Corumana水库堆筑坝胶砾料配合比参数对力学特征影响分析研究

邹建平

(江西省水利水电建设集团有限公司，江西 南昌 330209)

1 概 述

水利工程中水利材料物理力学稳定性是结构安全的重要前提，对水利工程材料进行力学特性研究对推动水工设计水平具有重要意义[1-3]。陈玲[4]、钱军刚[5]、崔博等[6]为研究水利材料力学特性，根据混凝土、土体等材料颗粒结构特点，利用颗粒流仿真手段，建立离散元计算模型，计算不同影响因素、不同试验环境下混凝土等水利材料力学特征变化，推动水利材料力学基础研究水平。也有一些学者根据水工结构模型试验理论，设计有原型尺寸的结构试验，研究不同结构的相似材料失稳破坏过程，探讨水利材料力学水平在水工设施中重要性[7-9]。不论是数值仿真计算还是水工结构模型试验，其精度相比室内力学试验结果均较低，借助精密室内力学试验设备，设计开展单、三轴或渗透试验[10-12]，进行不同因素的力学试验设计分析，推动水工材料力学影响性认识水平，丰富水利工程基础力学研究成果。本文根据莫桑比克Corumana水库堆筑坝胶砾料特点，设计开展不同配合比参数影响下的力学稳定性分析，为工程设计、施工提供重要试验参数。

2 试验概况

2.1 试验背景

Corumana水库是莫桑比克马普托省重要水利调度枢纽工程，为区域生活供水、农田灌溉及水力发电等有着重要作用，乃是区域内不可或缺的水利设施。该水利枢纽工程包括Corumana心墙堆石坝、泄洪水闸、溢洪道以及其他附属水利设施等(卫星平面图见图1)。水库建成后年供水量可达1.5亿m3，与下游农田输水灌渠相连通，可实现日供水量70万m3，输水灌渠全长55km，且为控制输水流量，在水库枢纽工程中建设有6座大中型水闸，作为水利流量调控设备，所有水闸设备均采用预应力锚索进行防护加固，验算结构最大拉应力不超过1.75MPa；闸室高程为33.5m，采用弧形钢闸门作为流量通行与启闭设施，其有限元分析概念图如图2所示，闸门直径为2.6m，验算抗倾覆稳定性较好，闸门结构最大变形不超过5mm，无显著张拉应力集中。Corumana水库溢洪道位于坝体左岸，中心长度超过295m，渠底采用平滑式设计型式，入水口宽度为75m，出水口宽度为55m，以挡土边墙作为堰顶两侧抗滑设施，堰身采用C35混凝土浇筑施工，顶部高程控制在202～215m，抗水力冲刷效果较好，下游消能池可承担上游最大泄流量1050m3/s作业，溢洪道亦设置有主、次预应力锚索，确保结构静力稳定性，验算得到最大拉、压应力在蓄水期工程中不超过2MPa，Corumana水库枢纽工程溢洪道设施运营稳定性较佳。水库大坝作为重要防洪、拦水设施，坝体设计高度最大为45m，全长超过3000m，正常蓄水位117.00m，采用心墙堆石坝形式修建，心墙体曲率为7.5×10-4，弯曲长度为355m，厚度为1.6m，以胶砾石料作为主要堆筑原材料，分层堆筑，初步确定堆筑坝最大沉降应控制在50mm内，而Corumana心墙堆石坝变形很大程度上与胶砾石料力学稳定性密切相关。为此，笔者将以Corumana坝胶砾料为研究对象，开展胶砾料配合比设计参数对力学稳定性影响试验，探讨胶砾石堆筑坝最佳配合比方案，为工程施工、设计提供重要参照。

图1 Corumana水库枢纽工程卫星平面图

图2 闸门有限元模型

2.2 试验方案

本试验采用混凝土三轴力学RAW-001综合试验系统开展，该实验系统包括有加载设备、数据采集设备以及电脑控制系统等多项独立系统，可完成包括多种不同尺寸试样的常规力学试验(见图3)。该试验设备最大测试荷载均达1000kN，试验围压在0～80MPa，所有荷载监测精度可达0.01N，试验温度最大可达120℃；数据有电脑自动采集设备的数据，包括体积变形、围压加载位移以及其他荷载相关数据，也有外部传感器采集的数据，轴向变形传感器LVDT，量程为-15～15mm，环向变形传感器最大量程为20mm，数据采集间隔为0.5s，试验前均已对所有传感器进行标定，最大误差不超过0.5%，确保试验结果可靠性；电脑控制系统可实时呈现试样荷载位移变化特征，对试样进行实时监控，变换荷载控制或者变形控制方式进行加载，确保试验全过程处于精确控制状态，本试验中荷载控制速率为30kN/min，变形控制速率为0.02mm/min。

