溪洛渡水电站大坝混凝土层面结合及原位抗剪试验研究.pdf

第3 0卷 第3期 2 0 1 3年 3月 长 江科 学 院 院 报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S de n t ff i c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 3 0 No 3 Ma r 2 0 1 3 DOI l 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 3 0 3 0 1 5 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4 3 0 0 1 0 ) 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 4 4 0 9 7 之间， c 在3 0 0 1 8 5 MP a 之间， 不含层面连续浇筑的本体混凝土厂为1 8 0 ， c 为3 1 4 5 MP a ； 最大法向应力 为7 1 2 MP a 时， 本体混凝土极限抗剪强度 极 限 为1 5 9 6 MP a ， 各层间结合工况的 极 限 在 9 6 7 1 2 1 1 MP a 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： T V 6 4 2 4 2 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 3 ) 0 30 0 7 1 一 o 4 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 划的第 3个梯级 ， 水电站枢纽 由 2 8 5 i n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 成。水电站主体及导 流工程混凝土 总量 1 2 9 6 万 m ， 其中大体积混凝土约 7 0 0 万 m 。 溪洛渡大坝混凝 土分层浇筑而成 ， 坝内存在大 量的水平施工缝 ， 形 成众多 的水平层面。如果层面 间歇时间欠妥、 处理不当， 可能会成为混凝土坝渗流 集 中通道和抗滑稳定 的相对薄弱 面。资料表 明 ， 配合比适当且施工精 良的混凝 土坝透水性 是很小 的， 渗透系数平均值为 1 0 一c m s 。然而如果施工层 面处理不当， 将成为强透水层面 ， 沿层面切线方向的 渗透系数可达 1 0c m 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 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 砂浆是最常用手段。 目前关于常态混凝土层面结合及原位抗剪的资 料较少 ， 笔者在溪洛渡水 电站工程现场进行相关试 验， 测定常态混凝土及层面的抗剪强度， 确定常态混 凝土抗剪特性参数， 为优化溪洛渡水电站大坝混凝 土层间处理措施、 评估坝体结构稳定性提供可靠的 依据。 2 试验原材料及配合比 采用大坝 A区混凝 土实际浇筑 的原材料 及配 合 比， 进行原位抗剪试验块 的混凝土浇筑。原材料 包括华新中热4 2 5 硅酸盐水泥 、 华珞 I 级粉煤灰 、 马 家河 灰 岩人 工 砂 、 塘 房 坪玄 武 岩人 工 碎 石 ， 以及 J M一( c ) 缓凝高效减水剂和 Z B一 1 G引气剂。 原位抗剪试验块混凝土 的配合 比见表 1 ， 均为 大坝 A区的 C ， 4 O常态混凝土施工配合 比， 包括 四 级配、 三级配基准 ， 以及二级配混凝土。在施工中 ， 三级配混凝土采用砂率加大 2 富浆以及砂率加大 4 富浆的 2种方式 。 3 试验布置与试件制作 试验场地位于溪 洛渡工程左岸 E L 6 1 0平 台， 处 于缆机吊运作业区内。试验块分 A和 B两区， A区 布置 6组不同层 间结合方式的抗剪试件 ， B区布置 1 组本体抗剪试件 ， 每组均为 5块试件 ， 以满足 5级不 同法向应力的试验要求。7组原位抗剪试件的层间 结合工况见表2 。 收稿 日期 ： 2 o 1 2 0 5一l O ； 修回日期 ： 2 o 1 2一o 8 2 4 基金项目： 国家 自然科 学基金 项 目( 5 1 1 3 9 0 0 1 ， 5 1 1 0 9 0 1 5 ) ； 国家科技 支撑计 划 ( 2 O l 1 B A E 2 7 B 0 0 ) ； 中央级公 益性 科研 院所基 本科研 业 务费 ( C K S F 2 0 1 1 0 1 8 C L ) 作者简介： 彭尚仕( 1 9 6 9一 ) ， 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) 0 2 7 8 2 8 2 9 7 5 3 ( 电子 信箱) p e n g s s m a i l e r s r i c n 。 7 2 长江科学院院报 2 0 1 3年 首先浇筑 A区一期下部混凝土 ， 均为 四级 配， 组号为 A 1 一A 6 ， 共 6组 ， 一次浇筑完成。1 6 d后 ， 进 行 A区二期上部混凝土 的浇筑。首先按 照不 同要 求对下部硬化混凝 土表 面进行层 面处理 ， 然后在经 过不同层面处理后的 6个 区域浇筑 6组 5 0 0 mm 5 0 0 mm 3 0 0 m m的原位抗剪试件 ， 共 3 0块。每个 试件顶面抹平处理， 以便法向加荷。A区二期混凝 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 混凝土及砂浆均 由高线拌和系统生产。 