堆石混凝土層面滲透性能影響因素試驗研究

胡 松 濤，陳 芳，3，祝 小 靚，徐 賽 輝

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029； 2.江西省水工安全技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029； 3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 213022； 4.中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610000；5.廣東粵水電勘測設(shè)計有限公司，廣東 佛山 528000)

0 引 言

堆石混凝土采用分層投放塊石并填充自密實混凝土的方式施工，因此會產(chǎn)生大量的層間施工冷縫，這些層間冷縫是堆石混凝土滲水的重要通道，其滲透性大于堆石混凝土本體的滲透性[1]?，F(xiàn)有規(guī)程SL 678-2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》[2]和NB/T 10077-2018《堆石混凝土筑壩技術(shù)導(dǎo)則》[3]針對堆石混凝土抗?jié)B要求主要考慮整體抗?jié)B。李俊杰等[4]引入?yún)^(qū)間數(shù)理論，研究建立了考慮層間滲透的碾壓混凝土壩層面性態(tài)區(qū)間分析模型。林長農(nóng)等[5]分析了同樣具有層間冷縫的碾壓混凝土層面抗?jié)B性能與層面不同膠凝材料措施之間的關(guān)系，并提出了“并聯(lián)”滲透試驗?zāi)M層間滲透的方法。任旭華[6]等通過自制的裝置研究了碾壓混凝土層面的滲流特性。任明倩等[7]研究了骨料特性和分布等對RFC層面剪切性能的影響。雖然層間冷縫對堆石混凝土層間滲透有較大影響，但針對堆石混凝土的研究主要集中在本體物理力學(xué)特性及層間剪切，而對層間滲透研究較少。本文將采取“并聯(lián)”滲透試驗方法，通過堆石混凝土施工冷縫小型滲透試驗，研究堆石特性及層面處理工藝等因素對堆石混凝土層面抗?jié)B性能的影響，以期為堆石混凝土層面施工提供參考。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 試件設(shè)計

本文采用DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗規(guī)程》[8]中混凝土相對滲透性試驗方法。受堆石混凝土施工層面影響，滲透薄弱層面會出現(xiàn)法向和切向兩種滲透，而切向滲透遠大于法向滲透[5]，因此為更好地研究堆石混凝土層面滲透性能影響因素，采用“并聯(lián)”滲透模型試驗開展堆石混凝土滲透性能試驗研究，具體如圖1所示。“并聯(lián)”滲透試驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^成型150 mm×150 mm×150 mm的標準試塊，取芯后包芯檢測混凝土相對滲透性系數(shù)，為使?jié)仓幕炷聊軌蚺c芯樣更好地結(jié)合，且在較短時間內(nèi)強度滿足試驗要求，同時避免水從澆筑面滲漏，包芯混凝土采用強度較高的C50自密實混凝土。

試驗所用堆石混凝土層面設(shè)在試件中部。為排除試件內(nèi)部巖石影響，僅在層面處布置堆石骨料，試件上下層澆筑強度等級為C25的自密實混凝土。自密實混凝土粗骨料粒徑為5～10 mm，堆石骨料選取粒徑為20～60 mm的均質(zhì)頁巖，實際施工中堆石骨料粒徑約為300 mm，試驗采用的試件縮尺比例約為1/6。為研究層面堆石外露高度、外露面積及層面鑿毛工藝、石粉含量對其層面滲透性能的影響，制備了本體組、層面露石高度組、層面露石面積組、層面鑿毛工藝組、層面石粉含量組試件若干，其中本體組為無層面堆石混凝土對照試件。表1為試驗工況及試件相對滲透性系數(shù)，其中序號“BT”代表本體組，“Hx”代表層面露石高度組，“Sx”代表層面露石面積組，“ZMx”代表層面鑿毛工藝組，“SFx”代表層面石粉含量組，數(shù)字“x”分別表示露石高度、露石面積、鑿毛工藝、石粉含量情況。

表1 試驗工況及試件相對滲透性系數(shù)Tab.1 Test conditions and relative permeability coefficient of samples

1.2 試件成型

(1) 表1中本體組試件采用直接成型標準抗?jié)B試件的方法，其他含層面堆石混凝土試件，根據(jù)工況，分別待下半層自密實混凝土澆筑完成后，按如下步驟控制影響因素，然后澆筑上半層自密實混凝土，如圖2(a)～(f)所示。

