新疆麻溝河防洪治理工程中護(hù)坡混凝土砌塊穩(wěn)定性分析研究

郝偉民

(五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，新疆 五家渠 831300)

新疆地區(qū)部分內(nèi)陸河由于夏季冰雪融化以及暴雨等影響，河道水位暴漲，導(dǎo)致下游河道防洪壓力倍增，特別是一些運(yùn)營時(shí)間較長的防洪堤壩等[1- 3]，以麻溝河為例，在雨季水位流量常年高于80m3/s，因而，研究防洪樞紐工程安全運(yùn)營性很有必要。在防洪堤壩等水工設(shè)施中，混凝土作為不可缺少的原材料，力學(xué)穩(wěn)定性關(guān)乎著防洪結(jié)構(gòu)的安全長久運(yùn)營[4- 6]。目前，吳敏強(qiáng)[7]、胡良明等[8]、王瑞駿等[9]采用室內(nèi)試驗(yàn)手段，通過單、三軸等試驗(yàn)方案，開展了混凝土壓縮力學(xué)、彎曲力學(xué)等力學(xué)特性研究，極大地豐富了水利工程中混凝土材料研究成果。作為一種典型顆粒流組成材料，利用PFC等顆粒流離散元仿真手段，計(jì)算研究實(shí)際工程約束荷載下混凝土材料應(yīng)力變形特征，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了重要參考[10- 12]。不論是仿真計(jì)算亦或是室內(nèi)試驗(yàn)，一定程度上均脫離了實(shí)際工程開展研究，因而崔海波等[13]、張英達(dá)等[14]、肖楚珺等[15]在現(xiàn)場利用監(jiān)測手段，研究了混凝土在實(shí)際工程運(yùn)營過程中內(nèi)部應(yīng)力或變形變化，為探討最佳混凝土性能設(shè)計(jì)提供了依據(jù)?；诼闇虾訉?shí)際工程應(yīng)用背景下，設(shè)計(jì)開展不同因素影響下混凝土力學(xué)特征變化，為麻溝河防洪治理工程水利設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 工程背景

麻溝河是新疆昌吉境內(nèi)重要水源河流，為地區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水以及生活用水供應(yīng)提供重要保障，流域面積200km2，多年平均徑流量為5.43×106m3，河道長約60km，其中灌溉下游農(nóng)田面積8666.67hm2。由于上游中葛根河洪水常年水位較高，對下游生活區(qū)以及水資源調(diào)度設(shè)施均造成較大威脅，上游中葛根河來水流量常年高于60m3/s，下游麻溝河區(qū)段防洪壓力較大，為此，對麻溝河下游開展防洪治理很有必要。根據(jù)工程調(diào)查得知，目前麻溝河面臨洪水壓力最大的區(qū)段乃是-8+650—7+300，全長為15.95km，設(shè)計(jì)該區(qū)段內(nèi)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇、洪峰流量71.6m3/s。采用混凝土砌塊作為河岸護(hù)坡材料，防洪堤壩主體采用砂礫石料分層堆筑，在壩趾及坡腳等區(qū)域回填碎石等墊層材料，增強(qiáng)坡腳區(qū)域防滲性，設(shè)計(jì)防洪堤頂寬為3.5m，兩側(cè)坡度均為1/1.5，河道堤防護(hù)坡斷面如圖1所示。采用預(yù)制混凝土砌塊作為護(hù)坡材料，厚度為15cm；為增強(qiáng)整體防洪堤壩穩(wěn)定性，在堤壩上按照間隔100m設(shè)置防滲墻與防洪墻，其中防滲墻厚度為60cm，與堤壩土工格膜等構(gòu)成堤壩防滲系統(tǒng)，確保堤壩滲流安全。在該防洪治理工程中不僅僅在壩身護(hù)坡采用預(yù)制混凝土材料，在壩肩以及防浪墻等水利設(shè)施中均采用了該類混凝土砌塊，因而針對性開展預(yù)制混凝土力學(xué)穩(wěn)定性研究對水利工程安全運(yùn)營以及最佳設(shè)計(jì)方案均具有重要意義。

圖1 河道堤防護(hù)坡斷面圖(單位：cm)

