基于風(fēng)化料的膠結(jié)砂礫石料力學(xué)性能研究與工程應(yīng)用

王建有，王朝菲，李曙光

（1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州450001；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

1 研究背景

膠結(jié)砂礫石壩［1-5］具有漫頂不潰、環(huán)境友好、施工快捷和工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在中小型壩的建設(shè)和加固過程中具有很強(qiáng)的競爭力和應(yīng)用前景，越來越多國內(nèi)外學(xué)者對其材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。目前許多學(xué)者已經(jīng)對膠結(jié)砂礫石壩筑壩材料性能進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。賈金生［6］于2004年提出膠凝砂礫石壩的概念，并成功應(yīng)用于街面、洪口等膠結(jié)砂礫石圍堰上；賈金生研究團(tuán)隊(duì)對膠凝砂礫石筑壩材料的耐久性能和新型防護(hù)材料進(jìn)行了研究［7，8］，將研究成果應(yīng)用到我國首座開工建設(shè)的膠結(jié)砂礫石壩永久工程—山西守口堡膠凝砂礫石壩。何蘊(yùn)龍［9-12］研究團(tuán)隊(duì)研究了膠凝砂礫石壩的動力特性、地震響應(yīng)規(guī)律及在覆蓋層地基上修建的可能性。

上述研究的筑壩材料的性能指標(biāo)較好，滿足配制膠結(jié)砂礫石的要求。砂巖、泥巖、風(fēng)化料等性能較差的骨料不滿足配制膠結(jié)砂礫石的要求，還未在膠結(jié)砂礫石工程上應(yīng)用。為進(jìn)一步拓寬膠結(jié)砂礫石壩筑壩材料的選擇范圍，本文結(jié)合西江大壩的風(fēng)化料開展配合比試驗(yàn)研究，通過微風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化料復(fù)摻的方法配制了滿足設(shè)計(jì)要求的膠結(jié)砂礫石，并基于有限單元法，對大壩進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析。

2 工程概況

西江大壩位于黔東南苗族侗族自治州西南部雷山縣境內(nèi)，主要任務(wù)為城市供水、農(nóng)田灌溉和防洪，總庫容447 萬m3，正常蓄水位896.0 m，相應(yīng)庫容360 萬m3。壩頂高程899.5 m，河床建基面高程851.0 m，最大壩高為49.5 m，壩頂寬6 m，壩軸線長198.5 m，壩體上、下游坡比為1∶0.6。壩址處河谷為對稱“V”型斜向谷，水庫正常蓄水位處谷寬約173 m，寬高比約為3.1。壩址處微風(fēng)化料的儲量不能滿足西江大壩的回填，周圍土地均為景區(qū)規(guī)劃用地及國家保護(hù)林地，不能開挖取料，左壩肩處有強(qiáng)度較低的強(qiáng)風(fēng)化料，強(qiáng)風(fēng)化料具有強(qiáng)度低、風(fēng)化程度高等工程特性。

3 膠結(jié)砂礫石配合比試驗(yàn)

為拓寬膠結(jié)砂礫石壩筑壩材料的選擇范圍，響應(yīng)國家保護(hù)環(huán)境的號召以及實(shí)現(xiàn)膠結(jié)砂礫石壩零棄料的筑壩理念等原因，本文采用微風(fēng)化料和強(qiáng)風(fēng)化料復(fù)摻的混合骨料來進(jìn)行配合比試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用普通硅酸鹽42.5 水泥；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；減水劑為專用外加劑；砂石料為西江工程微風(fēng)化料和強(qiáng)風(fēng)化料，如圖1所示。砂石料性能指標(biāo)的測定數(shù)據(jù)可以參考表1的標(biāo)識。

圖1 風(fēng)化砂礫石料

表1 骨料性能指標(biāo)檢測結(jié)果

由表1可見，強(qiáng)風(fēng)化料各粒徑骨料的表觀密度在2 502～2 538 kg/m3之間，滿足《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》SL678-2014［13］（下文中縮寫為導(dǎo)則）之中不應(yīng)當(dāng)?shù)陀? 450 kg/m3的要求。氣干條件下，抗壓強(qiáng)度以及點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)相對偏低，實(shí)際檢測數(shù)據(jù)是18.7 和1.2 MPa。微風(fēng)化料壓碎指標(biāo)和含泥量數(shù)據(jù)相對較小，強(qiáng)度及表觀密度數(shù)據(jù)較高，因此微風(fēng)化料骨料品質(zhì)較好。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

開展了6 組膠結(jié)砂礫石配合比試驗(yàn)，其中強(qiáng)風(fēng)化料占比分別為0%，20%，40%，60%，80%，100%，各試驗(yàn)組配合比見表2。

表2 各試驗(yàn)組膠結(jié)砂礫石配合比

依據(jù)《導(dǎo)則》及《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352-2006［14］中碾壓混凝土的有關(guān)試驗(yàn)方法成型膠結(jié)砂礫石試件，在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)測試。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 抗壓強(qiáng)度

各試驗(yàn)組試塊的強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律如圖2所示，相對于組6的強(qiáng)度增強(qiáng)效果如圖3所示。

圖2 復(fù)摻膠結(jié)砂礫石抗壓強(qiáng)度

圖3 抗壓強(qiáng)度提升效果

由圖2可見，膠結(jié)砂礫石抗壓強(qiáng)度隨著強(qiáng)風(fēng)化料占比的增加而減小，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)化料摻量小于60%時(shí)，180 d 抗壓強(qiáng)度為8.7～10.6 MPa，可以滿足強(qiáng)度等級為C1806的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

