彭水水電站碾壓混凝土原位抗剪試驗(yàn)研究

周 浪，陳國(guó)勝，王曉軍

（1.重慶大唐國(guó)際武隆水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 409600；2.長(zhǎng)江科學(xué)院材料結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010）

彭水水電站碾壓混凝土原位抗剪試驗(yàn)研究

周 浪1，陳國(guó)勝1，王曉軍2

（1.重慶大唐國(guó)際武隆水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 409600；2.長(zhǎng)江科學(xué)院材料結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010）

碾壓混凝土層面結(jié)合的優(yōu)劣將直接影響碾壓混凝土壩體的安全運(yùn)行，而層間間隔時(shí)間及不同層面處理方式則是控制層面結(jié)合的關(guān)鍵所在。通過(guò)研究碾壓混凝土不同的層間間隔時(shí)間、不同層面處理方式，對(duì)碾壓混凝土層面結(jié)合處抗剪斷特性的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示：①盡可能縮短碾壓混凝土層間間隔時(shí)間是保證RCC層面結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵。②為使上下層混凝土成為一體，此時(shí)層面不處理，直接鋪筑碾壓。③提出了RCC初凝后終凝前和終凝后的層面處理方式。為彭水電電站碾壓混凝土重力壩施工提供了重要的參考依據(jù)。

彭水水電站；碾壓混凝土；層間間隔時(shí)間；層面處理方式；抗剪斷特性

1 概 述

彭水水電站位于烏江下游河段，彭水縣城上游，距彭水縣城11 km，距河口涪陵147 km。彭水水電站為碾壓混凝土弧形重力壩，壩頂高程301.5 m，最大壩高116.5 m，是烏江干流水電開(kāi)發(fā)的第10個(gè)梯級(jí)電站。工程以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、防洪等綜合利用。正常蓄水位293m，相應(yīng)庫(kù)容為14.44億m3。電站裝機(jī)5臺(tái)，單機(jī)容量350 MW，總裝機(jī)1 750 MW。

碾壓混凝土作為一種振動(dòng)壓實(shí)的干硬性材料，由于具有可以大倉(cāng)面快速施工、減少水泥用量、簡(jiǎn)化溫控措施等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是，碾壓混凝土層間缺陷直接影響壩體的整體性，從而大大減弱壩體的防滲性能，更甚者可能影響大壩的安全運(yùn)行。要確保層面的結(jié)合質(zhì)量，主要是控制好層面的層間間隔時(shí)間和采用合理的層面處理方式。

大壩碾壓混凝土的碾壓工藝試驗(yàn)及原位抗剪試驗(yàn)在彭水水電站替溪溝渣場(chǎng)試驗(yàn)塊上進(jìn)行。試驗(yàn)塊的平面尺寸為長(zhǎng)32 m、寬16 m，試驗(yàn)塊高度方向分6層，底層為找平混凝土，1～6層為碾壓混凝土，原位抗剪試驗(yàn)布置在試驗(yàn)塊的第5和第6層（頂層）。

2 碾壓混凝土原材料及配合比

2.1 原材料

試驗(yàn)用水泥為華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5MPa中熱硅酸鹽水泥，試驗(yàn)用粉煤灰為重慶珞璜電廠I級(jí)粉煤灰，外加劑為江蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的JM-II（c）緩凝高效減水劑及JM-2000引氣劑，碾壓混凝土工藝性試驗(yàn)采用的砂石骨料為彭水鴨公溪砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的以灰?guī)r為母巖的人工砂石骨料。

2.2 碾壓混凝土配合比

本次工藝性試驗(yàn)主要針對(duì)彭水水電站大壩C9020，C9015碾壓混凝土進(jìn)行，試驗(yàn)所用的配合比是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)［1］及本工程碾壓混凝土設(shè)計(jì)要求擬定的，配合比參數(shù)如表1所示。

2.3 砂漿（凈漿）配合比

碾壓混凝土層面結(jié)合所用的砂漿和凈漿配合比見(jiàn)表2。

表1 碾壓混凝土工藝性試驗(yàn)施工配合比［1］Table 1 Mix proportion of RCC for Penshui Hydropower Station

表2 碾壓混凝土層面結(jié)合用砂漿（凈漿）配合比［1］Table 2 Mortarmix proportion used in connection of layer surface of RCC

