某水電站大壩裂縫化灌混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)研究

李　偉，沈　蓉，趙云川，龔維群

(中國電建集團(tuán) 昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明　650033)

某水電站大壩裂縫化灌混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)研究

李偉，沈蓉，趙云川，龔維群

(中國電建集團(tuán) 昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明650033)

摘要：混凝土拱壩、重力壩等的大體積混凝土在澆筑過程中產(chǎn)生的溫度裂縫可能會(huì)成為大壩的安全隱患，尤其會(huì)降低大壩混凝土的抗拉、抗剪力學(xué)性能，影響大壩的長期穩(wěn)定性和降低大壩的壽命。某水電站在大體積混凝土澆筑過程中，部分壩段受溫度影響，形成一些貫通裂縫。采用該水電站大壩壩體的裂縫灌漿材料，在室內(nèi)進(jìn)行了無縫本體混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)、帶縫(劈裂造縫)壩體混凝土立方體試件及混凝土芯樣模擬化灌后的抗剪試驗(yàn)、化學(xué)灌漿后裂縫完整粘結(jié)的壩體混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。結(jié)果表明：該工程壩體裂縫經(jīng)化灌處理后，其抗剪特性參數(shù)f ′可以達(dá)到本體混凝土的83%；c′可以達(dá)到本體混凝土的68%；室內(nèi)模擬灌漿的效果更好，f ′可以達(dá)到本體混凝土水平，c′可以達(dá)到85%以上?；瘜W(xué)灌漿是處理大壩裂縫，提高混凝土抗剪強(qiáng)度和抗?jié)B性能的一個(gè)有效措施，研究結(jié)果可以為化灌后混凝土的力學(xué)參數(shù)合理取值提供參考。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度裂縫；抗剪試驗(yàn)；模擬化灌；力學(xué)性能

1研究背景

隨著我國水利水電事業(yè)的高速發(fā)展，根據(jù)壩基巖體力學(xué)性能及建設(shè)區(qū)建筑材料供給條件，混凝土拱壩、重力壩均在大江大河中得到廣泛應(yīng)用；大體積混凝土澆筑過程中形成的溫度裂縫勢必會(huì)成為大壩的安全隱患。

某水電站壩高約290余m，壩體分為3區(qū)，即A區(qū)——強(qiáng)約束區(qū)，B區(qū)——弱約束區(qū)，C區(qū)——非約束區(qū)。在大體積混凝土澆筑過程中有些壩段由于溫度的影響出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫。裂縫主要分布在970～1 127m高程及B區(qū)混凝土范圍內(nèi)。

裂縫的存在影響了壩體的整體性，削弱了壩體剛度，若處理不好將影響壩體的安全。根據(jù)國內(nèi)外研究情況，對于出現(xiàn)大壩溫度性裂縫的情況下通常采用化學(xué)灌漿來提高混凝土的整體力學(xué)性能[1-5]。鑒于各方面研究成果，該大壩采用環(huán)氧樹脂化灌材料對裂縫進(jìn)行化灌處理,而采用混凝土剪切試驗(yàn)來評判化灌后混凝土的性能是一種簡單可行的方法[6-10]。

為了對施工期混凝土裂縫造成大壩運(yùn)行期的靜力和動(dòng)力影響進(jìn)行深入分析和試驗(yàn)研究，開展了無縫本體混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)、立方體劈裂試件室內(nèi)模擬化灌抗剪試驗(yàn)、帶縫(劈裂造縫)壩體混凝土芯樣模擬化灌抗剪試驗(yàn)、完整粘結(jié)裂縫芯樣抗剪試驗(yàn)等壩體混凝土裂縫室內(nèi)模擬化灌抗剪試驗(yàn)研究。通過灌漿前后的混凝土抗剪結(jié)果進(jìn)行比較分析，對壩體灌漿效果進(jìn)行初步評價(jià)，供化灌后混凝土的力學(xué)參數(shù)合理取值參考。

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)該電站大壩壩體不同高程，混凝土單元體裂縫損壞模型受力狀態(tài)，按室內(nèi)可開展的混凝土力學(xué)性能及壩體混凝土鉆芯芯樣的數(shù)量及尺寸，分別開展了以下幾個(gè)方面的試驗(yàn)研究。

