输水工程中衬砌材料混凝土力学与抗渗性影响试验研究

王 鹏，华 中，常 哲，陈 晶，王 晓

（淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏 涟水 223400）

水利工程中混凝土材料应用面较广，包括水利大坝[1]、泵站工程[2]以及输水渠道[3]等水工建筑在内，对水工结构稳定性具有举足轻重作用。开展混凝土材料的力学特征分析，对推动水利材料应用水平提高具有重要意义；此外，混凝土材料的抗渗性亦是工程必须考虑的因素[4，5]，综合混凝土的力学特征与渗透特性分析，工程安全设计才具有系统全面性。曹明伟[6]、朱小磊等[7]、刘璇等[8]根据混凝土材料的颗粒流特征，利用离散元仿真计算手段，建立颗粒流模型，设计开展了不同参数、不同配合比因素以及尺寸效应等影响下的力学特征试验。颗粒流仿真计算虽效率较高，但计算结果有时过于理想化，因此对现场混凝土工程进行监测或对混凝土施工进行全方位、全周期监测分析，进而预判工程失稳前兆，具有实际意义[9，10]。通过精密室内仪器，设计开展相应的力学加载与渗透等试验，针对试验结果开展细致分析，可获得配合比参数、试验条件等因素影响下的混凝土力学变化特征[11-13]，为工程建设提供参考。本文根据苏北拟建二级支渠U形防渗混凝土衬砌材料应用环境，考虑掺棉秆纤维含量对力学及渗透特性的耦合影响，为设计确定最优含量提供相应试验佐证。

1 试验概况

1.1 工程背景

为提升苏北地区水资源调度能力，拟修建一输水灌渠，服务地区内农业生产及生活用水，并起到防洪排涝作用。输水工程设计全长66 km，在原有苏北灌渠基础上延伸，使苏北水资源调度系统更具整体性，并兼顾多方面用水需求。该渠道是二线支渠，渠首设计流量较低，为0.5 m3/s，渠道宽度1.2～1.6 m，边坡坡度1/4～1/3，根据静力稳定性初步估算，渠坡抗倾覆、抗滑移系数均高于1，地震动力工况模拟计算下加速度响应最大值低于1.5 m/s2，最大应力响应值出现在桩号K1+125—K1+210 区段内，灌渠整体静、动力稳定性较佳。为更好调度水资源，渠道设置12 座中小型水闸设施，最大设计流量128 m3/s，闸室基础防渗性与结构稳定性均较好。经验算，闸室结构最大拉应力约1.4 MPa、压应力低于15 MPa，均出现在闸室底板。每座水闸均设置有挡土墙设施，厚度约1.5 m，确保渠坡土压力不对水闸运营产生较大影响。渠道均采用U 形防渗砌块作为主要衬砌材料。该材料是在普通混凝土配合比基础上添加天然棉秆纤维形成的，以提升抗渗性。普通C30 混凝土抗渗等级约为P8，此类掺棉秆纤维的防渗混凝土抗渗等级最大可达P14，防渗性能较佳。但不能忽视的是，加入棉秆纤维后，在渠道运营过程中静、动力荷载作用下，混凝土应力安全会受到影响，所以探讨棉秆纤维最佳含量很有必要。根据设计，全渠道上静水压力最大可达6.8 MPa，自重沉降变形最大约3～4 mm，最大拉应力应控制在1.3～1.4 MPa。就淮安拟建二级输水灌渠支渠U形混凝土砌块开展力学与渗透特性分析，为工程材料配合比设计等提供基础佐证。

1.2 试验介绍

试验采用CTR-YAW3000型混凝土材料力学试验系统。系统包括加载系统、数据采集处理系统以及实时控制设备，如图1 所示。系统最大荷载量程800 kN，耦合有液体渗流测试装置，最大渗透压20 MPa，所有荷载传感器在使用前均已标定，精度、误差均满足测试要求。数据采集系统包括外接变形传感器与内置测量设备，其中外接变形传感器主要用于试样轴向变形与环向变形测试，量程分别为-10～10、-15～15 mm；渗透流量测试装置密封性较好，全程数据测试均为电测点，最大误差不超过0.1%，数据采集间隔为0.5 s。实时控制设备包括液压加载控制程序以及数据实时处理设备，可在试验全过程对试样进行力学、渗透特征监测，确保试验过程均处于可控状态。

