守口堡水庫膠凝砂礫石之砂率試驗研究

李記明 史小波

(1.山西省水利水電科學研究院， 山西 太原 030002；2.山西省水利建筑工程局中心試驗室， 山西 太原 030031)

守口堡水庫膠凝砂礫石之砂率試驗研究

李記明1史小波2

(1.山西省水利水電科學研究院， 山西 太原 030002；2.山西省水利建筑工程局中心試驗室， 山西 太原 030031)

膠凝砂礫石筑壩技術(shù)是一種新型筑壩技術(shù)，本文通過守口堡水庫施工現(xiàn)場砂礫石料的實地調(diào)查、試驗，對現(xiàn)場砂礫石料顆粒分布情況進行了初步分析，并通過室內(nèi)試驗，論述了砂礫石的砂率對膠凝砂礫石強度的影響，提出合理化的建議。

膠凝砂礫石； 砂率試驗； 研究

膠凝砂礫石壩是介于混凝土壩和散粒料壩中間的一種壩型，屬于膠結(jié)顆粒壩的一種，是在面板壩和碾壓混凝土重力壩基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型筑壩技術(shù),其特點是采用膠凝材料和砂礫石材料拌和筑壩，使用高效率的土石方運輸機械和壓實機械施工，施工工藝簡單、速度快，水泥用量少，可充分利用當?shù)刂尾牧?，使廢棄料大大減少，材料運輸量也大為減少，不僅大幅節(jié)約成本，而且降低了施工對環(huán)境的影響程度。國外從20世紀70年代開始研究膠凝砂礫石筑壩技術(shù)，近年一些國家已經(jīng)將膠凝砂礫石筑壩技術(shù)應(yīng)用于永久工程。中國從20世紀90年代開始膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的研究，通過對筑壩材料特性、大壩受力特性、防滲體系、施工工藝等的系列研究，在2004年修建了中國的第一座采用膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的圍堰工程。目前，膠凝砂礫石筑壩技術(shù)在中國多個圍堰工程中得到應(yīng)用并取得了良好效果。

守口堡水庫大壩，是中國第一座采用膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的永久工程，該大壩膠凝砂礫石設(shè)計強度采用150mm×150mm×150mm立方體試件180天齡期的極限抗壓強度，設(shè)計強度為6 MPa。目前，守口堡水庫樞紐工程正在建設(shè)中。

1 工程概述

守口堡水庫位于黑水河上游，在大同市陽高縣境內(nèi)，壩址以上控制流域面積291km2，多年平均徑流量1577萬m3；工程等級為Ⅳ等，主要建筑物等級為4級，次要建筑物等級為5級，壩頂長354m，最大壩高61.6m，大壩主體為膠凝砂礫石，上下游防滲保護層為常態(tài)混凝土。水庫總庫容為980萬m3，是一座集工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉及防洪等綜合利用為一體的小(1)型水庫。

守口堡水庫工程初步設(shè)計原為混凝土重力壩，鑒于守口堡水庫壩址區(qū)河床砂礫石豐富，且砂卵石覆蓋層較厚，具有建造膠凝砂礫石壩的天然良好條件。為了充分利用當?shù)夭牧?，達到節(jié)省投資、加快施工進度、減少棄料、保護環(huán)境的目的，相關(guān)科研、設(shè)計、施工等單位和部門對守口堡水庫工程應(yīng)用膠凝砂礫石筑壩技術(shù)進行了專題研究，在進行大量調(diào)查研究、科學試驗及專家論證的基礎(chǔ)上，對初步設(shè)計確定的壩型進行設(shè)計變更。守口堡水庫工程作為中國第一座采用膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的永久工程開始建設(shè)。