(1) 無縫本體混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)研究：采用大壩上鉆取的芯樣，加工后進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，以確定大壩本體混凝土的抗剪強(qiáng)度和抗剪特性參數(shù)f ′和c′作為比較的基礎(chǔ)。

(2) 裂縫灌漿材料室內(nèi)模擬化灌混凝土抗剪試驗(yàn)研究：根據(jù)施工現(xiàn)場的裂縫灌漿試驗(yàn)，選出適合該大壩裂縫處理灌漿材料及施工工藝及參數(shù)，作為室內(nèi)模擬化灌的指標(biāo)并進(jìn)行模擬化灌前后的混凝土抗剪試驗(yàn)，為確定裂縫混凝土化灌后的力學(xué)參數(shù)取值的合理性提供依據(jù)。

(3) 帶縫(劈裂造縫)壩體混凝土芯樣模擬化灌抗剪試驗(yàn)研究：對取自大壩的混凝土芯樣進(jìn)行劈裂造縫，采用現(xiàn)場化灌的同類漿材進(jìn)行模擬化灌。灌漿厚度分別為1，≤2，3mm，養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。

(4) 完整粘結(jié)裂縫芯樣抗剪試驗(yàn)研究：采用大壩現(xiàn)場原位取出的完整粘結(jié)裂縫混凝土芯樣進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，分析原位灌漿對混凝土力學(xué)性能的改善。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1無縫本體混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)

共進(jìn)行22組無縫本體混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1　混凝土芯樣抗剪峰值τ′-σ′關(guān)系曲線Fig.1　Curves of τ′-σ′ of original concrete coresamples from the dam

結(jié)果表明，用點(diǎn)群中心法回歸的抗剪特性參數(shù)摩擦系數(shù)f ′的平均值為1.335、黏聚力c′的平均值為4.731MPa。本體混凝土芯樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)均較高，說明該電站混凝土的澆筑質(zhì)量較好。

3.2立方體劈裂試件室內(nèi)模擬化灌后的抗剪試驗(yàn)

由現(xiàn)場施工單位給予配合，保留機(jī)口取樣強(qiáng)度等級分別為C18040，C18035，C18030、試驗(yàn)齡期>90d經(jīng)過劈拉試驗(yàn)后的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件。將劈拉試驗(yàn)后的試件復(fù)原并用膠帶纏牢，標(biāo)注上成型日期、試件編號(hào)、所屬壩段、強(qiáng)度等級及混凝土分區(qū)等信息。

共取得A,B,C3區(qū)劈拉后的原配混凝土試件30組，計(jì)180個(gè)。其中15組對劈裂縫進(jìn)行模擬化學(xué)灌漿，另外15組不進(jìn)行模擬化學(xué)灌漿，以比較灌漿前后的抗剪特性。

模擬化學(xué)灌漿的試件，在灌漿前先采用環(huán)氧膠泥將已劈開的裂縫進(jìn)行表面封閉，再分別在每個(gè)試件裂縫的對稱面，以裂縫為中心，騎縫鉆5mm深的灌漿孔2個(gè)，并用清潔水沖洗干凈，在孔內(nèi)安裝注漿嘴后用膠泥進(jìn)行加固，待膠泥硬化后再對裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿。

室內(nèi)模擬化學(xué)灌漿試驗(yàn)采用施工現(xiàn)場提供的帕斯卡PSI-500環(huán)氧灌漿材料，配合比為A液∶B液=5∶1，與現(xiàn)場化灌使用的配比完全一致。

室內(nèi)模擬灌漿設(shè)備采用現(xiàn)場施工使用的電動(dòng)單液泵，同時(shí)備有手動(dòng)單液泵；模擬化學(xué)灌漿起始壓力設(shè)定為0.3～0.5MPa，對試件灌注時(shí)，從底部的灌漿嘴進(jìn)漿，待上面的注漿嘴返漿后再封閉上面的注漿嘴管，待注漿壓力達(dá)到設(shè)定壓力后屏漿5min封管閉漿。進(jìn)行28d養(yǎng)護(hù)，到齡期后用角磨機(jī)磨掉裂縫縫面的封閉膠泥后進(jìn)行試驗(yàn)，封縫與鉆孔工藝見圖2。

