碾壓混凝土壩鉆孔取芯壓水試驗及成果分析

劉清波

摘要：如何有效檢測碾壓混凝土壩的透水率一直是人們探討的課題。湖南莽山水庫大壩全斷面主體為碾壓混凝土壩，在大壩鉆孔取芯壓水試驗中，改進壓水系統(tǒng)及操作工藝，穩(wěn)定可靠地獲取了透水率;并開展碾壓混凝土透水率、不利斷口試驗成果的相關(guān)分析，準確評定了碾壓混凝土的質(zhì)量及滲透狀態(tài)。論文研究成果可供同類工程及相關(guān)試驗參考。

關(guān)鍵詞：透水率;碾壓混凝土;鉆孔取芯;壓水試驗;不利斷口;相關(guān)性;莽山水庫

中圖法分類號：TV642文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.023

Abstract： How to effectively test the permeability of RCC dam is a topic people have always been discussing. The Mangshan reservoir dam in Hunan Province is RCC dam. In the the water pressuring test on the entire main RCC dam， the water pressure system and operation technology were improved， and the permeability rate was obtained. In addition， the test results of water permeability rate and adverse fracture test of RCC were analyzed， and the quality and permeability state of RCC were accurately evaluated. The test results can be used as reference for similar projects and related tests.

Key words： permeability; RCC; hole drilling and core taking; pressuring test; adverse fracture; correlation; Mangshan Reservoir

1 工程概況

碾壓混凝土壩兼有常態(tài)混凝土重力壩和堆石壩的優(yōu)點，但由于采用通倉、薄層（厚約0.3 m）連續(xù)鋪筑碾壓，存在眾多層面和縫面，如果處理不當就會形成滲漏通道[1-7]。壩體滲漏會引起混凝土溶蝕，降低混凝土強度，影響混凝土耐久性，同時會產(chǎn)生較大的揚壓力，造成隱伏結(jié)構(gòu)薄弱面，對壩體穩(wěn)定性構(gòu)成威脅[8]。對國內(nèi)外已建碾壓混凝土壩的運行觀測表明，滲漏問題普遍存在于碾壓混凝土中[9-10]。通常采用鉆孔取芯和壓水試驗綜合方法評價碾壓混凝土澆筑質(zhì)量[11]。

湖南莽山水庫大壩全斷面主體為碾壓混凝土（三級配C9015W6F50）壩，上游面為垂直面，下游壩坡為1∶0.75，壩頂寬為6 m，最大壩高101.30 m，最大底寬81.58 m，壩頂總長為354.8 m，澆筑工期20個月。在檢測與評價其碾壓混凝土壩的澆筑質(zhì)量時，分析和總結(jié)以往的鉆孔取芯和壓水試驗方法，在此基礎(chǔ)上改進了壓水系統(tǒng)和操作工藝，并開展了試驗成果相關(guān)分析。在莽山水庫大壩碾壓混凝土質(zhì)量檢測中，利用其澆筑間歇期在不同高程進行3次鉆孔取芯和壓水試驗。鉆孔取芯和壓水試驗指標見表1。

2 鉆孔壓水試驗

鉆孔壓水試驗的任務(wù)是測定碾壓混凝土的透水性，主要依據(jù)SL 31-2003《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》開展試驗。該試驗法源于巖體原位滲透試驗法，其結(jié)果用于評價巖體滲透性和滲控設(shè)計;對于碾壓混凝土現(xiàn)場鉆孔壓水試驗，由于碾壓混凝土與巖體物理力學(xué)特性不同導(dǎo)致其在滲透性方面存在差異，故嚴格地講引用該規(guī)程不能有效測取碾壓混凝土滲透率。巖石地基的節(jié)理裂隙發(fā)育，一般透水性較強;碾壓混凝土層面不明顯、一般為不飽和區(qū)，透水性較弱。因此，必須有針對性地布設(shè)孔位、孔深且注意及注水壓力的選擇。

2.1 檢測方法

主要通過壓水試驗檢測其5 m長試段內(nèi)的透水率，輔以對應(yīng)試段芯樣的不利斷口率和取樣深度的檢測，如圖1所示。

由于碾壓混凝土內(nèi)滲透系數(shù)k一般為1×10-8～10-9cm/s，透水率≤1 Lu。若在此微透水區(qū)域內(nèi)按巖體內(nèi)的壓水試驗方法進行壓水試驗，難以滿足其精度要求。因此，對壓水系統(tǒng)進行了改造和加工。

2.1.1 壓水系統(tǒng)

