紅層砂巖膠結(jié)顆粒料壩特性的試驗(yàn)研究

楊 小 奇， 彭 明 亮， 胡 人 炭

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

膠凝砂礫石壩是一種兼具土石壩與混凝土壩優(yōu)點(diǎn)的新壩型[1]，采用不受傳統(tǒng)級(jí)配限制要求的天然砂礫石或人工砂石，用較少的水泥、粉煤灰等膠凝材料，通過拌和、攤鋪、振動(dòng)等施工工藝進(jìn)行筑壩，形成具有一定強(qiáng)度特性、抗沖刷和抵御洪水漫頂能力的壩體。不受傳統(tǒng)級(jí)配限制的骨料優(yōu)勢(shì)，拓寬了骨料選取的適宜范圍，可直接選取壩址河床開挖的砂卵石料、樞紐建筑物開挖的砂礫石料、石渣料等，不僅節(jié)約了材料的造價(jià)成本，而且減輕了水利工程建設(shè)對(duì)周圍環(huán)境的破壞程度，符合“經(jīng)濟(jì)、低碳、綠色、環(huán)?！钡冉ㄔO(shè)特點(diǎn)[2-4]。膠凝砂礫石壩概念自被提出以后，已成功應(yīng)用于多個(gè)水利水電建設(shè)工程中[5]，比較典型的工程如：山西守口堡水庫大壩，壩高61.4 m[6]，功果橋水電站上游圍堰，高56 m[7]。

四川省是水利建設(shè)大省，90%以上水庫的壩型為土石壩，引入新壩型替代傳統(tǒng)壩型具有深遠(yuǎn)的價(jià)值意義，特別是推出具有四川省當(dāng)?shù)亟ㄖ牧系奶厣哪z結(jié)新壩型，能推動(dòng)四川省水利水電行業(yè)的發(fā)展。四川省位于中國西南地區(qū)，是紅層分布極為廣泛的省份之一，其巖性以泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖等為主，大多具有軟巖特征。國內(nèi)外已建成的砂礫石壩，多采用河床砂卵石、壩基開挖料或簡易篩分的人工骨料作為砂礫石的主要構(gòu)成集料，然而，以砂巖為主要構(gòu)成料的膠結(jié)壩工程尚未見到應(yīng)用案例。因此，本文依托《四川省紅層地區(qū)金雞溝水庫膠凝砂礫石壩現(xiàn)場變形剪切試驗(yàn)》項(xiàng)目，結(jié)合四川地區(qū)軟巖分布廣的特點(diǎn)，開展基于砂巖膠結(jié)壩特性的試驗(yàn)研究，為在四川紅層砂巖地區(qū)推廣應(yīng)用膠結(jié)新壩型提供借鑒和參考。

1 砂巖膠結(jié)壩的原材料

砂巖膠結(jié)壩的原材料主要包括水泥、摻合料、外加劑、粗細(xì)骨料、砂巖等。水泥品種為達(dá)州海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，摻合料品種為渠縣長遠(yuǎn)粉煤灰綜合利用有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，外加劑品種為北京新慧水利建筑工程有限公司生產(chǎn)的膠結(jié)砂礫石專用外加劑，粗細(xì)骨料為蓬安馬回料場所生產(chǎn)，砂巖選自庫區(qū)砂巖料場。

2 膠結(jié)砂巖配合比及材料性能

為研究砂巖摻配比例對(duì)膠結(jié)體的影響特性，開展了砂巖摻量分別為50%，60%，70%的膠結(jié)砂礫石材料性能試驗(yàn)。測(cè)試性能指標(biāo)包括抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、極限拉伸值、抗?jié)B性和抗凍性等。

2.1 膠結(jié)砂巖配合比

根據(jù)已選定的混合骨料配制砂巖膠結(jié)砂礫石料，砂巖膠結(jié)砂礫石配合比見表1。

表1 砂巖膠結(jié)砂礫石配合比

備注：1.骨料最大粒徑為150 mm，全部為一次破碎骨料；2.表中材料用量單位為kg/m3，骨料為飽和面干狀態(tài)

2.2 材料性能

按不同摻配比例砂巖骨料的配合比，制備了砂巖與卵石混合骨料的膠結(jié)濕篩試件，試件尺寸見表2，開展了相關(guān)材料性能試驗(yàn)，分析不同摻配比例砂巖骨料的膠結(jié)體材料性能，結(jié)果見表3。

表2 膠結(jié)砂礫石配合比表( 砂巖摻量 ：50% 、60% 、70% )

通過試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1)三種不同摻量試件的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、極限拉伸值等均隨齡期的增加而逐漸增大；抗壓彈性模量、抗拉彈性模量隨齡期增加表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，變化規(guī)律不明顯；

