紅層砂巖膠結顆粒料壩特性的試驗研究

楊 小 奇， 彭 明 亮， 胡 人 炭

(四川省水利水電勘測設計研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

膠凝砂礫石壩是一種兼具土石壩與混凝土壩優點的新壩型[1]，采用不受傳統級配限制要求的天然砂礫石或人工砂石，用較少的水泥、粉煤灰等膠凝材料，通過拌和、攤鋪、振動等施工工藝進行筑壩，形成具有一定強度特性、抗沖刷和抵御洪水漫頂能力的壩體。不受傳統級配限制的骨料優勢，拓寬了骨料選取的適宜范圍，可直接選取壩址河床開挖的砂卵石料、樞紐建筑物開挖的砂礫石料、石渣料等，不僅節約了材料的造價成本，而且減輕了水利工程建設對周圍環境的破壞程度，符合“經濟、低碳、綠色、環保”等建設特點[2-4]。膠凝砂礫石壩概念自被提出以后，已成功應用于多個水利水電建設工程中[5]，比較典型的工程如：山西守口堡水庫大壩，壩高61.4 m[6]，功果橋水電站上游圍堰，高56 m[7]。

四川省是水利建設大省，90%以上水庫的壩型為土石壩，引入新壩型替代傳統壩型具有深遠的價值意義，特別是推出具有四川省當地建筑材料的特色的膠結新壩型，能推動四川省水利水電行業的發展。四川省位于中國西南地區，是紅層分布極為廣泛的省份之一，其巖性以泥巖、砂巖、砂質泥巖、泥質砂巖等為主，大多具有軟巖特征。國內外已建成的砂礫石壩，多采用河床砂卵石、壩基開挖料或簡易篩分的人工骨料作為砂礫石的主要構成集料，然而，以砂巖為主要構成料的膠結壩工程尚未見到應用案例。因此，本文依托《四川省紅層地區金雞溝水庫膠凝砂礫石壩現場變形剪切試驗》項目，結合四川地區軟巖分布廣的特點，開展基于砂巖膠結壩特性的試驗研究，為在四川紅層砂巖地區推廣應用膠結新壩型提供借鑒和參考。

1 砂巖膠結壩的原材料

砂巖膠結壩的原材料主要包括水泥、摻合料、外加劑、粗細骨料、砂巖等。水泥品種為達州海螺水泥有限公司生產的P.O42.5水泥，摻合料品種為渠縣長遠粉煤灰綜合利用有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰，外加劑品種為北京新慧水利建筑工程有限公司生產的膠結砂礫石專用外加劑，粗細骨料為蓬安馬回料場所生產，砂巖選自庫區砂巖料場。

2 膠結砂巖配合比及材料性能

為研究砂巖摻配比例對膠結體的影響特性，開展了砂巖摻量分別為50%，60%，70%的膠結砂礫石材料性能試驗。測試性能指標包括抗壓強度、劈拉強度、抗剪強度、彈性模量、極限拉伸值、抗滲性和抗凍性等。

2.1 膠結砂巖配合比

根據已選定的混合骨料配制砂巖膠結砂礫石料，砂巖膠結砂礫石配合比見表1。

表1 砂巖膠結砂礫石配合比

備注：1.骨料最大粒徑為150 mm，全部為一次破碎骨料；2.表中材料用量單位為kg/m3，骨料為飽和面干狀態

2.2 材料性能

按不同摻配比例砂巖骨料的配合比，制備了砂巖與卵石混合骨料的膠結濕篩試件，試件尺寸見表2，開展了相關材料性能試驗，分析不同摻配比例砂巖骨料的膠結體材料性能，結果見表3。

表2 膠結砂礫石配合比表( 砂巖摻量 ：50% 、60% 、70% )

通過試驗結果可知：

(1)三種不同摻量試件的抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度、極限拉伸值等均隨齡期的增加而逐漸增大；抗壓彈性模量、抗拉彈性模量隨齡期增加表現出一定的波動性，變化規律不明顯；