為了保證守口堡水庫膠凝砂礫石壩的施工質(zhì)量，相關(guān)科研單位及建設(shè)、施工單位合作在水庫壩址上游河床位置現(xiàn)場進行了膠凝砂礫石壩模擬壩的膠凝砂礫石填筑、碾壓試驗。模擬試驗壩面積為11m×90m，多個條帶進行不同膠凝砂礫石配合比試驗，至少兩個碾壓層。膠凝砂礫石采用專用拌和設(shè)備進行拌制，自卸汽車運輸直接上模擬試驗壩，用推土機平料，鋪料厚度每層350～450mm，鋪兩層然后采用26t碾壓機碾壓，碾壓6～10遍，即靜壓2遍，有振碾壓4～8遍，邊角部位用手扶式振動碾碾壓，分兩層碾壓；層間面鋪設(shè)一層 1∶3.5的水泥砂漿，砂漿層厚 20mm。碾壓完畢后，現(xiàn)場檢測壓實度，并于180d后切割制取450mm×450mm×450mm立方體試件檢測抗壓強度。

2 守口堡水庫砂礫石料場調(diào)查試驗

守口堡水庫砂礫石料場位于大壩上游庫區(qū)河床區(qū)域，河床覆蓋層物質(zhì)為卵石混合土、級配不良砂；砂礫石成分以麻粒巖、花崗巖、角閃巖等為主。砂粒成分為石英、長石、角閃石等。為了便于施工中挖取砂礫石料，料場靠近大壩施工區(qū)域，河床寬度約200m左右，施工圍堰位于大壩上游約1km處，圍堰與導流洞之間設(shè)導流明渠。為了保障膠凝砂礫石壩建設(shè)的順利進行，在大壩基礎(chǔ)開挖階段山西省水工局中心試驗室等單位對砂礫石料場進行了較全面的料場調(diào)查試驗。對砂礫石料場分區(qū)域、分砂礫石層深度的不同，共取用砂礫石25組試樣，每份試樣重量約500kg,經(jīng)簡單堆放即進行了篩分(未進行烘干處理)。25組試樣的平均砂率為32%，最大砂率為43%,該組砂樣為最細級配的砂礫石料，最小砂率為25%，該組試樣為最粗級配的砂礫石料，結(jié)果見表1。

表1 原樣砂礫石料顆粒級配試驗結(jié)果

依據(jù)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導則》(SL 678—2014)砂礫石中粒徑小于5mm的砂料宜在18%～35%,粗骨料中粒徑為5～40mm的骨料宜為35%～65%。大于150mm的石料宜剔除。表1中顯示砂礫石料的最大砂率為43%，最小砂率為25%，5～40mm的石料含量為20%～28%。砂率略顯偏大，5～40mm石料偏少(詳見圖1)，上包絡(luò)線為25組砂礫石試樣的各粒徑范圍內(nèi)累計過篩百分率中取最大值的級配組合，下包絡(luò)線為取最小值的級配組合，平均線為各粒徑范圍內(nèi)累計過篩百分率的平均值。

圖1 原樣砂礫石料級配包絡(luò)線

圖2 加25%石子砂礫石料級配曲線

圖2為最細級配組合、最粗級配組合和平均級配組合的砂礫石，分別剔除>150mm粒徑石子并摻加25%比例5～40mm粒徑石子后的砂礫石料級配曲線。比較二者，顆粒粒徑變化范圍明顯變窄，砂率也明顯下降，摻加25%石子后最小和最大砂率變化為23%和33%，比較有利于施工過程的配合比控制。

3 砂率對膠凝砂礫石抗壓強度的影響

守口堡水庫工程大壩主體設(shè)計為強度等級為C1806的膠凝砂礫石，膠凝材料用量為不少于90kg/m3。結(jié)合守口堡水庫砂礫石料顆粒級配的試驗結(jié)果，在室內(nèi)針對砂礫石料的砂率對膠凝砂礫石抗壓強度的影響進行了試驗。

3.1 試驗用原材料

3.1.1 水泥和粉煤灰

試驗中使用的水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥物理性能檢測結(jié)果見表2，各項檢測指標都符合GB 175—2007的要求。

表2 水泥物理性能指標

試驗中使用的粉煤灰為大同第二發(fā)電廠的Ⅱ粉煤灰，該批次粉煤灰經(jīng)檢測達到Ⅲ級粉煤灰指標，因膠凝砂礫石設(shè)計指標為C1806，且是用于壩體內(nèi)部填筑，故仍然采用該批次粉煤灰進行了試驗。通過試驗，采用該批次粉煤灰配制的膠凝砂礫石，150mm×150mm×150mm試件180d抗壓強度達到了12.70MPa,可以滿足C1806設(shè)計要求。

