沙牌水電站高拱壩碾壓混凝土芯樣長齡期性能試驗研究

李光偉 ， 詹侯全， 劉宇欣， 王海波

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.中國水利水電科學院， 北京 100038)

沙牌水電站高拱壩碾壓混凝土芯樣長齡期性能試驗研究

李光偉1， 詹侯全1， 劉宇欣1， 王海波2

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.中國水利水電科學院， 北京 100038)

對沙牌水電站拱壩高摻50%粉煤灰碾壓混凝土芯樣進行的長齡期性能試驗研究結果表明：拱壩碾壓混凝土的力學性能以及耐久性能仍在持續發展。與設計齡期的碾壓混凝土相比，12年齡期的芯樣抗壓強度增加了58%，抗拉強度提高了7.4%，未出現拱壩碾壓混凝土強度倒縮現象。其10年齡期的彈性模量提高了14.7%，極限拉伸值提高了22.2%，與國內其他工程碾壓混凝土芯樣的性能指標相比，沙牌水電站拱壩碾壓混凝土具有彈性模量較低、極限拉伸值較高的特性。

沙牌水電站； 拱壩； 碾壓混凝土； 芯樣； 長齡期

0 前 言

碾壓混凝土筑壩是20世紀80年代興起的施工新技術，以其施工速度快、工期短、投資省、質量安全可靠、機械化程度高、施工簡單、適應性強等優勢，特別是建壩周期比同類的常態混凝土壩可以縮短工期三分之一以上，從而備受世界壩工界的青睞[1]。但由于碾壓混凝土的粉煤灰摻量較高，其長齡期的性能也是工程界十分關注的問題。

沙牌水電站位于四川省阿壩州汶川縣境內, 是岷江支流草坡河上游的龍頭電站。該電站由碾壓混凝土拱壩、泄洪閘、引水系統和地面廠房組成。拱壩高132 m , 是我國上世紀末建設的世界最高碾壓混凝土拱壩, 壩型為三心圓單曲拱壩 , 底寬28 m ,頂寬9.5 m, 碾壓混凝土設計方量為36.5萬m3。電站分兩期建設: 一期工程采用引水式開發，于1995年11月開始施工,1997年5月發電; 二期工程為高拱壩建設,于1997年6月開工建設, 2003年6月全面竣工。拱壩壩體主要采用三級配碾壓混凝土，因壩體防滲的需要，在壩體上游部位采用二級配碾壓混凝土，壩體碾壓混凝土的設計強度等級均為90 d齡期的20 MPa[2]。

為了監測和研究沙牌水電站拱壩碾壓混凝土長齡期性能及耐久特性，確保拱壩的安全運行，于2011年1月對沙牌水電站拱壩三級配碾壓混凝土取芯進行長齡期性能試驗研究。

1 拱壩混凝土原材料及配合比

沙牌水電站拱壩混凝土采用四川阿壩州白花水泥廠生產的中熱水泥，該水泥采用高鐵和低鋁配方，具有低脆性、高抗裂性的特點。粉煤灰為宜賓黃桷樁電廠及成都關口電廠的Ⅱ級粉煤灰。骨料采用距離壩址3 km處的長河壩料場的花崗巖加工的人工骨料。該巖石受擠壓動力作用產生變形，有局部碎裂或隱裂隙，裂縫被次生石英和綠泥石充填，屬花崗巖變晶結構，礦物較為完整。其濕抗壓強度為129～152 MPa，彈性模量為40.9～44.7 GPa，具有高強低彈的特性。

沙牌水電站拱壩碾壓混凝土施工過程中，除溫度較低時采用冬季施工配合比適當增加膠凝材料用量外，主要采用如表1所示配合比，其中粉煤灰摻量為50%，碾壓混凝土的出機VC值控制在10 s左右,機口碾壓混凝土的含氣量控制在2.5%～3.5%[3]。

表1 拱壩碾壓混凝土主要配合比

2 拱壩混凝土芯樣性能試驗研究

鉆孔取芯是碾壓混凝土質量檢查的綜合方法之一，長芯樣的鉆取能完全揭示碾壓混凝土原狀，真實地反映碾壓混凝土的質量情況。為了研究沙牌水電站拱壩碾壓混凝土長齡期性能及耐久特性，對沙牌水電站拱壩不同高程、不同時段澆筑的三級配碾壓混凝土取芯進行芯樣性能試驗研究。取芯工作累計造孔深度為150.23 m，芯樣直徑為20 cm，合計取芯長度為134.57 m。

