溪洛渡水電站大壩混凝土層面結(jié)合及原位抗剪試驗研究

彭尚仕，石 妍，楊華全

(長江科學院水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 工程概況

溪洛渡水電站位于金沙江下游河段梯級開發(fā)規(guī)劃的第3個梯級，水電站樞紐由285 m高的混凝土雙曲拱壩、左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)和泄洪建筑物等組成。水電站主體及導(dǎo)流工程混凝土總量1 296萬m3，其中大體積混凝土約700萬m3。

溪洛渡大壩混凝土分層澆筑而成，壩內(nèi)存在大量的水平施工縫，形成眾多的水平層面。如果層面間歇時間欠妥、處理不當，可能會成為混凝土壩滲流集中通道和抗滑穩(wěn)定的相對薄弱面。資料表明［1］，配合比適當且施工精良的混凝土壩透水性是很小的，滲透系數(shù)平均值為10－9cm/s。然而如果施工層面處理不當，將成為強透水層面，沿層面切線方向的滲透系數(shù)可達10－2cm/s，甚至更大。因此，混凝土壩的層面結(jié)合是施工控制的關(guān)鍵?；炷翆用娼Y(jié)合的處理方式一般有鑿毛、鋪砂漿或鋪凈漿等;而鑿毛又有露粗砂、露小石及深鑿毛之分，其中露粗砂、鋪砂漿是最常用手段。

目前關(guān)于常態(tài)混凝土層面結(jié)合及原位抗剪的資料較少，筆者在溪洛渡水電站工程現(xiàn)場進行相關(guān)試驗，測定常態(tài)混凝土及層面的抗剪強度，確定常態(tài)混凝土抗剪特性參數(shù)，為優(yōu)化溪洛渡水電站大壩混凝土層間處理措施、評估壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供可靠的依據(jù)。

2 試驗原材料及配合比

采用大壩A區(qū)混凝土實際澆筑的原材料及配合比，進行原位抗剪試驗塊的混凝土澆筑。原材料包括華新中熱42.5硅酸鹽水泥、華珞Ⅰ級粉煤灰、馬家河灰?guī)r人工砂、塘房坪玄武巖人工碎石，以及JM－Ⅱ(C)緩凝高效減水劑和ZB－1G引氣劑。

原位抗剪試驗塊混凝土的配合比見表1，均為大壩A區(qū)的C18040常態(tài)混凝土施工配合比，包括四級配、三級配基準，以及二級配混凝土。在施工中，三級配混凝土采用砂率加大2%富漿以及砂率加大4%富漿的2種方式。

3 試驗布置與試件制作

試驗場地位于溪洛渡工程左岸EL610平臺，處于纜機吊運作業(yè)區(qū)內(nèi)。試驗塊分A和B兩區(qū)，A區(qū)布置6組不同層間結(jié)合方式的抗剪試件，B區(qū)布置1組本體抗剪試件，每組均為5塊試件，以滿足5級不同法向應(yīng)力的試驗要求。7組原位抗剪試件的層間結(jié)合工況見表2。

表1 原位抗剪試驗塊混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete in the shear test

表2 原位抗剪試件層面結(jié)合工況Table 2 Shear specimens with different cases of layer surface bonding

首先澆筑A區(qū)一期下部混凝土，均為四級配，組號為A1—A6，共6組，一次澆筑完成。16 d后，進行A區(qū)二期上部混凝土的澆筑。首先按照不同要求對下部硬化混凝土表面進行層面處理，然后在經(jīng)過不同層面處理后的6個區(qū)域澆筑6組500 mm×500 mm×300 mm的原位抗剪試件，共30塊。每個試件頂面抹平處理，以便法向加荷。A區(qū)二期混凝土澆筑的同期，進行B區(qū)混凝土的澆筑。B區(qū)布置本體抗剪試件，試件一次性澆筑完成。以上澆筑的混凝土及砂漿均由高線拌和系統(tǒng)生產(chǎn)。

4 原位抗剪試驗方法

參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》的規(guī)定，進行常態(tài)混凝土原位抗剪試驗。采用平推法，推力方向與層面平行。每組5塊試件，由于受垂直反力系統(tǒng)的限制，層間結(jié)合試件的最大法向應(yīng)力取6.0 MPa，分1.2，2.4，3.6，4.8，6.0 MPa 5 個等級;本體試件的最大法向應(yīng)力取3.6 MPa，分1.2，1.8，2.4，3.0，3.6 MPa 5 個等級。