4 原位抗剪试验方法 参照 D L T 5 1 5 0 -2 0 0 1 水工混凝土试验规程 的规定 ， 进行常态混凝土原位抗剪试验 。采用平推 法， 推力方向与层面平行。每组 5块试件 ， 由于受垂 直反力系统的限制 ， 层 间结合试件 的最大法向应力 取6 0 MP a ， 分 1 2 ， 2 4 ， 3 6 ， 4 8 ， 6 0 MP a 5个 等 级 ； 本体试 件 的最大法 向应 力取 3 6 MP a ， 分 1 2 ， 1 8 ， 2 4 ， 3 0 ， 3 6 MP a 5个等级 。 水平剪切荷载的施加采用多点峰值法， 开始按 照预估最大荷 载的 1 0 施 加， 每加一次荷载 ， 立 即 读取并记录一次剪切变形， 隔5 m i n再读取并记录 一 次， 按上述加载量和测读方法， 直到当次施加的荷 载所引起的剪切变形为前次荷载所产生变形的1 5 倍时， 剪切荷载按预估最大荷载的5 施加， 直至剪 断。剪断后 ， 在垂直荷载不变的情况下 ， 继续分次施 加剪切荷载 ， 当水平位移不断增加 ， 而作用的水平荷 载连续 3次保持不变时， 该水平荷载下的剪切强度 ， 即为残余抗剪强度。将水平荷载分 4级退零， 剪切 试验结束。 剪切试验结束后 ， 进行摩擦 试验 。将剪 断推 出 的上半块试件复位 ， 重新安装和调整垂直 、 水平加荷 系统及位移测量系统 ， 按原法 向应力等级施加垂直 荷载， 根据残余抗剪荷载分级施加水平荷载， 当水平 位移不断增加 ， 而作用 的水平荷 载连续 3次保持不 变时， 该水平荷载下强度 ， 即为摩擦强度。 5 试验结果及分析 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 结果见表 3 。其 中 厂 为摩擦系数 ， c 为黏聚力。 根据库仑定律， 抗剪强度 丁 与法向应力 的关 系式 为 r=o -f + C 。溪 洛 渡 水 电站 大 坝 高 度 2 8 5 m， 混凝土密度大约 2 5 0 0 k g m。 ， 那 么， 最大法 向应力 按7 1 2 M P a 计算时， 不同工况下的混凝土 原位抗剪强度 的计算结果见表 4和图 1 。 5 2结果分 析 5 2 1 不同工况的混凝土原位抗剪特性参数 溪洛渡大坝混凝土各层 间结合工况 的极 限抗剪 摩擦系数 在1 4 4 0 9 7 之间， 极限抗剪黏聚力 c 在 3 0 0 1 8 5 M P a 之间； 而不含层面连续浇筑的本体混 凝土的极限抗剪摩擦系数 为1 8 0 ， 极限抗剪黏聚力 C t为3 1 4 5 M P a ， 均最高。除本体混凝土外， 层面深凿 毛的极限抗剪黏聚力最大， 摩擦系数最小 ， 而层间铺 砂浆的极限抗剪黏聚力最小， 摩擦系数最大。 从物理意义上 j ， 摩擦 系数 厂 是材料常数 ， 无 因次量， 其量值仅决定于材料和工艺； 黏聚力 c 是 强度参数 ， 其物理本质是受剪面上的内聚力 ， 由硬化 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 7 3 表 4不同工况下的混凝土原位抗剪强度 Ta b l e 4 I n- s i t u s h e a r s t r e n g t h s i n d i ffe r e n t c a s e s l 6 0 1 4 0 曼 l 2 0 - o- o 8 0 6 O 4 o 极限抗剪强度 残余抗剪强度 摩擦抗剪强度 图 1 不同工况下的混凝土原位抗 剪强度 F i g 1 I n s i t u s h e ar s t r e n gths i n d i ffe r e n t c a s e s 水泥浆强度和界面过渡区粘结强度等构成， 不但决 定于材料和工艺而且有尺寸效应。二者是相对独立 的物理量， 由库仑定律联系起来， 计算抗剪强度 。 摩擦系数厂 和黏聚力 c 均是随机变量， 其试验工作 量( 样本数 凡 ) 应满足统计要求。 看似光滑 的物体 ， 其 表面也有很 多小 凸起 J 。 当 2个接触面受压时， 这些小凸起接触压紧 ， 压紧处 的局部应力很高 ， 足以使材料产生塑性 变形并彼此 粘连。滑动时需拉开这些粘连点 ， 摩擦力 的最大值 就是拉开这些粘连点时的阻力 ， 其本质是分子凝聚 力作用。当物体表面粗糙时， 由于相互机械啮合产 生阻碍滑动的阻力， 这种啮合是弹塑性的， 啮合程度 取决于接触面上 的压力。对 于混凝土材料 ， 由于表 面粗骨料突起 ， 使相对滑动的面首先产生上抬 ， 越过 骨料颗粒之后才能平移， 也是一种啮合作用。因此 ， 表面的啮合作用和分子凝聚力作用是产生摩擦力的 2个主要物理原因。 5 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1 5 9 6 M P a ， 各 层 问结 合 工 况 的 极 限 抗 剪 强 度 极 限在 9 6 7 1 2 1 1 M P a 之间。以本体混凝土的极限抗剪强度为 1 0 0 ， 则 各 层 间 结 合 工 况 的 极 限 抗 剪 强 度 为 6 0 6 7 5 9 。因此 ， 除了本体混凝土 ， 层 间铺砂 浆 ( 组号 A 1 ) 的极 限抗剪强度最 高， 比层 间无 垫层 料的其它工况提高了1 0 7 1 5 3 。 对 比不 同的层 面处理方式 ， 层面露粗砂且加铺 砂浆效果最佳 ， 其次是层面微露小石 ， 最后是层面深 凿毛 ， 对极限抗剪强度的影响差别在 5 以内。 对 比不 同配 合 比的上层混凝 土 ， 砂率加大 4 的三级配混凝土( 组号 A 4 ) 比砂率加大2 时( 组号 A 3 ) 的极限抗剪强度高 1 1 。