守口堡水庫膠凝砂礫石筑壩材料強(qiáng)度試驗(yàn)研究

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

膠凝砂礫石壩是在碾壓混凝土壩和面板堆石壩的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新壩型。它的施工方法與碾壓混凝土壩相似，其特點(diǎn)是將少量膠凝材料和水摻入天然砂礫石材料中，采用經(jīng)拌合設(shè)備拌和而成的一種低強(qiáng)度的材料來筑壩。膠凝砂礫石壩具備面板壩和碾壓混凝土壩兩者的優(yōu)點(diǎn)，除此之外還具有縮小壩體斷面、簡化施工、縮短工期、減少費(fèi)用等特點(diǎn)。由于膠凝砂礫石壩安全性高，抗震性強(qiáng)，對(duì)施工工藝及地基條件要求低，而且可就地取材，造價(jià)低廉，基本實(shí)現(xiàn)零棄料，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響小，在國際壩工界已經(jīng)得到了普遍的重視[1]。目前，中國膠凝砂礫石壩的應(yīng)用僅為圍堰工程等一些臨時(shí)工程的試驗(yàn)性應(yīng)用，在永久性工程中沒有應(yīng)用先例[2]。山西省守口堡水庫樞紐工程是中國第一座將膠凝砂礫石壩運(yùn)用在永久工程中的水利工程，目前大壩尚在建設(shè)中，對(duì)其進(jìn)行筑壩材料強(qiáng)度試驗(yàn)研究對(duì)于膠凝砂礫石壩的推廣應(yīng)用意義重大。

1 工程概況

守口堡水庫位于山西省大同市陽高縣，壩址位于黑水河上游段，壩控面積291km2，是一座小(1)型水庫，水庫總庫容為980萬m3，主要用于工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉及防洪等。大壩的主體為膠凝砂礫石，采用150mm×150mm×150mm的立方體試件180天齡期的極限抗壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C6?；A(chǔ)墊層、靠近岸坡部位、廊道和底孔等建筑物常態(tài)混凝土周圍為富漿膠凝砂礫石，采用150mm×150mm×150mm的立方體試件90天齡期的極限抗壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C15。

2 試驗(yàn)方案

針對(duì)膠凝砂礫石筑壩材料的特性，分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)兩部分。室內(nèi)試驗(yàn)為在室內(nèi)成型150mm×150mm×150mm的膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石小試件，對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的檢測，得到小試件的抗壓強(qiáng)度?，F(xiàn)場試驗(yàn)為在守口堡水庫膠凝砂礫石壩施工現(xiàn)場模擬壩體施工工藝制取350mm×350mm×350mm的膠凝砂礫石大試件和450mm×450mm×450mm的富漿膠凝砂礫石大試件，通過對(duì)制取的大試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石原型的抗壓強(qiáng)度。對(duì)大試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，得到其劈裂抗拉強(qiáng)度。膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石的配合比均采取守口堡水庫工程擬定的配合比，見表1。

表1 守口堡水庫膠凝砂礫石配合比 單位：kg

3 試驗(yàn)原材料檢測

3.1 水泥

試驗(yàn)用的水泥普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，水泥的物理力學(xué)性能經(jīng)檢測符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求。

3.2 粉煤灰

試驗(yàn)用的粉煤灰為Ⅲ級(jí)灰，經(jīng)檢測符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)的要求。

3.3 砂礫石料

試驗(yàn)用的砂礫石料為守口堡水庫砂礫石料場挖取的篩除150mm以上的大石塊后的砂礫石，對(duì)其進(jìn)行篩分，可得砂礫石料的顆粒級(jí)配。由于直接從砂礫石料場挖取的砂礫石中5～40mm的石料偏少，小于5mm的砂料偏多，而較高的砂率可能會(huì)影響膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度，所以在使用前對(duì)砂礫石料的級(jí)配進(jìn)行了優(yōu)化，即添加25%的5～40mm的碎石，優(yōu)化后砂礫石的顆粒級(jí)配見表2。富漿膠凝砂礫石試件添加的石子為當(dāng)?shù)?～100mm的碎石，經(jīng)檢測，外摻石子的物理化學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 添加25%石子后砂礫石料顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果分析

4.1 小試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

膠凝砂礫石(SJ)和富漿膠凝砂礫石(SFJ)小試件的成型試驗(yàn)在水工試驗(yàn)室中進(jìn)行，由于試件膠凝材料用量較少，砂礫石料的粒徑組成較復(fù)雜，所以要控制其成型過程。成型過程在振動(dòng)臺(tái)上完成，將膠凝砂礫石拌合物一次裝入模具，裝料時(shí)應(yīng)用抹刀沿試模內(nèi)壁略加插搗，使拌合物高出試模上口，振動(dòng)應(yīng)持續(xù)到膠凝砂礫石表面出漿為止。試件成型后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，到達(dá)齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測。