1.2 試驗(yàn)方案

本次防洪堤壩混凝土砌塊材料單軸加載試驗(yàn)機(jī)采用RAW- 500性伺服式液壓控制試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括有加載系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中加載系統(tǒng)采用電腦程序控制軸向荷載，可變換力控與變形控制2種方式，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可根據(jù)需要間隔0.5～10s采集，其中變形控制加載最小速率可達(dá)0.0001mm/min，軸向加載力傳感器最大可達(dá)1000kN，軸向位移傳感器最大量程可達(dá)20mm，環(huán)向變形傳感器量程為-10～10mm，各傳感器精度均滿足實(shí)驗(yàn)要求，誤差不超過0.5%，確保實(shí)驗(yàn)精度及試驗(yàn)結(jié)果可靠性。根據(jù)麻溝河防洪堤壩預(yù)制混凝土材料基本設(shè)計(jì)參數(shù)得知，混凝土水灰比為0.4，水泥用量為387kg/m3，粗細(xì)骨料分別為1178、620kg/m3，水用量為216kg/m3。在護(hù)坡砌塊以及防浪墻等水利設(shè)施中，預(yù)制混凝土增加了膨潤土，根據(jù)不同工程應(yīng)用摻量差異，膨潤土摻量分別設(shè)定為0%、10%、20%、30%；由于預(yù)制混凝土在護(hù)坡砌塊中尺寸差異顯著，而尺寸參數(shù)對預(yù)制混凝土力學(xué)穩(wěn)定性具有較大影響，因而本試驗(yàn)中以試樣高度作為表征預(yù)制混凝土尺寸差異，高度方案分別設(shè)定為150、300、450、550、700mm，采用的試樣尺寸長、寬均為150mm，研究試樣高度影響力學(xué)穩(wěn)定性時(shí)，僅改變高度參數(shù)，而膨潤土影響性方案中混凝土試樣尺寸參數(shù)均保持一致，所制作的典型試樣如圖2所示，試驗(yàn)具體方案見表1。

表1 試驗(yàn)具體方案

圖2 典型試樣

按照如下試驗(yàn)程序進(jìn)行：

(1)針對目標(biāo)試樣尺寸參數(shù)以及膨潤土設(shè)計(jì)摻量等完成制作，并放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h，完成試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作后，將試樣安裝在RAW- 500型單軸加載系統(tǒng)中，安裝好軸向變形、環(huán)向變形等數(shù)據(jù)采集傳感器，在試驗(yàn)機(jī)加載程序中設(shè)定好相關(guān)試樣物理特征參數(shù)，如圖3所示。

圖3 傳感器安裝后試樣

(2)開始軸向加載，加載方式以力控與變形控制組合方式完成單軸加載，其中變形控制加載速率為0.02mm/min，力控加載速率為30kN/min，直至試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3)結(jié)束試驗(yàn)，卸下軸向荷載與相關(guān)監(jiān)測傳感器，更換試樣，重復(fù)進(jìn)行上述操作。

2 膨潤土摻量與混凝土力學(xué)特征關(guān)系

2.1 荷載位移分析

膨潤土作為一種混凝土添加劑，當(dāng)施加不同摻量時(shí)混凝土內(nèi)部黏結(jié)性以及流動性均會受到影響，進(jìn)而改變混凝土材料力學(xué)特征，為此，試驗(yàn)獲得了膨潤土摻量對混凝土力學(xué)特征影響關(guān)系曲線，如圖4所示。從圖中可看出，膨潤土摻量與各試樣荷載關(guān)系為先增后減，其中以摻量20%試樣荷載水平最大，當(dāng)試樣高度為300mm時(shí)，在試樣相同位移2mm下，其中摻量0%混凝土荷載為15.65kN，而摻量10%、20%對應(yīng)的荷載相比前者增大了72.3%、2.09倍，但摻量30%混凝土試樣加載荷載又相比摻量20%降低了23.6%，表明膨潤土摻量對混凝土單軸荷載影響具有臨界拐點(diǎn)。當(dāng)處于臨界拐點(diǎn)以下時(shí)，膨潤土摻量與混凝土承載能力為正相關(guān)，當(dāng)超過臨界拐點(diǎn)，則承載能力呈降低態(tài)勢，而本次實(shí)驗(yàn)中膨潤土摻量臨界拐點(diǎn)則為20%。筆者認(rèn)為，膨潤土作為一種細(xì)顆粒骨料，在混凝土顆粒骨架中能夠很好地起到填充孔隙作用，進(jìn)而提升混凝土整體顆粒骨架穩(wěn)定性，確?；炷猎嚇映休d能力[16]；但不可忽視，膨潤土承載強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度終究存在著差距，當(dāng)膨潤土在混凝土試樣中占比較多時(shí)，其勢必需要參與混凝土的強(qiáng)度承載中來，因而會削弱混凝土承載能力。