而上层 为三级配 富 浆混凝土( 组号 A 3 、 组号 A 4 ) 的极限抗 剪强度 比上 层为正常二级配混凝土( 组号 A 2 ) 的极限抗剪强度 高3 5 和4 6 。因此， 上层混凝土采用富浆配合 比时， 层间结合效果较好。 与本体混凝土对比， 各层间结合工况的残余抗 剪强度为7 5 8 8 1 0 ， 各层 间结合工况之 间的 差别为5 2 ； 各层问结合工况的摩擦抗剪强度为 8 4 1 一9 1 3 ， 各 层 间结 合 工况 之 间 的差别 为 7 2 。除本体混凝土外 ， 上层砂率加大 4 的富浆 三级配 、 层面微露 小石 ( 组号 A 5 ) 的混 凝土残余及 摩擦抗剪强度均最高。 5 2 3 剪切破坏后试件上下的剪切 面状况 层间结合试件的剪切破坏都发生在层面， 剪切面 普遍平坦， 面上有因剪切产生的混凝土碎片和摩擦产 生的粉末， 摩擦痕迹明显。本体试件剪切破坏面起伏 大， 高差5 O 8 0 n l i n ， 大部分特大石被剪断， 面上布满 混凝土碎片， 边缘混凝土破裂脱落， 擦痕分散不匀。 新旧混凝土接触界面存在一个类似于整体浇筑 7 4 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 过渡区是一个薄弱环节 J 。由于 旧混凝 土 的亲水 性 ， 在 已硬化混凝土基础上浇筑新混凝土时， 会在旧 混凝土表面形成水膜 ， 使结合 面处新混凝 土的局部 水灰比高于体系中的水灰比， 导致界面钙矾石和氢 氧化钙晶体数量增多， 形态变大， 形成择优取向， 降 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 凝土局部水灰 比更高 ， 而且使得气孑 L 和微裂缝在该 区富集 ， 显著降低界面强度 。这是化学方面的原因， 也是影响新旧混凝土结合本质的内因。 6 结 论 选用溪洛渡大坝 A区实 际采用 的原材料及 配 合 比， 在工程现场进行不 同工况条件下常态混凝土 层间结合面的原位抗剪试验 ， 结论如下 ： ( 1 )混凝土各层间结合工况的 厂 在1 4 4 0 9 7 之间， C t 在3 o o 1 8 5 M P a 之间； 而本体混凝土的厂 为1 8 0， c 为3 1 4 5 MP a 。 ( 2 )最大法向应力 o r 为7 1 2 MP a 时， 本体极限 抗剪强度 极 限 为l 5 9 6 M P a ， 各层间结合工况的极限 抗剪强度 丁 极 限 在9 6 71 2 1 1 MP a 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 ， 上层混凝土采用富浆配合比时的层间结合效果也较 好 。因此 ， 建议溪洛渡工程采用 以上 2种层面处理 方式。 ( 3 )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。 参考文献 ： 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， 1 9 9 9 ( Y A N G H u a q u a n ， R EN Xu h u a Bo n d B e t we e n L a y e r s a n d S e e p a g e o f RC C M B e i j i n g ： C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s ， 1 9 9 9 ( i n C h i n e s e ) ) 2 涂传林 抗剪断参数计算方法的探讨 J 水利学报， 1 9 9 8 ， ( 增 刊 ) ： 2 62 9 ( T U C h u a n l i n D i s c u s s i o n o n C a l c u l a t i o n o f S h e a r i n g P a r a m e t e r s J J o u rnal o f H y d r a u l i c E n n e e fi n g ，1 9 9 8 ， ( S u p ) ： 2 62 9 ( i n C h i n e s e ) ) 3 彭尚仕， 王仲华 ， 董维佳 ， 等 金沙江溪洛渡水 电站混 凝土原位抗 剪试验 报告 R 武汉 ： 长江科学 院， 2 0 1 0 ( P E N G S h a n g s h i ， WA N G Z h o n g h u a ， D O N G We i - j i a ，e t a 1 R e p o o f S h e ar T e s t o n C o n c r e t e o f X i l u o d u H y d r o p o w e r S t a t i o n R Wu h a n ： Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i tl e R e s e arc h I n s t i t u t e ， 2 0 1 0 ( i n C h i n e s e ) ) 4 刘艳萌 新旧混凝土粘结技术研究 D 重庆： 重庆大 学 ， 2 0 0 6 ( L I U Y a n me n g T e c h n o l o g y o f B o n d i n g B e t w e e n F r e s h a n d O l d C o n c r e t eD C h o n g q i n g ： C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 6 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑 ： 周晓雁) I