某水利枢纽工程中防渗墙结构复合型混合料力学特性试验研究

2021-04-27段云辉

水利科技与经济 2021年3期

段云辉

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东江门 529000)

1 概述

在水利枢纽工程中，防渗系统建设尤为重要，而其中影响防渗结构最重要因素即是原材料。在当前水利工程中，主要应用有较多复合型混合料、塑性混凝土材料或其他新型土木工程材料[1-3]。但不可忽视，原材料的力学特性对防渗系统长期安全稳定性具有重要影响，因而开展防渗墙结构材料力学室内试验研究很有必要。目前，已有一些专家学者基于数值仿真手段，建立原材料结构在单、三轴试验环境下，应力应变发展趋势特征，为预测混凝土或颗粒流混合料等材料失稳破坏提供重要理论分析依据[4-5]。基于现场长期监测或现场原位试验，亦可较直接获得工程现场原材料力学特征，并定性分析影响趋势[6-7]。室内试验可较好模拟研究材料在实际力学环境下，失稳破坏全过程力学特征，为混凝土等岩土材料提供重要试验依据[8-10]。本文利用室内试验手段，研究复合型混合料力学特征影响特性，为水利枢纽工程防渗墙结构设计提供参考。

2 试验概况

2.1 试验背景及试验仪器

华南地区珠江上游某支流需进行水利枢纽工程建设，拦水大坝设计总长为85.5 m，顶宽度为6.3 m，主要承担区域内水资源调度分配任务，保证地区水资源缺水率不超过国家标准。在该枢纽工程下游建设有输水渠道，并与农田灌区渠道相连接，农业生产季可供水超过70×104m3，渠首流量可达0.68 m3/s，设计有格宾石笼作为渠道防渗结构，总长度超过85 km。现该枢纽工程溢洪闸道与输水渠道连接口流场出现较不稳定状态，抽水泵站与输水干渠间流速稳定性欠佳，因而考虑对该水利工程重新设计加固防渗墙结构体系，保障水资源调度安全。工程设计部门考虑采用水泥-膨润土为原材料，辅以沥青、石子等粗细骨料，设计浇筑形成多类型混合料为主的防渗墙结构。而枢纽工程防渗墙防渗性能优劣性与混合料的力学特性息息相关，故而本文将基于此设计开展混合料三轴力学试验。

本试验利用液压试验机与静压渗透装备，分别对混合料试验的力学、渗透特性开展试验探讨。液压试验机采用程序控制加载，可根据试样类型设计应变式或力控式加载形式，保证试样加载精确控制。力传感器最大可测量至1 000 kN，变形传感器测量范围为-10～10 mm，三轴试验围压最大可达90 MPa。另可根据试验环境需要，设定不同试验温度，工作温度为-15℃～120℃，数据采集间隔为0.5 s，精度误差低于0.5%，并可实时查看试样加载过程中应力应变状态。本试验所采用的设备见图1。

2.2 试验方案

为保证防渗墙结构力学稳定与渗透特性，本文混合料试样用量中水泥量控制在120～200 kg/m3，膨润土用量在50～90 kg/m3，砂率75%，粗细骨料总量为1 500～1 600 kg/m3，在保证混合料和易性前提下，加入适量减水剂。经物理力学参数测量后，选择出两组适宜配合比，混合料减水剂添加量为6‰，水泥用量为130和140 kg/m3，膨润土用量为60和100 kg/m3，粗细骨料用量为1 300 kg/m3，用水量为300 kg/m3，各组配合比具体用量参数、物理参数测试结果及试验条件见表1，三轴力学试验以上述配合比混合料试样开展试验研究。

三轴试验步骤如下：

1) 检查三轴试验系统内各传感器测试准确性，以隔油套筒包裹混凝土试样，安装至压力舱内，在试样表面按照位移传感器，保证试样中心对准加载台垂直方向，仪器台另装好竖向传感器，调整好量程范围，清零力传感器。