露石高度組。篩選若干20，40，60 mm粒徑碎石備用，按照同一露石面積(露石面積控制在50%)在層面插入碎石，保證H10、H20、H30組試件層面碎石外露高度分別為10，20，30 mm。

露石面積組。篩選若干40 mm粒徑碎石備用，按照同一露石高度(露石高度控制在20 mm)通過堆放面積法控制露石面積以25%的比例增長，并在層面均勻布置碎石，保證S25、S50、S75組試件層面碎石面積分別占層面面積的25%，50%，75%。

圖2 試件制備Fig.2 Sample preparation

鑿毛工藝組。待下半層自密實混凝土初凝后終凝前(約4 h)，按照同一露石高度和露石面積(露石高度控制在20 mm，露石面積控制在50%)，留1組ZM0不做層面處理，其余兩組分別采用鋼絲球、高壓水槍將層面處理至露砂ZM2、露石ZM5。

石粉含量組。下半層自密實混凝土初凝后終凝前(約4h)，按照同一露石高度和露石面積(露石高度控制在20 mm，露石面積控制在50%)，采用試驗篩在層面均勻撒石粉，保證SF0、SF5、SF10組試件層面石粉含量為0，220，440 g/m2。

(2) 以上各工況試件成型后，拆模養(yǎng)護堆石混凝土試件10 d，并用100 mm取芯機對含層面堆石混凝土鉆取芯樣，其中芯樣方向與層面方面一致。

(3) 將取出的芯樣置于標準抗?jié)B試模中心，并在周圍澆筑C50高強度自密實混凝土，過程中應(yīng)防止芯樣浮起。

(4) 成型脫模后，分別將含層面堆石混凝土包芯抗?jié)B試件養(yǎng)護至28 d和90 d齡期。

1.3 試驗過程

試驗中將1組6個試件裝入抗?jié)B儀試模中，調(diào)整抗?jié)B儀水壓至0.8 MPa，并在此水壓下恒定24 h，記錄發(fā)生滲水情況。如在恒壓過程中試件出現(xiàn)滲水時，即停止試驗，并記錄出水時間和滲水高度。如試件未滲水，則劈開試件記錄水痕高度作為滲水高度，并按照公式(1) 計算其相對滲透性系數(shù)。

(1)

式中：Kr為相對滲透性系數(shù)，cm/h；Dm為平均滲水高度，cm；H為水壓力，以水柱高度表示，cm；T為恒壓時間，h；a為混凝土吸水率，一般為0.03。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試件滲水現(xiàn)象分析

通過開展不同工況下試件的相對滲透性能試驗可知，試件滲透主要表現(xiàn)為2種形式：① 24 h內(nèi)端面出現(xiàn)滲水，記錄滲水出現(xiàn)時間；② 24 h內(nèi)端面未出現(xiàn)滲水，立即釋放水壓，并將試件劈開后測量層面滲水高度。滲水破壞形式如圖3所示。從圖3試件滲水現(xiàn)象可知：

圖3 堆石混凝土層面滲水形式 Fig.3 Seepage patterns of rock-filling concrete

(1) 不同鑿毛工藝試件均未出現(xiàn)24 h端面滲水情況，且滲水高度差距較大，表現(xiàn)為ZM5

(2) 不同露石高度和露石面積試件均未出現(xiàn)24 h端面滲水情況，且滲水高度變化不大。

(3) 含石粉層面試件在24 h內(nèi)均出現(xiàn)端面滲水情況，但不同層面石粉含量的試件滲水時間差異較大，表現(xiàn)為SF0

綜上，層面鑿毛工藝和石粉含量對層面抗?jié)B性能的影響較大，層面滲水高度隨鑿毛工藝加大而減小，隨石粉含量的增加而增大。

2.2 層面滲透性能影響因素分析

層面相對滲透性系數(shù)試驗結(jié)果詳見表1。圖4為本體組、鑿毛工藝組、外露高度組和外露面積組試件層面相對滲透性系數(shù)。圖5為石粉含量組層面試件相對滲透性系數(shù)。

