雙江口水電站人工骨料原巖物理力學(xué)特性及骨料性能試驗(yàn)研究

李 靜， 袁國(guó)慶

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072)

1 概述

雙江口水電站壩址河谷狹窄，泄洪、放空建筑物泄洪最大水頭約250m，洞內(nèi)流速高、下泄流量大，洞式溢洪道最大流速約46m/s，深孔泄洪洞最大流速約40m/s，豎井泄洪洞最大流速約32 m/s，放空洞最大流速約40m/s，樞紐的泄洪流量達(dá)8086m3/s。具有“窄河谷、高水頭、高流速、大泄量”的特點(diǎn)。高壩泄洪時(shí)，高速挾沙水流對(duì)泄水建筑物表面會(huì)造成空蝕和沖磨損破壞，破壞程度與水流和泥沙條件，如流速、流量、水流中的含沙量、泥沙粒徑、顆粒形狀及硬度等有關(guān)，也取決于建筑物表面材料的抗蝕、抗沖磨性能。因此，該工程在對(duì)河口料場(chǎng)、飛水巖料場(chǎng)和色龍溝料場(chǎng)不同人工骨料原巖物理力學(xué)性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)、粗骨料性能、抗磨耗試驗(yàn)研究，進(jìn)而優(yōu)選出了最佳的骨料料源。

2 料場(chǎng)概況及原巖性能指標(biāo)

河口料場(chǎng)位于壩址上游約1km的腳木足河與綽斯甲河匯合口，兩河所夾的條形山脊為近壩上游一主要石料場(chǎng)。綽斯甲河側(cè)地形較陡，地形坡度約55°，腳木足河側(cè)地形坡度稍緩，約44°，坡腳發(fā)育狹長(zhǎng)階地。該石料場(chǎng)基巖多裸露，基巖巖性主要為變質(zhì)砂巖夾板巖、千枚巖捕擄體，次為偉晶巖和燕山晚期中細(xì)粒二云二長(zhǎng)花崗巖，受火成巖體侵入和地質(zhì)構(gòu)造影響巖體擠壓變形明顯，巖層產(chǎn)狀變化較大，總體產(chǎn)狀為N10°E ～ N22°W/NW(SW)∠72°～84°。

飛水巖石料場(chǎng)位于壩址下游約1～2km的大渡河左岸S211省道旁、飛水巖溝的下游側(cè)，交通方便，為近壩下游的主料場(chǎng)。該料場(chǎng)分布高程約2350～2700m，地形坡度35°～45°，巖性為燕山早期似斑狀黑云鉀長(zhǎng)花崗巖，穿插偉晶巖脈(約占3% ～8%)。2380m高程以上多分布厚約15～30m的崩坡積層，后緣地形坡度較陡，約 65°～80°。

色龍溝料場(chǎng)位于壩址下游約196km的色龍溝溝口上游側(cè)，山體兩面臨空，分布高程1750～2000m，地形坡度45°～55°。地表基巖大多裸露，局部覆蓋坡殘積堆積物、崩塌堆積物，推測(cè)厚度為3～5m，局部可達(dá)8～10m，為剝離層。巖性為泥盆系薄～中厚層狀變質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾絹云母鈣質(zhì)石英片巖，巖層產(chǎn)狀為N45°E/NW∠55°。

對(duì)各料場(chǎng)原巖進(jìn)行的礦化分析表明:飛水巖花崗巖和河口變質(zhì)砂巖含量均以SiO2為主，最低含量均超過(guò)50%，Al2O3含量次之，平均含量在10%以上，其它化學(xué)成分以CaO、Fe2O3為主，但總體含量較少。色龍溝料場(chǎng)巖石化學(xué)成分以CaO為主，其次為SiO2和MgO，其燒失量在30．23% ～39．16%之間，結(jié)合磨片鑒定結(jié)果，表明其主要組成為白云石。

原巖性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。表1中累計(jì)了各個(gè)料場(chǎng)取樣的原巖試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表1 原巖礦化分析結(jié)果平均值匯總表