圖2　化灌封縫與鉆孔工藝示意圖Fig.2　Schematic diagram of crack sealing andborehole drilling for chemical grouting

圖3　化灌前混凝土抗剪峰值τ′-σ′關(guān)系曲線Fig.3　Curves of τ′-σ′ of concrete core samplesbefore grouting

15組現(xiàn)場劈拉試驗(yàn)后不進(jìn)行化灌混凝土抗剪試驗(yàn)?zāi)Σ翉?qiáng)度數(shù)據(jù)回歸結(jié)果見圖3。 3個(gè)區(qū)化灌前混凝土抗剪強(qiáng)度參數(shù)均比較接近，抗剪特性參數(shù)摩擦系數(shù)f ′的平均值為1.013、黏聚力c′的平均值為0.580MPa。

15組劈拉試驗(yàn)后模擬化灌的混凝土抗剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)用最小二乘法計(jì)算回歸結(jié)果見圖4。

摩擦系數(shù)f ′的平均值為1.314、黏聚力c′的平均值為4.019MPa。比較立方體劈拉試件劈裂縫進(jìn)行化灌和不進(jìn)行化灌的抗剪試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行過化灌的摩擦系數(shù)f ′為1.314，比不進(jìn)行化灌的摩擦系數(shù)f ′為1.013提高30%,黏聚力c′從0.580MPa提高到4.019MPa。在正應(yīng)力τ為3.0MPa的情況下，抗剪強(qiáng)度從3.62MPa提高到7.96MPa，提高120%，其貢獻(xiàn)主要來源于黏聚力c′的提高，使混凝土的整體性得到很好的改善。

與本體混凝土芯樣進(jìn)行抗剪試驗(yàn)所得的摩擦系數(shù)f ′為1.335、黏聚力c′為4.731MPa相比，劈裂縫經(jīng)過化灌后，f ′可以達(dá)到本體混凝土的98%，c′可以達(dá)到本體混凝土的85%。

雖然室內(nèi)模擬混凝土化灌的條件，如灌漿壓力與蓋重、裂隙的分布與性狀、化學(xué)漿液的強(qiáng)度、充填面積及粘結(jié)混凝土骨料的強(qiáng)度、混凝土試件尺寸等與現(xiàn)場有較大差別，試驗(yàn)結(jié)果的代表性是局限的。但化學(xué)灌漿對提高裂縫混凝土的強(qiáng)度和整體性的效果是明顯的。

3.3帶縫(劈裂造縫)混凝土模擬化灌芯樣抗剪試驗(yàn)

混凝土芯樣主要取自大壩A區(qū)和C區(qū)。芯樣直徑為130mm和200mm。試件的制作，先對混凝土芯樣進(jìn)行切割、磨平，用壓力試驗(yàn)機(jī)將混凝土試件從中部沿橫截面劈開，劈裂面特征見圖5。

圖5　劈裂后(灌漿前)混凝土芯樣Fig.5　Concrete core samples after splitting(before grouting)

然后采用施工現(xiàn)場使用的帕斯卡PSI-500環(huán)氧灌漿材料(配合比：A液∶B液=5∶1)，按縫寬1,2,3mm3種工況對劈裂后的混凝土試件進(jìn)行模擬化學(xué)灌漿。灌漿采用手動(dòng)單液泵，灌漿起始壓力設(shè)定為0.3～0.5MPa。共制作抗剪試件15塊，模擬化灌后的混凝土試件見圖6。

圖6　灌漿后(剪切前)混凝土芯樣Fig.6　Concrete core samples after grouting(before shearing)

3.3.1芯樣直徑130 mm和縫寬≤2 mm試件抗剪特性

進(jìn)行了試件直徑為130mm、縫寬≤2mm的混凝土化灌試驗(yàn)(抗剪試件為7塊)，正應(yīng)力為1.0～6.0MPa，剪斷時(shí)的剪應(yīng)力為5.937～12.584MPa。試件斷面較平整，剪切破壞主要發(fā)生在混凝土本體而局部沿劈裂化灌面剪斷，剪切面上大粒徑的骨料多被剪斷。通過對抗剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析可知，抗剪特性參數(shù)f ′值為1.40，c′值為4MPa。

