溪洛渡水电站大坝混凝土层面结合及原位抗剪试验研究

溪洛渡水电站大坝混凝土层面结合及原位抗剪试验研究

第30卷第3期长江科学院院报Vo1．30No．32013年3月JournalofYangtzeRiverSdentficResearchInstituteMar．2013DOIl10．3969／j．issn．1001—5485．2013．03．015溪洛渡水电站大坝混凝土层面结合及原位抗剪试验研究彭尚仕。石妍，杨华全(长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉430010)摘要：采用溪洛渡大坝实际原材料及配合比，在工程现场进行常态混凝土层间结合面的原位抗剪试验。结果表明：混凝土各层间结合工况的厂在1．44—0．97之间，c在3．00～1．85MPa之间，不含层面连续浇筑的本体混凝土厂为1．80，c为3．145MPa；最大法向应力为7．12MPa时，本体混凝土极限抗剪强度极限为15．96MPa，各层间结合工况的极限在9．67～12．11MPa之间；除混凝土本体外，层间铺砂浆的最高；层面露粗砂且铺砂浆的层面处理方式效果最佳，上层混凝土采用富浆配合比的层间结合效果也较好；层间结合试件的剪切破坏都发生在层面，剪切面普遍平坦，但本体试件剪切破坏面起伏大，大部分特大石被剪断，擦痕分散不匀。试验成果可为溪洛渡水电站大坝混凝土工程质量控制提供依据。关键词：溪洛渡水电站；混凝土；原位抗剪试验；抗剪特性参数；抗剪强度中图分类号：TV642．42文献标志码：A文章编号：1001—5485(2013)03—0071一o4土层间处理措施、评估坝体结构稳定性提供可靠的依据。1工程概况溪洛渡水电站位于金沙江下游河段梯级开发规2试验原材料及配合比划的第3个梯级，水电站枢纽由285in高的混凝土双曲拱坝、左右岸引水发电系统和泄洪建筑物等组采用大坝A区混凝土实际浇筑的原材料及配成。水电站主体及导流工程混凝土总量1296合比，进行原位抗剪试验块的混凝土浇筑。原材料万m，其中大体积混凝土约700万m。包括华新中热42．5硅酸盐水泥、华珞I级粉煤灰、马溪洛渡大坝混凝土分层浇筑而成，坝内存在大家河灰岩人工砂、塘房坪玄武岩人工碎石，以及量的水平施工缝，形成众多的水平层面。如果层面JM一Ⅱ(c)缓凝高效减水剂和ZB一1G引气剂。间歇时间欠妥、处理不当，可能会成为混凝土坝渗流原位抗剪试验块混凝土的配合比见表1，均为集中通道和抗滑稳定的相对薄弱面。资料表明⋯，大坝A区的C，∞4O常态混凝土施工配合比，包括四配合比适当且施工精良的混凝土坝透水性是很小级配、三级配基准，以及二级配混凝土。在施工中，的，渗透系数平均值为10一cm／s。然而如果施工层三级配混凝土采用砂率加大2％富浆以及砂率加大面处理不当，将成为强透水层面，沿层面切线方向的4％富浆的2种方式。渗透系数可达10～cm／s，甚至更大。因此，混凝土坝的层面结合是施工控制的关键。混凝土层面结合3试验布置与试件制作的处理方式一般有凿毛、铺砂浆或铺净浆等；而凿毛又有露粗砂、露小石及深凿毛之分，其中露粗砂、铺试验场地位于溪洛渡工程左岸EL610平台，处砂浆是最常用手段。于缆机吊运作业区内。试验块分A和B两区，A区目前关于常态混凝土层面结合及原位抗剪的资布置6组不同层间结合方式的抗剪试件，B区布置1料较少，笔者在溪洛渡水电站工程现场进行相关试组本体抗剪试件，每组均为5块试件，以满足5级不验，测定常态混凝土及层面的抗剪强度，确定常态混同法向应力的试验要求。7组原位抗剪试件的层间凝土抗剪特性参数，为优化溪洛渡水电站大坝混凝结合工况见表2。收稿日期：2o12—05一lO；修回日期：2o12一o8—24基金项目：国家自然科学基金项目(51139001，51109015)；国家科技支撑计划(2Ol1BAE27B00)；中央级公益性科研院所基本科研业务费(CKSF2011018／CL)作者简介：彭尚仕(1969一)，男，湖南岳阳人，高级工程师，硕士，主要从事水工建筑材料方面的研究及现场检测，(电话)027—82829753(电子信箱)pengss@mail．