(2)三種砂巖摻量對(duì)膠結(jié)軟巖抗剪斷強(qiáng)度的影響不突出，但是對(duì)抗剪強(qiáng)度有一定的影響。180 d 齡期膠結(jié)軟巖，抗剪摩擦系數(shù)隨砂巖摻量增加而增大，其中砂巖摻量 70%時(shí)摩擦系數(shù)最大，摻量 50%、60%時(shí)摩擦系數(shù)相差不大。

(3)三種不同摻量膠結(jié)砂礫石的抗?jié)B性隨著齡期的增加而增大，其中70%摻量膠結(jié)砂礫石變化不太明顯；70%摻量膠結(jié)砂礫石抗?jié)B性最好，50%、60%次之， 180 d 齡期膠結(jié)砂礫石抗?jié)B等級(jí)能夠達(dá)到 W4 等級(jí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，砂巖骨料摻量為50%、60%和70%時(shí)，均可以配制滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的膠結(jié)砂礫石，摻配比例50%與60%砂巖的膠結(jié)砂礫石，已成功應(yīng)用于四川金雞溝膠結(jié)壩工程，且兩種膠結(jié)砂礫石均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表3 不同砂巖骨料摻配比例的膠結(jié)砂礫石材料性能

3 試驗(yàn)壩體特性

為研究砂巖摻配比例對(duì)膠結(jié)壩體的影響特性，對(duì)砂巖摻量比例分別為50%，60%，70%膠結(jié)試驗(yàn)壩體和砂巖摻量為50%的膠結(jié)堆石試驗(yàn)壩體(采用摻量50%的材料配合比)進(jìn)行分析。

3.1 試驗(yàn)壩體施工工藝

試驗(yàn)壩體施工工藝為拌和，入倉，平倉攤鋪，碾壓，養(yǎng)護(hù)等。采用JLB-200專用拌和設(shè)備拌和，將拌和好的料入倉，平倉。采用大型自行式振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓，碾壓參數(shù)為：柳工620型20 t單鋼輪振動(dòng)碾、壓實(shí)厚度50 cm、靜碾2遍、振碾8遍；層間處理采用M15砂漿作為墊層，厚10～15 mm，當(dāng)下層膠結(jié)砂礫石已終凝，應(yīng)用高壓水沖毛處理后施工墊層。壩體的養(yǎng)護(hù)可采用噴水霧設(shè)施保持倉面濕潤，確保膠結(jié)砂礫石的工作性不損失。

3.2 試驗(yàn)壩體密度分析

砂巖骨料摻配50%、60%、70%和膠結(jié)堆石試驗(yàn)壩段各布置2組密度試驗(yàn)，采用灌水法，其試驗(yàn)成果見表4。

表4 試驗(yàn)壩體密度試驗(yàn)成果表

由試驗(yàn)成果可知，砂巖骨料摻配50%試驗(yàn)壩體干密度達(dá)2.16 g/cm3，砂巖骨料60%摻配試驗(yàn)壩體干密度為2.09 g/cm3，砂巖骨料70%摻配試驗(yàn)壩體干密度為2.14 g/cm3。砂巖膠結(jié)壩體整體干密度值雖較高，但其隨著砂巖骨料摻量增加，干密度減小，均勻性變差。

3.3 試驗(yàn)壩體密實(shí)充填及膠結(jié)程度分析

通過地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)與壩體開槽方法，對(duì)不同砂巖骨料摻配比例以及砂巖摻量50%的膠結(jié)堆石壩體的密實(shí)充填程度和膠結(jié)程度進(jìn)行了分析，見圖1～5。

圖1 砂巖摻量50%

圖2 砂巖摻量60%

圖3 砂巖摻量70%

圖4 砂巖摻量50%膠結(jié)堆石

圖5 地質(zhì)雷達(dá)掃描圖(部分)

結(jié)果表明：砂巖骨料摻配50%的試驗(yàn)壩體，粗細(xì)骨料分布較均勻，嵌合程度較高，膠凝材料包裹較好。錘擊膠結(jié)體聲音較清脆，整體較密實(shí)；于膠結(jié)壩體中、下部位，或?qū)用娼Y(jié)合處，有粗骨料集中現(xiàn)象，最大砂巖骨料粒徑為70 mm，最大卵石粒徑為30 mm，粗粒徑骨料呈半裸露狀，被膠凝材料包裹率較低，錘擊易散，膠結(jié)程度較差。

砂巖骨料摻配60%的試驗(yàn)壩體，粗細(xì)骨料分布有明顯分界情況，以靠近表層15 cm處為界，上界膠結(jié)體粗細(xì)骨料分布較均勻，嵌合程度較高，膠凝材料包裹較好，錘擊不易散，有一定的膠結(jié)強(qiáng)度，具有較好密實(shí)度。下界膠結(jié)體粗骨料分布較集中，最大砂巖骨料粒徑為80 mm，最大卵石粒徑為40 mm，砂巖骨料與卵石骨料呈分離狀，局部存在架空，嵌合程度低，被膠凝材料包裹少或無。骨料較易從膠結(jié)體剝離，膠結(jié)強(qiáng)度較低。且層面結(jié)合處局部膠結(jié)體呈散粒狀，手捻易散，結(jié)合程度低，密實(shí)程度低。

