壓100 kPa分別增長17.3%、43.4%和60.3%。

4) 獲得了養護齡期對混合料力學特征影響，養護齡期與混合料試樣峰值應力為正相關，且可約束試樣變形發展，試樣變形同為1%時，養護齡期28 d混合料試樣偏應力相比齡期14 d下增大19.2%，當圍壓增大，可減弱養護齡期對混合料強度增長效應。