運行期高面板壩擠壓邊墻的破碎機理試驗研究

李 陽，張 旭，賴 韓，彭兆軒，王瑞駿，李 巖，秦 睿

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048;2.新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究背景

目前世界上已建、在建和擬建的面板堆石壩約600多座，中國占50%左右。在2000年以前按經驗壩理念設計建設的多座200 m級面板壩中，運行后出現了壩體沉降量大、面板水平向結構性裂縫多、面板與墊層料間脫空、面板壓縫擠壓破壞以及滲漏量偏大等問題[1-2]。擠壓邊墻混凝土(extruded curb concrete, ECC)技術是面板壩上游坡面施工的新方法，以施工速度快、能保證墊層料的壓實質量和提高坡面防護能力以及施工簡便等特點得到快速推廣應用[3-4]。2009年，采用ECC施工技術、壩高為 233 m的水布埡混凝土面板堆石壩建成，為未來300m級特高壩的發展奠定了技術基礎[5]。

近年來，有關ECC的研究主要集中在變形監測分析和數值模擬方面，而關于ECC的試驗研究較少。萬智勇等[6]、趙新瑞等[7]對面板堆石壩中ECC的變形規律進行了監測，結果表明，位于壩頂附近的ECC呈向下游變形的趨勢，而壩體中下部的ECC有向上游變形的趨勢；ECC的水平位移和垂直位移均較小且ECC與墊層料之間緊密結合，無脫空現象。Zhang等[8]提出將“臺階狀”的ECC概化成“條帶狀”，從而簡化三維有限元模型計算，進而對比分析面板堆石壩在有無ECC時的應力-應變和最大沉降。由于ECC為低強度、低彈模、半透水性干貧混凝土，任智鋒等[9]推測面板壩在運行期間，受面板及上游水壓力等荷載作用，ECC最終會被完全壓碎成為墊層料的一部分，但這種定性推測還有待進一步試驗研究與論證。胡再強等[10]通過大壩三維有限元仿真計算與實際工程監測資料結果對比，表明施工期ECC整體沉降最大的區域發生在大壩中部最大壩高2/3處，ECC的軸向變形呈現由兩岸向中間擠壓的趨勢。程琳等[11]研究公伯峽面板開裂問題提出兩種假設，其一是ECC被完全壓碎成為墊層料的一部分，ECC宜采用非線性彈性本構模型；其二是ECC沒有完全壓碎，對面板存有約束力，此時采用線彈性本構模型。彭兆軒等[12]、張帥等[13]分別研究了順坡向荷載和法向荷載下擠壓邊墻的破碎機理，試驗結果表明擠壓邊墻在荷載作用下裂縫會首先出現于搭接部位。程金標[14]通過設計“面板-ECC-墊層料”的組合模型試件進行三軸試驗，研究順坡向荷載和法向荷載單獨作用時ECC的破碎機理以及裂縫初裂位置，結果表明ECC受到的圍壓越大則越不易被壓碎，初始裂縫出現在ECC搭接部位附近，而不是與墊層料接觸的齒狀結構處，初始裂縫方向與面板近似垂直，ECC破碎過程所受到的壓力對ECC搭接長度很敏感，搭接長度越大越不利于ECC的破碎。

不難發現，ECC破碎的試驗研究滯后于工程實際。目前主要研究的是施工期ECC技術的可行性，關于運行期ECC是否完全破碎還處于定性推測階段，目前尚無定論。本文設計了“面板-ECC-墊層料”組合模型試件，能同時模擬運行期順坡向和法向荷載共同作用下的ECC破碎及裂縫初裂位置，從而更有效地揭示運行期ECC的破壞機制，為提高數值模擬的精細度提供依據。

2 試驗材料與方法

2.1 原材料及配合比

面板和ECC分別使用42.5R和32.5R的冀東牌普通硅酸鹽水泥，細骨料為細度模數2.35的渭河河砂，粗骨料為碎石，粒徑5～20 mm，面板中減水劑和引氣劑摻量分別為膠凝材料的0.8%和0.003%，ECC中速凝劑摻量為3.5%。根據《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗規程》(DL/T 5422-2009)[15]，對ECC不設定強度保證率要求，在滿足易于成型和早期強度滿足墊層料碾壓的條件下，應盡量采用低強度。參照國內典型工程[16-17]，ECC的28 d設計強度一般為3～5 MPa。本試驗面板和ECC的配合比參數及28 d單軸抗壓強度分別見表1和2。石膏按照質量比為1∶0.25∶0.005的石膏粉、水和緩凝劑進行配制，初凝時間為8 min，終凝時間為40 min。

表1 試驗面板配合比參數及抗壓強度

2.2 試驗原理及方法

ECC位于面板和墊層料之間，與面板以平面接觸，與墊層料以齒狀接觸，整體呈“臺階狀”的布置形式，典型的ECC結構布置見圖1[18-19]。在工程運行期，面板自重及其上游水壓力等荷載會對ECC同時產生順坡向和法向荷載作用，且隨上游水位的升高而增大，ECC可能被完全壓碎成為墊層料的一部分。本試驗設計了 “面板-ECC-墊層料”組合模具，能同時模擬擠壓邊墻在運行期順坡向和法向荷載共同作用下的受力情況，如圖2所示。