砂巖骨料摻配70%的試驗(yàn)壩體，整體呈上密實(shí)下疏松狀，膠結(jié)體表層至以下30 cm處，粗細(xì)骨料分布較均勻，碾壓較密實(shí)。錘擊膠結(jié)體，聲音較清脆，見砂巖骨料破碎，具有一定的強(qiáng)度。膠結(jié)體下部粗骨料分布較集中，最大砂巖骨料粒徑為100 mm，最大卵石粒徑為40 mm，存在架空，骨料被膠凝材料包裹率較低，開槽至此段挖掘較易，用手可取出骨料，密實(shí)程度低，膠結(jié)程度較低。

砂巖骨料摻配50%的膠結(jié)堆石壩，粗細(xì)骨料分布較均勻，嵌合程度較高，膠凝材料包裹較好，錘擊膠結(jié)體聲音較清脆。破壞性錘擊后，破壞面大多沿骨料膠結(jié)處破壞，可見砂巖骨料破裂，說明該壩體具有一定的膠結(jié)強(qiáng)度，整體較密實(shí)。在膠結(jié)材料與堆石結(jié)合處，膠結(jié)材料呈散粒狀，與粗骨料結(jié)合差，易架空形成空洞。

綜上可得：砂巖作為膠結(jié)體的主要骨料，經(jīng)碾壓后會(huì)被二次破碎，能較好的與砂卵石骨料嵌合，在膠凝材料的膠結(jié)作用下，與砂卵石混合形成具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)體。膠結(jié)體隨著砂巖骨料摻配比例的增加，粗粒徑骨料集中現(xiàn)象越明顯，骨料嵌合程度越低，膠結(jié)程度越差，密實(shí)程度也就相對(duì)較低。相對(duì)于上部膠結(jié)體，中下部膠結(jié)體受到的壓實(shí)能量、骨料二次破碎程度以及經(jīng)振動(dòng)壓實(shí)后重排列嵌合的程度均相對(duì)較低，導(dǎo)致砂巖膠結(jié)壩體總體呈上部密實(shí)下部相對(duì)疏松特征。經(jīng)上述對(duì)比可知，50%砂巖骨料摻配比例的膠結(jié)壩體相對(duì)較密實(shí)，為最優(yōu)摻配比例。

開槽工作發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)壩體中存在架空、空洞，膠結(jié)差的部位，大多由于粗骨料集中、膠凝材料相對(duì)較少。說明砂巖與砂卵石混合骨料混合分布越均勻，膠凝材料包裹率越高，膠結(jié)壩體密實(shí)度越高。

砂巖骨料摻配50%的堆石壩相較于砂巖骨料摻配50%的膠結(jié)壩的特點(diǎn)具有相似性，但對(duì)于堆石壩的層面結(jié)合處，膠結(jié)材料呈散粒狀，與粗骨料結(jié)合差，易架空形成空洞。

4 結(jié) 語

本文依托《四川省紅層地區(qū)金雞溝水庫膠凝砂礫石壩現(xiàn)場變形剪切試驗(yàn)》項(xiàng)目，結(jié)合四川地區(qū)軟巖分布廣的特點(diǎn)，對(duì)不同砂巖摻配比例的膠結(jié)壩特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得知：砂巖膠結(jié)壩體能滿足中低壩的抗壓、抗剪強(qiáng)度和抗?jié)B強(qiáng)度等指標(biāo)，相對(duì)水灰比和水泥的用量，砂巖摻配比例不同對(duì)膠結(jié)壩體的材料性能影響不顯著；砂巖膠結(jié)壩體整體干密度值較高，隨著砂巖骨料摻量增加，干密度減小，均勻性變差；砂巖膠結(jié)壩整體密實(shí)度較高，呈上部密實(shí)下部相對(duì)疏松特征，隨著砂巖骨料摻配比例的增加，粗粒徑骨料集中現(xiàn)象越明顯，骨料嵌合程度越低，膠結(jié)程度越差，密實(shí)程度也就變得相對(duì)較低，50%砂巖骨料摻配比例為最優(yōu)比例；

砂巖與砂卵石混合骨料混合分布越均勻，膠凝材料包裹率越高，膠結(jié)壩體密實(shí)度越高。

本文基于軟巖砂巖骨料開展相關(guān)性研究，可為在四川紅層砂巖地區(qū)推廣應(yīng)用膠結(jié)新壩型提供借鑒和參考。今后的研究可將泥巖、頁巖、板巖砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖等作為骨料應(yīng)用于膠結(jié)新壩型中，能極大豐富建壩可使用材料，突顯 “宜材適構(gòu)”和“宜構(gòu)適材”的設(shè)計(jì)理念。