守口堡水库大坝胶凝砂砾石垫层接触面抗剪强度试验及分析

曹敬虎

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

守口堡水库大坝胶凝砂砾石垫层接触面抗剪强度试验及分析

曹敬虎

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

胶凝砂砾石坝是在面板坝和碾压混凝土重力坝基础上发展起来的一种新坝型，大同市守口堡水库大坝是国内首次在永久工程中应用胶凝砂砾石材料筑坝技术的工程实例。为满足设计技术要求，进行了坝基混凝土垫层与第一层胶凝砂砾石垫层接触面及两层胶凝砂砾石垫层接触面之间的饱和抗剪断和纯摩试验，并提出相应的抗剪强度参数。结果表明：试件龄期及其浇筑质量对抗剪强度参数影响显著，建议加强胶凝砂砾石运输、浇筑等关键环节的质量控制，防止骨料产生分离，保证大坝坝体具有可靠的抗剪强度。

胶凝砂砾石坝；垫层接触面；试件；抗剪强度参数

1 胶凝砂砾石筑坝技术在守口堡水库应用试验情况概述

胶凝砂砾石坝是在面板坝和碾压混凝土重力坝基础上发展起来的一种新坝型，最早由J.M.拉斐尔（J.M.Raphael）于1970年提出，其特点是采用胶凝砂砾石材料筑坝，使用高效率的土石方运输机械和压实机械施工。20世纪90年代，日本进一步发展了这一理念，即将胶凝材料和水加入河床砂砾石和开挖废弃料等在坝址附近容易获得的岩石基材中，然后用简易的设备进行拌合，采用堆石坝施工技术进行碾压施工，称之为胶凝砂砾石坝（Cemented Sand and Gravel Dam）。由于胶凝砂砾石坝对筑坝材料、施工工艺以及坝基要求降低，大坝施工基本实现零弃料，凸显了在适应环境、减轻石渣及工程建设对周围环境的不利影响等方面所具有的优势，已开始得到国际坝工界的重视，并实际应用。守口堡水库大坝是国内首次在永久工程中应用胶凝砂砾石材料筑坝技术的工程实例。

守口堡水库位于山西省阳高县西北部边缘的黑水河上，水库坝址选定于守口堡村北500 m黑水河河谷中。建基面岩体以含辉石斜长角闪岩为主，呈粒状变晶结构，为碎裂—次块结构，岩性较硬。坝基岩体工程地质分类为BⅢ~Ⅳ类。建基面采用C20混凝土找平后铺筑3层富浆胶凝砂砾石垫层，分层碾压。3层厚度分别是第一层厚度约为28～31 cm，第二层厚度约为37～42 cm，第三层厚度约为36～41 cm。

左坝段富浆胶凝砂砾石垫层的碾压时间：第一层为2015年7月25日，第二层为7月26日，第三层为7月27日；右坝段碾压时间第一层为2015年8月30日，第二层为9月2日，第三层为9月12日。

为满足设计要求，进行了大坝混凝土垫层与胶凝砂砾石垫层接触面及胶凝砂砾石垫层接触面之间的饱和抗剪断和纯摩试验，并提出相应的抗剪强度参数。

2 试验方案布置及试验方法

2.1 试验点的选取和制备

1）试验点位置的选取

大坝坝基完成三层富浆胶凝砂砾石垫层的铺垫碾压后，根据设计要求及现场情况，分别对三层接触面进行抗剪试验。我们把接触面从下向上按顺序依次分为：（1）层接触面为混凝土垫层与第一层胶凝砂砾石垫层之间的接触面；（2）层接触面为第一层与第二层胶凝砂砾石垫层之间接触面；（3）接触面为第二层与第三层为胶凝砂砾石垫层之间的接触面。2015年10月 16日完成第一批试验点（KJ1、KJ2、KJ3）的外业工作，于2016年4月13日完成第二批试验点（KJ4）的外业工作。试验点号及位置见表1。

2）试验点的开挖及试件制备

每组试验点包括5个试件，试件制取时，先根据试点的具体情况，对胶凝砂砾石垫层进行切取，然后人工使用簪子进行粗加工至预留的深度，再用切割机安装锯片和磨片对试点进行进一步的加工至设计要求的尺寸。试件制备见图1。在试件的制备过程中，要避免试件的扰动，每个试件的尺寸约为50 cm×50 cm×50 cm，试件间距大于试件的边长。