圖1 典型的ECC與墊層料回填布置結構

公伯峽面板堆石壩的ECC斷面為梯形，墻高40 cm、頂寬10 cm、底度71 cm，上游坡比1∶1.4，下游坡比8∶1[16]。參照公伯峽實際工程，并結合試驗設備的實際情況，本試驗中ECC和墊層按照1∶16的相似比尺縮小。由于過小的面板厚度將對填料振搗造成一定的困難，將面板按照1∶10進行縮尺。根據公伯峽面板堆石壩面板上部、中部、底部的實際厚度，分別取面板厚度為40、50、60 mm。設定圍壓為0.5、1.0、1.5 MPa，分別模擬水下50、100、150 m處擠壓邊墻的受力情況。

表2 試驗ECC配合比參數及抗壓強度

試驗采用DTD-2000 kN大型粗粒土動靜三軸試驗儀，試件尺寸為φ150 mm×H450 mm，通過三軸試驗儀給組合模型試件施加豎直方向的主壓(σ1)和水平方向的圍壓(σ3)，將主壓和圍壓正交分解為作用于ECC的順坡向荷載和法向荷載(圖2(c))，從而模擬ECC實際受力特性。

圖2 組合模型試件及其三軸試驗示意圖

本文研究圍壓(0.5、1.0、1.5 MPa)、面板厚度(40、50、60 mm)和水膠比(1.76、1.50、1.30)對ECC破碎機理及裂縫發展規律的影響。試驗前，首先將熱縮套固定在壓力室底座上，再按順序將透水板、石膏、墊層料、ECC、面板、石膏和透水板從下往上依次安裝固定，然后放入上壓頭并用PVC膠布對熱縮套與壓力室底座及上壓頭連接部位進行加固密封處理，最后安裝傳感器。調試完成后，將壓力室運送至工作平臺開始三軸試驗。

3 結果與分析

3.1 圍壓對ECC破碎機理的影響

以面板厚度50 mm和ECC配合比C的組合模型試件為對象，不同圍壓下的ECC應力-應變曲線如圖3所示，ECC的破碎狀態與應力的關系如圖4所示。

圖3 不同圍壓下ECC的應力-應變曲線 圖4 不同圍壓下ECC的應力與破碎狀態的關系

從圖3可知，應力-應變曲線經歷3個階段：(1)初始上升段。隨著應變的增大，偏應力從0突變到1MPa左右，表明各組件“石膏-面板-ECC-墊層料”之間空隙已被壓實；(2)平緩上升段。隨著應變的逐漸增大，偏應力增長緩慢，表明該階段主要是墊層料的壓實過程，因為墊層料是松散的碎石顆粒。(3)快速上升段。材料近似表現出線彈性特性，該階段揭示了ECC裂縫發展及破碎過程；隨著應力和應變的增大，ECC表面裂縫向貫穿性裂縫擴展，裂縫數量增多，當偏應力超過ECC的極限強度時，ECC被完全壓碎成為墊層料的一部分；此后隨著應變繼續增大，偏應力繼續增大，面板開始出現裂縫，這也是試驗中沒有出現偏應力峰值以及曲線下降段的原因。

從圖4可知，ECC的破碎對圍壓較敏感，圍壓越小，ECC破碎所需的偏應力越小，說明圍壓越小ECC越容易破碎，反之，則越難破碎。原因是施加圍壓對組合模型試件有徑向約束作用，這導致ECC更難發生破碎。在相同的圍壓下，隨著偏應力的逐漸增大，ECC最終完全被壓碎。圍壓為0.5、1.0、1.5 MPa時，ECC產生初始裂縫所需的偏應力大小分別為3.72、4.67、5.54 MPa，而ECC完全被壓碎所需的偏應力大小分別為5.19、6.04、7.16 MPa，從初始裂縫產生到完全壓碎的過程，偏應力增大1.5 MPa左右。

試驗表明初始裂縫發生在ECC之間的搭接部位，原因是ECC之間搭接部位相對較薄且接觸的承壓面面積小，在相同的作用力下承受的偏應力更大，所以最先出現裂縫，這與程金標[14]的研究結果一致。隨著偏應力的增大，裂縫由初始表面裂縫向貫穿性裂縫發展，此時裂縫向ECC的中部擴展，最終ECC解體被完全壓碎成為墊層料的一部分，這在一定程度上降低了面板因與墊層料變形不協調而出現裂縫或脫空的風險。

ECC混凝土強度包絡線如圖5所示。由圖5可知，ECC混凝土內摩擦角為31°，黏聚力為1 MPa。比常規混凝土的內摩擦角和黏聚力小，原因是ECC水膠比較大且水泥用量少，導致混凝土內部顆粒之間膠結程度下降，咬合力降低，使得內部黏聚力下降。