图3 混凝土三轴力学RAW-001综合试验系统

本文试验主要目的为探究Corumana坝胶砾料力学稳定性受配合比参数影响情况，笔者设计以水胶比、砂率两个典型特征参数开展对比试验分析。所有试样均取自Corumana坝工程现场，在室内进行重塑搅拌，按照目标配合比参数进行搅拌制样，经精加工、打磨后，所有试样制成直径50mm、高度100mm，在恒温恒湿养护箱内养护24h后进行物理特征参数测量。水胶比试验组中设定为0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5，水泥与粉煤灰含量均为50kg/m3，坍落度控制在5～6mm，砂率试验组中设定为10%、15%、20%、25%、30%、35%，养护龄期均为14d，三轴试验围压设定为5MPa、10MPa，各组试验方案中保持仅改变单一变量因素。具体试验方案见表1。

表1 试验具体方案

3 水胶比对胶砾料力学特征影响

3.1 应力应变特征

从水胶比试验组所获得的水胶比影响下试样应力应变特征图(见图4)中可看出，水胶比参数对胶砾料加载应力影响具有阶段变化节点，以水胶比0.9为节点，当低于0.9值时，试样承载应力与水胶比为正相关关系，反之，为负相关特征。在围压5MPa下，应变0.2%时水胶比0.5试样加载应力为15MPa，而水胶比0.7、0.9试样相同应变下的加载应力较之前者分别提升了60.9%、2.05倍，表明水胶比有促进胶砾料承载能力的作用。当水胶比超过0.9后，在应变0.4%下水胶比1.1、1.5试样的加载应力较之水胶比0.9试样下分别减少了23.5%、31.4%，此阶段内水胶比愈大，试样承载应力水平愈低，水胶比对胶砾料具有限制作用。笔者认为，当水胶比未超过合理区间时，水胶比有利于胶砾料承载应力提升，此阶段水胶比增大，胶凝材料在单位用水量增多的情况下可得到充分水化，浆液变多，对胶砾料颗粒骨架整体黏聚性具有较大程度提高作用，宏观上表现为试样承载应力水平的提高。但当水胶比参数超过合理节点后，单位用水量的继续增多，只会让有限的胶凝材料浆液变稀，胶砾料内可流动性增加，颗粒骨架黏结剂流失严重，稳定性受损害，试样承载应力亦降低[13-14]。比较两个围压下加载应力特征可知，围压提高，胶砾料整体承载应力水平提高，但不同水胶比间应力差异幅度有所增大，应变0.4%下水胶比1.1、1.5试样的加载应力较之水胶比0.9试样下分别减少了27.8%、44.2%，不可忽视；围压增大，可从试验环境角度改变胶砾料试样内部颗粒骨架结构稳定性，扩大不同水胶比间差异性，试样间承载应力水平差异显著。

图4 水胶比影响下试样应力应变特征

从变形特征可知，水胶比影响线弹性模量特征与承载应力水平类似，线弹性模量均以水胶比0.9下为最高，围压5MPa、10MPa下分别达210.3MPa、335.7 MPa，而围压5MPa下水胶比0.5、1.1、1.5试样线弹性模量相比前者分别降低了52.7%、26.2%、33.9%，控制水胶比可改变胶砾料线弹性变形能力，从而改变胶砾料屈服应力点。从峰值应变参数可知，水胶比变化，峰值应变变化规律性并不显著，围压5MPa下水胶比0.5、0.7、0.9、1.1、1.5试样峰值应变分别为0.53%、0.51%、0.56%、0.54%、0.58%，围压增大至10MPa后，试样峰值应变整体均有提高。

