膠結(jié)顆粒材料在水利工程施工中的應(yīng)用

胡白清

(江西省源河工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000)

我國水能資源豐富，為了發(fā)展清潔能源，修建了大量的水庫大壩，其中土石壩的數(shù)量占比達(dá)到90%以上，為了適應(yīng)不同地質(zhì)條件下的筑壩要求，一些新型的筑壩施工技術(shù)應(yīng)運而生[1- 4]。膠結(jié)顆粒材料的突出特點是“宜材適構(gòu)、宜構(gòu)適材”，近年來逐漸應(yīng)用于水利工程筑壩施工中，膠結(jié)顆粒材料壩兼具土石壩和混凝土重力壩兩者的優(yōu)點，具有經(jīng)濟(jì)安全、節(jié)能環(huán)保、漫頂不潰、抗震性能好等優(yōu)勢。因此，開展膠結(jié)顆粒材料筑壩施工技術(shù)及壩體材料性能研究具有重要的工程實踐意義[5- 8]。

膠結(jié)顆粒料壩最早在20世紀(jì)40年代由美國人提出，但一直未取得實質(zhì)性進(jìn)展，2003年，國內(nèi)首次出現(xiàn)堆石混凝土筑壩技術(shù)，2005年，賈金生教授提出膠凝砂礫石筑壩施工技術(shù)，并于2009年首次提出了膠結(jié)顆粒料壩這一概念[9- 11]。石龍溝、清峪、順江堰等大壩是該類膠結(jié)顆粒料壩的典型代表，當(dāng)前膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)仍然處于探索和成長階段，一些專家學(xué)者也針對膠結(jié)顆粒料壩的施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了探討，取得了一定的工程實踐效果[12- 15]。然而，很多都只是針對材料的某一力學(xué)性能或者某一到施工工藝的分析，很少有對膠結(jié)顆粒料壩的現(xiàn)場施工壩體性能進(jìn)行綜合探討，因此文章結(jié)合某水利工程，對現(xiàn)場膠結(jié)顆粒材料施工壩體取樣，進(jìn)行力學(xué)和耐久性綜合實驗，可為膠結(jié)顆粒材料在水利工程施工中的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 工程背景

某小(I)型水庫，工程等別為IV等，設(shè)計總庫容約為980萬m3，設(shè)計興利庫容約為423萬m3，設(shè)計灌溉面積2.74萬畝，設(shè)計年發(fā)電量為105萬kW·h，是一個兼顧供水、灌溉、發(fā)電的綜合性水庫。壩址區(qū)為U型河谷，場地開闊，砂礫石儲量達(dá)到100萬m3，各項指標(biāo)均符合筑壩要求，且易開采，經(jīng)現(xiàn)場勘察討論后決定采用膠凝砂礫石筑壩施工技術(shù)筑壩，壩頂設(shè)計長為366m，最大壩高為64.6m。大壩剖面如圖1所示。

圖1 大壩剖面

2 實驗概況

砂礫石料取自現(xiàn)場壩址區(qū)，特大石占比為22.3%，大、中、小石的占比分別為28.9%、18.9%和11.1%，砂的占比為18.8%，平均含泥量為2.37%；水泥密度為2.96g/cm3，比表面積3596cm2/g，標(biāo)準(zhǔn)稠度為27.8%，燒失量為1.92%，SO3含量為2.86%；粉煤灰(45um篩篩余)細(xì)度為19.2%，表觀密度為1.98g/cm3，燒失量為2.35%，SO3含量為2.55%?，F(xiàn)場膠凝砂礫石的主要材料配比情況見表1，該級配下，膠凝砂礫石的180d抗壓強(qiáng)度達(dá)到9.4-13.9MPa，達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度6MPa的設(shè)計要求。

表1 膠凝砂礫石主要材料配比 單位：kg/m3

3 實驗結(jié)果分析

3.1 抗剪性能

膠凝砂礫石壩為分層碾壓筑壩施工，對不同層間處理方式和間隔時間下含非連續(xù)層面的膠凝砂礫石進(jìn)行抗剪試驗，其結(jié)果見表2。從表中可以看到：下層面間隔5h后不做任何處理直接進(jìn)行上層膠凝砂礫石鋪筑時，抗剪斷摩擦系數(shù)值為1.02，粘聚力值為0.67MPa，當(dāng)層間間隔時間達(dá)到17h并對其進(jìn)行加砂漿墊層后再鋪筑上層膠凝石，抗剪斷摩擦系數(shù)為0.88MPa，下降率為15.7%，但粘聚力增加至1.35MPa，增加約1倍；當(dāng)層間間隔時間為46h后進(jìn)行刮毛但不露出石子并鋪砂漿層，然后再鋪筑膠凝砂礫石時，抗剪斷摩擦系數(shù)值下降為0.93，但粘聚力增加至1.66MPa，同樣的層間間隔時間為46h進(jìn)行刮毛且露出石子并鋪砂漿，然后再鋪筑膠凝砂礫石時，摩擦系數(shù)增加至1.30，粘聚力值為1.66MPa?？梢?，在施工過程中若出現(xiàn)層間冷縫情況后，應(yīng)對層面進(jìn)行刮毛處理并盡量使石子露出，才能有效提升膠凝砂礫石壩體的抗剪特性。