圖4 不同膨潤土摻量影響下混凝土荷載位移曲線

與應(yīng)力特征具有相反態(tài)勢的是，混凝土試樣變形特征隨膨潤土摻量為先減后增變化，其中該變形特征以峰值位移與最大位移為例，試樣高度為300mm時(shí)，膨潤土摻量0%試樣的峰值位移為9.8mm，而膨潤土摻量10%、20%試樣峰值位移為6.89、5.21mm，但摻量30%峰值位移相比摻量20%下，增大為6.13mm。其中最大位移變化特征如圖5所示，最大位移隨膨潤土摻量呈“V”字變化，各高度下試樣特征均是如此，當(dāng)試樣高度均為450mm時(shí)，以摻量20%最大位移為最低，僅為8.55mm，其中膨潤土摻量0%、30%最大位移基本相接近，均穩(wěn)定在9.8mm。分析表明，當(dāng)混凝土內(nèi)膨潤土摻量處于20%以下時(shí)，混凝土顆粒骨架整體承載能力較強(qiáng)，脆性變形占據(jù)主導(dǎo)，塑性變形能力較弱，因而最大位移呈遞減態(tài)勢。

圖5 最大位移與膨潤土摻量關(guān)系曲線

2.2 強(qiáng)度特征

膨潤土摻量不僅僅影響加載過程中應(yīng)力位移特征，從結(jié)果論角度來看，混凝土單軸抗壓強(qiáng)度均受膨潤土摻量影響，圖6為混凝土抗壓強(qiáng)度與膨潤土摻量關(guān)系曲線。其中試樣高度300mm時(shí)，膨潤土摻量20%單軸抗壓強(qiáng)度為3.43MPa，而摻量為0%、10%抗壓強(qiáng)度相比前者降低了23.9%、7.3%，摻量30%抗壓強(qiáng)度又降低了11.1%，當(dāng)膨潤土摻量低于臨界拐點(diǎn)時(shí)，平均每增長10%摻量，抗壓強(qiáng)度增長14.8%，而摻量高于臨界拐點(diǎn)后，平均增長10%摻量，抗壓強(qiáng)度降低11%；當(dāng)試樣高度增大至700mm時(shí)，在摻量臨界點(diǎn)前后2個(gè)階段中，增長量與降低量分別為12.5%、12.7%，表明膨潤土摻量影響混凝土強(qiáng)度幅度差異在試樣高度參數(shù)改變下無顯著性改變，此種現(xiàn)象在試樣高度300～700mm中均是如此，但以試樣高度150mm例外，其抗壓強(qiáng)度乃是最大。

圖6 單軸抗壓強(qiáng)度與膨潤土摻量關(guān)系曲線

3 試樣高度與混凝土力學(xué)特征關(guān)系

3.1 應(yīng)力變形

同理獲得試樣高度參數(shù)對混凝土力學(xué)特征影響，圖 7為不同試樣高度下應(yīng)力位移曲線特征。從圖7可以看出，除試樣高度150mm以外，試樣高度與單軸荷載為正相關(guān)，當(dāng)位移均為1.5mm時(shí)，試樣高度300mm的荷載為16.2kN，高度450、700mm試樣相應(yīng)的荷載乃是前者的1.25、1.62倍。筆者認(rèn)為，當(dāng)試樣高度超過長、寬尺寸后，則試樣承載方向以高度方向一致，當(dāng)高度參數(shù)增大，則加載應(yīng)力有一定增長，但相比之下，當(dāng)試樣高度處于長、寬尺寸一致時(shí)，試樣內(nèi)部晶體顆粒骨架穩(wěn)定性以及初始裂隙發(fā)育率均較低，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土試樣整體穩(wěn)定性較高，承載能力亦較大[17]。