表2 原巖試驗(yàn)結(jié)果平均值匯總表

從表2可以看出，各原巖的天然密度、干密度、飽和密度等指標(biāo)相差很小，但不同巖性之間差別較大，其中色龍溝料場(chǎng)白云質(zhì)灰?guī)r指標(biāo)最大，飛水巖料場(chǎng)花崗巖指標(biāo)最小。各料場(chǎng)原巖平均含水率為0．1% ～0．17%、飽和吸水率為0．22% ～0．47%、軟化系數(shù)為 0．75 ～0．8，較為適中，各原巖的平均凍融損失率為0．02% ～1．76%，較小。飛水巖花崗巖干抗壓強(qiáng)度平均值為105 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為83MPa;河口變質(zhì)砂巖的干抗壓強(qiáng)度平均值為102MPa，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為80．9MPa;色龍溝白云質(zhì)灰?guī)r干抗壓強(qiáng)度平均值為122．96MPa，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為 92．33MPa。

各料場(chǎng)原巖的飽和抗壓強(qiáng)度均大于40MPa，凍融重量損失低于1%，SO3含量低于0．5%，均滿(mǎn)足規(guī)范《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》DL/T5388-2007要求。相對(duì)而言，色龍溝白云質(zhì)灰?guī)r的各項(xiàng)指標(biāo)均略?xún)?yōu)于其他兩種巖石。

依據(jù)《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5151-2001)中巖石堿活性的檢測(cè)方法，采用化學(xué)法、砂漿長(zhǎng)度法、砂漿棒快速法、混凝土凝柱體法對(duì)各料場(chǎng)巖石進(jìn)行了堿活性的檢測(cè)，均為非活性骨料。

3 人工細(xì)骨料性能指標(biāo)

人工細(xì)骨料加工均采用XMBL-77型溢流式棒磨機(jī)室內(nèi)加工，采用相同的工藝對(duì)各料場(chǎng)巖石人工細(xì)骨料進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)。細(xì)骨料試驗(yàn)按照《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5151-2001進(jìn)行，并按照《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》DL/T5388-2007和《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 人工細(xì)骨料物理性能試驗(yàn)結(jié)果平均值匯總表

從表3可以看出，各料場(chǎng)的人工細(xì)骨料的表觀密度、表干密度、飽和吸水率、堅(jiān)固性、平均粒徑和云母含量均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，但堆積密度、空隙率、細(xì)度模數(shù)和石粉含量都出現(xiàn)了沒(méi)有達(dá)到或突破規(guī)范推薦范圍的情況。松散堆積密度較低，空隙率較高，其原因?yàn)槭覂?nèi)加工的細(xì)骨料形狀差異較大，《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2001)沒(méi)有對(duì)空隙率和堆積密度作要求或規(guī)定，說(shuō)明這兩項(xiàng)指標(biāo)可以在施工時(shí)選擇優(yōu)良的機(jī)械設(shè)備得到改善。河口料場(chǎng)平均細(xì)度模數(shù)為2．33，石粉含量為27．2%，超出了規(guī)范要求，這對(duì)骨料的開(kāi)發(fā)使用不利。色龍溝料場(chǎng)石粉含量最低，其平均值為11．9%，而細(xì)度模數(shù)最高，平均值為2．85。在實(shí)際施工生產(chǎn)中，通過(guò)選用制砂設(shè)備并調(diào)整生產(chǎn)工藝，可以獲得滿(mǎn)足施工規(guī)范要求的人工細(xì)骨料。

4 人工粗骨料性能指標(biāo)

人工粗骨料采用PE250×150型顎式破碎機(jī)和600×400復(fù)擺型顎式破碎機(jī)破碎軋制塊石后，經(jīng)室內(nèi)人工篩分分級(jí)成四個(gè)級(jí)配的人工粗骨料并進(jìn)行了基本性能試驗(yàn)。試驗(yàn)按照《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5151-2001進(jìn)行，并按照《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》DL/T5388-2007和《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。不同料場(chǎng)粗骨料試驗(yàn)結(jié)果平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 人工粗骨料物理性能試驗(yàn)結(jié)果平均值匯總表