表2 不同工況非連續(xù)層面膠凝砂礫石抗剪試驗結(jié)果

3.2 層間溶蝕性

對三種不同施工工況下的膠凝砂礫料進(jìn)行層間溶蝕性試驗，結(jié)果見表3。如圖2所示在經(jīng)歷100d的累計溶蝕滲透過后，層面間隔24h且不做任何處理的累計滲透量最大，達(dá)到97000mL，層面間隔24h其次，為50000mL，沒有層面的累計滲透量最小，為40000mL；層面間隔24h并做刮毛處理后的滲透系數(shù)為2.8×10-7cm/s，不做刮毛處理的滲透系數(shù)為8.8×10-7cm/s，而沒有層面時的滲透系數(shù)較有層面不作處理時下降一個數(shù)量級；三種工況下的滲透水壓力分別為0.4MPa、0.4MPa和0.1MPa；可見，層面處理方式對于膠凝砂礫料壩的抗?jié)B性有重要影響，分層施工時，對其進(jìn)行層面沖毛處理可以減小滲透系數(shù)約68%。

圖2 不同工況下溶蝕滲透累計量曲線

表3 不同工況下層間溶蝕特性

3.3 熱性能分析

對膠凝砂礫石材料進(jìn)行了絕熱溫升試驗，獲得了溫升實測和擬合曲線如圖3所示。從圖中可以看到：膠凝砂礫石料的溫升隨齡期呈冪函數(shù)型增加，鋪筑一周后的溫升較快，占總體溫升量的90%左右，后期溫升較慢，當(dāng)鋪筑14d后基本不再出現(xiàn)溫度上升的情形；鋪筑養(yǎng)護(hù)28d后，膠凝砂礫石壩的總溫升為8.8℃，可見，由于膠凝砂礫石較普通混凝土壩使用水泥量較少，因此，壩體澆筑后的溫度上升量較低，這大大降低了在大壩澆筑過程和后期養(yǎng)護(hù)過程中對溫控的要求。對壩體溫升-齡期進(jìn)行擬合，得到如下關(guān)系式：T=9.3t/(t+1.45)(t表示齡期/d，T表示壩體溫升/℃)，擬合計算溫升與實測溫升值之間相關(guān)度良好，可用于該配比下膠凝砂礫石料壩體溫升的預(yù)測。

圖3 壩體絕熱溫升曲線

3.4 低溫飽水強(qiáng)度分析

由于多數(shù)大壩填筑均在冬季及春季枯水期施工，冬季氣溫晝夜溫差較大，當(dāng)澆筑料與低溫水進(jìn)行接觸后，會發(fā)生力學(xué)性質(zhì)的劣化，故對不同養(yǎng)護(hù)方式和顆粒級配下的膠凝砂礫石料進(jìn)行了現(xiàn)場抗壓強(qiáng)度對比試驗，如圖4所示。從圖中可以看到：低溫泡水情況下的膠凝砂礫石材料抗壓強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度；最細(xì)顆粒級配下的砂礫石強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時降低約26%，而平均級配下的砂礫石強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時降低7%；顆粒級配越細(xì)，試件強(qiáng)度越低，低溫泡水作用對膠凝砂礫石澆注料的強(qiáng)度影響程度越大。因此，在冬季氣溫較低的地區(qū)進(jìn)行膠凝砂礫料鋪筑時，與水接觸的層面應(yīng)該盡量使用級配較大的顆粒料，相關(guān)研究成果可為指導(dǎo)工程蓄水越冬提供參考。

圖4 低溫泡水與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度對比

4 結(jié)論

(1)層面間隔時間和處理方式對膠凝砂礫石料的抗剪性能有重要影響，當(dāng)層面之間有冷縫時，對其進(jìn)行沖毛、鋪砂漿處理后再鋪筑，可有效提升層間結(jié)合性能。

(2)對層間縫進(jìn)行沖毛處理可以減小膠凝砂礫石的滲透系數(shù)，提升壩體的抗?jié)B性能。

(3)膠凝砂礫石料的28d絕熱溫升僅為8.8℃，且后期溫升量很小，可大大降低了在大壩澆筑過程和后期養(yǎng)護(hù)過程中對溫控的要求。

(4)采用級配較粗的砂礫料進(jìn)行鋪筑，可提升膠凝砂礫料壩的低溫泡水強(qiáng)度，可為指導(dǎo)工程蓄水越冬提供參考。