圖4 本體組、鑿毛工藝組、露石高度組和露石面積組試件 層面相對滲透性系數(shù)Fig.4 Relative permeability coefficient of bedding layer of original group，roughening group，controlling exposed stone heiglt group， and controlling exposed stone area group samples

圖5 石粉含量組試件層面相對滲透性系數(shù)Fig.5 Relative permeability coefficient of bedding layer in stone powder group samples

從圖4知：

(1) 對比不同齡期鑿毛工藝組、露石高度組、露石面積組試件層面相對滲透性系數(shù)，90 d試件層面相對滲透性系數(shù)小于28 d層面相對滲透性系數(shù)。由此可見，堆石混凝土層面相對滲透性系數(shù)和試件養(yǎng)護齡期有關(guān)，適當(dāng)延長養(yǎng)護齡期可以有效改善堆石混凝土層面的結(jié)合質(zhì)量，增強層面的抗?jié)B性能。

(2) 含層面堆石混凝土試件相對滲透性系數(shù)明顯大于本體組。由此可見，層面是影響堆石混凝土相對滲透性系數(shù)的重要原因，控制層面結(jié)合性能是提高堆石混凝土抗?jié)B性能的重要措施。

(3) 對比露石面積組和露石高度組試件層面相對滲透性系數(shù)可見，兩者相對滲透性系數(shù)約在2.0×10-9～3.0×10-9cm/s，差異較小。由此可知，堆石混凝土層面滲透通道并未發(fā)生在塊石與自密實混凝土的結(jié)合部位，而主要受上下層面自密實混凝土因素影響，自密實混凝土與堆石結(jié)合質(zhì)量的好壞，直接影響到堆石混凝土層面抗?jié)B性能。當(dāng)結(jié)合質(zhì)量差時，層面易出現(xiàn)滲透通道。

(4) 從鑿毛工藝組試件相對滲透性系數(shù)可知，鑿毛工藝對層面結(jié)合質(zhì)量影響較大。當(dāng)鑿毛至露砂時，層面相對滲透性系數(shù)較無鑿毛工藝試件減小37.4%；當(dāng)鑿毛至露石時，減小60.5%。由此可知，層面鑿毛工藝對抗?jié)B性能的提升效果明顯，堆石混凝土層面施工時應(yīng)控制鑿毛工藝質(zhì)量。

從圖5可知：

(1) 對比石粉含量組與其他組試件相對滲透性系數(shù)，其差異很大，其中層面石粉含量為220 g/m2的試件相對滲透性系數(shù)大約為不含石粉層面試件相對滲透性系數(shù)的30倍。當(dāng)層面石粉含量為440 g/m2時，可達到約50倍，表明石粉對堆石混凝土層面的結(jié)合質(zhì)量影響很大。

(2) 對比不同齡期的堆石混凝土石粉層面相對滲透性系數(shù)可知，層面含石粉不僅影響層面結(jié)合質(zhì)量，還限制了層面結(jié)合質(zhì)量隨齡期的提升。

3 結(jié) 論

通過小型“并聯(lián)”滲透試驗?zāi)M堆石混凝土分層澆筑層面的滲透特性，研究了堆石高度、堆石面積、鑿毛工藝、石粉含量對堆石混凝土層面滲透性能的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 堆石混凝土層面是影響其抗?jié)B性能的重要因素，層面的存在對堆石混凝土的抗?jié)B性能影響較大，不含層面堆石混凝土抗?jié)B性能明顯高于含層面堆石混凝土。

(2) 隨著堆石混凝土齡期的增長，抗?jié)B性能有一定的提升，主要是因為澆筑堆石混凝土的自密實混凝土配合比中粉煤灰摻量較大，其后期強度增長率高。

(3) 層面石粉含量是影響堆石混凝土抗?jié)B性能的一個重要因素。實際施工中，層面石粉含量應(yīng)控制在440 g/m2以下。

(4) 鑿毛工藝是影響堆石混凝土抗?jié)B性能的另一重要因素。實際施工中，可結(jié)合施工部位采取不同鑿毛方式，對于抗?jié)B要求較高的部位，可以采用鑿毛至露石，對于抗?jié)B要求較低的部位，可采取沖毛措施。