图1 CTR-YAW3000型混凝土材料力学试验系统

本试验主要研究对象为输水渠道U形混凝土砌块材料的力学与渗透特性，有针对性开展混凝土配合比中棉秆纤维含量的影响性试验。依照砌块实际情况，设计棉秆纤维含量为3%、6%、9%、12%、15%，三轴渗透压统一设定为1 MPa，渗透测点均匀分布在三轴加载全过程中，每个试样测点约10个，采用瞬态法测试混凝土渗透率，围压设定为5、10、15、20 MPa，配合比参数中仅改变棉秆纤维含量，其他砂率、水胶比等参数均保持一致，且与主渠道U 形砌块C35 混凝土配合比参数一致，所制出样品均按照室内力学试验规程进行精加工、打磨，试验前放入养护箱内养护24 h，所有试样均为圆柱形，直径、高度均为50/100mm。各组具体试验参数，详见表1。

表1 各组试样试验参数

2 混凝土力学特征分析

2.1 围压影响

根据不同围压下混凝土力学试验数据，获得围压影响下混凝土应力应变特征，如图2所示。

图2 围压影响下混凝土应力应变特征

从图2 可知，围压愈大，混凝土试样承载应力水平愈高，棉秆纤维含量3%试验组中，围压5 MPa 下峰值应力为52.4 MPa，而围压10、20 MPa 下峰值应力较前者分别上升了69.3%、2.53 倍，整体上看围压提升5 MPa，可促进峰值应力提升约53.1%。当混凝土配合比中棉秆纤维含量增大至12%后，围压对试样依然具有强力促进效应，虽整体上加载应力水平低于含量3%试验组，但围压每增大5 MPa，混凝土试样峰值应力增幅依然可达到50.6%，表明棉秆纤维成分增加虽可削弱混凝土试样整体承载应力水平，但围压对混凝土强度促进效应并不受其影响。从变形特征变化可看出，围压愈大试样变形模量愈大。以线弹性模量为例，在棉秆纤维含量3%、围压5 MPa 下的试样线弹性模量为161.8 MPa，而同一试验组中围压10、20 MPa 试样的线弹性模量较前者分别上升了40.6%、132.3%，表明围压可提升混凝土线弹性变形能力，这与围压可限制裂纹扩展的作用有关，宏观大裂纹延伸受限，对其内部线弹性变形具有一定促进作用。对比不同围压试样的峰值应变可知，在图2（b）中围压5～20 MPa 下的4 个试样峰值应变分别为0.42%、0.51%、0.64%、0.77%，即围压可提升混凝土峰值应变参数。总之，围压对混凝土力学特征均具有促进效应，输水灌渠工程设计衬砌结构时应考虑不同静水压力工况下U形混凝土砌块的力学稳定性，配置相应含量的掺棉秆纤维砌块。

2.2 棉秆纤维含量影响

对不同棉秆纤维含量混凝土试样力学数据进行处理，获得棉秆纤维含量影响下混凝土应力应变特征，如图3所示。

图3 棉秆纤维含量影响下混凝土应力应变特征

从图3 可知，棉秆纤维含量愈多则加载应力水平愈低，围压5 MPa下棉秆纤维含量6%试样的峰值应力为55 MPa，而含量9%、15%试样峰值应力较前者分别下降了4.7%、40.1%。围压5 MPa 下棉秆纤维含量增加3%，峰值应力降低12.7%，且峰值应力降幅在纤维含量9%后显著加大，纤维含量9%试样相比含量3%、6%试样峰值应力分别降低了9.3%、4.7%，而含量12%、15%试样峰值应力较之含量9%又分别降低了21.2%、37.1%，降幅主要集中在含量9%～15%区间内。围压5、20 MPa下纤维含量在3%～9%区间内，平均降幅分别为4.8%、2.9%；而在区间9%～15%内，降幅可达20.7%、17.9%。由此表明，控制纤维含量在适宜值时可保证工程设计可靠性。

另一方面，纤维含量对混凝土试样应变特征亦有显著影响，线弹性模量与纤维含量为负相关，围压5 MPa 下棉秆纤维含量9%、15%试样的线弹性模量较含量3%分别下降20.5%、63%，线弹性模量随纤维含量增长平均降幅约21%。峰值应变随纤维含量增长呈增大趋势，围压20 MPa 下棉秆纤维含量3%、6%、9%、15%试样的峰值应变分别为0.48%、0.55%、0.62%、0.93%，这与棉秆纤维自身较强塑性变形能力有关，掺入愈多棉秆纤维后其峰值应变递增。