2) 先施加围压，后开始按照预设速率加载，实时采集数据，峰值应力后失稳破坏，停止试验，结束采集。

3) 卸下荷载，取出试样，进行下一块试样试验。

3 混合料掺料对混合料力学特性影响

由于不同掺料配比对混合料力学特性影响颇大，因而本文将针对混合料中水泥、膨润土两个主要原料的含量影响性开展分析研究，设计获得不同配合比掺料混合料力学试验。

3.1 水泥含量

基于不同水泥掺量配合比试样开展力学试验，获得图2所示应力应变结果。

图2 水泥含量影响下混合料应力应变曲线(围压400 kPa、膨润土60 kg/m3、养护龄期14 d)

从图2(a)可看出，水泥含量与三轴偏应力为正相关，在相同应变1.5%下，水泥含量120 kg/m3偏应力为2 799.5 kPa，而水泥含量130、140和150 kg/m3偏应力相对前者分别增长10.2%、26.5%和32.7%。笔者认为，当水泥含量增多时，混合料内胶凝材料流动性大大增强，在拌合水作用下愈多的胶凝材料逐渐与混合料主骨架结构相凝固，对主骨架稳定性具有较大促进作用，使混合料试样趋于脆性特性。另一方面，水泥含量与试样应变为负相关，在相同加载偏应力均为2 300 kPa时，水泥含量150 kg/m3应变量为0.5%，而水泥含量120、130和140 kg/m3此刻偏应力对应的应变分别为0.73%、0.65%和0.57%。前文分析已知，水泥含量可使混合料试样变形由塑性为主转变为脆性，因而试样变形能力大大降低，此与水泥含量在混合料试样内对骨架稳定性的“保护”具有较大关系，骨架变形能力受之约束。

为准确分析混合料试样变形能力与水泥含量之间关系，获得三轴加载过程中试样体变变化特征，见图2(b)。从图2(b)可知，各水泥含量试样的体积应变拐点均为随水泥含量增多而递减，体积应变拐点反映了试样在三轴压缩加载过程中由压密状态转变至扩容状态的过程[11]。在水泥含量为120 kg/m3下，体积应变拐点值为1.12%；水泥含量为130、150 kg/m3，体积应变拐点分别下降至0.9%、0.42%。即低水泥含量试样进入扩容段变形较为滞后，在压密阶段具有较大变形能力；而高水泥含量试样由于水泥胶凝材料的凝固填充孔隙，导致压密阶段较短，三轴加载中较快进入扩容变形。

图3为不同水泥含量试样分别在围压400和800 kPa下峰值偏应力(三轴强度)变化特征曲线。从图3中可知，两围压下各水泥含量试样强度均与水泥含量为正相关变化。在围压400 kPa条件下，水泥含量120 kg/m3试样强度为2 799.5 kPa；而水泥含量140、150 kg/m3强度相比前者分别增长32.1%、67.4%。当围压增长至700 kPa时，水泥含量140、150 kg/m3试样的强度与前者变化幅度为58.5%、112.1%，即高围压可促进水泥含量对混合料试样强度的增长效应。

图3 水泥含量影响下峰值偏应力变化曲线(膨润土60 kg/m3、养护龄期14 d)

3.2 膨润土含量

图4为不同膨润土含量试样三轴应力应变曲线。

图4 膨润土含量影响下混合料应力应变曲线(围压400 kPa、水泥含量140 kg/m3、养护龄期14 d)