2.1 拱壩混凝土芯樣物理性能

在所加工的238塊芯樣試件中，表面光滑的占80%以上，基本光滑的占15%以上；表面致密的占90%左右，表面稍有孔的占5%以上；骨料分布均勻占75%以上，骨料分布基本均勻的占20%以上。表明沙牌水電站拱壩碾壓混凝土芯樣的表面光滑程度、表面致密程度、骨料分布的均勻性均較好，且層間接觸面結合良好。

按照《水工混凝土試驗規程》(SL352-2006)[4]中“碾壓混凝土表觀密度測定”的規定，對拱壩碾壓混凝土芯樣的表觀密度進行了測定，芯樣的表觀密度為2 450～2 509 kg/m3，平均值為2 478 kg/m3，滿足設計要求，表明拱壩碾壓混凝土的壓實質量較好。

2.2 拱壩混凝土芯樣強度性能

芯樣的抗壓強度和劈拉強度依據《水工混凝土試驗規程》(SL352-2006)中規定的試驗方法進行，采用1 ∶1高徑比的試件，試件直徑和高度均為20 cm。不同時段澆筑的碾壓混凝土芯樣強度性能(已折算成標準試件強度)見表2，不同齡期拱壩碾壓混凝土強度性能見圖1。

表2 拱壩碾壓混凝土芯樣強度性能

圖1 拱壩碾壓混凝土的強度性能

由圖1可以看出：與90 d設計齡期的強度相比，拱壩碾壓混凝土9年、10年、12年各齡期的抗壓強度分別增長了28%、47%和58%，各齡期的抗拉強度增長了5.1%～7.4%。表明沙牌水電站拱壩高摻50%粉煤灰的碾壓混凝土的強度是隨著齡期的增加而增長，未出現混凝土強度“倒縮”的現象。

2.3 拱壩混凝土芯樣變形性能

芯樣的彈性模量及極限拉伸試驗均依據《水工混凝土試驗規程》(SL352-2006)中規定的試驗方法進行，采用2 ∶1高徑比的試件，試件直徑為20 cm，高度為40 cm。其中極限拉伸試件兩端采用粘接方式與試驗機加載裝置相連接，芯樣彈性模量及極限拉伸試驗的裝置及試件的測量見圖2。

圖2 拱壩碾壓混凝土芯樣變形性能試驗

不同時段澆筑的碾壓混凝土芯樣彈性模量及極限拉伸試驗結果見表3，其中芯樣的極限拉伸值按照濕篩碾壓混凝土與全級配碾壓混凝土極限拉伸的比值進行了換算[5]，不同齡期拱壩碾壓混凝土變形性能見圖3。

表3 拱壩碾壓混凝土芯樣變形性能

圖3 拱壩碾壓混凝土的變形性能

由試驗結果可以看出：隨著齡期的增長，拱壩碾壓混凝土的彈性模量與極限拉伸值都有所提高。其9年和10年齡期的彈性模量較90 d設計齡期的彈性模量分別提高了4.9%和14.7%，9年和10年齡期的極限拉伸值較90 d設計齡期的極限拉伸值分別提高了4.6%和22.2%。與國內其他工程碾壓混凝土芯樣的性能指標相比[1]，沙牌水電站拱壩10年齡期芯樣具有彈性模量較低，極限拉伸值較高的特點，這是由于當地花崗巖具有的特性所致。

2.4 拱壩混凝土芯樣耐久性能

將芯樣經二次加工為直徑150 mm，高150 mm的圓柱體，然后將試件放入混凝土抗滲試模中，周圍澆筑高標號砂漿，試件與砂漿接觸的縫隙用環氧砂漿膠結，標準養護至28 d齡期，依據《水工混凝土試驗規程》(SL352-2006)中規定的試驗方法進行抗滲性能試驗。芯樣的抗滲試驗結果見表4。

由試驗結果可以看出：拱壩碾壓混凝土9年、10年和12年芯樣的抗滲等級均大于W12，與90 d設計齡期W8的設計要求相比，拱壩碾壓混凝土的抗滲能力有所提高。

表4 拱壩碾壓混凝土芯樣抗滲性能

2.5 拱壩混凝土芯樣動態性能

混凝土材料具有率敏感性，其力學特性與加載速率相關，混凝土結構在動載荷作用下其動態強度、動態彈性模量以及動態極限拉伸等物理參數均與靜態力學參數有較大差異。沙牌水電站地處汶川地震中心區域，研究沙牌水電站拱壩碾壓混凝土的動態性能對評估汶川地震對沙牌水電站拱壩的影響，揭示沙牌水電站拱壩真實抗震性能十分必要。

