混凝土面板堆石坝挤压式边墙试验研究.pdf

第 3 2卷第 1 1 期 2 0 1 0年 1 1月 人民黄河 YELL 0W RI VER Vo 1 3 2 No 1 1 No v ， 2 01 0 【 水利水 电工 程 】 混凝土面板堆石坝挤压式边墙试验研究 郭林涛， 张龙 ， 赵海潮 ( 西北农林科技大 学 水利 与建筑工程学院 ， 陕西 杨 陵 7 1 2 1 0 0 ) 摘要： 为了分析混凝土面板挤压式边墙的物理力学性能， 结合黄河公伯峡 、 积石峡水电站挤压墙施工质量检测， 通过配 合比验证试验和现场检测结果， 指 出： 当挤压墙混凝土湿密度在 2 1 52 2 0 g c m 范围内， 即干密度为 2 o 42 0 9 g c m。 、弹性模量在 4 0 0 06 0 0 0 MP a时 ， 能够满足施 工要 求和坝体 渗透要 求。 关键词：面板堆石坝；挤压式边墙；渗透试验；密度试验；强度试验 中图分类号 ：T V 6 4 1 4 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 0 1 1 0 5 8 挤压式边墙是混凝土面板堆石坝施工 中的一项 新技术 ， 在 黄河公伯峡、 积石峡水电站等多个面板堆石坝工程施工中得到 成功应用 。鉴于国 内 目前 尚无 关于挤 压墙 质量控 制和 试验 的 标准 ， 笔者根据公 伯峡 、 积石峡 水 电站 挤压墙 施 工和质量控 制 经验 ， 探讨 了挤压 墙物理 力学性 能及 质量控制措施和指标。 1 挤压墙施工技术 挤压墙施工就是采用水泥 、 骨料 以及 速凝剂配制 的混凝土 代替部分垫层料， 在坝的 卜 游平面用挤压设备进行挤压成型， 其优点 ： 对堆石坝的上游坡面有限制作用， 省去按层料超 填部分， 节省超填削坡所需的人力、 物力； 以垂直挤压代替坡 面碾压 ， 保证大坝填筑质量和施工安全 ； 可以抵抗水流对垫 层 区的冲刷 ， 有利 于汛 期 及多 雨季 节混 凝 土面板 堆石 坝 的施 工 ， 保证安全度汛； 坝体浸水试验过程中能够有效保护坝体， 试验结束后能顺利排出坝体垫层料中的多余水分， 不使坝体遭 到破 坏。 ( 1 ) 挤压设备 。一方面将搅拌仓的混凝土拌和料通过搅龙 输送到成型腔； 另一方面产生高频振动， 使成型腔内混凝土拌 和料在搅 龙挤压力 和振 动器 激振 力的作 用下 ， 将 混凝土挤压密 实。要求混凝土各部位密度基本一致， 表面平整， 不产生裂缝 以及 内部孔洞现象 。 ( 2 ) 施工技术。在边 墙施 工l j i ， 根据边墙挤压机的宽度 ， 在 其内侧固定一根平行于坝轴线的细钢丝， 用以控制挤压机的行 进方向， 使成型的挤压墙平直、 位置准确。挤压机安装就位时 应保证其行走的直线方 向正确 ， 利用水准 仪对挤I f q L 进行 机身 调节， 使机身处于水平状态， 并使外墙板与已成型边墙上游坡 面重合。及时进行高度校核， 保证边墙高度一致 施工时， 由 专人控制挤压机的行走方向， 挤压机水平行走控制精度为 2 0 m m， 速度控制在 4 0 m h左右 ， 边行走边加速凝剂。边墙挤压 成型后 ， 对出现的缺陷( 如每层边墙的接坡 问出现明 的 台阶 、 边墙垮塌 、 平 整度超标 、 位置及外形尺寸误差过 大 、 成 型混 凝土 缺陷等 ) 应立 即进行 人工修补处理 。 - 1 3 0 ( 3 ) 挤压墙f 昆 凝 土配合 比。配合 比既要 达到设计 要求 ， 满 足工作性， 又要考虑其经济性。 挤压墙主要控制指标有密度 、 抗压强度、 弹性模量和渗透 系数。 2 配合比设计与试验 2 1 配合比设计原则 采用低弹性模量、 干硬性或半于硬性 、 方便施工的低强度 混凝土， 其渗透系数大于垫层料渗透系数。例如黄河公伯峡水 电站、 积石峡水电站挤压墙混凝土设计强度等级均不大于 C 5 。 挤压墙混凝土宜采用 3 2 5级复合硅酸盐水泥， 细骨料采 用中砂 ， 粗骨料最大粒径 为 2 0 m m， 骨料 为饱 和面干状 态， 速凝 剂含量为4 。