2.3 抗剪特征参数变化

各试验组中混凝土抗剪特征参数变化关系，如图4所示。从图4可知，棉秆纤维含量愈高则混凝土的抗剪特征参数愈小，抗剪特征参数与棉秆纤维含量具有线性函数关系；棉秆纤维含量3%下粘聚力、内摩擦角特征参数分别为3.6 MPa、65.3°，而含量9%、15%时粘聚力分别下降8.3%、15%；从整体降幅可知，棉秆纤维含量增大3%，抗剪特征参数降幅分别为4%、11.6%，以内摩擦角参数变化最为敏感。分析认为，棉秆纤维作为一种塑性变形较强、强度较弱的材料，其纤维网具有致密性，但承载性能较差，在混凝土内部是软弱面[14，15]，抗剪特征参数随之递减；在掺有棉秆纤维的混凝土颗粒骨架中，颗粒咬合、摩擦性均会受棉秆纤维含量影响，而棉秆纤维虽然承载能力较小，但仍具有一定粘结性，故内摩擦角的敏感性变化高于粘聚力参数。

图4 混凝土抗剪特征参数变化关系

3 混凝土渗透特性分析

在三轴加载全过程进行混凝土渗透率测试，获得不同试验围压及棉秆纤维含量下的试样渗透率变化特征，如图5所示。

图5 试样渗透率变化特征

从图5可知，渗透率在加载过程中变化呈“降低—陡升—平稳”阶段性：降低阶段主要受混凝土初始荷载压密影响，内部渗透通道闭合，导致渗透率降低，在纤维含量9%试验组中，围压10 MPa下该阶段渗透率降幅达92.8%；当加载应力递增、超过最大压密点后，试样渗透率升高，此阶段与混凝土内部损伤裂纹产生有关，裂纹的延伸有助于渗透通道的形成，进而促使渗透率增大[16，17]，同样纤维含量9%试样，在围压10 MPa下该阶段各测点间最大增幅可达6 倍；后随试样失稳破坏，加载过程进入残余应力阶段，此时试样内部渗透通道完全形成，渗透状态基本稳定，故渗透率变化波动幅度较小，最终稳定在1.1×10-14m2。

对比不同围压影响下渗透率水平可知，围压愈大渗透率愈低，围压5、10、20 MPa 下试样最终渗透率分别稳定在 4.78×10-14、1.1×10-14、2.1×10-16m2，彼此间幅度差异最大可达2 个量级，表明围压对渗透率抑制作用较为显著。而对比纤维含量对混凝土渗透率影响可知，棉秆纤维含量与渗透率水平具有负相关关系，棉秆纤维含量3%试样在初始测点渗透率为6.53×10-14m2，而含量9%、15%试样同一测点渗透率较前者分别降低了95.8%、100.2%，表明掺加棉秆纤维有利于提升混凝土防渗等级，棉秆纤维成分的存在可形成一张“防渗网”，确保混凝土内部孔隙无法形成渗透通道，有利于输水灌渠防渗。从混凝土防渗性与力学稳定性综合考量，棉秆纤维含量在9%时，加载全过程渗透率已基本达到10-15m2级别。在追求混凝土防渗性基础上，同时确保混凝土强度不致受影响过大，棉秆纤维含量9%时更适合于输水灌渠U形混凝土衬砌材料。

4 结论

（1）围压可促进混凝土强度、变形模量、峰值应变参数发展，在棉秆纤维含量3%、15%下，围压增大5 MPa 混凝土强度涨幅约53.1%，而围压20 MPa 下相比围压5 MPa下线弹性模量增大了132.3%。

（2）棉秆纤维含量愈多，混凝土承载强度与线弹性模量均愈低，但峰值应变随之增大；强度降幅在纤维含量9%后更显著，围压5 MPa下纤维含量在3%～9%、9%～15% 区间内峰值应力平均降幅分别为4.8%、20.7%。

（3）抗剪特征参数与棉秆纤维含量具有线性函数关系，纤维含量增大3%抗剪特征参数平均降幅分别为4%、11.6%，以内摩擦角受棉秆纤维含量影响更为敏感。

（4）加载全过程混凝土渗透率呈“降低—陡升—平稳”变化；围压抑制渗透率水平，差幅可达2 个量级；棉秆纤维含量愈多渗透率水平愈低，初始测点含量9%、15%试样渗透率较含量3%下分别降低了95.8%、100.2%；综合混凝土防渗性与力学稳定性，纤维含量9%时更合理。