守口堡水庫大壩膠凝砂礫石墊層接觸面抗剪強度試驗及分析

曹敬虎

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

守口堡水庫大壩膠凝砂礫石墊層接觸面抗剪強度試驗及分析

曹敬虎

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

膠凝砂礫石壩是在面板壩和碾壓混凝土重力壩基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新壩型，大同市守口堡水庫大壩是國內(nèi)首次在永久工程中應(yīng)用膠凝砂礫石材料筑壩技術(shù)的工程實例。為滿足設(shè)計技術(shù)要求，進行了壩基混凝土墊層與第一層膠凝砂礫石墊層接觸面及兩層膠凝砂礫石墊層接觸面之間的飽和抗剪斷和純摩試驗，并提出相應(yīng)的抗剪強度參數(shù)。結(jié)果表明：試件齡期及其澆筑質(zhì)量對抗剪強度參數(shù)影響顯著，建議加強膠凝砂礫石運輸、澆筑等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，防止骨料產(chǎn)生分離，保證大壩壩體具有可靠的抗剪強度。

膠凝砂礫石壩；墊層接觸面；試件；抗剪強度參數(shù)

1 膠凝砂礫石筑壩技術(shù)在守口堡水庫應(yīng)用試驗情況概述

膠凝砂礫石壩是在面板壩和碾壓混凝土重力壩基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新壩型，最早由J.M.拉斐爾（J.M.Raphael）于1970年提出，其特點是采用膠凝砂礫石材料筑壩，使用高效率的土石方運輸機械和壓實機械施工。20世紀90年代，日本進一步發(fā)展了這一理念，即將膠凝材料和水加入河床砂礫石和開挖廢棄料等在壩址附近容易獲得的巖石基材中，然后用簡易的設(shè)備進行拌合，采用堆石壩施工技術(shù)進行碾壓施工，稱之為膠凝砂礫石壩（Cemented Sand and Gravel Dam）。由于膠凝砂礫石壩對筑壩材料、施工工藝以及壩基要求降低，大壩施工基本實現(xiàn)零棄料，凸顯了在適應(yīng)環(huán)境、減輕石渣及工程建設(shè)對周圍環(huán)境的不利影響等方面所具有的優(yōu)勢，已開始得到國際壩工界的重視，并實際應(yīng)用。守口堡水庫大壩是國內(nèi)首次在永久工程中應(yīng)用膠凝砂礫石材料筑壩技術(shù)的工程實例。

守口堡水庫位于山西省陽高縣西北部邊緣的黑水河上，水庫壩址選定于守口堡村北500 m黑水河河谷中。建基面巖體以含輝石斜長角閃巖為主，呈粒狀變晶結(jié)構(gòu)，為碎裂—次塊結(jié)構(gòu)，巖性較硬。壩基巖體工程地質(zhì)分類為BⅢ~Ⅳ類。建基面采用C20混凝土找平后鋪筑3層富漿膠凝砂礫石墊層，分層碾壓。3層厚度分別是第一層厚度約為28～31 cm，第二層厚度約為37～42 cm，第三層厚度約為36～41 cm。

左壩段富漿膠凝砂礫石墊層的碾壓時間：第一層為2015年7月25日，第二層為7月26日，第三層為7月27日；右壩段碾壓時間第一層為2015年8月30日，第二層為9月2日，第三層為9月12日。

為滿足設(shè)計要求，進行了大壩混凝土墊層與膠凝砂礫石墊層接觸面及膠凝砂礫石墊層接觸面之間的飽和抗剪斷和純摩試驗，并提出相應(yīng)的抗剪強度參數(shù)。

2 試驗方案布置及試驗方法

2.1 試驗點的選取和制備

1）試驗點位置的選取

大壩壩基完成三層富漿膠凝砂礫石墊層的鋪墊碾壓后，根據(jù)設(shè)計要求及現(xiàn)場情況，分別對三層接觸面進行抗剪試驗。我們把接觸面從下向上按順序依次分為：（1）層接觸面為混凝土墊層與第一層膠凝砂礫石墊層之間的接觸面；（2）層接觸面為第一層與第二層膠凝砂礫石墊層之間接觸面；（3）接觸面為第二層與第三層為膠凝砂礫石墊層之間的接觸面。2015年10月 16日完成第一批試驗點（KJ1、KJ2、KJ3）的外業(yè)工作，于2016年4月13日完成第二批試驗點（KJ4）的外業(yè)工作。試驗點號及位置見表1。

2）試驗點的開挖及試件制備

每組試驗點包括5個試件，試件制取時，先根據(jù)試點的具體情況，對膠凝砂礫石墊層進行切取，然后人工使用簪子進行粗加工至預(yù)留的深度，再用切割機安裝鋸片和磨片對試點進行進一步的加工至設(shè)計要求的尺寸。試件制備見圖1。在試件的制備過程中，要避免試件的擾動，每個試件的尺寸約為50 cm×50 cm×50 cm，試件間距大于試件的邊長。

