輸水工程中襯砌材料混凝土力學與抗滲性影響試驗研究

王 鵬，華 中，常 哲，陳 晶，王 曉

（淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇 漣水 223400）

水利工程中混凝土材料應用面較廣，包括水利大壩[1]、泵站工程[2]以及輸水渠道[3]等水工建筑在內，對水工結構穩定性具有舉足輕重作用。開展混凝土材料的力學特征分析，對推動水利材料應用水平提高具有重要意義；此外，混凝土材料的抗滲性亦是工程必須考慮的因素[4，5]，綜合混凝土的力學特征與滲透特性分析，工程安全設計才具有系統全面性。曹明偉[6]、朱小磊等[7]、劉璇等[8]根據混凝土材料的顆粒流特征，利用離散元仿真計算手段，建立顆粒流模型，設計開展了不同參數、不同配合比因素以及尺寸效應等影響下的力學特征試驗。顆粒流仿真計算雖效率較高，但計算結果有時過于理想化，因此對現場混凝土工程進行監測或對混凝土施工進行全方位、全周期監測分析，進而預判工程失穩前兆，具有實際意義[9，10]。通過精密室內儀器，設計開展相應的力學加載與滲透等試驗，針對試驗結果開展細致分析，可獲得配合比參數、試驗條件等因素影響下的混凝土力學變化特征[11-13]，為工程建設提供參考。本文根據蘇北擬建二級支渠U形防滲混凝土襯砌材料應用環境，考慮摻棉稈纖維含量對力學及滲透特性的耦合影響，為設計確定最優含量提供相應試驗佐證。

1 試驗概況

1.1 工程背景

為提升蘇北地區水資源調度能力，擬修建一輸水灌渠，服務地區內農業生產及生活用水，并起到防洪排澇作用。輸水工程設計全長66 km，在原有蘇北灌渠基礎上延伸，使蘇北水資源調度系統更具整體性，并兼顧多方面用水需求。該渠道是二線支渠，渠首設計流量較低，為0.5 m3/s，渠道寬度1.2～1.6 m，邊坡坡度1/4～1/3，根據靜力穩定性初步估算，渠坡抗傾覆、抗滑移系數均高于1，地震動力工況模擬計算下加速度響應最大值低于1.5 m/s2，最大應力響應值出現在樁號K1+125—K1+210 區段內，灌渠整體靜、動力穩定性較佳。為更好調度水資源，渠道設置12 座中小型水閘設施，最大設計流量128 m3/s，閘室基礎防滲性與結構穩定性均較好。經驗算，閘室結構最大拉應力約1.4 MPa、壓應力低于15 MPa，均出現在閘室底板。每座水閘均設置有擋土墻設施，厚度約1.5 m，確保渠坡土壓力不對水閘運營產生較大影響。渠道均采用U 形防滲砌塊作為主要襯砌材料。該材料是在普通混凝土配合比基礎上添加天然棉稈纖維形成的，以提升抗滲性。普通C30 混凝土抗滲等級約為P8，此類摻棉稈纖維的防滲混凝土抗滲等級最大可達P14，防滲性能較佳。但不能忽視的是，加入棉稈纖維后，在渠道運營過程中靜、動力荷載作用下，混凝土應力安全會受到影響，所以探討棉稈纖維最佳含量很有必要。根據設計，全渠道上靜水壓力最大可達6.8 MPa，自重沉降變形最大約3～4 mm，最大拉應力應控制在1.3～1.4 MPa。就淮安擬建二級輸水灌渠支渠U形混凝土砌塊開展力學與滲透特性分析，為工程材料配合比設計等提供基礎佐證。

1.2 試驗介紹

試驗采用CTR-YAW3000型混凝土材料力學試驗系統。系統包括加載系統、數據采集處理系統以及實時控制設備，如圖1 所示。系統最大荷載量程800 kN，耦合有液體滲流測試裝置，最大滲透壓20 MPa，所有荷載傳感器在使用前均已標定，精度、誤差均滿足測試要求。數據采集系統包括外接變形傳感器與內置測量設備，其中外接變形傳感器主要用于試樣軸向變形與環向變形測試，量程分別為-10～10、-15～15 mm；滲透流量測試裝置密封性較好，全程數據測試均為電測點，最大誤差不超過0.1%，數據采集間隔為0.5 s。實時控制設備包括液壓加載控制程序以及數據實時處理設備，可在試驗全過程對試樣進行力學、滲透特征監測，確保試驗過程均處于可控狀態。