從表4可以看出，各料場(chǎng)人工粗骨料堆積密度、空隙率相對(duì)較大，已經(jīng)超出了《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》DL/T5388-2007的要求，其原因是室內(nèi)加工的粗骨料形狀差異較大，《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001沒(méi)有對(duì)空隙率和堆積密度作出要求或規(guī)定，說(shuō)明這兩項(xiàng)指標(biāo)可以在施工時(shí)選擇優(yōu)良的機(jī)械設(shè)備得到改善。

《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001對(duì)壓碎指標(biāo)的規(guī)定與說(shuō)明:(1)壓碎指標(biāo)值是碎石或卵石抵抗壓碎的能力。碎石和卵石的壓碎指標(biāo)是根據(jù)近十多年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并參考國(guó)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂的，我國(guó)大部分地區(qū)的粗骨料可以滿(mǎn)足要求。碎石和卵石的壓碎值與混凝土強(qiáng)度等級(jí)之間的關(guān)系較為復(fù)雜，目前還沒(méi)有獲得足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值(表5)可以作為一般的控制值。(2)對(duì)于深成的火成巖和變質(zhì)巖，當(dāng)其壓碎指標(biāo)不大于12%時(shí)，可以用于配制C9040～C9055標(biāo)號(hào)的混凝土;當(dāng)其壓碎指標(biāo)不大于20%時(shí)，可以用其配制C9035及以下標(biāo)號(hào)的混凝土。

表5 粗骨料壓碎指標(biāo)表

從三個(gè)料場(chǎng)骨料的壓碎指標(biāo)看，河口料場(chǎng)、飛水巖料場(chǎng)的骨料多處于12% ～20%之間，按照《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001要求，可以用于配制C9035及以下的混凝土，而不宜用于配制C9040～C9055標(biāo)號(hào)的混凝土，色龍溝料場(chǎng)骨料壓碎指標(biāo)為6%，可以滿(mǎn)足配置C9040～C9055標(biāo)號(hào)混凝土的要求。

5 人工骨料抗磨耗試驗(yàn)

試驗(yàn)采用室內(nèi)小型球磨機(jī)，按《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5151—2001規(guī)定的骨料試驗(yàn)級(jí)配進(jìn)行，各料場(chǎng)相同級(jí)配骨料相同轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)磨耗率的平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 人工骨料磨耗試驗(yàn)結(jié)果平均值匯總表

從表6可以看出，河口料場(chǎng)和雙江口料場(chǎng)各個(gè)級(jí)配磨損率均超過(guò)規(guī)程的要求，表明兩個(gè)料場(chǎng)骨料的抗磨損能力均較差。色龍溝料場(chǎng)a、b、c級(jí)配的人工粗骨料在200轉(zhuǎn)和1000轉(zhuǎn)時(shí)，磨耗率均滿(mǎn)足規(guī)程要求。對(duì)于A、B、C、D級(jí)配粗骨料100轉(zhuǎn)的磨耗率也僅是C、D級(jí)配的磨耗率超過(guò)規(guī)程要求，其余磨耗率均滿(mǎn)足規(guī)程要求。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)三個(gè)料場(chǎng)原巖性能指標(biāo)和粗、細(xì)骨料性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足配制C9035及以下的混凝土;

(2)從骨料的壓碎指標(biāo)看，色龍溝料場(chǎng)骨料可滿(mǎn)足配制C9040～C9055標(biāo)號(hào)的混凝土，河口料場(chǎng)和飛水巖料場(chǎng)骨料均不滿(mǎn)足配制高標(biāo)號(hào)混凝土的要求，故可針對(duì)這兩種骨料進(jìn)行高標(biāo)號(hào)混凝土的試驗(yàn)研究;

(3)從骨料的抗磨耗指標(biāo)看，色龍溝料場(chǎng)骨料滿(mǎn)足規(guī)程要求，河口料場(chǎng)和飛水巖料場(chǎng)骨料均不滿(mǎn)足規(guī)程要求，故可針對(duì)這兩種骨料進(jìn)行改性沖磨混凝土試驗(yàn)研究。

［1］ 水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程，DL/T5388-2007［S］．

［2］ 水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程，DL/T5151-2001［S］．

［3］ 水工混凝土施工規(guī)范，DL/T5144-2001［S］．