高碾壓混凝土壩層間結(jié)合性能影響因素試驗(yàn)研究

葉新 董海英

摘要： 為確定云南省黃登水電站大壩碾壓混凝土（RCC）配合比和施工質(zhì)量控制參數(shù)，通過試驗(yàn)研究了RCC壩層面間隔時(shí)間和碾壓層面處理方式對(duì)RCC層面抗剪強(qiáng)度特性及抗?jié)B特性的影響。結(jié)果表明：層面間隔在8 h內(nèi)時(shí)，縮短間隔時(shí)間能更有效地提升層間結(jié)合性能;超過8 h后，層間結(jié)合性能對(duì)間隔時(shí)間的敏感性逐漸降低并趨于收斂。采用鋪砂漿處理層面的RCC層間結(jié)合性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 碾壓混凝土壩;層間結(jié)合;抗剪強(qiáng)度;抗?jié)B特性;黃登水電站;云南省

中圖法分類號(hào)：TV642.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.012

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）12 - 0072 - 04

0 引 言

20世紀(jì)70年代起，碾壓混凝土（RCC）技術(shù)因其特有的優(yōu)勢(shì)在世界各國(guó)混凝土壩施工中快速發(fā)展。碾壓混凝土壩素有“千層餅”之喻，對(duì)于0.3 m的澆筑層厚度，每立方米碾壓混凝土將產(chǎn)生大于3 m2的層面，碾壓層之間的結(jié)合面是RCC薄弱環(huán)節(jié)。RCC通常采用薄層連續(xù)澆筑，第1層混凝土壓實(shí)后，層面間需要隔一定時(shí)間再澆筑第2層碾壓混凝土，才能保證層面間依然有良好的黏結(jié)力和抗?jié)B性能;碾壓層面應(yīng)采用不處理、凈漿或砂漿處理中的哪種方法;針對(duì)這些問題目前還沒有一致的解決方案[1-2]。

云南省黃登水電站大壩是目前世界上最高的碾壓混凝土重力壩之一，最大壩高203 m，將有680多個(gè)層面。黃登水電站大壩對(duì)筑壩碾壓混凝土材料要求很高，其中層間結(jié)合特性和質(zhì)量控制參數(shù)以及抗剪、抗?jié)B特性是工程建設(shè)中的關(guān)鍵控制性指標(biāo)。因此，本次試驗(yàn)針對(duì)該工程特點(diǎn)開展了層間結(jié)合特性和質(zhì)量控制參數(shù)研究。

1 工程概況

黃登水電站位于云南省怒江州蘭坪縣營(yíng)盤鎮(zhèn)境內(nèi)的瀾滄江上游河段，為瀾滄江上游曲孜卡至苗尾河段規(guī)劃8個(gè)梯級(jí)中的第6個(gè)梯級(jí)。壩址距營(yíng)盤鎮(zhèn)公路里程約12 km，距蘭坪縣城約67 km，距昆明市約631 km。該電站以發(fā)電為主，是兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等綜合效益的大型水利水電工程?？傃b機(jī)容量190萬kW（4×47.5萬kW），正常蓄水位1 619.00 m，死水位1 586.00 m，屬Ⅰ等大（1）型工程。樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪放空建筑物、左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。大壩和引水發(fā)電系統(tǒng)混凝土總量約463.41萬m3，其中壩體碾壓混凝土約275.3萬m3，壩體常態(tài)混凝土約91.48萬m3，水墊塘常態(tài)混凝土約26.8萬m3，引水發(fā)電系統(tǒng)混凝土約69.83萬m3。

2 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料包括：云南紅塔滇西水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為50 MPa和8.6 MPa。宣威發(fā)電廠的分選Ⅱ級(jí)粉煤灰，28，90，180 d齡期的活性指數(shù)分別為64.5%，83.4%，92.0%。 膠凝材料主要化學(xué)成分見表1。黃登水電站工地砂石骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)的大格拉石料場(chǎng)灰?guī)r人工骨料，表觀密度為2 680 kg/m3，壓碎指標(biāo)為8.6% 。江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-Ⅱ（R）碾壓混凝土高效減水劑及該廠生產(chǎn)的JM-YQJ引氣劑。

3 碾壓混凝土技術(shù)指標(biāo)和配合比

采用了黃登水電站二級(jí)配C9025W12F150碾壓混凝土，碾壓混凝土主要技術(shù)指標(biāo)和配合比參數(shù)見表2～3。

4 室內(nèi)模擬碾壓層面不同處理方式

室內(nèi)RCC模擬試驗(yàn)試件制備方式：將15 cm×15 cm×15 cm的立方體試模邊壁上涂一層礦物油，將已成型的下層碾壓混凝土試模放入養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)達(dá)到所需的層面間隔時(shí)間后取出試模，層面按不處理、鋪水泥凈漿、鋪砂漿3種方式處理，然后裝入上層碾壓混凝土拌和物，振動(dòng)壓實(shí)后放入養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。層面所鋪砂漿、水泥漿的厚度為1.0～1.5 cm。拆模養(yǎng)護(hù)90 d齡期后，將試件沿層面進(jìn)行抗剪試驗(yàn)和抗?jié)B試驗(yàn)[3]。