3.2 强度特征

由胶砾料三轴抗压强度与水胶比关系试验结果(见图5)可知，三轴抗压强度随水胶比参数为先增后减变化，各围压下均以水胶比0.9下为最高，在围压5MPa下水胶比0.5～0.9区间内，水胶比增大0.2，胶砾料强度平均增幅为48.2%，而在围压10MPa下，此区间内强度增幅仅为51.6%，表明围压提高，胶砾料强度差异亦更显著；而水胶比在0.9～1.5区间内，围压5MPa、10MPa下胶砾料强度分别平均降低11.1%、14.6%，故胶砾料强度受水胶比影响具有合理值，从本文试验可判断水胶比参数0.9，最利于Corumana坝胶砾料承载性能。

图5 胶砾料三轴抗压强度与水胶比关系

4 砂率对胶砾料力学特征影响

4.1 应力应变特征

在Corumana堆筑坝中胶砾料的砂率参数设计亦是配合比设计中的重点，为此，在获得的不同砂率的胶砾料应力应变特征图(见图6)中可看出，与水胶比类似，砂率亦存在合理值，当砂率低于25%时，胶砾料加载应力水平为递增，之后，均为递减。围压5MPa时，应变0.3%下砂率25%试样加载应力为45MPa，而砂率在10%、20%、35%的试样加载应力较之前者分别减少了9%、16%、9.1%，控制砂率处于合理值乃是确保胶砾料高承载应力的关键。当砂率低于合理值时，增大砂率，有利于提升整体颗粒骨架密实度，确保胶凝材料浆液与完整的颗粒骨架相黏结，最终提升承载能力；但砂率超过合理值后，过多的砂率在有限的浆液黏结剂作用下无法作为填充孔隙的细料，此时颗粒骨架稳定性受削弱，故承载应力降低[15-16]。由不同围压下砂率的线弹性与塑性变形可知，砂率改变，各试样线弹性模量基本仍保持一致，在围压5MPa、10MPa下线弹性模量分别为150.98MPa、224.9MPa，表明砂率不影响胶砾料线弹性变形能力，胶砾石力学特征差异性主要体现在塑性变形阶段，围压5MPa下砂率10%、20%、25%、30%、35%试样的峰值应变分别为0.33%、0.61%、0.68%、0.51%、0.44%，即砂率对峰值应变影响与加载应力影响变化一致。

图6 砂率影响下试样应力应变特征

4.2 强度特征

在获得的不同砂率组胶砾料三轴抗压强度变化关系图(见图7)中可看出，胶砾料强度最高均为砂率25%试验组，在围压5MPa下达82.8MPa，而砂率高于25%时，各方案间平均降幅为21.1%，围压增大至10MPa后，砂率25%～35%区间内平均降幅仅为15.5%，即围压可有效抑制高砂率区间内强度差异幅度。当砂率处于低砂率区间内，即砂率在10%～25%时，围压5MPa、10MPa下胶砾料强度平均增幅分别为18.8%、28.9%，此阶段内围压效应扩大了砂率对胶砾料强度的促进效应。综合本试验结果与Corumana堆筑坝实际情况，认为砂率控制在25%左右时胶砾料承载能力最强，此时Corumana坝体承压性能最佳。

图7 胶砾料三轴抗压强度与砂率关系

5 结 论

本文主要得到以下几点结论：

a.水胶比参数对胶砾料力学特征影响具有阶段变化节点，各围压下均以水胶比0.9下的强度、线弹性模量为最高，围压5MPa、10MPa下水胶比0.5～0.9区间内强度平均增幅为48.2%、51.6%，而在0.9～1.5区间内降幅仅分别为11.1%、14.6%；围压5MPa下水胶比0.5、1.1、1.5试样线弹性模量相比水胶比0.9下分别降低了52.7%、26.2%、33.9%。

b.当砂率低于25%时，胶砾料加载应力水平为递增，反之，为递减；砂率10%～25%时，围压5MPa、10MPa下强度平均增幅分别为18.8%、28.9%，而砂率高于20%时，各方案间平均降幅为21.1%、15.5%；砂率对胶砾料线弹性变形特征影响较小，主要影响其塑性变形阶段。

c.综合配合比参数对胶砾料影响特性以及Corumana水库堆石坝工程特点，水胶比参数为0.9、砂率为25%时，最利于Corumana坝堆筑料承载性能。