（1）壓水設(shè)備。供水穩(wěn)定性（包括壓力和流量）是注水試驗的直接影響因素，供水不穩(wěn)定、壓力和流量波動大會使碾壓混凝土壓水試驗檢測目的難以實現(xiàn)，對此，在莽山水庫大壩注水試驗中應(yīng)選擇計量精度高、壓水穩(wěn)定的計量泵，避免采用一般泥漿泵，并選用具有無級調(diào)節(jié)行程功能的壓水泵。

（2）進水測量裝置。進水量觀測也是現(xiàn)場壓水試驗的重要環(huán)節(jié)。為此，在試驗中專門定制了一套進水測量裝置，既能滿足測讀各種微小滲水量的要求，又能連續(xù)測讀且具備校核功能。

（3）供水管路。采用內(nèi)徑一致且能承受1.2 MPa的膠管插入鉆桿內(nèi)供水，解決管路漏水及接頭壓力損失的問題。

（4）止水膠塞。采取包括涂抹凡士林等措施確保膠塞周圍密封性良好。試驗證明，改進后的系統(tǒng)可有效測定0.20～1.13 Lu范圍內(nèi)的滲透率。

2.1.2孔位布置及壓力選擇

（1）孔位布置及施鉆次序。根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)特點、混凝土分區(qū)及施工工序等布設(shè)孔位和孔深;壓水孔多布設(shè)在靠近上游面的防滲段內(nèi)，針對混凝土澆筑工況布設(shè)取芯孔;施鉆次序一般為先鉆壓水孔，后鉆取芯孔。

（2）壓力選擇。采用自上而下分段壓水，為避免壩體產(chǎn)生抬動，試驗段全壓力最大約為0.6 MPa。

2.2 檢測成果

現(xiàn)場3次壓水試驗中，共布設(shè)7個孔。試驗段全壓力為0.6 MPa。壓水試驗參數(shù)及透水率統(tǒng)計見表2。由表2可以看出，7個孔中，滲透率最大值達1.13 Lu，但平均值約為0.66 Lu，這反映出孔中部分測段存在不密實的問題。

3 鉆孔取芯檢驗

鉆孔取芯是從滿90 d齡期的碾壓混凝土中取樣，對其外觀、長度、斷面骨料分布均勻性，混凝土密實程度及膠結(jié)情況等進行評定，同時利用部分芯樣進行力學(xué)指標試驗，以確定碾壓混凝土的力學(xué)特性。鉆孔取芯按SL 53-94《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》進行。3次現(xiàn)場取芯檢驗中共布置7個孔（均在壓水試驗孔附近1 m范圍內(nèi)），芯樣獲得率及斷口形態(tài)數(shù)量統(tǒng)計見表3。表3中其他斷口是指包括機械人工折斷、人工搬運折斷、骨料架空、漿液離析、骨料分離的折斷、大骨料粒徑占芯樣直徑的1/3而折斷等;不利斷口率（層面斷口、縫面斷口）體現(xiàn)的是碾壓混凝土層間缺陷（裂縫、內(nèi)部缺陷等），影響壩體的整體性，減弱壩體的防滲性能[8]。

4 試驗成果及其分析

莽山水庫大壩碾壓混凝土3次鉆孔取芯和壓水試驗共鉆孔14個（7個取芯孔和7個壓水試驗孔）。3次試驗中碾壓混凝土芯樣獲取時不利斷口率分別為20.0%，24.8%和25.9%;對應(yīng)（不同高程）平均透水率分別為0.52，0.68 Lu和0.77 Lu;反映了不同高程混凝土密實程度及膠結(jié)不一致。

對碾壓混凝土透水率和不利斷口率檢測數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)不利斷口率高時，透水率也大。對透水率和不利斷口率進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土透水率和不利斷口率具有良好相關(guān)性，一次線性相關(guān)系數(shù)大于0.8，見表4及圖2。

不利斷口率主要反映了碾壓混凝土層間結(jié)合處的施工質(zhì)量和最易形成滲漏通道的缺陷部位。運用不利斷口率與透水率密切相關(guān)性，結(jié)合碾壓混凝土施工狀況（如間隔時間、層面處理方式、碾壓質(zhì)量、澆筑時的氣候、混凝土的配合比等），可有效分析和評定碾壓混凝土滲流特性及施工質(zhì)量。

5 結(jié) 論

（1）改進和選擇壓水系統(tǒng)及操作工藝，有效地測定了碾壓混凝土透水率，具有精度高、可靠性強等特點。

（2）碾壓混凝土透水率與芯樣不利斷口率具有良好相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.83，考慮碾壓混凝土滲透性是混凝土澆筑質(zhì)量的重要體現(xiàn)，故層面的膠結(jié)密實性是碾壓混凝土施工控制的重點。

（3）利用透水率、不利斷口率的相關(guān)性可確定碾壓混凝土澆筑缺陷位置，可適量布設(shè)孔隙壓力計，以為大壩運行與維護提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

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（編輯：唐湘茜）