由圖3可見，在28 d 齡期時(shí)，1、2、3、4、5 試驗(yàn)組膠結(jié)砂礫石的抗壓強(qiáng)度相對于6 試驗(yàn)組分別提升了112.1%、69.7%、39.4%、21.2%及9.1%；在180d齡期時(shí)，分別提升了85.9%、65.6%、50%、35.9%及18.8%。

完全采用強(qiáng)風(fēng)化料不能配制滿足設(shè)計(jì)要求的膠結(jié)砂礫石，當(dāng)加入一定比例的微風(fēng)化料時(shí)，可以顯著提高膠結(jié)砂礫石的強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度隨微風(fēng)化料用量的增加逐漸增大。

3.3.2 彈性模量

1和4試驗(yàn)組彈性模量測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

由表3可見，1 和4 試驗(yàn)組180 d 齡期彈性模量的均值是15.6 GPa 與12.1 GPa，有限元分析過程中相應(yīng)的彈性模量數(shù)據(jù)設(shè)定為15和12 GPa。

4 有限元分析

4.1 有限元模型建立

使用Abaqus 軟件針對西江大壩溢流壩段，構(gòu)建相應(yīng)的模型，模型具體信息及網(wǎng)格劃分如圖4和圖5所示。

圖4 西江大壩溢流壩段模型圖

圖5 網(wǎng)格劃分圖

4.2 工況及材料參數(shù)

4.2.1 工 況

（1）工況1：完建工況，只受重力荷載影響。

（2）工況2：正常蓄水位工況，上下游壩面受靜水壓力影響。

4.2.2 材料參數(shù)

壩體上半部分及下半部分采用配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基巖采用西江水庫地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)報(bào)告中數(shù)據(jù)，防滲保護(hù)層和墊層采用文獻(xiàn)［15］中數(shù)據(jù)，西江大壩溢流壩段各部位材料參數(shù)如表4所示。

表4 西江大壩溢流壩段各部位材料參數(shù)表

4.3 計(jì)算結(jié)果與分析

4.3.1 應(yīng)力結(jié)果與分析

各工況下壩體-地基系統(tǒng)大、小主應(yīng)力圖如圖6所示。

由圖6可見，完建工況下，壩體大主應(yīng)力呈現(xiàn)出從壩頂?shù)綁蔚字饾u增大的規(guī)律，其值均為負(fù)值，壩體均受壓應(yīng)力。受自重荷載影響，壩踵及壩趾處應(yīng)力值分別為-1.24 MPa和-1.15 MPa。壩體小主應(yīng)力為-0.1 MPa左右的壓應(yīng)力。

圖6 各工況下壩體-地基系統(tǒng)應(yīng)力云圖（單位：Pa）

正常蓄水位工況下，壩體未產(chǎn)生拉應(yīng)力。受水壓力及揚(yáng)壓力作用的影響，壩踵的大主應(yīng)力數(shù)據(jù)為-0.709 MPa，相對于完建狀態(tài)之下的應(yīng)力數(shù)據(jù)顯著下降。壩體的小主應(yīng)力均為小于-0.24 MPa 的壓應(yīng)力，應(yīng)力數(shù)值相對偏低。受上游水荷載作用的影響，在上游壩基附近產(chǎn)生了+0.189 MPa的拉應(yīng)力。

不同工況下壩體特征部位的應(yīng)力見表5。

表5 特征部位應(yīng)力MPa

由表5可見，西江大壩壩體應(yīng)力水平較低，壩踵及壩趾位置產(chǎn)生了相應(yīng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。各工況下，最大應(yīng)力數(shù)據(jù)為1.41 MPa，相應(yīng)安全系數(shù)為4.26，符合《導(dǎo)則》關(guān)于應(yīng)力的要求。

4.3.2 位移結(jié)果與分析

各工況時(shí)水平和豎向位移云圖見圖7。

圖7 各工況下壩體-地基系統(tǒng)位移云圖（單位：mm）

通過圖7的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，完建工況下，壩體在自重荷載的影響下，其豎向位移隨著高程的增加逐漸變大，在壩頂處產(chǎn)生最大豎向位移，其數(shù)值為-2.95 mm。隨著地基深度的加深壩基的豎向位移逐漸減小，系統(tǒng)的豎向位移沿壩軸線對稱分布。

正常蓄水位工況下，受靜水壓力和揚(yáng)壓力的共同作用，其豎向位移均為負(fù)值。在上游靜水壓力影響下，壩體水平位移向下游產(chǎn)生明顯傾斜。從壩基到壩頂，豎向位移值隨高程增加而變大，在壩頂處產(chǎn)生-3.34 mm 的最大豎向位移，與完建工況的最大豎向位移相比略有增大。

各工況下西江大壩特征部位的位移如表6所示。

表6 特征部位位移mm

通過表6的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，各工況下壩體的位移相對較小，壩頂處產(chǎn)生-3.342 mm的最大豎向位移。

5 結(jié) 論

本文以西江大壩工程的風(fēng)化料為研究對象，通過配合比試驗(yàn)研究，配制出滿足強(qiáng)度要求的膠結(jié)砂礫石，并基于有限單元法，對西江大壩進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析。結(jié)論如下：

（1）完全使用強(qiáng)風(fēng)化料配制的膠結(jié)砂礫石無法滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求；當(dāng)強(qiáng)風(fēng)化料摻量低于60%的情況下，180 d 齡期的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)為8.7～10.6 MPa，可符合C1806的設(shè)計(jì)要求。

（2）西江大壩在各類工況下其整體應(yīng)力數(shù)據(jù)偏低，同時(shí)分布也相對均勻。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩趾處，其應(yīng)力值為1.41 MPa；各工況下壩體位移均小于5 mm，變形較小?！?/p>