(2)三種砂巖摻量對膠結軟巖抗剪斷強度的影響不突出，但是對抗剪強度有一定的影響。180 d 齡期膠結軟巖，抗剪摩擦系數隨砂巖摻量增加而增大，其中砂巖摻量 70%時摩擦系數最大，摻量 50%、60%時摩擦系數相差不大。

(3)三種不同摻量膠結砂礫石的抗滲性隨著齡期的增加而增大，其中70%摻量膠結砂礫石變化不太明顯；70%摻量膠結砂礫石抗滲性最好，50%、60%次之， 180 d 齡期膠結砂礫石抗滲等級能夠達到 W4 等級，滿足設計要求。

綜上所述，砂巖骨料摻量為50%、60%和70%時，均可以配制滿足設計強度要求的膠結砂礫石，摻配比例50%與60%砂巖的膠結砂礫石，已成功應用于四川金雞溝膠結壩工程，且兩種膠結砂礫石均滿足強度設計指標。

表3 不同砂巖骨料摻配比例的膠結砂礫石材料性能

3 試驗壩體特性

為研究砂巖摻配比例對膠結壩體的影響特性，對砂巖摻量比例分別為50%，60%，70%膠結試驗壩體和砂巖摻量為50%的膠結堆石試驗壩體(采用摻量50%的材料配合比)進行分析。

3.1 試驗壩體施工工藝

試驗壩體施工工藝為拌和，入倉，平倉攤鋪，碾壓，養護等。采用JLB-200專用拌和設備拌和，將拌和好的料入倉，平倉。采用大型自行式振動碾進行碾壓，碾壓參數為：柳工620型20 t單鋼輪振動碾、壓實厚度50 cm、靜碾2遍、振碾8遍；層間處理采用M15砂漿作為墊層，厚10～15 mm，當下層膠結砂礫石已終凝，應用高壓水沖毛處理后施工墊層。壩體的養護可采用噴水霧設施保持倉面濕潤，確保膠結砂礫石的工作性不損失。

3.2 試驗壩體密度分析

砂巖骨料摻配50%、60%、70%和膠結堆石試驗壩段各布置2組密度試驗，采用灌水法，其試驗成果見表4。

表4 試驗壩體密度試驗成果表

由試驗成果可知，砂巖骨料摻配50%試驗壩體干密度達2.16 g/cm3，砂巖骨料60%摻配試驗壩體干密度為2.09 g/cm3，砂巖骨料70%摻配試驗壩體干密度為2.14 g/cm3。砂巖膠結壩體整體干密度值雖較高，但其隨著砂巖骨料摻量增加，干密度減小，均勻性變差。

3.3 試驗壩體密實充填及膠結程度分析

通過地質雷達檢測與壩體開槽方法，對不同砂巖骨料摻配比例以及砂巖摻量50%的膠結堆石壩體的密實充填程度和膠結程度進行了分析，見圖1～5。

圖1 砂巖摻量50%

圖2 砂巖摻量60%

圖3 砂巖摻量70%

圖4 砂巖摻量50%膠結堆石

圖5 地質雷達掃描圖(部分)

結果表明：砂巖骨料摻配50%的試驗壩體，粗細骨料分布較均勻，嵌合程度較高，膠凝材料包裹較好。錘擊膠結體聲音較清脆，整體較密實；于膠結壩體中、下部位，或層面結合處，有粗骨料集中現象，最大砂巖骨料粒徑為70 mm，最大卵石粒徑為30 mm，粗粒徑骨料呈半裸露狀，被膠凝材料包裹率較低，錘擊易散，膠結程度較差。

砂巖骨料摻配60%的試驗壩體，粗細骨料分布有明顯分界情況，以靠近表層15 cm處為界，上界膠結體粗細骨料分布較均勻，嵌合程度較高，膠凝材料包裹較好，錘擊不易散，有一定的膠結強度，具有較好密實度。下界膠結體粗骨料分布較集中，最大砂巖骨料粒徑為80 mm，最大卵石粒徑為40 mm，砂巖骨料與卵石骨料呈分離狀，局部存在架空，嵌合程度低，被膠凝材料包裹少或無。骨料較易從膠結體剝離，膠結強度較低。且層面結合處局部膠結體呈散粒狀，手捻易散，結合程度低，密實程度低。

