守口堡水庫膠凝砂礫石筑壩材料強度試驗研究

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

膠凝砂礫石壩是在碾壓混凝土壩和面板堆石壩的基礎上發展而來的一種新壩型。它的施工方法與碾壓混凝土壩相似，其特點是將少量膠凝材料和水摻入天然砂礫石材料中，采用經拌合設備拌和而成的一種低強度的材料來筑壩。膠凝砂礫石壩具備面板壩和碾壓混凝土壩兩者的優點，除此之外還具有縮小壩體斷面、簡化施工、縮短工期、減少費用等特點。由于膠凝砂礫石壩安全性高，抗震性強，對施工工藝及地基條件要求低，而且可就地取材，造價低廉，基本實現零棄料，對環境的負面影響小，在國際壩工界已經得到了普遍的重視[1]。目前，中國膠凝砂礫石壩的應用僅為圍堰工程等一些臨時工程的試驗性應用，在永久性工程中沒有應用先例[2]。山西省守口堡水庫樞紐工程是中國第一座將膠凝砂礫石壩運用在永久工程中的水利工程，目前大壩尚在建設中，對其進行筑壩材料強度試驗研究對于膠凝砂礫石壩的推廣應用意義重大。

1 工程概況

守口堡水庫位于山西省大同市陽高縣，壩址位于黑水河上游段，壩控面積291km2，是一座小(1)型水庫，水庫總庫容為980萬m3，主要用于工業供水、農業灌溉及防洪等。大壩的主體為膠凝砂礫石，采用150mm×150mm×150mm的立方體試件180天齡期的極限抗壓強度，設計強度為C6。基礎墊層、靠近岸坡部位、廊道和底孔等建筑物常態混凝土周圍為富漿膠凝砂礫石，采用150mm×150mm×150mm的立方體試件90天齡期的極限抗壓強度，設計強度為C15。

2 試驗方案

針對膠凝砂礫石筑壩材料的特性，分為室內試驗和現場試驗兩部分。室內試驗為在室內成型150mm×150mm×150mm的膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石小試件，對其進行抗壓強度的檢測，得到小試件的抗壓強度。現場試驗為在守口堡水庫膠凝砂礫石壩施工現場模擬壩體施工工藝制取350mm×350mm×350mm的膠凝砂礫石大試件和450mm×450mm×450mm的富漿膠凝砂礫石大試件，通過對制取的大試件進行試驗研究，得到膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石原型的抗壓強度。對大試件進行劈裂試驗，得到其劈裂抗拉強度。膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石的配合比均采取守口堡水庫工程擬定的配合比，見表1。

表1 守口堡水庫膠凝砂礫石配合比 單位：kg

3 試驗原材料檢測

3.1 水泥

試驗用的水泥普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，水泥的物理力學性能經檢測符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求。

3.2 粉煤灰

試驗用的粉煤灰為Ⅲ級灰，經檢測符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)的要求。

3.3 砂礫石料

試驗用的砂礫石料為守口堡水庫砂礫石料場挖取的篩除150mm以上的大石塊后的砂礫石，對其進行篩分，可得砂礫石料的顆粒級配。由于直接從砂礫石料場挖取的砂礫石中5～40mm的石料偏少，小于5mm的砂料偏多，而較高的砂率可能會影響膠凝砂礫石材料的強度，所以在使用前對砂礫石料的級配進行了優化，即添加25%的5～40mm的碎石，優化后砂礫石的顆粒級配見表2。富漿膠凝砂礫石試件添加的石子為當地5～100mm的碎石，經檢測，外摻石子的物理化學性能符合標準要求。

表2 添加25%石子后砂礫石料顆粒級配試驗結果

4 結果分析

4.1 小試件抗壓強度試驗結果

膠凝砂礫石(SJ)和富漿膠凝砂礫石(SFJ)小試件的成型試驗在水工試驗室中進行，由于試件膠凝材料用量較少，砂礫石料的粒徑組成較復雜，所以要控制其成型過程。成型過程在振動臺上完成，將膠凝砂礫石拌合物一次裝入模具，裝料時應用抹刀沿試模內壁略加插搗，使拌合物高出試模上口，振動應持續到膠凝砂礫石表面出漿為止。試件成型后進行標準養護，到達齡期后進行抗壓強度檢測。