膠凝砂礫石進(jìn)行了三個(gè)不同砂率配合比的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，從表3可以看出，三個(gè)砂率膠凝砂礫石小試件的抗壓強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求，其中，砂率含量為29%的小試件的抗壓強(qiáng)度最大，為11.2MPa；砂率含量為34%的小試件抗壓強(qiáng)度次之，為9.6MPa；砂率含量為39%的小試件抗壓強(qiáng)度最小，為9.1MPa；表明砂率的大小會(huì)直接影響膠凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度。因此在進(jìn)行施工時(shí)要對(duì)砂礫石料的級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化以控制其砂率。富漿膠凝砂礫石進(jìn)行了90天抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，試驗(yàn)分為三個(gè)砂率配合比進(jìn)行，分別進(jìn)行了不摻加石子和摻加15%石子的試驗(yàn)，從表4中可以看出，三個(gè)砂率膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求，其中摻加石子和不摻加石子的試件抗壓強(qiáng)度差別不大，表明外摻石子對(duì)富漿膠凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度影響不大，不摻加石子的富漿膠凝砂礫石試件可以滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 守口堡膠凝砂礫石小試件抗壓強(qiáng)度

表4 守口堡富漿膠凝砂礫石小試件抗壓強(qiáng)度

4.2 大試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

膠凝砂礫石(SJL)和富漿膠凝砂礫石(SFJL)大試件的成型試驗(yàn)在守口堡水庫壩址上游河床的膠凝砂礫石壩施工現(xiàn)場進(jìn)行，試驗(yàn)采用的施工工藝皆與大壩相同，具體試驗(yàn)方案如下：在試驗(yàn)地修建模擬試驗(yàn)壩，壩體規(guī)格為11m×90m，膠凝砂礫石采用專用拌合設(shè)備進(jìn)行拌制(與大壩拌合設(shè)備相同)，由自卸汽車直接運(yùn)輸至模擬試驗(yàn)壩，用推土機(jī)平料，鋪料厚度每層350～450mm，鋪2層，采用26 t碾壓機(jī)碾壓，靜壓壓2遍，有振碾壓4～8遍，用手扶式振動(dòng)碾對(duì)碾壓機(jī)無法碾壓的邊角部位進(jìn)行碾壓，碾壓分兩層進(jìn)行；層間面鋪設(shè)一層厚度為15mm的1∶3的水泥砂漿。碾壓完畢后，放置180天后切割制取350mm×350mm×350mm和450mm×450mm×450mm立方體試件進(jìn)行力學(xué)性能檢測，檢測設(shè)備為WAW-5000kN萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)規(guī)程參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352-2006)。大試件分為膠凝砂礫石大試件和富漿膠凝砂礫石大試件兩組，每組設(shè)置兩個(gè)齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，由于現(xiàn)場切割的大試件并不規(guī)整，所以對(duì)其面積進(jìn)行了實(shí)際測量，試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，膠凝砂礫石大試件和富漿膠凝砂礫石大試件的強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 守口堡膠凝砂礫石大試件抗壓強(qiáng)度

4.3 大試件抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步研究膠凝砂礫石大試件的強(qiáng)度以及大試件被破壞后內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況，采用劈裂破壞的方法對(duì)大試件的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢測(由于大壩主體材料為膠凝砂礫石，故沒有進(jìn)行富漿膠凝砂礫石大試件的劈裂試驗(yàn))，即在壓力機(jī)上下壓板與試件之間墊以墊條，墊條方向應(yīng)與試件的頂面垂直，這樣使試件上下受到的荷載為條形荷載，造成試件沿立方體中心切面的劈裂破壞，得到大試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，見表6。由表6可以看出，膠凝砂礫石大試件的劈裂抗拉強(qiáng)度符合規(guī)范要求，強(qiáng)度可以滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 守口堡膠凝砂礫石大試件劈裂抗拉強(qiáng)度

5 結(jié) 語

通過守口堡水庫膠凝砂礫石筑壩材料的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)可以看出，按照工程擬定的配合比，膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石大小試件的抗壓強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求，但在拌和過程中要注意對(duì)砂率的控制。添加石子和不添加石子對(duì)富漿膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度影響不大，因此施工過程中可以不外摻石子，充分發(fā)揮膠凝砂礫石因地取材的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)膠凝砂礫石大試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)的結(jié)果表明膠凝砂礫石大試件的強(qiáng)度完全滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)表明，膠凝砂礫石筑壩材料的強(qiáng)度可以達(dá)到大壩的施工要求，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕た刂?，其可以在具備膠凝砂礫石大壩施工條件的地區(qū)推廣應(yīng)用。

由于膠凝砂礫石試驗(yàn)周期較長、檢測條件有限，目前的試驗(yàn)僅進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)，對(duì)其耐久性方面的研究還有待進(jìn)一步開展。