圖7 不同試樣高度影響下混凝土荷載位移曲線

圖8為不同試樣高度的混凝土最大位移變化特征。從圖中可看出，相同膨潤土摻量下最大位移隨試樣高度呈先減后增態(tài)勢變化，其中試樣高度450mm試樣的最大位移為最小，膨潤土摻量10%下時(shí)其最大位移為9.2mm，試樣高度300mm最大位移相比之增大了30.4%，但試樣高度550、700mm相比之亦增大了9.7%、19.2%；當(dāng)膨潤土摻量提升至20%后，最大位移整體水平均降低，但各個(gè)高度試樣間的最大位移值差異幅度基本保持一致，試樣高度300、550、700mm最大位移相比高度450mm分別增大了31.2%、10.3%、19.5%；由此可知，膨潤土摻量改變對試樣高度與混凝土最大位移之間關(guān)系無顯著性影響。

圖8 最大位移與試樣高度關(guān)系曲線

體積變形作為衡量試樣變形壓縮與擴(kuò)容的重要指標(biāo)，根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果同樣獲得了最大壓縮體積應(yīng)變與2個(gè)影響因素關(guān)系曲線，如圖9所示。從圖9可看出，相同膨潤土摻量下最大壓縮體變與試樣高度為負(fù)相關(guān)，在同為膨潤土摻量10%時(shí)，試樣高度150mm的最大壓縮體積應(yīng)變?yōu)?.6%，而試樣高度為550、700mm的最大壓縮體變分別為0.39%、0.33%；而對比相同試樣高度下，最大壓縮體變與膨潤土摻量為先減后增變化，以膨潤土摻量20%時(shí)的最大壓縮體變?yōu)樽钚?，試樣高?00mm中，膨潤土摻量20%的最大壓縮體變?yōu)?.53%，而摻量0%、10%、30%最大壓縮體變分別為0.62%、0.58%、0.65%。

圖9 最大壓縮體變與試樣高度變化關(guān)系

3.2 強(qiáng)度特征

圖10為不同試樣高度影響下混凝土抗壓強(qiáng)度變化特征。從強(qiáng)度變化特征可知，試樣高度150mm的抗壓強(qiáng)度最大，隨高度參數(shù)增大，抗壓強(qiáng)度呈先減后增變化，此變化特征在各個(gè)膨潤土摻量對比組中均是如此，以膨潤土摻量20%為例，試樣高度150mm下抗壓強(qiáng)度為5.6MPa，而高度增大至300、550、700mm后的抗壓強(qiáng)度相比前者分別降低了52.7%、43.2%、38.1%；在試樣高度變化過程中，以高度150～300mm之間，抗壓強(qiáng)度降幅最大，可達(dá)52.7%，而在高度300～700mm間，平均每增長1mm高度，抗壓強(qiáng)度增大了0.002MPa。分析認(rèn)為，從工程設(shè)計(jì)安全性以及材料經(jīng)濟(jì)性綜合角度考慮，試樣高度應(yīng)該保證在強(qiáng)度增長性最佳狀態(tài)，并與工程實(shí)際尺寸需要相契合。

圖10 單軸抗壓強(qiáng)度與試樣高度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

(1)混凝土強(qiáng)度隨膨潤土摻量為先增后減變化，臨界點(diǎn)為摻量20%，當(dāng)摻量低于臨界拐點(diǎn)時(shí)，每增長10%摻量，抗壓強(qiáng)度平均增長14.8%，而高于臨界點(diǎn)后，增長10%摻量，抗壓強(qiáng)度降低11%。

(2)混凝土峰值位移與最大位移均隨膨潤土摻量呈先減后增態(tài)勢，以摻量20%位移特征值最小。

(3)混凝土強(qiáng)度隨高度呈先減后增態(tài)勢，在高度150～300mm之間，強(qiáng)度降幅最大，而在高度300～750mm間，平均每增長1mm高度，抗壓強(qiáng)度增大了0.002MPa。

(4)相同膨潤土摻量下最大位移隨高度呈先減后增態(tài)勢；相同摻量下最大壓縮體變與高度為負(fù)相關(guān)，相同高度下，最大壓縮體變與摻量呈先減后增態(tài)勢。