3 碾壓混凝土原位抗剪試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)布置與試件制作

3.1.1 試驗(yàn)布置

原位抗剪試驗(yàn)布置在試驗(yàn)塊的第5和第6層（頂層），以第5層為基層，頂層布置4個(gè)條帶16個(gè)試驗(yàn)區(qū)，安排16組不同級(jí)配、不同間隔時(shí)間和層面處理方法的原位抗剪試驗(yàn)。間隔時(shí)間的確定以碾壓混凝土在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下的凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下，摻0.6%JM-II（c），C15碾壓混凝土的初凝時(shí)間約6 h，終凝時(shí)間約28 h。

每組原位抗剪試驗(yàn)布置5個(gè)試件，以滿足5級(jí)不同法向應(yīng)力的試驗(yàn)要求。試驗(yàn)塊的碾壓混凝土品種、間隔時(shí)間和層面處理方法見(jiàn)表3。

表3 各試驗(yàn)區(qū)的碾壓混凝土品種、間隔時(shí)間和層面處理方法對(duì)照表Table 3 Variety，time interval and layer surface treatmentway of RCC for every test region

3.1.2 試驗(yàn)制作

碾壓混凝土養(yǎng)護(hù)至90 d齡期的前30 d開(kāi)始制作原位抗剪試件。試件制作按放樣、切割、開(kāi)挖、細(xì)鑿加工的程序進(jìn)行，試件尺寸為50 cm×50 cm，高度約30 cm，試件底部以層面控制，試件頂部用砂漿找平，以滿足法向加荷的需要。共制作16組80個(gè)原位抗剪試件。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

原位抗剪試驗(yàn)設(shè)備主要有3個(gè)系統(tǒng)組成，包括垂直反力系統(tǒng)、水平加載及傳力系統(tǒng)和位移測(cè)量系統(tǒng)，見(jiàn)圖1所示。

圖1 原位抗剪試驗(yàn)設(shè)備與安裝示意圖Fig.1 Sketch of equipment and installation of in-site shear test

原位抗剪試驗(yàn)按照SL48-94《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》及SL264-2001《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行。采用平推法，推力方向與層面平行且與振動(dòng)碾壓方向垂直。每組5塊試件，試驗(yàn)最大法向應(yīng)力按彭水大壩設(shè)計(jì)最大正應(yīng)力的1.2倍計(jì)算，取3.5 MPa，分0.7 MPa，1.4 MPa，2.1 MPa，2.8 MPa和3.5 MPa 5個(gè)等級(jí)［2］。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 不同層間間隔時(shí)間碾壓混凝土層面抗剪斷

特性

根據(jù)試驗(yàn)塊澆筑時(shí)段彭水工地室外碾壓混凝土凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果，分3個(gè)時(shí)間段，間隔時(shí)間在6 h以內(nèi)，碾壓混凝土尚未初凝，層間結(jié)合縫屬于所謂的“熱縫”［3］，屬第1時(shí)間段；間隔時(shí)間為8 h、12 h、18 h和26 h時(shí)，碾壓混凝土處于初凝后終凝前的階段，層間結(jié)合縫屬于所謂的“溫縫”［3］，屬第2時(shí)間段；間隔時(shí)間為45～48 h時(shí)，碾壓混凝土已經(jīng)終凝，層間結(jié)合屬于“冷縫”，屬第3時(shí)間段。不同時(shí)間段碾壓混凝土層面現(xiàn)場(chǎng)原位抗剪結(jié)果見(jiàn)表4。

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)垂直正應(yīng)力δ＝2.8 MPa時(shí)，隨著層間間隔時(shí)間的延長(zhǎng)即由3 h到48 h，碾壓混凝土的極限抗剪強(qiáng)度即最大剪應(yīng)力由7.09 MPa逐漸降至3.27 MPa；也就是說(shuō)，對(duì)于有層面碾壓混凝土，按目前的施工工藝，層面不論采取何種處理方式，其層間極限抗剪強(qiáng)度均隨層間間隔時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。因此，盡可能縮短碾壓混凝土層間間隔時(shí)間，保持現(xiàn)場(chǎng)施工的延續(xù)性，盡可能減少層間“溫縫”或“冷縫”，是保證碾壓混凝土層面結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵。

表4 RCC現(xiàn)場(chǎng)原位抗剪試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of RCC shear test in site