ersri．cn。n72长江科学院院报2013年首先浇筑A区一期下部混凝土，均为四级配，试验结束。组号为A1一A6，共6组，一次浇筑完成。16d后，进剪切试验结束后，进行摩擦试验。将剪断推出行A区二期上部混凝土的浇筑。首先按照不同要的上半块试件复位，重新安装和调整垂直、水平加荷求对下部硬化混凝土表面进行层面处理，然后在经系统及位移测量系统，按原法向应力等级施加垂直过不同层面处理后的6个区域浇筑6组500mm×荷载，根据残余抗剪荷载分级施加水平荷载，当水平500mm×300mm的原位抗剪试件，共30块。每个位移不断增加，而作用的水平荷载连续3次保持不试件顶面抹平处理，以便法向加荷。A区二期混凝变时，该水平荷载下强度，即为摩擦强度。土浇筑的同期，进行B区混凝土的浇筑。B区布置本体抗剪试件，试件一次性浇筑完成。以上浇筑的5试验结果及分析混凝土及砂浆均由高线拌和系统生产。5．1试验结果溪洛渡大坝混凝土不同工况下的原位抗剪试验4原位抗剪试验方法结果见表3。其中厂为摩擦系数，c为黏聚力。参照DL／T5150-2001《水工混凝土试验规程》根据库仑定律，抗剪强度丁与法向应力的关的规定，进行常态混凝土原位抗剪试验。采用平推系式为r=o-f+C。溪洛渡水电站大坝高度法，推力方向与层面平行。每组5块试件，由于受垂285m，混凝土密度大约2500kg／m。，那么，最大法直反力系统的限制，层间结合试件的最大法向应力向应力按7．12MPa计算时，不同工况下的混凝土取6．0MPa，分1．2，2．4，3．6，4．8，6．0MPa5个等原位抗剪强度的计算结果见表4和图1。级；本体试件的最大法向应力取3．6MPa，分1．2，5．2结果分析1．8，2．4，3．0，3．6MPa5个等级。5．2．1不同工况的混凝土原位抗剪特性参数水平剪切荷载的施加采用多点峰值法，开始按溪洛渡大坝混凝土各层间结合工况的极限抗剪照预估最大荷载的10％施加，每加一次荷载，立即摩擦系数在1．44～0．97之间，极限抗剪黏聚力c在读取并记录一次剪切变形，隔5min再读取并记录3．00～1．85MPa之间；而不含层面连续浇筑的本体混一次，按上述加载量和测读方法，直到当次施加的荷凝土的极限抗剪摩擦系数／为1．80，极限抗剪黏聚力载所引起的剪切变形为前次荷载所产生变形的1．5Ct为3．145MPa，均最高。除本体混凝土外，层面深凿倍时，剪切荷载按预估最大荷载的5％施加，直至剪毛的极限抗剪黏聚力最大，摩擦系数最小，而层间铺断。剪断后，在垂直荷载不变的情况下，继续分次施砂浆的极限抗剪黏聚力最小，摩擦系数最大。加剪切荷载，当水平位移不断增加，而作用的水平荷从物理意义上j，摩擦系数．厂是材料常数，无载连续3次保持不变时，该水平荷载下的剪切强度，因次量，其量值仅决定于材料和工艺；黏聚力c是即为残余抗剪强度。将水平荷载分4级退零，剪切强度参数，其物理本质是受剪面上的内聚力，由硬化n第3期彭尚仕等溪洛渡水电站大坝混凝土层面结合及原位抗剪试验研究73表4不同工况下的混凝土原位抗剪强度2个主要物理原因。Table4In-situshearstrengthsindiferentcases5．2．2不同工况的混凝土原位抗剪强度由表4可见，大坝本体混凝土的极限、残余及摩擦强度均最高，极限抗剪强度极限为15．96MPa，各层问结合工况的极限抗剪强度极限在9．67～12．11MPa之间。以本体混凝土的极限抗剪强度为100％，则各层间结合工况的极限抗剪强度为60．6％～75．9％。因此，除了本体混凝土，层间铺砂浆(组号A1)的极限抗剪强度最高，比层间无垫层l6．0料的其它工况提高了10．7％～15．3％。14．0对比不同的层面处理方式，层面露粗砂且加铺曼l2·0砂浆效果最佳，其次是层面微露小石，最后是层面深-o-o凿毛，对极限抗剪强度的影响差别在5％以内。8．0对比不同配合比的上层混凝土，砂率加大4％6．O的三级配混凝土(组号A4)比砂率加大2％时(组号4．o极限抗剪强度残余抗剪强度摩擦抗剪强度A3)的极限抗剪强度高1．1％。