RCC層面分別采用不作處理、凈漿、砂漿處理，層面間隔時(shí)間采取4，6，8，12，24 h。凈漿水膠比與碾壓混凝土相同，砂漿配合比強(qiáng)度等級(jí)比碾壓混凝土提高一個(gè)等級(jí)，層面處理用凈漿和砂漿配合比及抗壓強(qiáng)度見表4～5。

5 碾壓混凝土層間抗剪試驗(yàn)成果分析

RCC按層面間隔4，6，8，12，24 h以及不同層面處理方式后，進(jìn)行了90 d齡期的抗剪試驗(yàn)。試驗(yàn)采用平推法，試驗(yàn)最大正應(yīng)力為6 MPa，每組試驗(yàn)法向應(yīng)力按最大法向應(yīng)力均勻分成5級(jí)[4]，按式（1），（2），（3）分別計(jì)算各級(jí)法向荷載下的極限抗剪強(qiáng)度、殘余抗剪強(qiáng)度、摩擦抗剪強(qiáng)度：

[τ極=Q極A] （1）

[τ殘=Q殘A] （2）

[τ摩=Q摩A] （3）

式中：[τ]極，[τ殘]，[τ摩]分別為極限抗剪強(qiáng)度、殘余抗剪強(qiáng)度、摩擦抗剪強(qiáng)度，MPa;[Q]極，[Q殘]，[Q摩]分別為極限剪切荷載、殘余剪切荷載、摩擦阻力，N;[A]為剪切面面積，mm2。

根據(jù)各級(jí)法向應(yīng)力下的極限抗剪強(qiáng)度、殘余抗剪強(qiáng)度、摩擦抗剪強(qiáng)度，在坐標(biāo)圖上繪制σ～τ關(guān)系曲線圖，并用最小二乘法或作圖法求得式（4），（5），（6）中的[f]和c′值：

[τ=σf+c] （4）

[τc=σf′c+c′c] （5）

[τm=σf′m+c′m] （6）

式中：[σ]為法向應(yīng)力，MPa;[f]，[f′c]，[f′m]分別為極限抗剪摩擦系數(shù)、殘余抗剪摩擦系數(shù)、摩擦抗剪摩擦系數(shù)。[c]，[c′c]，[c′m]分別為極限抗剪黏聚力、殘余抗剪黏聚力、摩擦抗剪黏聚力，MPa。由于文章篇幅限制，選取了法向應(yīng)力為4 MPa時(shí)的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，抗剪試驗(yàn)成果見表6。

抗剪試驗(yàn)成果分析表明：RCC層面處理方式和層面間隔時(shí)間影響RCC抗剪強(qiáng)度，不同層面處理方式和間隔時(shí)間與抗剪峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和單點(diǎn)摩擦強(qiáng)度關(guān)系見圖1～3。

分析試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著RCC層面間隔時(shí)間增加，層面抗剪峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。間隔時(shí)間在8 h內(nèi)時(shí)，抗剪強(qiáng)度峰值下降速度較快;當(dāng)間隔超過8 h，抗剪強(qiáng)度峰值下降速度減慢并逐漸趨于收斂。結(jié)果表明：RCC層面間隔在8 h以內(nèi)時(shí)，對(duì)層面抗剪強(qiáng)度影響較大;當(dāng)間隔超過8 h，RCC層面之間有明顯的分隔，超過初凝時(shí)間后實(shí)際上已經(jīng)是兩層分離的碾壓混凝土，故其后抗剪峰值強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。鋪砂漿處理方式的RCC層面間抗剪強(qiáng)度最高，凈漿處理比不處理的層間抗剪強(qiáng)度高[5]。

RCC層面抗剪殘余強(qiáng)度在層面間隔8 h內(nèi)隨間隔時(shí)間增加而降低，8 h后3種層面處理方式的抗剪殘余強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定，鋪砂漿處理方式的RCC層面間抗剪殘余強(qiáng)度最高，凈漿處理方式其次，不處理的層間抗剪殘余強(qiáng)度最小。

單點(diǎn)摩擦試驗(yàn)是剪切破壞后重新扶正試件進(jìn)行的剪切試驗(yàn)，由于此時(shí)試件已經(jīng)沿層面破壞，由圖3的曲線可知單點(diǎn)摩擦強(qiáng)度與層間間隔時(shí)間或處理方式無明顯規(guī)律。