3.3.2 采用不同層間處理方式的碾壓混凝土層面抗剪斷特性

碾壓混凝土常用的層間處理方式主要包括以下幾種：在鋪筑上層混凝土以前，在層面上鋪一層膠凝材料凈漿、砂漿、細(xì)骨料混凝土等；層面本身分為沖毛和不沖毛處理2種情況。本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究了4種不同層間處理方式，即層面不處理、層間鋪砂漿、層間鋪凈漿、層面沖毛鋪砂漿。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

試驗(yàn)研究表明：

（1）由于層間間隔時(shí)間的不同，采用上述各種處理方式所得的層間碾壓混凝土的抗剪斷強(qiáng)度是不同的；

（2）碾壓混凝土初凝前（第1時(shí)間段），也就是層間間隔時(shí)間在6 h以內(nèi)，層面不處理比層面鋪凈漿，其最大剪應(yīng)力τ（δ＝2.8 MPa）和摩擦系數(shù)f＇分別提高9.8%和1.4%（圖2、圖3所示）。也就是說(shuō)，在正常施工條件下，根據(jù)澆筑強(qiáng)度及適宜的碾壓機(jī)械，并選用合適的優(yōu)質(zhì)外加劑，碾壓混凝土層間間隔時(shí)間只要在碾壓混凝土初凝時(shí)間以內(nèi)，在下層混凝土上直接鋪筑上層混凝土，在振動(dòng)碾壓作用下，上下層混凝土交界處的粗骨料將相互嵌入，層面處膠凝材料漿受振液化使上下層混凝土成為一體，此時(shí)施工層面性能與碾壓混凝土本體性能差別不大，也就是說(shuō)，下層碾壓混凝土在初凝前具有觸變復(fù)原的性能，此時(shí)層面不處理直接鋪筑碾壓比較適宜；

表5 不同層間處理方式RCC現(xiàn)場(chǎng)原位抗剪特性參數(shù)Table 5 Character parameters of in-situ RCC shear test with different layer-built treatmentmanners

圖2 最大剪應(yīng)力與層間處理方式的關(guān)系Fig.2 Relation between maximum shear stress and layer-built treatmentmanner

圖3 摩擦系數(shù)與層間處理方式的關(guān)系Fig.3 Relationship between friction coefficient and layer-built treatmentmanner

（3）碾壓混凝土初凝后終凝前（第2時(shí)間段），也就是層間間隔時(shí)間在6～26 h之間，最大剪應(yīng)力τ和粘聚力c＇為層面不處理鋪凈漿時(shí)，其值最大；摩擦系數(shù)f＇為層面不處理鋪砂漿時(shí)，其值最大（如圖2、圖3所示）。

f＇與c＇是混凝土壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算的2個(gè)重要參數(shù)，其值越大，壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)越高。單從試驗(yàn)結(jié)果看，不能簡(jiǎn)單地判定鋪砂漿和鋪凈漿哪一種方式對(duì)層面結(jié)合有利，而必須針對(duì)具體情況具體分析。從碾壓混凝土層面的膠結(jié)機(jī)理方面分析，碾壓混凝土的上下層間必須通過(guò)上下層物料間的膠結(jié)作用以及上下層粗細(xì)骨料間的有效咬合以保證其層面結(jié)合強(qiáng)度。從作為膠凝材料這一目的看，膠凝材料凈漿的膠結(jié)作用要比水泥砂漿強(qiáng)；而從碾壓混凝土的壓實(shí)機(jī)理方面分析，考慮到混凝土拌和料的攤鋪和壓實(shí)過(guò)程中不可避免出現(xiàn)在層面上的架空現(xiàn)象，顯然鋪砂漿更有利于防止骨料層面上的架空，因此從這個(gè)角度看，鋪砂漿比鋪凈漿更有利。層面沖毛鋪砂漿，摩擦系數(shù)f＇與前2種方式相比，其值下降約20%左右；最大剪應(yīng)力τ（δ＝2.8 MPa）值下降約18%左右，這可能與此時(shí)碾壓混凝土尚未終凝、沖毛時(shí)強(qiáng)度較低，混凝土表層結(jié)構(gòu)受損形成薄弱層有關(guān)。

因此，從提高層面結(jié)合質(zhì)量、便于施工控制等多方面考慮，在碾壓混凝土初凝后終凝前，建議優(yōu)先選用層面不處理鋪凈漿的處理方式。

（4）碾壓混凝土終凝后（第3時(shí)間段），層間間隔時(shí)間在45～48 h之間，比較層面沖毛鋪砂漿與層面不處理鋪砂漿2種處理方式（表4、表5所示），前者最大剪應(yīng)力τ（δ＝2.8 MPa）、摩擦系數(shù)f＇、粘聚力c＇分別比后者提高20.8%，28.9%，5.7%，說(shuō)明碾壓混凝土終凝后必須對(duì)層面進(jìn)行處理，以提高其粘結(jié)強(qiáng)度。