根据经验， 初步确定砂率为 4 0 5 0 ， 水灰 比为 1 1 01 3 0 ， 维勃稠度为 53 0 s ， 用水量为 ( 1 1 01 0 ) k g m 。 挤压墙混凝土强度范围为 25 MP a ， 渗透系数略大于 避层料的渗透系数， 根据碾压试验资料， 垫层料的渗透系数为 11 0 。 c m s 左右 ， 因此挤压墙渗透系数控制在 1 1 0 1 1 0 c ms 。 2 2 配合 比试 验 黄河积石峡水电站根据工程所在地 区的砂石 骨料 状况 ， 进 行了配合比试验和验证工作。 骨料采用积石峡水 电站甘 河滩 人工破 碎料 和天然骨料 的 混合料 ， 细骨料细度模数为 2 7 6 ， 饱和面干表观密度为 2 7 4 0 k g 1 1 1 ， 饱和面干吸水率为 1 5 ， 石粉含量为 9 8 ； 粗骨料饱 和面千表观密度为2 8 3 0 k s m ， 饱和面干吸水率为 0 8 ， 针 片状含量为3 5 ， 压碎指标为 3 6 。 收稿 日期 ： 2 0 1 o 一0 4 - 2 6 作者简介： 郭林涛( 1 9 5 5 一) ， 男， 陕西武功人， 高级工程师， 主要从事水利工程 现 场试验研 究工作 ： 通讯作者： 张龙( 1 9 5 3 一) ， 男， 河北曲阳人， 主要从事水利工程现场试验研 究 工作 E - ma i l ： z h a n g lo n ) 9 9 2 6 1 6 3 c o m 人 民 黄 河2 0 1 0年第 1 1期 3 2 5级 复合硅酸盐水 泥 2 8 d抗 压强度 为 3 8 7 MP a ， 抗 折 强度为 6 5 MP a ， 密度为 3 1 0 0 k g m 。 速凝剂 采用 高效 液态速凝 剂 ， 通 过试 验 ， 2 8 d抗 压强度 比 为 8 9 2 ， 初凝 时问为 1 4 5 S ， 终凝时间为 5 2 2 s 。 考虑挤压墙的工作性 ， 用不同砂率的混凝土进行配合比试 验。根据选定 的水胶 比进 行 试拌 ， 直 到混 凝 土和 易性 较 好 为 止。试拌时先将 水 泥 、 砂 、 子 于拌均 匀 ， 然 后逐 渐 加入 拌 和 水 ， 使流动度达到要求， 记录实际用水量( 包括砂、 石表面含水 率 ) ， 并按此用水量一次加水进行校核试验 ， 试拌 后确定满足 和 易性要求 的最小用水 量对应 的砂率 ， 并 根据设 备挤 压效果 ， 最 终确定砂率为 4 5 、 水 灰比为 1 2 0 2 3 配合比验证 在确定砂率为4 5 、 水用量为 1 0 5 k g m 、 水灰 比为 1 2 0 的前提下， 对配合比进行验证试验分析， 验证工作根据混凝土 施工规范 和混凝土试验 规程 I 4 进行 ， 试 验结 果如下。 ( 1 ) 渗透试验验证。按照不同的湿密 度进行成 型 ， 养护 2 8 d后进行试验 ， 水温为 l 8 q C， 试验结果见表 1 。 表 1 湿密度与渗透系数的关 系 通过渗透 试验 ， 得到试验 湿密度与渗透 系数 的关系 ： k ， n = 1 2 8 0 6 1 0 X p- 6 ( 1 ) 当渗透系数 k 2 0 =l 1 0 c r n s 时， 湿密度P= 2 1 l g c m ； 当渗透系数 k 2 0 ：1 X 1 0一 c n Cs 时， 湿密度 P= 2 1 8 g c m 。 ( 2 ) 弹性模量试验验 证。按照不 同的湿 密度进 行成 型 ， 养 护 2 8 d后进行试 验 ， 结果见 图 1 。 幽 蜒 蛆 * 瓤 密 度 【 g c n l ) 图 1 湿密度与弹性模量关 系曲线 由图 l可见， 当湿密度为 2 1 52 2 5 g c m 时 ， 弹性模 量 在48 G P a范围内。采用直径为 1 5 0 m m、 高为 3 0 0 m m的圆 柱体试模， 当湿密度小于2 1 5 g c m 时， 成型效果较差， 不能进 行正常试验 。 ( 3 ) 抗压强度试验验证 按照不同的湿密度进行成型， 养 护 2 8 d后进 行试 验 ， 结果见 图 2 由图 2可见 ， 当湿密度 为 2 1 5 2 2 5 g c m 时 ， 抗压 强度 为 2 1 0 2 3 1 MP a ， 且抗压强度 曲线变化 比较平坦 。 ( 4 ) 压实度计算。用压实度指标来确定挤压设备的功能， 通过击实试验 ， 确定最大湿密度为 2 5 1 g e m 。水泥加水 后， 产生水化反应， 形成新的化合物， 挤压墙混凝土在施工期间 和 2 8 d龄期的含水率风水泥水化反应而变化。通过不同时段 水泥水化反应后 的含水率试验 ， 并 以2 8 d龄期水泥的水化反应 消耗水量来推算施工期间的挤压墙含水率。加水后、 终凝后水 泥水化反应消耗的水量分别 为 1 5 、 7 5 ， 1 、 7、 1 4 、 2 8 d龄期 水泥水 化 反 应 消耗 的 水 量 分 别 为 9 4 、 1 8 3 、 2 1 8 、 2 2 4 。 妊 c 湿密度 ( g。c m。) 图2湿密度与抗压强度关系曲线 根据配合比的材料用量以及骨料的吸水率 ， 含水率可按下 式计算： = 糕： 0 0 予 丽 可 _ ( 2) 式中： 为含水率， ； 为砂饱和面干吸水率， ； 为石子 饱和面干吸水率， ； W为用水量 ， k g ； 为水泥水化反应 2 8 d 消耗的水量 ， ； S为砂用量 ， k g ； C为水泥用 量 ， k g ； R为速凝 剂 含量 ， ； g为石用量 ， k g 。 通过上述试验 和计算 ， 确定挤 压墙 含水 率 为 5 3 ， 此 时击实试 验 的 最 大 干 密 度 为 2 3 9 g c m ， 若 湿 密度 控 制 在 2 1 52 2 5 c m ， 干密度为 2 0 4 2 0 9 c m ， 则压实度控 制 在 8 5 8 8 。 ( 5 ) 湿密度分析。湿密度的大小对挤压墙混凝土的指标有 很 大影 响。试验 表 明， 湿 密度 大于 2 2 0 g c m 、 渗 透 系数小 于 1 X 1 0c n s 时， 在施工期如遇洪水将对坝体垫层料排水产生 不利影 响 ； 湿密度小于 2 1 5 g c m 时， 弹性模量偏低 ， 会导致试 件无法成 型 ， 且强度 偏低 ， 不 利于 施工。最终 确定 湿密 度应控 制在 2 1 52 2 0 g c m 。 3 力学指标试验方法 ( 1 ) 流动 度试验 。挤 压墙混 凝土属 于硬性 、 半 干硬性 混凝 土， 其流动度采用维勃稠度仪进行试验。 ( 2 ) 密度试验。在新施工的挤压墙断面垂直开槽 ， 槽宽约 3 0 c m， 槽厚 为 l 01 2 c l n ， 槽深 4 0 c m( 约为挤 压墙层 深) ， 开槽 过程中不要将挤压墙迎水面破坏 ， 槽 挖好 后 ， 将槽壁 处理平整 。 仔细收集挖出的混凝 土 ， 进行 称量 。将 宽 约 4 0 t in 、 高 大于 4 0 c m的玻璃板紧贴开挖的槽 口上， 使玻璃板与挤压墙面不留空 隙 ， 按照灌砂法进行试 验 ， 试验 结束后 立 即用挤压 墙混 凝土 填 补槽坑 。也 可以在挤压墙 上取岩芯进行试验来确定 密度 。 ( 3 ) 抗压 强 度试 验。在现 场按 照挤 压墙 湿 密度 称量 混凝 土 ， 然后装入试模 中， 用人工振捣的方法进行 振捣 ， 尽量使 试模 内的混凝 土容重与现 场挤压 墙混 凝土 的湿密 度保 持一致 。挤 压墙 的抗压 强度试验主要 检测挤 压墙 混凝 土生 产质量 和施 工 质 的稳定性 与均匀性。 ( 4 ) 轴心抗j 强度和静力抗压弹性模堵试验。挤压墙混凝 】 3】- 人 民 黄 河2 0 1 0年第 1 1 期 土弹性模量试验应根据 水 工混凝土试验规程( s L 3 2 5 2 0 0 6 ) 的规定进行 ， 弹性模 量成 型时混 凝土 密度与现 场挤压 墙 混凝土 的湿密度保持一致 。 ( 5 ) 渗透试验。渗透试验可分为室内试验和现场试验， 试 验方法 可根据仪器设备进行选择 。 室内试验根据常水头渗透试验原理制作渗透设备， 渗透设 备圆筒直径 为最大粒径的 1 0倍左右 。用水泥加 黄油以 ( 2 5 3 0 )： 1 混合作为密封材料， 将密封材料搅拌均匀后， 用三角 刮刀均匀地刮涂在筒 内壁 上 ， 然 后将试 样分层 装入 圆筒 ， 用木 棒均匀击实 到一定厚度 ， 以控 制其 湿密度与现场挤压墙 混凝土 的湿密度一致。