而上层为三级配富浆混凝土(组号A3、组号A4)的极限抗剪强度比上图1不同工况下的混凝土原位抗剪强度Fig．1In·situshearstrengthsindiferentcases层为正常二级配混凝土(组号A2)的极限抗剪强度水泥浆强度和界面过渡区粘结强度等构成，不但决高3．5％和4．6％。因此，上层混凝土采用富浆配合定于材料和工艺而且有尺寸效应。二者是相对独立比时，层间结合效果较好。的物理量，由库仑定律联系起来，计算抗剪强度。与本体混凝土对比，各层间结合工况的残余抗摩擦系数．厂和黏聚力c均是随机变量，其试验工作剪强度为75．8％～81．0％，各层间结合工况之间的量(样本数凡)应满足统计要求。差别为5．2％；各层问结合工况的摩擦抗剪强度为看似光滑的物体，其表面也有很多小凸起J。84．1％一91．3％，各层间结合工况之间的差别为当2个接触面受压时，这些小凸起接触压紧，压紧处7．2％。除本体混凝土外，上层砂率加大4％的富浆的局部应力很高，足以使材料产生塑性变形并彼此三级配、层面微露小石(组号A5)的混凝土残余及粘连。滑动时需拉开这些粘连点，摩擦力的最大值摩擦抗剪强度均最高。就是拉开这些粘连点时的阻力，其本质是分子凝聚5．2．3剪切破坏后试件上下的剪切面状况力作用。当物体表面粗糙时，由于相互机械啮合产层间结合试件的剪切破坏都发生在层面，剪切面生阻碍滑动的阻力，这种啮合是弹塑性的，啮合程度普遍平坦，面上有因剪切产生的混凝土碎片和摩擦产取决于接触面上的压力。对于混凝土材料，由于表生的粉末，摩擦痕迹明显。本体试件剪切破坏面起伏面粗骨料突起，使相对滑动的面首先产生上抬，越过大，高差5O～80nlin，大部分特大石被剪断，面上布满骨料颗粒之后才能平移，也是一种啮合作用。因此，混凝土碎片，边缘混凝土破裂脱落，擦痕分散不匀。表面的啮合作用和分子凝聚力作用是产生摩擦力的新旧混凝土接触界面存在一个类似于整体浇筑n74长江科学院院报混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区，而这个好。因此，建议溪洛渡工程采用以上2种层面处理过渡区是一个薄弱环节J。由于旧混凝土的亲水方式。性，在已硬化混凝土基础上浇筑新混凝土时，会在旧(3)层间结合试件的剪切破坏都发生在层面，混凝土表面形成水膜，使结合面处新混凝土的局部剪切面普遍平坦，但本体试件剪切破坏面起伏大，大水灰比高于体系中的水灰比，导致界面钙矾石和氢部分特大石被剪断，擦痕分散不匀。氧化钙晶体数量增多，形态变大，形成择优取向，降参考文献：低界面强度。且由于旧混凝土的阻碍，新混凝土中的泌水和气泡积聚在旧混凝土表面，不仅使得新混[1]杨华全，任旭华．碾压混凝土的层面结合与渗流[M]．北京：中国水利水电出版社，1999．(YANGHua—quan，凝土局部水灰比更高，而且使得气孑L和微裂缝在该RENXu—hua．BondBetweenLayersandSeepageofRCC区富集，显著降低界面强度。这是化学方面的原因，[M]．Beijing：ChinaWaterPowerPress，1999．(inChi·也是影响新旧混凝土结合本质的内因。nese))[2]涂传林．抗剪断参数计算方法的探讨[J]．水利学报，1998，(增刊)：26—29．(TUChuan—lin．DiscussiononCalculationofShearingParameters[J]．JournalofHy．6结论draulicEn~neefing，1998，(Sup．)：26—29．(inChi—选用溪洛渡大坝A区实际采用的原材料及配nese))[3]彭尚仕，王仲华，董维佳，等．金沙江溪洛渡水电站混合比，在工程现场进行不同工况条件下常态混凝土凝土原位抗剪试验报告[R]．武汉：长江科学院，层间结合面的原位抗剪试验，结论如下：2010．(PENGShang—shi，WANGZhong—hua，DONG(1)混凝土各层间结合工况的．厂在1．44～0．97Wei-jia，eta1．Repo~ofShearTestonConcreteofXilu·oduHydropowerStation[R]．