水平剪切荷載的施加采用多點峰值法，開始按照預(yù)估最大荷載的10%施加，每加一次荷載，立即讀取并記錄一次剪切變形，隔5 min再讀取并記錄一次，按上述加載量和測讀方法，直到當次施加的荷載所引起的剪切變形為前次荷載所產(chǎn)生變形的1.5倍時，剪切荷載按預(yù)估最大荷載的5%施加，直至剪斷。剪斷后，在垂直荷載不變的情況下，繼續(xù)分次施加剪切荷載，當水平位移不斷增加，而作用的水平荷載連續(xù)3次保持不變時，該水平荷載下的剪切強度，即為殘余抗剪強度。將水平荷載分4級退零，剪切試驗結(jié)束。

剪切試驗結(jié)束后，進行摩擦試驗。將剪斷推出的上半塊試件復(fù)位，重新安裝和調(diào)整垂直、水平加荷系統(tǒng)及位移測量系統(tǒng)，按原法向應(yīng)力等級施加垂直荷載，根據(jù)殘余抗剪荷載分級施加水平荷載，當水平位移不斷增加，而作用的水平荷載連續(xù)3次保持不變時，該水平荷載下強度，即為摩擦強度。

5 試驗結(jié)果及分析

5.1 試驗結(jié)果

溪洛渡大壩混凝土不同工況下的原位抗剪試驗結(jié)果見表3。其中，f'為摩擦系數(shù)，c'為黏聚力。

根據(jù)庫侖定律，抗剪強度τ與法向應(yīng)力σ的關(guān)系式為 τ=σf'+c'。溪洛渡水電站大壩高度285 m，混凝土密度大約2 500 kg/m3，那么，最大法向應(yīng)力σ按7.12 MPa計算時，不同工況下的混凝土原位抗剪強度τ的計算結(jié)果見表4和圖1。

5.2 結(jié)果分析

5.2.1 不同工況的混凝土原位抗剪特性參數(shù)

溪洛渡大壩混凝土各層間結(jié)合工況的極限抗剪摩擦系數(shù) f'在1.44 ～0.97之間，極限抗剪黏聚力 c'在3.00～1.85 MPa之間;而不含層面連續(xù)澆筑的本體混凝土的極限抗剪摩擦系數(shù)f'為1.80，極限抗剪黏聚力c'為3.145 MPa，均最高。除本體混凝土外，層面深鑿毛的極限抗剪黏聚力最大，摩擦系數(shù)最小，而層間鋪砂漿的極限抗剪黏聚力最小，摩擦系數(shù)最大。

從物理意義上［2］，摩擦系數(shù) f'是材料常數(shù)，無因次量，其量值僅決定于材料和工藝;黏聚力c'是強度參數(shù)，其物理本質(zhì)是受剪面上的內(nèi)聚力，由硬化水泥漿強度和界面過渡區(qū)粘結(jié)強度等構(gòu)成，不但決定于材料和工藝而且有尺寸效應(yīng)。二者是相對獨立的物理量，由庫侖定律聯(lián)系起來，計算抗剪強度τ。摩擦系數(shù)f'和黏聚力c'均是隨機變量，其試驗工作量(樣本數(shù)n)應(yīng)滿足統(tǒng)計要求。

表3 不同工況下的混凝土原位抗剪試驗結(jié)果Table 3 Results of in-situ shear test in different cases

表4 不同工況下的混凝土原位抗剪強度Table 4 In-situ shear strengths in different cases

圖1 不同工況下的混凝土原位抗剪強度Fig.1 In-situ shear strengths in different cases

看似光滑的物體，其表面也有很多小凸起［3］。當2個接觸面受壓時，這些小凸起接觸壓緊，壓緊處的局部應(yīng)力很高，足以使材料產(chǎn)生塑性變形并彼此粘連。滑動時需拉開這些粘連點，摩擦力的最大值就是拉開這些粘連點時的阻力，其本質(zhì)是分子凝聚力作用。當物體表面粗糙時，由于相互機械嚙合產(chǎn)生阻礙滑動的阻力，這種嚙合是彈塑性的，嚙合程度取決于接觸面上的壓力。對于混凝土材料，由于表面粗骨料突起，使相對滑動的面首先產(chǎn)生上抬，越過骨料顆粒之后才能平移，也是一種嚙合作用。因此，表面的嚙合作用和分子凝聚力作用是產(chǎn)生摩擦力的2個主要物理原因。

5.2.2 不同工況的混凝土原位抗剪強度

由表4可見，大壩本體混凝土的極限、殘余及摩擦強度均最高，極限抗剪強度 τ極限為15.96 MPa，各層間結(jié)合工況的極限抗剪強度 τ極限在9.67～12.11 MPa之間。以本體混凝土的極限抗剪強度為100%，則各層間結(jié)合工況的極限抗剪強度為60.6% ～75.9%。因此，除了本體混凝土，層間鋪砂漿(組號A1)的極限抗剪強度最高，比層間無墊層料的其它工況提高了10.7% ～15.3%。