圖1 CTR-YAW3000型混凝土材料力學試驗系統

本試驗主要研究對象為輸水渠道U形混凝土砌塊材料的力學與滲透特性，有針對性開展混凝土配合比中棉稈纖維含量的影響性試驗。依照砌塊實際情況，設計棉稈纖維含量為3%、6%、9%、12%、15%，三軸滲透壓統一設定為1 MPa，滲透測點均勻分布在三軸加載全過程中，每個試樣測點約10個，采用瞬態法測試混凝土滲透率，圍壓設定為5、10、15、20 MPa，配合比參數中僅改變棉稈纖維含量，其他砂率、水膠比等參數均保持一致，且與主渠道U 形砌塊C35 混凝土配合比參數一致，所制出樣品均按照室內力學試驗規程進行精加工、打磨，試驗前放入養護箱內養護24 h，所有試樣均為圓柱形，直徑、高度均為50/100mm。各組具體試驗參數，詳見表1。

表1 各組試樣試驗參數

2 混凝土力學特征分析

2.1 圍壓影響

根據不同圍壓下混凝土力學試驗數據，獲得圍壓影響下混凝土應力應變特征，如圖2所示。

圖2 圍壓影響下混凝土應力應變特征

從圖2 可知，圍壓愈大，混凝土試樣承載應力水平愈高，棉稈纖維含量3%試驗組中，圍壓5 MPa 下峰值應力為52.4 MPa，而圍壓10、20 MPa 下峰值應力較前者分別上升了69.3%、2.53 倍，整體上看圍壓提升5 MPa，可促進峰值應力提升約53.1%。當混凝土配合比中棉稈纖維含量增大至12%后，圍壓對試樣依然具有強力促進效應，雖整體上加載應力水平低于含量3%試驗組，但圍壓每增大5 MPa，混凝土試樣峰值應力增幅依然可達到50.6%，表明棉稈纖維成分增加雖可削弱混凝土試樣整體承載應力水平，但圍壓對混凝土強度促進效應并不受其影響。從變形特征變化可看出，圍壓愈大試樣變形模量愈大。以線彈性模量為例，在棉稈纖維含量3%、圍壓5 MPa 下的試樣線彈性模量為161.8 MPa，而同一試驗組中圍壓10、20 MPa 試樣的線彈性模量較前者分別上升了40.6%、132.3%，表明圍壓可提升混凝土線彈性變形能力，這與圍壓可限制裂紋擴展的作用有關，宏觀大裂紋延伸受限，對其內部線彈性變形具有一定促進作用。對比不同圍壓試樣的峰值應變可知，在圖2（b）中圍壓5～20 MPa 下的4 個試樣峰值應變分別為0.42%、0.51%、0.64%、0.77%，即圍壓可提升混凝土峰值應變參數。總之，圍壓對混凝土力學特征均具有促進效應，輸水灌渠工程設計襯砌結構時應考慮不同靜水壓力工況下U形混凝土砌塊的力學穩定性，配置相應含量的摻棉稈纖維砌塊。

2.2 棉稈纖維含量影響

對不同棉稈纖維含量混凝土試樣力學數據進行處理，獲得棉稈纖維含量影響下混凝土應力應變特征，如圖3所示。

圖3 棉稈纖維含量影響下混凝土應力應變特征

從圖3 可知，棉稈纖維含量愈多則加載應力水平愈低，圍壓5 MPa下棉稈纖維含量6%試樣的峰值應力為55 MPa，而含量9%、15%試樣峰值應力較前者分別下降了4.7%、40.1%。圍壓5 MPa 下棉稈纖維含量增加3%，峰值應力降低12.7%，且峰值應力降幅在纖維含量9%后顯著加大，纖維含量9%試樣相比含量3%、6%試樣峰值應力分別降低了9.3%、4.7%，而含量12%、15%試樣峰值應力較之含量9%又分別降低了21.2%、37.1%，降幅主要集中在含量9%～15%區間內。圍壓5、20 MPa下纖維含量在3%～9%區間內，平均降幅分別為4.8%、2.9%；而在區間9%～15%內，降幅可達20.7%、17.9%。由此表明，控制纖維含量在適宜值時可保證工程設計可靠性。

另一方面，纖維含量對混凝土試樣應變特征亦有顯著影響，線彈性模量與纖維含量為負相關，圍壓5 MPa 下棉稈纖維含量9%、15%試樣的線彈性模量較含量3%分別下降20.5%、63%，線彈性模量隨纖維含量增長平均降幅約21%。峰值應變隨纖維含量增長呈增大趨勢，圍壓20 MPa 下棉稈纖維含量3%、6%、9%、15%試樣的峰值應變分別為0.48%、0.55%、0.62%、0.93%，這與棉稈纖維自身較強塑性變形能力有關，摻入愈多棉稈纖維后其峰值應變遞增。