圖1 抗剪強度試件制備示意圖（右壩段）

圖2 平推法抗剪強度試驗裝置安裝示意圖（左壩段）

2．2 抗剪試驗方法

本次試驗剪切方向為垂直壩軸線?？辜魪姸仍囼灢捎闷酵品ǎ囼炑b置由法向荷載系統(tǒng)、剪切荷載系統(tǒng)和測量系統(tǒng)三部分組成，試驗裝置安裝見圖2。試驗的法向應(yīng)力由地錨、50 t液壓千斤頂及傳力柱組成的法向載荷系統(tǒng)提供，剪切應(yīng)力由垂直于剪切方向的墊層斷面、30 t液壓千斤頂及傳力塊的剪切荷載系統(tǒng)提供。試件法向應(yīng)力及剪切應(yīng)力通過已檢定合格的壓力表讀取，試件的變形量由安裝在測量支架上的測表讀取。根據(jù)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》（SL264—2001）及本次工作的設(shè)計要求，試驗最大法向應(yīng)力為1 200 kPa，剪切面積約為2 500 cm2，試驗法向應(yīng)力分五級，為 240 kPa、480 kPa、720 kPa、960 kPa、1 200 kPa，對每組試驗點的五個試件分別施加不同等級的法向應(yīng)力，即對第一個試件施加240 kPa的法向應(yīng)力、對第二個試件施加480 kPa的法向應(yīng)力、對第三個試件施加720 kPa的法向應(yīng)力、對第四個試件施加960 kPa的法向應(yīng)力，對第五個試件施加1 200 kPa的法向應(yīng)力。按預(yù)估最大剪切荷載分10～12級施加，每級載荷施加后，立即測讀剪切位移，直至試件被剪斷。在剪切破壞后，先后分別將剪切載荷和法向載荷退至零。試件復(fù)位后，調(diào)整百分表，再按照以上條件進行摩擦試驗。

3 試驗資料整理

根據(jù)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》（SL264—2001）要求，繪制各法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，確定各級法向應(yīng)力下的抗剪斷峰值或摩擦試驗峰值；繪制各法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系曲線，采用圖解法，依據(jù)公式（1）確定其抗剪強度參數(shù)C、φ。參見圖 3。

庫侖表達式為

式中：τ為剪應(yīng)力，MPa；σ 為正應(yīng)力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）；C 為粘聚力，MPa。

4 試驗成果及分析

本項目原位抗剪強度試驗分兩批完成，第一批于2015年10月16日完成了KJ1、KJ2、KJ3三組試驗，墊層齡期46~80 d；第二批于2016年4月13日完成KJ4一組試驗，墊層齡期221d。各墊層接觸面的試驗成果見表1。

表1 富漿膠凝砂礫石墊層接觸面抗剪試驗成果表

成果數(shù)據(jù)分析：

1）富漿膠凝砂礫石填筑齡期對各項參數(shù)的影響。比較齡期221 d和46 d~80 d試件抗剪強度指標，可以得出：211 d齡期的抗剪斷凝聚力C提高49.1%，抗剪斷摩擦角φ提高31.0%；純摩擦C提高60.1%，純摩擦φ提高25.0%。可見齡期越長，強度指標越高。

2）在抗剪強度試驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，KJ1-3、KJ1-4和KJ3-2試件的水平剪力較其他試件的試驗值偏小。試驗結(jié)束后翻開試件發(fā)現(xiàn)，這三個試件的剪切面都存在粗骨料集中現(xiàn)象，導(dǎo)致粗骨料間空隙較大，且膠凝砂漿充填極少，試件的有效剪切面積縮小，致使水平剪力較正常剪切面積的剪力偏小，剪力的減小幅度約40%左右?？梢姳苊獯止橇霞校乐构橇戏蛛x，攪拌均勻是保證壩體質(zhì)量的關(guān)鍵。

5 結(jié)語

通過我們第一次對富漿膠凝砂礫石壩填筑層進行的現(xiàn)場試驗，其結(jié)果真實地反映了富漿膠凝砂礫石的填筑質(zhì)量，為設(shè)計、施工提供了可信的富漿膠凝砂礫石壩抗剪、純摩等強度參數(shù)。通過試驗數(shù)據(jù)分析，明確了影響壩體澆筑層面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。建議加強大壩澆筑等關(guān)鍵過程的質(zhì)量控制，保證壩體具備可靠的抗剪強度。實踐證明，守口堡水庫“富漿膠凝砂礫石”大壩設(shè)計，技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。愿富膠凝砂礫石材料筑壩技術(shù)在永久工程中逐步推廣應(yīng)用。

Test and Analysis of Shear Strength of Contact Surface of Cemented Sand and Gravel Cushion in Shoukoubu Reservoir's Dam

CAO Jing－h(huán)u

The cemented sand and gravel dam is a new dam type developed on the basis of the face slab dam and RCC gravity dam.The Shoukoubu Reservoir's dam is an actual engineering example，in which the technique of cemented sand and gravel dam is used in the first time in the permanent project of our county.In order to meet the technical design requirements，the saturated shear and pure friction tests have conducted on the contact surface between the concrete cushion of dam foundation and the first layer cushion of cemented sand and gravel，and on the contact surface between two layer cushions of cemented sand and gravel，in addition the corresponding shear strength parameters have been put forward.The results show that the age of the specimen and its pouring quality make the significant effect on the shear stength parameters.Besides，in order to ensure the result that the dam body has a reliable shear strength，the paper suggests that the quality control in some key links such as transporting and pouring cemented sand and gravel，etc must be strengthened to prevent aggregate unmixing.

cemented sand and gravel dam ；cushion contact surface；specimen；shear strength parameters

TV541

B

2017-06-05

2017-06-12

曹敬虎（1963-），男，1985年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)，高級工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。

1006-8139（2017）03-077-03