3.3.2芯樣直徑200 mm和縫寬1 mm試件抗剪特性

進(jìn)行了試件直徑為200mm、縫寬1mm的混凝土化灌試驗(yàn)(抗剪試件為4塊)，正應(yīng)力為1.0～5.0MPa，剪斷時(shí)的剪應(yīng)力為6.918～11.703MPa。試件斷面起伏大，主要從混凝土本體骨料邊緣剪斷，通過對抗剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析可知，抗剪特性參數(shù)f ′值為1.34，c′值為5.50MPa。

3.3.3芯樣直徑200 mm和縫寬3 mm試件抗剪特性

進(jìn)行了試件直徑為200mm、縫寬3mm的混凝土化灌試驗(yàn)(抗剪試件為4塊)，正應(yīng)力為1.0～5.0MPa，剪斷時(shí)的剪應(yīng)力為3.976～9.824MPa。試件斷面基本平整，剪切破壞主要發(fā)生在混凝土本體，局部可見粒徑較大的骨料被剪斷。通過對抗剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析可知，抗剪特性參數(shù)f ′值為1.28，c′值為4.1MPa。

模擬化灌混凝土試件大多沿混凝土本體剪斷；僅局部沿化學(xué)灌漿面剪斷，剪切面基本平整；大部分骨料均被剪斷，見圖7。與無縫本體混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)結(jié)果摩擦系數(shù)f ′為1.335、黏聚力c′為4.731MPa相比， f ′相當(dāng)， c′有2個(gè)略低。說明接縫化灌具有良好的效果。

圖7　灌漿后混凝土試件剪切斷面Fig.7　Shearing section of concrete specimensafter grouting

3.4完整粘結(jié)裂縫芯樣抗剪試驗(yàn)

5組試驗(yàn)樣品均取自大壩B區(qū)含溫度裂縫壩段，樣品為經(jīng)化學(xué)灌漿處理后鉆取的完整粘結(jié)的混凝土芯樣，直徑為130mm，加工后直接進(jìn)行試驗(yàn)?？辜粼囼?yàn)數(shù)據(jù)用最小二乘法計(jì)算回歸，結(jié)果見圖8。

結(jié)果表明：取自大壩含溫度裂縫壩段，經(jīng)過化學(xué)灌漿處理后的裂縫完整粘結(jié)的混凝土芯樣，抗剪特性參數(shù)摩擦系數(shù)f ′的平均值為1.103、黏聚力c′的平均值為3.23。比較本體混凝土抗剪特性參數(shù)f ′=1.335，c′=4.731MPa的試驗(yàn)結(jié)果，該工程壩體裂縫經(jīng)過化學(xué)灌漿處理后，其f ′可以達(dá)到本體混凝土的83%，c′可以達(dá)到68%。這個(gè)結(jié)果低于室內(nèi)模擬灌漿試驗(yàn)的結(jié)果，這是因?yàn)槭覂?nèi)條件控制優(yōu)于現(xiàn)場的關(guān)系，也說明只要進(jìn)一步加強(qiáng)現(xiàn)場的控制，化學(xué)灌漿處理裂縫的效果會(huì)更好。

4結(jié)論

通過對某水電站壩體無縫本體混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)、立方體劈裂試件室內(nèi)模擬化灌后的抗剪試驗(yàn)、帶縫(劈裂造縫)壩體混凝土芯樣模擬化灌抗剪試驗(yàn)、完整粘結(jié)裂縫芯樣抗剪試驗(yàn)的試驗(yàn)研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 22組無縫本體混凝土芯樣抗剪試驗(yàn)得到的抗剪特性參數(shù)平均值，摩擦系數(shù)f ′為1.335、黏聚力c′為4.731MPa，大壩混凝土的澆筑質(zhì)量較好。