Wuhan：YangtzeRiverSci·之间，Ct在3．oo～1．85MPa之间；而本体混凝土的．厂entitleResearchInstitute，2010．(inChinese))为1．80，c为3．145MPa。[4]刘艳萌．新旧混凝土粘结技术研究[D]．重庆：重庆大(2)最大法向应力or为7．12MPa时，本体极限学，2006．(LIUYan·meng．TechnologyofBondingBe—tweenFreshandOldConcrete[D]．Chongqing：抗剪强度极限为l5．96MPa，各层间结合工况的极限ChongqingUniversity，2006．(inChinese))抗剪强度丁极限在9．67～12．11MPa之间。除本体混凝土外，层间露粗砂且铺砂浆的极限抗剪强度最高，(编辑：周晓雁)上层混凝土采用富浆配合比时的层间结合效果也较In·situShearTestontheBondBetweenConcreteLayersofXiluoduDamConcretePENGShang—shi，SHIYan，YANGHua—quan(ResearchCenterofWaterEngineeringSafetyandDisasterPreventionofMinistryofWaterResources，YangtzeRiverScientificResearchInstitute，Wuhan430010，China)Abstract：ToprovidebasisfortheconcretequalitycontrolforXiluodudam。wecarriedoutin—situsheartestonnor．malconcretelayerswhicharepouredfromtherawmaterialwithmixproportionidenticaltotheactualconcreteofXiluodudam．Resultsshowedthatfrictionfactorfandcohesioncofthebondsurfacebetweenconcretelayerswererespectivelybetween1．44-I)．97MPaand3．00—1．85MPa，while_厂andcofconcreteitselfwere1．80MPaand3．145MParespectively．WhenthemaximumnormalstressO'mawas7．12MPa，theultimateshearstrength丁m舡ofconcreteitselfwas15．96MPa，and丁ofthebondsurfacebetweenconcretelayerswasbetween9．67—12．11MPa．Exceptfromtheconcreteitself，concretelayersconnectedwithpavedmortarhasthehighestultimateshearstrength．Thetreatmentofexposingcoarsesandontheoldconcretesurfacethenpavingmortarworkedbest，andtheefectofusingrichmortarfortheupperconcretewasfavorable．Shearfailureofthespecimenswithconcretelayersoccurredonthebondsurface，andtheshearingplanewasgenerallyflat．Buttheconcreteitselfhadunevenfailuresurfaceandmostofthelargestaggregateswereshearedof．Keywords：Xiluoduhydropowerstation；concrete；in—situsheartest；shearparameters；shearstrength