碾壓混凝土終凝后，本身具有一定的強(qiáng)度，此時(shí)對(duì)層面進(jìn)行沖毛（鑿毛）處理，一般不會(huì)破壞混凝土的結(jié)構(gòu)。沖毛（鑿毛）處理的層面，混凝土表面具有0.5～1.0 cm的不平整度，為防止上層混凝土拌和料中的骨料在層面架空或骨料與已凝結(jié)的水泥石直接接觸，在沖毛（鑿毛）處理的層面上鋪一層1.5～2.0 cm厚度的砂漿，通過(guò)振動(dòng)碾壓作用，使上層混凝土骨料有效地嵌入下層混凝土中，相互咬合，增大膠結(jié)面積，使上下層混凝土盡可能地融為一體，從而最終提高層面粘接強(qiáng)度。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）對(duì)于有層面碾壓混凝土，按目前的施工工藝，層面不論采取何種處理方式，其層間極限抗剪強(qiáng)度均隨層間間隔時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，因此，盡可能縮短碾壓混凝土層間間隔時(shí)間，保持現(xiàn)場(chǎng)施工的延續(xù)性，盡可能減少層間“溫縫”或“冷縫”，是保證碾壓混凝土層面結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵。

（2）碾壓混凝土初凝前，下層碾壓混凝土仍然具有觸變復(fù)原的性能，在振動(dòng)碾壓作用下，上下層混凝土交界處的粗骨料將相互嵌入，層面處膠凝材料漿受振動(dòng)液化作用，能使上下層混凝土成為一體，此時(shí)層面不處理直接鋪筑碾壓比較適宜。

（3）碾壓混凝土初凝后終凝前，從提高層面結(jié)合質(zhì)量、便于施工控制等多方面考慮，建議優(yōu)先選用層面不處理鋪凈漿的處理方式。

（4）碾壓混凝土終凝后，為防止上層混凝土拌和料中的骨料在層面架空或骨料與已凝結(jié)的水泥石的直接接觸，在沖毛（鑿毛）處理的層面上鋪一層1.5～2.0 cm厚度的砂漿，通過(guò)碾壓作用，使上層混凝土骨料有效地嵌入下層混凝土中，相互咬合，增大膠結(jié)面積，使上下層混凝土盡可能地融為一體，從而最終提高層面粘接強(qiáng)度。

［1］ 王迎春，蔡勝華，楊華全.彭水水電站混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2006.

［2］ SL264-2001，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［3］ 肖煥雄，盧文波，胡志根，等.龍灘碾壓混凝土重力壩層面處理措施研究［J］.紅水河，2002，21（4）：26-29，37.

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Research on In-situ Shear Test of RCC for Pengshui Hydropower Station

ZHOU Lang1，CHEN Guo-sheng1，WANG Xiao-jun2
（1.Chongqing Datang InternationalWulong Hydropower Development.Co.Ltd，Wulong Chongqing 408506，China；2.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Joint quality between two layers in RCC（roller compacted concrete）has direct effect on the safety

of RCC dam，and the different time intervals between two layers roller compact and the different layers surface treatment are the key of connection.This paper discusses the influence of the different time intervals of two-layer roller compact and the different layer surface treatmenton shear properties of combination between RCC layers.The results show that：①shortening the time interval of two-layer roller compact asmuch as possible is the key to ensure the RCC quality of two-layer surface connection；②each layer surface doesn’tneed treatment，on which one may directly pour so as tomake RCC into an unity；③some treatmentmanners of layer surface in the period between early setting and final setting and after final setting are proposed.The finding provides important basis for RCC dam construction of Pengshui Hydropower Station.

Pengshui Hydropower Station；roller compacted concrete（RCC）；time interval of two-layer roller compact；layer surface treatment；shear property

TV431

A

1001-5485（2009）08-0076-04

2008-11-03；

2008-12-24

周 浪（1974-），男，重慶潼南人，工程師，主要從事水電建設(shè)技術(shù)及管理工作，（電話）023-77742570（電子信箱）zhoulang1025＠163.com。