6 碾壓混凝土層間抗?jié)B試驗(yàn)成果分析

RCC相對(duì)抗?jié)B性試驗(yàn)是將抗?jié)B儀水壓力一次加到0.8 MPa，恒定24 h后測(cè)定滲水高度，計(jì)算相對(duì)抗?jié)B系數(shù)。不同層面處理方式及間隔時(shí)間的RCC層間抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果見表7。

抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果顯示：不同層面間隔時(shí)間和3種不同層面處理方式的RCC層面相對(duì)滲透系數(shù)在0.286′10-6～3.105′10-6? cm/h之間，整體抗?jié)B效果較好。因?qū)用嫣幚矸绞胶蛯用骈g隔時(shí)間不一樣，相對(duì)滲透系數(shù)有所差異，不同層面處理方式下相對(duì)滲透系數(shù)與間隔時(shí)間之間的關(guān)系見圖4。

試驗(yàn)成果分析表明：層面間隔在8 h以內(nèi)時(shí)，3種處理方式的RCC試件相對(duì)抗?jié)B系數(shù)相差不大。隨著層面間隔時(shí)間的增大，3種處理方式的RCC試件相對(duì)滲透系數(shù)都呈增大的趨勢(shì)，但最后都趨于穩(wěn)定。層面不處理的RCC試件相對(duì)滲透系數(shù)最大，鋪凈漿的RCC試件相對(duì)滲透系數(shù)又略大于鋪砂漿的RCC試件。說明層面間隔時(shí)間在8 h以內(nèi)，上下兩層RCC能夠結(jié)合比較緊密，而超過8 h的間隔時(shí)間則會(huì)逐漸形成穩(wěn)定的層面縫，從而具有較大的相對(duì)滲透性[6]。

7 結(jié) 論

本文依托黃登水電站“200 m級(jí)碾壓混凝土原材料及配合比性能試驗(yàn)深化研究”項(xiàng)目，通過試驗(yàn)研究了RCC層面間隔時(shí)間和3種層面處理方式對(duì)RCC層面抗剪強(qiáng)度特性及抗?jié)B特性的影響，得到結(jié)論如下。

（1）RCC層面間隔時(shí)間在8 h內(nèi)時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著間隔時(shí)間的增大下降速度較快;當(dāng)間隔時(shí)間超過8 h時(shí)，抗剪強(qiáng)度下降速度減慢并逐漸趨于收斂。鋪砂漿處理方式的RCC層面間抗剪強(qiáng)度最高，凈漿處理比不處理的層間抗剪強(qiáng)度高。

（2）RCC試件相對(duì)抗?jié)B系數(shù)與層面間隔時(shí)間正相關(guān)。隨著層面間隔時(shí)間的增大，3種處理方式的RCC試件相對(duì)滲透系數(shù)都呈增大的趨勢(shì)，但最后都趨于穩(wěn)定。層面不處理的RCC試件相對(duì)滲透系數(shù)最大，鋪凈漿的RCC試件相對(duì)滲透系數(shù)略大于鋪砂漿的RCC試件。

（3）RCC層間抗剪試驗(yàn)和抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果分析表明：黃登水電站RCC層面間隔時(shí)間越短，混凝土層間結(jié)合特性越好，混凝土抗剪和抗?jié)B能力越高;并且在8 h內(nèi)，縮短間隔時(shí)間能更有效提升層間結(jié)合性能，超過8 h后，層間結(jié)合性能對(duì)間隔時(shí)間的敏感性逐漸降低并趨于收斂。

（4）混凝土層間結(jié)合面抗剪和抗?jié)B性能試驗(yàn)均表明，采用鋪砂漿處理方式的層間結(jié)合性能最好，鋪凈漿處理方式次之，不處理時(shí)層間結(jié)合性能最差。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：江 文）

Experimental study of influencing factors of interlayer bonding performance of RCC dam

YE Xin， DONG Haiying

（PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited， Kunming? 650033， China）

Abstract： In order to determine the compacted concrete proportion and construction quality control parameters of RCC dam of Huangdeng Hydropower Station in Yunnan Province，we carried out some tests to study the effect of RCC dam layer grouting interval time and processing methods on the shear strength and impermeability characteristics of RCC layer.The test results showed that shortening the grouting interval time within 8h could effectively improve the interlayer bonding performance.After more than 8 hours， the sensitivity of interlayer bonding performance to interval time decreased gradually and tended to converge. The RCC interlayer bonding performance was the best when the layer was poured by mortar .

Key words： RCC dam;interlayer bonding; shear strength; impermeability characteristic;Huangdeng Hydropower Station;Yunnan Province