图1 抗剪强度试件制备示意图（右坝段）

图2 平推法抗剪强度试验装置安装示意图（左坝段）

2．2 抗剪试验方法

本次试验剪切方向为垂直坝轴线。抗剪强度试验采用平推法，试验装置由法向荷载系统、剪切荷载系统和测量系统三部分组成，试验装置安装见图2。试验的法向应力由地锚、50 t液压千斤顶及传力柱组成的法向载荷系统提供，剪切应力由垂直于剪切方向的垫层断面、30 t液压千斤顶及传力块的剪切荷载系统提供。试件法向应力及剪切应力通过已检定合格的压力表读取，试件的变形量由安装在测量支架上的测表读取。根据《水利水电工程岩石试验规程》（SL264—2001）及本次工作的设计要求，试验最大法向应力为1 200 kPa，剪切面积约为2 500 cm2，试验法向应力分五级，为 240 kPa、480 kPa、720 kPa、960 kPa、1 200 kPa，对每组试验点的五个试件分别施加不同等级的法向应力，即对第一个试件施加240 kPa的法向应力、对第二个试件施加480 kPa的法向应力、对第三个试件施加720 kPa的法向应力、对第四个试件施加960 kPa的法向应力，对第五个试件施加1 200 kPa的法向应力。按预估最大剪切荷载分10～12级施加，每级载荷施加后，立即测读剪切位移，直至试件被剪断。在剪切破坏后，先后分别将剪切载荷和法向载荷退至零。试件复位后，调整百分表，再按照以上条件进行摩擦试验。

3 试验资料整理

根据《水利水电工程岩石试验规程》（SL264—2001）要求，绘制各法向应力下的剪应力与剪切位移关系曲线，确定各级法向应力下的抗剪断峰值或摩擦试验峰值；绘制各法向应力下的剪应力与正应力关系曲线，采用图解法，依据公式（1）确定其抗剪强度参数C、φ。参见图 3。

库仑表达式为

式中：τ为剪应力，MPa；σ 为正应力，MPa；φ 为内摩擦角，（°）；C 为粘聚力，MPa。

4 试验成果及分析

本项目原位抗剪强度试验分两批完成，第一批于2015年10月16日完成了KJ1、KJ2、KJ3三组试验，垫层龄期46~80 d；第二批于2016年4月13日完成KJ4一组试验，垫层龄期221d。各垫层接触面的试验成果见表1。

表1 富浆胶凝砂砾石垫层接触面抗剪试验成果表

成果数据分析：

1）富浆胶凝砂砾石填筑龄期对各项参数的影响。比较龄期221 d和46 d~80 d试件抗剪强度指标，可以得出：211 d龄期的抗剪断凝聚力C提高49.1%，抗剪断摩擦角φ提高31.0%；纯摩擦C提高60.1%，纯摩擦φ提高25.0%。可见龄期越长，强度指标越高。

2）在抗剪强度试验过程中我们发现，KJ1-3、KJ1-4和KJ3-2试件的水平剪力较其他试件的试验值偏小。试验结束后翻开试件发现，这三个试件的剪切面都存在粗骨料集中现象，导致粗骨料间空隙较大，且胶凝砂浆充填极少，试件的有效剪切面积缩小，致使水平剪力较正常剪切面积的剪力偏小，剪力的减小幅度约40%左右。可见避免粗骨料集中，防止骨料分离，搅拌均匀是保证坝体质量的关键。

5 结语

通过我们第一次对富浆胶凝砂砾石坝填筑层进行的现场试验，其结果真实地反映了富浆胶凝砂砾石的填筑质量，为设计、施工提供了可信的富浆胶凝砂砾石坝抗剪、纯摩等强度参数。通过试验数据分析，明确了影响坝体浇筑层面质量的关键因素。建议加强大坝浇筑等关键过程的质量控制，保证坝体具备可靠的抗剪强度。实践证明，守口堡水库“富浆胶凝砂砾石”大坝设计，技术先进、经济合理。愿富胶凝砂砾石材料筑坝技术在永久工程中逐步推广应用。

Test and Analysis of Shear Strength of Contact Surface of Cemented Sand and Gravel Cushion in Shoukoubu Reservoir's Dam

CAO Jing－hu

The cemented sand and gravel dam is a new dam type developed on the basis of the face slab dam and RCC gravity dam.The Shoukoubu Reservoir's dam is an actual engineering example，in which the technique of cemented sand and gravel dam is used in the first time in the permanent project of our county.In order to meet the technical design requirements，the saturated shear and pure friction tests have conducted on the contact surface between the concrete cushion of dam foundation and the first layer cushion of cemented sand and gravel，and on the contact surface between two layer cushions of cemented sand and gravel，in addition the corresponding shear strength parameters have been put forward.The results show that the age of the specimen and its pouring quality make the significant effect on the shear stength parameters.Besides，in order to ensure the result that the dam body has a reliable shear strength，the paper suggests that the quality control in some key links such as transporting and pouring cemented sand and gravel，etc must be strengthened to prevent aggregate unmixing.

cemented sand and gravel dam ；cushion contact surface；specimen；shear strength parameters

TV541

B

2017-06-05

2017-06-12

曹敬虎（1963-），男，1985年毕业于太原工业大学，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。

1006-8139（2017）03-077-03