分別選擇0.2×10-3/s、1.2×10-3/s、5.0×10-3/s和10.0×10-3/s等四種應變速率，采用中國水利水電科學研究院的15 MN動、靜態材料試驗機，開展拱壩碾壓混凝土芯樣的動態性能試驗。試驗結果表明：動態荷載作用下拱壩碾壓混凝土芯樣的抗壓強度和劈拉強度均隨應變率有明顯增加的趨勢，較靜態對應的強度均有所提高，其中抗壓強度增加25%～60%，劈拉強度增加32.0%～52.0%。動態荷載作用下拱壩碾壓混凝土芯樣的彈性模量較靜態對應的值變化不大。動態荷載作用下拱壩碾壓混凝土芯樣的極限拉伸值隨應變率有明顯增加的趨勢，較靜態對應的值增加3%～22%。

3 分析與討論

摻入碾壓混凝土中的粉煤灰在早期發揮形態效應和微集料效應，在混凝土凝結硬化的中后期，粉煤灰中的活性氧化物與水泥的水化產物發生“二次水化反應”，生成穩定的水化產物。通過XRD和SEM法的微觀分析證明[6]:碾壓混凝土中的水化反應主要水化產物為水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣、水化碳鋁酸鈣以及少量的氫氧化鈣，與常態混凝土基本一致，主要水化產物是穩定的，混凝土內部結構是致密的。

試驗研究表明[7-8]：碾壓混凝土中的膠凝材料經過6年和9年齡期后，仍然具有一定的殘余水化能力。高摻70%粉煤灰的10年碾壓混凝土芯樣中仍存在有少量的氫氧化鈣，碾壓混凝土中的粉煤灰“二次水化反應”仍在繼續。對8年齡期碾壓混凝土芯樣微觀分析結果顯示(見圖4)[7]，芯樣中的主要水化產物與短齡期的碾壓混凝土主要水化產物品種和形貌并無明顯的不同，原狀粉煤灰已很少發現，說明粉煤灰的水化反應已經比較充分，未水化的粉煤灰已被水化產物所包裹和覆蓋，以微集料的形式存在與水化產物粘結成整體，形成均勻密實的結構。

圖4 8年齡期碾壓混凝土芯樣微觀結構

混凝土的性能與其水化產物的穩定性和混凝土的孔隙構造直接相關，高摻粉煤灰碾壓混凝土的水化產物穩定，混凝土的孔結構致密，因此碾壓混凝土的性能在一定的年限內，會隨著齡期的延長而增長。

4 結 語

為降低拱壩大體積混凝土的溫升，提高拱壩混凝土的抗裂能力，沙牌水電站拱壩碾壓混凝土采用高摻50%粉煤灰的工程措施。對沙牌水電站拱壩高摻50%粉煤灰碾壓混凝土芯樣進行的長齡期性能試驗研究結果表明：拱壩碾壓混凝土的力學性能以及耐久性能仍在持續發展，與設計齡期的碾壓混凝土相比，12年齡期的芯樣抗壓強度增加了58%，抗拉強度提高了7.4%，拱壩碾壓混凝土未出現強度倒縮現象。其10年齡期的彈性模量提高了14.7%，極限拉伸值提高了22.2%，與國內其他工程碾壓混凝土芯樣的性能指標相比，沙牌水電站拱壩碾壓混凝土具有彈性模量較低、極限拉伸值較高的特性。

[1] 田育功. 碾壓混凝土快速筑壩技術[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2] 陳秋華.沙牌碾壓混凝土拱壩的技術創新及成就 [J].水電站設計，2006(2):13-17.

[3] 楊柳，李重周，劉更軍. 沙牌拱壩高抗裂碾壓混凝土材料的優選研究與應用[J]. 四川水力發電, 2003(1): 38-42.

[4] SL352-2006. 水工混凝土試驗規程[S].北京：中國水利水電出版社，2016.

[5] 楊成球.全級配碾壓混凝土性能研究[C]//國際碾壓混凝土壩學術討論會論文集，1991：138-143．

[6] 周守賢，鄺亞力，肖振舜.高混合材碾壓混凝土研究[C]//國際碾壓混凝土壩學術討論會論文集，1991：149-155．

[7] 方坤河，阮燕，曾力．少水泥高摻粉煤灰碾壓混凝土長齡期性能研究[J]．水力發電學報，1999(4):18-25．

[8] 黃錦添，藍文堅，何玉珍. 巖灘水電站大壩及圍堰高摻粉煤灰碾壓混凝土長齡期性能試驗與研究[C]//中國碾壓混凝土壩20年.北京：中國水利水電出版社，2006.

2017- 03- 29

李光偉(1962-)，男，湖北武漢人，教授級高級工程師，從事水工混凝土原材料及混凝土性能試驗研究。

TV642；TV431

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1003-9805(2017)04-0070-04