将筒 与挤压墙混凝土放在养护室养护到一定 龄期。按照常水头渗透试验方法进行试验， 取 6个渗透系数的 平均值作为平均渗透系数， 得出水流至上而下的渗透系数。 现场试验根据常水头渗透试验原理， 制作渗透没备， 在现 场将挤压墙凿一垂直圆孔， 将渗透设备圆筒置入孑 L 内， 取 6个 渗透系数的平均值作为平均渗透系数。 4 质量评定 4 1干密度、 孔隙率评定 检验挤压墙 的密度 均匀 性 ， 于 密度 平均 值应 不小 于设 计 值 ， 干密度标准差应不大于 0 1 g c m ， 孔隙率不大 于 1 7 。当 样本数小于2 0组时， 合格率应不小于9 0 ， 不合格f密度不得 低于设计 干密度 的 9 5 。 4 2抗压 强度评 定 混凝 土 2 8 d抗压强 度应满 足 2 0 5 0 ， 为使挤 压墙 混 凝土的均 匀性合格 ， 抗压强度 变异 系数应满足下式要求 ： Cv ： 丁O o 0 25 c“ 式r 1 为混凝土强度平均值， MP a ； 。为混凝土强度标准差， MPa 5 结语 通过配合 比验证试验 和现场检测结 果可知 ， 当挤 压墙混凝 土湿密度为2 1 5 2 2 0 g c m ， 即干密度为2 0 4 2 0 9 g c m 、 弹性模量 为 4 6 G P a时， 能够满足施工要求和坝体的渗透 要求。 参考资料 ： 李海潮， 马伟， 宋克波 堆石坝挤压式边墙施： 【 技术及质最控制 J 人民黄 河 2 0 0 6， 2 8 ( 3) ： 7 57 6 中国 长江 兰峡工 程开 发总公 司 D L r 5 1 4 4 2 o 0 l水工 混凝土 施工规 范 S 北 京： 中国水利水电出版社 ， 2 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级高混凝土面板堆石坝坝料特性和坝料分区的构想 1 3 2 J 面板堆石坝工程 ， 2 0 0 7 ( 4) ： 1 3 71 4 4 【 6 邓刚， 徐泽平 ， 吕生玺， 等 狭 窄河谷 中的高面板堆 石坝长期应 力变形计算 分析 J 水利学报 ， 2 0 0 8( 6 )： 6 3 96 4 6 7 约翰内松 P 高混凝土面板堆石坝堆石的特性及其徐变 J 水利水电快 报 ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 1 1 ： 8 刘世煌 ， 许百立 从 运营情况 淡混凝 土面板堆 石坝的设 计 与施工 J 水利 规划设计 ， 2 0 01 ( 2) ： 6 2 9 兰道银， 黄斌， 李红丽 水布垭面板堆石坝坝料工程特性统汁分析 J 1 人民 长江 ， 2 0 0 8( 6 )：71 7 3 1 0 陈祖煜 沟后水库大坝失事实录 J 水力发电， 1 9 9 4 ( 2 ) ： 4 6 4 8 】 1 岳春芳 水利枢纽工程坝型优选模型及其应用研究 D 鸟鲁木齐： 新疆农 业大学 ， 2 0 0 1 1 2 陈厚群 ， 徐泽平 ， 李敏 汶川 大地震 和大 坝抗震 安全 J 水利学 报 ， 2 0 0 8 ( 1 0 )： l 1 5 81 1 6 7 1 1 3 蒋 围澄， 赵增凯 中国混凝土面板堆 石坝 的近期进展 J 贵州水力发 电， 2 0 0 4( 5) ： 1 4 l 4 杨泽艳， 周建平 我国特高面板堆石坝的建设与技术展望 J 水力发电， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 6 46 8 1 5 杨泽艳 面板堆石坝采用冲碾压实技术 的研究 和探讨 J 贵州水 力发电， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 4 5 4 7 f 】 6 孙大伟， 郦能惠， 田斌 超高坝堆石分区问题二维有限元分析 J ， 固体力 学学 报 ， 2 0 0 6， 1 2 ( 2 7 )： 1 2 3 【 责任编辑吕艳梅】 1 2 3 4 5 6