砂巖骨料摻配70%的試驗壩體，整體呈上密實下疏松狀，膠結體表層至以下30 cm處，粗細骨料分布較均勻，碾壓較密實。錘擊膠結體，聲音較清脆，見砂巖骨料破碎，具有一定的強度。膠結體下部粗骨料分布較集中，最大砂巖骨料粒徑為100 mm，最大卵石粒徑為40 mm，存在架空，骨料被膠凝材料包裹率較低，開槽至此段挖掘較易，用手可取出骨料，密實程度低，膠結程度較低。

砂巖骨料摻配50%的膠結堆石壩，粗細骨料分布較均勻，嵌合程度較高，膠凝材料包裹較好，錘擊膠結體聲音較清脆。破壞性錘擊后，破壞面大多沿骨料膠結處破壞，可見砂巖骨料破裂，說明該壩體具有一定的膠結強度，整體較密實。在膠結材料與堆石結合處，膠結材料呈散粒狀，與粗骨料結合差，易架空形成空洞。

綜上可得：砂巖作為膠結體的主要骨料，經碾壓后會被二次破碎，能較好的與砂卵石骨料嵌合，在膠凝材料的膠結作用下，與砂卵石混合形成具有一定強度的膠結體。膠結體隨著砂巖骨料摻配比例的增加，粗粒徑骨料集中現象越明顯，骨料嵌合程度越低，膠結程度越差，密實程度也就相對較低。相對于上部膠結體，中下部膠結體受到的壓實能量、骨料二次破碎程度以及經振動壓實后重排列嵌合的程度均相對較低，導致砂巖膠結壩體總體呈上部密實下部相對疏松特征。經上述對比可知，50%砂巖骨料摻配比例的膠結壩體相對較密實，為最優摻配比例。

開槽工作發現，膠結壩體中存在架空、空洞，膠結差的部位，大多由于粗骨料集中、膠凝材料相對較少。說明砂巖與砂卵石混合骨料混合分布越均勻，膠凝材料包裹率越高，膠結壩體密實度越高。

砂巖骨料摻配50%的堆石壩相較于砂巖骨料摻配50%的膠結壩的特點具有相似性，但對于堆石壩的層面結合處，膠結材料呈散粒狀，與粗骨料結合差，易架空形成空洞。

4 結 語

本文依托《四川省紅層地區金雞溝水庫膠凝砂礫石壩現場變形剪切試驗》項目，結合四川地區軟巖分布廣的特點，對不同砂巖摻配比例的膠結壩特性進行了試驗研究，得知：砂巖膠結壩體能滿足中低壩的抗壓、抗剪強度和抗滲強度等指標，相對水灰比和水泥的用量，砂巖摻配比例不同對膠結壩體的材料性能影響不顯著；砂巖膠結壩體整體干密度值較高，隨著砂巖骨料摻量增加，干密度減小，均勻性變差；砂巖膠結壩整體密實度較高，呈上部密實下部相對疏松特征，隨著砂巖骨料摻配比例的增加，粗粒徑骨料集中現象越明顯，骨料嵌合程度越低，膠結程度越差，密實程度也就變得相對較低，50%砂巖骨料摻配比例為最優比例；

砂巖與砂卵石混合骨料混合分布越均勻，膠凝材料包裹率越高，膠結壩體密實度越高。

本文基于軟巖砂巖骨料開展相關性研究，可為在四川紅層砂巖地區推廣應用膠結新壩型提供借鑒和參考。今后的研究可將泥巖、頁巖、板巖砂質泥巖、泥質砂巖等作為骨料應用于膠結新壩型中，能極大豐富建壩可使用材料，突顯 “宜材適構”和“宜構適材”的設計理念。