3.1.2 砂礫石

砂礫石從守口堡水庫料場取樣，按小于5mm、5～20mm、20～40mm、40～80mm、80～150mm進行篩分。砂料的含泥量比較高，不符合《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144—2001)中對天然砂的品質(zhì)要求?！赌z結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導則》(SL 678—2014)中也有砂礫石含泥量不宜超過5%的要求。但如果按砂礫石的砂率最大為43%換算，則砂礫石的含泥量為4%。小于5mm的砂料的物理性能檢測結(jié)果見表3。

表3 砂料的物理性能

3.2 抗壓試件的成型

該次膠凝砂礫石配合比試驗針對最粗顆粒級配、最細顆粒級配及平均顆粒級配的砂率范圍進行了試驗。在砂礫石添加25%的5～40mm石料前提下，調(diào)配砂率為20%、25%、30%、35%、40%、45%六組別的砂礫石料，用水量控制在105～110kg/m3，膠凝材料用量保持不變?yōu)镻.O42.5水泥50kg/m3,粉煤灰40kg/m3,分別成型150mm×150mm×150mm立方體抗壓試件，試件成型過程中配重并置于振動臺振動80～90s后抹平置于標養(yǎng)室養(yǎng)護28d。

3.3 砂率與抗壓強度關(guān)系曲線

按不同砂率的膠凝砂礫石試件經(jīng)28d標準養(yǎng)護后，進行了抗壓強度的測試，砂率與抗壓強度的關(guān)系曲線見圖3。從圖中可以看出，當砂礫石的砂率大于30%，試件的抗壓強度呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。由于膠凝砂礫石的膠凝材料只有90kg/m3,當砂率大于30%后，由用水量、水泥用量、摻合料用量所組成的灰漿漿體已開始無法完全填滿砂的所有空隙，造成了抗壓強度的下降。

圖3 膠凝砂礫石砂率與強度關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

守口堡水庫壩址砂礫石料場25組砂礫石樣的篩分試驗結(jié)果表明：該料場的砂礫石顆粒級配中，5～40mm粒徑的石料含量偏低，剔除150mm粒徑大石后，小于5mm粒徑的砂料含量則偏多；但添加25%的5～40mm粒徑的石料不僅提高了5～40mm粒徑的石料含量，還可有效降低砂料的含量，從砂礫石顆粒級配包絡(luò)線上可以看出，上下包絡(luò)線之間的面積變小，說明顆粒級配的變化范圍變窄了，從施工過程中的配合比控制來說，更便于施工控制。從砂率與抗壓強度的關(guān)系曲線可以看出，砂礫石砂率大于30%的膠凝砂礫石強度呈快速下降趨勢，隨著砂率的增加對灰漿的需求量增加，砂的空隙不能被灰漿完全填滿，引起強度的快速下降；同時，如果砂率過低則石子的空隙也無法被砂漿有效填裹，骨料分離同樣引起強度的降低。砂礫石的砂率在20%～30%之間比較有利，由于膠料的用量較少，所以在保障強度的前提下，較少的砂率更有利于灰漿填滿砂的所有空隙，對膠凝砂礫石的質(zhì)量更有利。

Research on sand coarse aggregate ratio of cemented sand and gravel in Shoukoubao Reservoir

LI Jiming1, SHI Xiaobo2

(1.ShanxiResearchInstituteofWaterConservancyandHydropower,Taiyuan030002,China; 2.ShanxiWaterConservancyConstructionEngineeringBureauCentralLaboratory,Taiyuan030031,China)

Cemented sand and gravel damming technique is a novel dam construction technology.In the paper, the particle distribution condition of gravel stones in the site is analyzed preliminarily through the field investigation and experiment of sand and gravel materials in the construction site of Shoukoubao Reservoir.The influence of sand coarse aggregate ratio of sand and gravel on the strength of cemented sand and gravel is discussed, and rational suggestions are proposed.

cemented sand and gravel; sand ratio test; research

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2017.05.009

TV649

A

1005-4774(2017)05-0032-04