(2) 15組立方體試件劈裂后模擬化灌的混凝土抗剪試驗(yàn)，摩擦系數(shù)f ′的平均值為1.314、黏聚力c′的平均值為4.019MPa。f ′可以達(dá)到本體混凝土的98%，c′可以達(dá)到本體混凝土的85%。

進(jìn)行化灌和不進(jìn)行化灌立方體劈裂試件的抗剪試驗(yàn)結(jié)果表明，化灌后摩擦系數(shù)f ′提高30%,黏聚力c′從0.580MPa提高到4.019MPa，抗剪強(qiáng)度得到很大提高，其貢獻(xiàn)主要來源于黏聚力c′的提高，使混凝土的整體性得到很好的改善。

(3) 劈裂造縫的壩體混凝土芯樣，經(jīng)過室內(nèi)模擬化灌后，其摩擦系數(shù)f ′與無縫本體混凝土相當(dāng)， c′略低。說明接縫化灌具有良好的效果。

(4) 壩體溫度裂縫經(jīng)過化學(xué)灌漿處理后，在裂縫完整粘結(jié)的情況下，抗剪特性參數(shù)摩擦系數(shù)f ′的平均值為1.103、黏聚力c′的平均值為3.23MPa。其f ′可以達(dá)到本體混凝土的83%，c′可以達(dá)到68%。這個(gè)結(jié)果低于室內(nèi)模擬灌漿試驗(yàn)的結(jié)果，這是因?yàn)槭覂?nèi)條件控制優(yōu)于現(xiàn)場的關(guān)系，也說明只要進(jìn)一步加強(qiáng)現(xiàn)場的控制，化學(xué)灌漿處理裂縫的效果會(huì)更好。

(5) 化學(xué)灌漿是處理大壩裂縫，提高混凝土抗剪強(qiáng)度和抗?jié)B性能的一個(gè)有效措施。研究結(jié)果可以為化灌后混凝土的力學(xué)參數(shù)合理取值提供參考。

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(編輯：王慰)

Shear Tests on the Concrete Core Samples for the Chemical Groutingof Dam Cracks of a Hydropower Project

LIWei,SHENRong,ZHAOYun-chuan,GONGWei-qun

(PowerChinaKunmingEngineeringCorporation,KunmingYunnan650033,China)

Abstract:Temperature crack in the pouring process of mass concrete of concrete arch dam and gravity dam could be a hidden troubles that affects the safety of the dam, especially reduces the tensile strength and shear mechanical properties of concrete dam, and also affects the long-term stability and the service life of the dam. During the pouring of mass concrete of a hydropower station, part of the dam was affected by temperature and cracks penetrated through. By using the crack grouting material for the hydropower station dam, we carried out indoor tests and compared the test results. The indoor tests include: shear test on the original concrete core sample with no crack from the dam, shear test on cube concrete samples with cracks (made by splitting) and concrete core samples after simulation chemical grouting, and shear test on concrete core samples with cracks fully bonded after grouting. Results show that after chemical grouting treatment on the cracks, the shear parameter f ′ reaches the 83% of the original concrete, and c′ s the 68% of the original concrete. The result of indoor chemical grouting simulation is better, with f ′ equaling the level of original concrete, and c′ reaching above 85% of the original concrete. Chemical grouting is an effective measure to treat dam cracks and improve the shear strength and the impermeability of concrete. The research results provide reference for reasonable values of mechanical parameters of concrete after chemical grouting.

Key words:mass concrete; temperature crack; shear tests; simulation of chemical grouting; mechanical property

收稿日期：2014-10-28；修回日期：2015-10-26

作者簡介：李偉(1963-),男，四川資中人，高級工程師，主要從事大型水電站巖石力學(xué)試驗(yàn)、大壩巖土等方面的試驗(yàn)研究工作，(電話)13700695663(電子信箱)781153427@qq.com。

通訊作者：沈蓉(1960- )，女，四川成都人，教授級高級工程師，主要從事大型水電站巖石力學(xué)試驗(yàn)、大壩土工材料等方面的試驗(yàn)研究工作，(電話)13987667361(電子信箱)781153427@qq.com。

doi:10.11988/ckyyb.20140912

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)06-0124-05

2016,33(06):124-128