圖5 ECC強度包絡線

3.2 面板厚度對ECC破碎機理的影響

實際工程中，大壩越高，面板設計厚度越大，理論上更有利于ECC的破碎。以ECC配合比C的組合模型試件為對象，固定圍壓為1.0 MPa，不同面板厚度的ECC應力-應變曲線如圖6所示，ECC的破碎狀態與偏應力的關系如圖7所示。

從圖6中可知，與不同圍壓的情況相似，不同面板厚度下ECC應力-應變曲線也經歷3個階段，依次為初始上升段，平緩上升段，快速上升段。不同面板厚度的ECC破碎規律基本相似，應力-應變曲線近似平行，說明面板厚度對ECC應力-應變的影響近似線性關系，面板厚度越大，ECC越容易破碎。

圖6 不同面板厚度下ECC的應力-應變曲線 圖7 不同面板厚度下ECC的應力與破碎狀態關系

從圖7可知，ECC在“初始裂縫-裂縫增多-最終破碎”3個階段所需的偏應力隨面板厚度的增大輕微減小，說明面板厚度對ECC破碎機制的影響不大，相較圍壓而言幾乎可以忽略；但從初始裂縫產生到完全壓碎的過程，偏應力增大2.0 MPa左右。

3.3 水膠比對ECC破碎機理的影響

以面板厚度50 mm的組合模型試件為對象，固定圍壓1.0 MPa，不同水膠比的ECC應力-應變曲線如圖8所示，ECC破碎狀態與偏應力的關系如圖9所示。

由圖8可知，不同水膠比的應力-應變曲線變化規律基本相似，應力-應變曲線也經歷3個階段，初始上升段和平緩上升段的應力-應變曲線幾乎重合，主要是組合模型試件內部各部分空隙是在相同圍壓下被壓實所致；快速上升段，材料近似表現出線彈性特性。

圖8 不同水膠比下ECC的應力-應變曲線 圖9 不同水膠比下ECC的偏應力與破碎狀態關系

由圖9可知，相較面板厚度，ECC的破碎對水膠比更敏感，水膠比越小，ECC破碎所需的偏應力越大，說明水膠比越小的ECC越難破碎，反之，則越容易破碎。原因是水膠比小的ECC內部含有的膠凝材料更多，顆粒表面砂漿包裹率更大，顆粒與顆粒之間的膠結程度更高，所以能承受更大的偏應力。從初始裂縫產生到完全壓碎的過程，偏應力增大1.8 MPa左右。

3.4 ECC裂縫發展規律

實際工程中ECC沿壩軸線方向分層布置，層與層之間的搭接部位可近似看作鉸接約束[20]。試驗過程中ECC裂縫發展及破碎形態見圖10，試驗結果表明，ECC的初始裂縫發生部位、裂縫發展過程以及最終破壞形態在不同圍壓、不同面板厚度和不同水膠比下的規律十分相似，ECC初始裂縫、裂縫增多以及最終破壞的發展過程如圖11所示。

圖10 試驗中ECC裂縫發展及破碎形態

圖11 ECC裂縫發展過程示意圖

圖11表明，運行期隨著上游水位的升高，ECC受到的順坡向荷載和法向荷載也增大，初始裂縫發生在ECC之間的搭接部位，裂縫方向與壩軸線近似平行，與程金標[14]的研究結果(垂直面板方向)不同，這是由于搭接部位混凝土較薄且接觸的承壓面面積小，在相同的作用力下承受的偏應力大，因此搭接部位最先斷裂。隨著荷載逐漸增大，表面裂縫逐步向ECC的中部擴展形成新的貫穿性裂縫，裂縫數目也增多，當偏應力超過ECC極限強度時，ECC混凝土完全被壓碎，最終成為墊層料的一部分。

本文提出用破碎率對ECC的破碎情況作量化分析，破碎率是指ECC斷裂部分的質量與試驗前ECC總質量的比值。經過大量重復試驗研究表明，ECC在“初始裂縫-裂縫增多-最終破碎”的發展過程中，破碎率從15%增加到50%再到100%，偏應力增加了1.5～2.0 MPa。

4 結 論

(1)ECC的破碎對水膠比和圍壓較敏感，而面板厚度對ECC的破碎貢獻作用較小，相較圍壓而言可忽略。ECC在“初始裂縫-裂縫增多-最終破碎”的發展過程中，破碎率從15%增加到50%再到100%，偏應力增加1.5～2.0 MPa。

(2)不同圍壓、面板厚度和水膠比的ECC破碎機制相似，ECC的應力-應變曲線經歷3個階段。初始裂縫發生在ECC之間的搭接部位，裂縫方向大致平行于壩軸線；隨著偏應力逐漸增大，裂縫數量增多，搭接部位最先斷裂，表面裂縫逐步向ECC的中部擴展并形成新的貫穿性裂縫，當偏應力超過ECC極限強度時，ECC混凝土完全被壓碎，最終成為墊層料的一部分。

(3)在水庫運行期，隨著上游水位的升高，ECC受到的順坡向及法向荷載增大，最終ECC被完全壓碎成為墊層料的一部分，這在一定程度上降低了面板因與墊層料變形不協調而出現裂縫或脫空的風險。