膠凝砂礫石進行了三個不同砂率配合比的抗壓強度試驗，從表3可以看出，三個砂率膠凝砂礫石小試件的抗壓強度均符合設計要求，其中，砂率含量為29%的小試件的抗壓強度最大，為11.2MPa；砂率含量為34%的小試件抗壓強度次之，為9.6MPa；砂率含量為39%的小試件抗壓強度最小，為9.1MPa；表明砂率的大小會直接影響膠凝砂礫石的抗壓強度。因此在進行施工時要對砂礫石料的級配進行優化以控制其砂率。富漿膠凝砂礫石進行了90天抗壓強度的試驗，試驗分為三個砂率配合比進行，分別進行了不摻加石子和摻加15%石子的試驗，從表4中可以看出，三個砂率膠凝砂礫石試件的抗壓強度均符合設計要求，其中摻加石子和不摻加石子的試件抗壓強度差別不大，表明外摻石子對富漿膠凝砂礫石的抗壓強度影響不大，不摻加石子的富漿膠凝砂礫石試件可以滿足設計要求。

表3 守口堡膠凝砂礫石小試件抗壓強度

表4 守口堡富漿膠凝砂礫石小試件抗壓強度

4.2 大試件抗壓強度試驗結果

膠凝砂礫石(SJL)和富漿膠凝砂礫石(SFJL)大試件的成型試驗在守口堡水庫壩址上游河床的膠凝砂礫石壩施工現場進行，試驗采用的施工工藝皆與大壩相同，具體試驗方案如下：在試驗地修建模擬試驗壩，壩體規格為11m×90m，膠凝砂礫石采用專用拌合設備進行拌制(與大壩拌合設備相同)，由自卸汽車直接運輸至模擬試驗壩，用推土機平料，鋪料厚度每層350～450mm，鋪2層，采用26 t碾壓機碾壓，靜壓壓2遍，有振碾壓4～8遍，用手扶式振動碾對碾壓機無法碾壓的邊角部位進行碾壓，碾壓分兩層進行；層間面鋪設一層厚度為15mm的1∶3的水泥砂漿。碾壓完畢后，放置180天后切割制取350mm×350mm×350mm和450mm×450mm×450mm立方體試件進行力學性能檢測，檢測設備為WAW-5000kN萬能試驗機，試驗規程參照《水工混凝土試驗規程》(SL352-2006)。大試件分為膠凝砂礫石大試件和富漿膠凝砂礫石大試件兩組，每組設置兩個齡期進行抗壓強度試驗，由于現場切割的大試件并不規整，所以對其面積進行了實際測量，試驗結果見表5。由表5可知，膠凝砂礫石大試件和富漿膠凝砂礫石大試件的強度均滿足設計要求。

表5 守口堡膠凝砂礫石大試件抗壓強度

4.3 大試件抗拉強度試驗結果

為了進一步研究膠凝砂礫石大試件的強度以及大試件被破壞后內部結構的變化情況，采用劈裂破壞的方法對大試件的抗拉強度進行檢測(由于大壩主體材料為膠凝砂礫石，故沒有進行富漿膠凝砂礫石大試件的劈裂試驗)，即在壓力機上下壓板與試件之間墊以墊條，墊條方向應與試件的頂面垂直，這樣使試件上下受到的荷載為條形荷載，造成試件沿立方體中心切面的劈裂破壞，得到大試件的劈裂抗拉強度，見表6。由表6可以看出，膠凝砂礫石大試件的劈裂抗拉強度符合規范要求，強度可以滿足設計要求。

表6 守口堡膠凝砂礫石大試件劈裂抗拉強度

5 結 語

通過守口堡水庫膠凝砂礫石筑壩材料的室內試驗和現場試驗可以看出，按照工程擬定的配合比，膠凝砂礫石和富漿膠凝砂礫石大小試件的抗壓強度均能滿足設計要求，但在拌和過程中要注意對砂率的控制。添加石子和不添加石子對富漿膠凝砂礫石試件的抗壓強度影響不大，因此施工過程中可以不外摻石子，充分發揮膠凝砂礫石因地取材的優點。對膠凝砂礫石大試件進行劈裂試驗的結果表明膠凝砂礫石大試件的強度完全滿足設計要求。試驗表明，膠凝砂礫石筑壩材料的強度可以達到大壩的施工要求，經過嚴謹的施工控制，其可以在具備膠凝砂礫石大壩施工條件的地區推廣應用。

由于膠凝砂礫石試驗周期較長、檢測條件有限，目前的試驗僅進行了抗壓強度和劈裂抗拉強度的試驗，對其耐久性方面的研究還有待進一步開展。