對比不同的層面處理方式，層面露粗砂且加鋪砂漿效果最佳，其次是層面微露小石，最后是層面深鑿毛，對極限抗剪強度的影響差別在5%以內(nèi)。

對比不同配合比的上層混凝土，砂率加大4%的三級配混凝土(組號A4)比砂率加大2%時(組號A3)的極限抗剪強度高1.1%。而上層為三級配富漿混凝土(組號A3、組號A4)的極限抗剪強度比上層為正常二級配混凝土(組號A2)的極限抗剪強度高3.5%和4.6%。因此，上層混凝土采用富漿配合比時，層間結(jié)合效果較好。

與本體混凝土對比，各層間結(jié)合工況的殘余抗剪強度為75.8% ～81.0%，各層間結(jié)合工況之間的差別為5.2%;各層間結(jié)合工況的摩擦抗剪強度為84.1% ～91.3%，各層間結(jié)合工況之間的差別為7.2%。除本體混凝土外，上層砂率加大4%的富漿三級配、層面微露小石(組號A5)的混凝土殘余及摩擦抗剪強度均最高。

5.2.3 剪切破壞后試件上下的剪切面狀況

層間結(jié)合試件的剪切破壞都發(fā)生在層面，剪切面普遍平坦，面上有因剪切產(chǎn)生的混凝土碎片和摩擦產(chǎn)生的粉末，摩擦痕跡明顯。本體試件剪切破壞面起伏大，高差50～80 mm，大部分特大石被剪斷，面上布滿混凝土碎片，邊緣混凝土破裂脫落，擦痕分散不勻。

新舊混凝土接觸界面存在一個類似于整體澆筑混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區(qū)，而這個過渡區(qū)是一個薄弱環(huán)節(jié)［4］。由于舊混凝土的親水性，在已硬化混凝土基礎(chǔ)上澆筑新混凝土時，會在舊混凝土表面形成水膜，使結(jié)合面處新混凝土的局部水灰比高于體系中的水灰比，導(dǎo)致界面鈣礬石和氫氧化鈣晶體數(shù)量增多，形態(tài)變大，形成擇優(yōu)取向，降低界面強度。且由于舊混凝土的阻礙，新混凝土中的泌水和氣泡積聚在舊混凝土表面，不僅使得新混凝土局部水灰比更高，而且使得氣孔和微裂縫在該區(qū)富集，顯著降低界面強度。這是化學方面的原因，也是影響新舊混凝土結(jié)合本質(zhì)的內(nèi)因。

6 結(jié)論

選用溪洛渡大壩A區(qū)實際采用的原材料及配合比，在工程現(xiàn)場進行不同工況條件下常態(tài)混凝土層間結(jié)合面的原位抗剪試驗，結(jié)論如下:

(1)混凝土各層間結(jié)合工況的f'在1.44～0.97之間，c'在3.00 ～1.85 MPa之間;而本體混凝土的 f'為1.80，c'為3.145 MPa。

(2)最大法向應(yīng)力σ為7.12 MPa時，本體極限抗剪強度τ極限為15.96 MPa，各層間結(jié)合工況的極限抗剪強度 τ極限在9.67 ～12.11 MPa之間。除本體混凝土外，層間露粗砂且鋪砂漿的極限抗剪強度最高，上層混凝土采用富漿配合比時的層間結(jié)合效果也較好。因此，建議溪洛渡工程采用以上2種層面處理方式。

(3)層間結(jié)合試件的剪切破壞都發(fā)生在層面，剪切面普遍平坦，但本體試件剪切破壞面起伏大，大部分特大石被剪斷，擦痕分散不勻。

［1］楊華全，任旭華.碾壓混凝土的層面結(jié)合與滲流［M］.北京:中國水利水電出版社，1999.(YANG Hua-quan，REN Xu-hua.Bond Between Layers and Seepage of RCC［M］.Beijing:China Water Power Press，1999.(in Chinese))

［2］涂傳林.抗剪斷參數(shù)計算方法的探討［J］.水利學報，1998，(增刊):26 － 29.(TU Chuan-lin.Discussion on Calculation of Shearing Parameters［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1998，(Sup.):26 － 29.(in Chinese))

［3］彭尚仕，王仲華，董維佳，等.金沙江溪洛渡水電站混凝土原位抗剪試驗報告［R］.武漢:長江科學院，2010.(PENG Shang-shi，WANG Zhong-hua，DONG Wei-jia，et al.Report of Shear Test on Concrete of Xiluodu Hydropower Station［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2010.(in Chinese))

［4］劉艷萌.新舊混凝土粘結(jié)技術(shù)研究［D］.重慶:重慶大學，2006.(LIU Yan-meng.Technology of Bonding BetweenFresh and Old Concrete［D］.Chongqing:Chongqing University，2006.(in Chinese))