n s i t u S h e a r Te s t o n t h e Bo n d Be t we e n Co n c r e t e La y e r s o f Xi l u o d u Da m Co n c r e t e PENG S ha n g s h i ，S HI Ya n，YANG Hu a q ua n ( R e s e a r c h C e n t e r o f Wa t e r E n g i n e e r i n g S a f e t y a n d D i s a s t e r P r e v e n t i o n o f Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s ， Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0， C h i n a ) Ab s t r ac t： To pr o v i d e b a s i s f o r t h e c o n c r e t e q u a l i t y c o n t r o l for Xi l u o d u d a m 。we c a r r i e d o u t i n s i t u s h e ar t e s t o n n o r ma l c o n c r e t e l a y e r s wh i c h a r e p o u r e d f r o m t h e r a w ma t e r i a l w i t h mi x p r o p o r t i o n i d e n t i c a l t o t h e a c t u a l c o n c r e t e o f X i l u o d u d a mR e s u l t s s h o w e d t h a t f ri c t i o n f a c t o r f a n d c o h e s i o n c o f t h e b o n d s u r f a c e b e t w e e n c o n c r e t e l a y e r s w e r e r e s p e c t i v e l y b e t w e e n 1 4 4 - I ) 9 7 MP a a n d 3 0 0 1 8 5 MP a ， w h i l e _厂 a n d c o f c o n c r e t e i t s e l f w e r e 1 8 0 MP a a n d 3 1 4 5 MP a r e s p e c t i v e l y Wh e n t h e ma x i mu m n o r mal s t r e s s O m a wa s 7 1 2 MP a，t h e u l t i ma t e s h e a r s tr e n g t h 丁 m 舡o f c o n c r e t e i t s e l f wa s 1 5 9 6 MP a ，a n d 丁 o f t h e b o n d s u r f a c e b e t we e n c o n c r e t e l a y e r s wa s b e t we e n 9 6 7 1 2 1 1 MP a E x c e p t f r o m t h e c o n c r e t e i t s e l f ，c o n c r e t e l a y e r s c o n n e c t e d w i t h p a v e d mo r t a r h a s t h e h i g h e s t u l t i ma t e s h e a r s t r e n g t h T h e t r e a t me n t o f e x p o s i n g c o a r s e s a n d o n t h e o l d c o n c r e t e s u r f a c e t h e n p a v i n g mo rta r w o r k e d b e s t ， a n d t h e e ffe c t o f us i n g r i c h mo rtar for t h e u p p e r c o n c r e t e wa s f a v o r a b l e S h e a r f a i l u r e o f t he s p e c i me n s wi t h c o n c r e t e l a y e r s o c c u r r e d o n t h e b o n d s u r f a c e，a n d t h e s h e a ri n g p l a n e wa s g e n e r a l l y fl a t B u t t h e c o n c r e t e i t s e l f h a d u n e v e n f a i l u r e s u r f a c e a n d mo s t o f t h e l a r g e s t a g g r e g a t e s w e r e s h e a r e d o ff Ke y wo r ds： Xi l u o d u h y d r o po we r s t a t i o n；c o n c r e t e；i n s i t u s h e a r t e s t ；s h e ar para me t e rs ；s h e a r s t r e n g t h