基于風化料的膠結砂礫石料力學性能研究與工程應用

2021-09-02 02:28:42王建有王朝菲李曙光

中國農村水利水電 2021年8期

王建有，王朝菲，李曙光

（1.鄭州大學水利科學與工程學院，鄭州450001；2.中國水利水電科學研究院，北京100038）

1 研究背景

膠結砂礫石壩［1-5］具有漫頂不潰、環(huán)境友好、施工快捷和工程造價低等優(yōu)點，在中小型壩的建設和加固過程中具有很強的競爭力和應用前景，越來越多國內外學者對其材料性能和結構設計進行研究。目前許多學者已經對膠結砂礫石壩筑壩材料性能進行了研究，并取得了一定的成果。賈金生［6］于2004年提出膠凝砂礫石壩的概念，并成功應用于街面、洪口等膠結砂礫石圍堰上；賈金生研究團隊對膠凝砂礫石筑壩材料的耐久性能和新型防護材料進行了研究［7，8］，將研究成果應用到我國首座開工建設的膠結砂礫石壩永久工程—山西守口堡膠凝砂礫石壩。何蘊龍［9-12］研究團隊研究了膠凝砂礫石壩的動力特性、地震響應規(guī)律及在覆蓋層地基上修建的可能性。

上述研究的筑壩材料的性能指標較好，滿足配制膠結砂礫石的要求。砂巖、泥巖、風化料等性能較差的骨料不滿足配制膠結砂礫石的要求，還未在膠結砂礫石工程上應用。為進一步拓寬膠結砂礫石壩筑壩材料的選擇范圍，本文結合西江大壩的風化料開展配合比試驗研究，通過微風化、強風化料復摻的方法配制了滿足設計要求的膠結砂礫石，并基于有限單元法，對大壩進行應力-應變分析。

2 工程概況

西江大壩位于黔東南苗族侗族自治州西南部雷山縣境內，主要任務為城市供水、農田灌溉和防洪，總庫容447 萬m3，正常蓄水位896.0 m，相應庫容360 萬m3。壩頂高程899.5 m，河床建基面高程851.0 m，最大壩高為49.5 m，壩頂寬6 m，壩軸線長198.5 m，壩體上、下游坡比為1∶0.6。壩址處河谷為對稱“V”型斜向谷，水庫正常蓄水位處谷寬約173 m，寬高比約為3.1。壩址處微風化料的儲量不能滿足西江大壩的回填，周圍土地均為景區(qū)規(guī)劃用地及國家保護林地，不能開挖取料，左壩肩處有強度較低的強風化料，強風化料具有強度低、風化程度高等工程特性。

3 膠結砂礫石配合比試驗

為拓寬膠結砂礫石壩筑壩材料的選擇范圍，響應國家保護環(huán)境的號召以及實現(xiàn)膠結砂礫石壩零棄料的筑壩理念等原因，本文采用微風化料和強風化料復摻的混合骨料來進行配合比試驗。

3.1 試驗原材料

水泥采用普通硅酸鹽42.5 水泥；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；減水劑為專用外加劑；砂石料為西江工程微風化料和強風化料，如圖1所示。砂石料性能指標的測定數(shù)據(jù)可以參考表1的標識。

圖1 風化砂礫石料

表1 骨料性能指標檢測結果

由表1可見，強風化料各粒徑骨料的表觀密度在2 502～2 538 kg/m3之間，滿足《膠結顆粒料筑壩技術導則》SL678-2014［13］（下文中縮寫為導則）之中不應當?shù)陀? 450 kg/m3的要求。氣干條件下，抗壓強度以及點荷載強度指標相對偏低，實際檢測數(shù)據(jù)是18.7 和1.2 MPa。微風化料壓碎指標和含泥量數(shù)據(jù)相對較小，強度及表觀密度數(shù)據(jù)較高，因此微風化料骨料品質較好。

3.2 配合比設計

開展了6 組膠結砂礫石配合比試驗，其中強風化料占比分別為0%，20%，40%，60%，80%，100%，各試驗組配合比見表2。

表2 各試驗組膠結砂礫石配合比

依據(jù)《導則》及《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352-2006［14］中碾壓混凝土的有關試驗方法成型膠結砂礫石試件，在養(yǎng)護室中養(yǎng)護到相應齡期后進行抗壓強度、彈性模量試驗測試。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 抗壓強度

各試驗組試塊的強度隨齡期變化規(guī)律如圖2所示，相對于組6的強度增強效果如圖3所示。

圖2 復摻膠結砂礫石抗壓強度

圖3 抗壓強度提升效果

由圖2可見，膠結砂礫石抗壓強度隨著強風化料占比的增加而減小，當強風化料摻量小于60%時，180 d 抗壓強度為8.7～10.6 MPa，可以滿足強度等級為C1806的設計標準。

由圖3可見，在28 d 齡期時，1、2、3、4、5 試驗組膠結砂礫石的抗壓強度相對于6 試驗組分別提升了112.1%、69.7%、39.4%、21.2%及9.1%；在180d齡期時，分別提升了85.9%、65.6%、50%、35.9%及18.8%。

完全采用強風化料不能配制滿足設計要求的膠結砂礫石，當加入一定比例的微風化料時，可以顯著提高膠結砂礫石的強度，且抗壓強度隨微風化料用量的增加逐漸增大。

3.3.2 彈性模量

1和4試驗組彈性模量測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 彈性模量試驗結果

由表3可見，1 和4 試驗組180 d 齡期彈性模量的均值是15.6 GPa 與12.1 GPa，有限元分析過程中相應的彈性模量數(shù)據(jù)設定為15和12 GPa。

4 有限元分析

4.1 有限元模型建立

使用Abaqus 軟件針對西江大壩溢流壩段，構建相應的模型，模型具體信息及網格劃分如圖4和圖5所示。

圖4 西江大壩溢流壩段模型圖

圖5 網格劃分圖

4.2 工況及材料參數(shù)

4.2.1 工況

（1）工況1：完建工況，只受重力荷載影響。

（2）工況2：正常蓄水位工況，上下游壩面受靜水壓力影響。

4.2.2 材料參數(shù)

壩體上半部分及下半部分采用配合比試驗數(shù)據(jù)，基巖采用西江水庫地質勘察設計報告中數(shù)據(jù)，防滲保護層和墊層采用文獻［15］中數(shù)據(jù)，西江大壩溢流壩段各部位材料參數(shù)如表4所示。

表4 西江大壩溢流壩段各部位材料參數(shù)表

4.3 計算結果與分析

4.3.1 應力結果與分析

各工況下壩體-地基系統(tǒng)大、小主應力圖如圖6所示。

由圖6可見，完建工況下，壩體大主應力呈現(xiàn)出從壩頂?shù)綁蔚字饾u增大的規(guī)律，其值均為負值，壩體均受壓應力。受自重荷載影響，壩踵及壩趾處應力值分別為-1.24 MPa和-1.15 MPa。壩體小主應力為-0.1 MPa左右的壓應力。

圖6 各工況下壩體-地基系統(tǒng)應力云圖（單位：Pa）

正常蓄水位工況下，壩體未產生拉應力。受水壓力及揚壓力作用的影響，壩踵的大主應力數(shù)據(jù)為-0.709 MPa，相對于完建狀態(tài)之下的應力數(shù)據(jù)顯著下降。壩體的小主應力均為小于-0.24 MPa 的壓應力，應力數(shù)值相對偏低。受上游水荷載作用的影響，在上游壩基附近產生了+0.189 MPa的拉應力。

不同工況下壩體特征部位的應力見表5。