从图4中应力应变曲线变化可知，在相等应变条件下，高膨润土含量试样偏应力相对较低。在围压400 kPa、应变值均为2%时，膨润土含量0 kg/m3试样偏应力为4 423.1 kPa；含量60、100 kg/m3试样偏应力相比前者分别降低22.3%、45.7%。分析认为，当混合料内膨润土含量占比增多时，势必会加速混合料孔隙度增大，进而大大削弱混合料试样主骨架承载稳定性。而在相同应力条件下，膨润土含量试样较高者变形能力较大，在同为偏应力1 900 kPa时，含量100 kg/m3试样变形能力达0.89%，而含量60 kg/m3试样应变值仅为0.63%。体积应变拐点亦可看出，高膨润土含量试样拐点更为滞后，三轴压密阶段更长。从细观角度亦可知，膨润土含量愈多，则在三轴压缩加载过程中可变形孔隙发育愈多，试样变形能力提升，表现在三轴应变上即是应变值较大。从水利枢纽工程防渗结构应用方面来看，当混合料防渗墙材料可承受变形较大时，孔隙结构会受到冲击影响，改变防渗墙结构内部防渗体系，影响枢纽工程防渗效果。

图5为膨润土含量影响下三轴强度变化特征曲线。

图5 膨润土含量影响下峰值偏应力曲线(水泥含量140 kg/m3、养护龄期14 d)

从图5中变化可知，膨润土含量与三轴强度为负相关特征，膨润土含量0 kg/m3试样强度为4 721.2 kPa，而含量60、10 kg/m3试样强度相比前者分别降低26.7%、39.3%；而当围压增大至800kPa时，膨润土含量之间降低幅度仍然维持在26%、39%左右。从三轴压缩加载试验中可知，复合型混合料试样三轴强度受膨润土含量抑制显著，且围压增大，膨润土含量抑制混合料强度效应并不会得到太大减弱。

4 试验条件对混合料力学特性影响

前文已对混合料组成材料影响特性开展分析，而在三轴试验条件下，混合料试样力学特性亦受之不同试验环境影响较大，本文将以养护龄期以及围压特征开展分析。

4.1 三轴围压

图6为不同围压下的混合料试样应力应变曲线。

图6 不同围压下应力应变曲线(膨润土100 kg/m3、水泥130 kg/m3、养护龄期14 d)

从图6中可看出，围压可促进偏应力发展，但不同围压之间差异仅在偏应力2 900 kPa后才显著，而此时相对应的应变值为1.1%，与体积应变拐点相对应的轴向应变几乎一致，因而该复合型混合料试样受围压效应影响仅在扩容阶段显著，在压密阶段变形具有一致性。从峰值应力来看，围压100 kPa试样为2 958.5 kPa，而围压300、500和700 kPa试样峰值应力相比前者分别增长了17.3%、43.4%和60.3%。从峰值应力点对应应变来看，4个围压下的试样应变分别为0.84%、1.92%、3.36%和3.96%，即高围压下试样应变亦能得到促进作用。笔者认为，当试验围压增大，会导致试样侧向变形与裂纹扩展均得到较大约束效应，即试样脆性破坏特征会减弱，图6(a)中高围压试样峰值应力后曲线应力下降较缓即是印证，且破坏后宏观裂纹发育并不会太显著，因而围压可改变该复合型混合料的力学与破坏特征。

4.2 养护龄期

图7为不同养护龄期下混合料试样应力应变曲线。

从图7中可以看出，相同围压与配合比条件下，养护龄期愈长，则混合料试样偏应力愈大，当试样变形同为1%时，养护龄期14 d混合料试样偏应力为2 705 kPa；而养护龄期增长至28 d后，加载偏应力增大19.2%。另一方面，养护龄期愈长，试样变形能力受约束发展，围压200 kPa时养护龄期14 d的试样峰值应力点应变值为1.5%；而养护龄期为28d时的该点应变值降低至1.1%。表明养护龄期愈长，可加快水泥此类胶凝材料的凝结程度，提升混合料试样整体稳定性，且抑制混合料试样变形能力的发展。当围压增大至800 kPa时，28 d养护龄期峰值应力相比14 d下混合料试样增长17.8%；而在200 kPa围压下两者之间幅度差异为23.2%，即围压增大可减弱养护龄期对混合料试样强度影响效应。