2.3 抗剪特征參數變化

各試驗組中混凝土抗剪特征參數變化關系，如圖4所示。從圖4可知，棉稈纖維含量愈高則混凝土的抗剪特征參數愈小，抗剪特征參數與棉稈纖維含量具有線性函數關系；棉稈纖維含量3%下粘聚力、內摩擦角特征參數分別為3.6 MPa、65.3°，而含量9%、15%時粘聚力分別下降8.3%、15%；從整體降幅可知，棉稈纖維含量增大3%，抗剪特征參數降幅分別為4%、11.6%，以內摩擦角參數變化最為敏感。分析認為，棉稈纖維作為一種塑性變形較強、強度較弱的材料，其纖維網具有致密性，但承載性能較差，在混凝土內部是軟弱面[14，15]，抗剪特征參數隨之遞減；在摻有棉稈纖維的混凝土顆粒骨架中，顆粒咬合、摩擦性均會受棉稈纖維含量影響，而棉稈纖維雖然承載能力較小，但仍具有一定粘結性，故內摩擦角的敏感性變化高于粘聚力參數。

圖4 混凝土抗剪特征參數變化關系

3 混凝土滲透特性分析

在三軸加載全過程進行混凝土滲透率測試，獲得不同試驗圍壓及棉稈纖維含量下的試樣滲透率變化特征，如圖5所示。

圖5 試樣滲透率變化特征

從圖5可知，滲透率在加載過程中變化呈“降低—陡升—平穩”階段性：降低階段主要受混凝土初始荷載壓密影響，內部滲透通道閉合，導致滲透率降低，在纖維含量9%試驗組中，圍壓10 MPa下該階段滲透率降幅達92.8%；當加載應力遞增、超過最大壓密點后，試樣滲透率升高，此階段與混凝土內部損傷裂紋產生有關，裂紋的延伸有助于滲透通道的形成，進而促使滲透率增大[16，17]，同樣纖維含量9%試樣，在圍壓10 MPa下該階段各測點間最大增幅可達6 倍；后隨試樣失穩破壞，加載過程進入殘余應力階段，此時試樣內部滲透通道完全形成，滲透狀態基本穩定，故滲透率變化波動幅度較小，最終穩定在1.1×10-14m2。

對比不同圍壓影響下滲透率水平可知，圍壓愈大滲透率愈低，圍壓5、10、20 MPa 下試樣最終滲透率分別穩定在 4.78×10-14、1.1×10-14、2.1×10-16m2，彼此間幅度差異最大可達2 個量級，表明圍壓對滲透率抑制作用較為顯著。而對比纖維含量對混凝土滲透率影響可知，棉稈纖維含量與滲透率水平具有負相關關系，棉稈纖維含量3%試樣在初始測點滲透率為6.53×10-14m2，而含量9%、15%試樣同一測點滲透率較前者分別降低了95.8%、100.2%，表明摻加棉稈纖維有利于提升混凝土防滲等級，棉稈纖維成分的存在可形成一張“防滲網”，確保混凝土內部孔隙無法形成滲透通道，有利于輸水灌渠防滲。從混凝土防滲性與力學穩定性綜合考量，棉稈纖維含量在9%時，加載全過程滲透率已基本達到10-15m2級別。在追求混凝土防滲性基礎上，同時確保混凝土強度不致受影響過大，棉稈纖維含量9%時更適合于輸水灌渠U形混凝土襯砌材料。

4 結論

（1）圍壓可促進混凝土強度、變形模量、峰值應變參數發展，在棉稈纖維含量3%、15%下，圍壓增大5 MPa 混凝土強度漲幅約53.1%，而圍壓20 MPa 下相比圍壓5 MPa下線彈性模量增大了132.3%。

（2）棉稈纖維含量愈多，混凝土承載強度與線彈性模量均愈低，但峰值應變隨之增大；強度降幅在纖維含量9%后更顯著，圍壓5 MPa下纖維含量在3%～9%、9%～15% 區間內峰值應力平均降幅分別為4.8%、20.7%。

（3）抗剪特征參數與棉稈纖維含量具有線性函數關系，纖維含量增大3%抗剪特征參數平均降幅分別為4%、11.6%，以內摩擦角受棉稈纖維含量影響更為敏感。

（4）加載全過程混凝土滲透率呈“降低—陡升—平穩”變化；圍壓抑制滲透率水平，差幅可達2 個量級；棉稈纖維含量愈多滲透率水平愈低，初始測點含量9%、15%試樣滲透率較含量3%下分別降低了95.8%、100.2%；綜合混凝土防滲性與力學穩定性，纖維含量9%時更合理。