高碾压混凝土坝层间结合性能影响因素试验研究

叶新 董海英

摘要： 为确定云南省黄登水电站大坝碾压混凝土（RCC）配合比和施工质量控制参数，通过试验研究了RCC坝层面间隔时间和碾压层面处理方式对RCC层面抗剪强度特性及抗渗特性的影响。结果表明：层面间隔在8 h内时，缩短间隔时间能更有效地提升层间结合性能;超过8 h后，层间结合性能对间隔时间的敏感性逐渐降低并趋于收敛。采用铺砂浆处理层面的RCC层间结合性能最优。

关键词： 碾压混凝土坝;层间结合;抗剪强度;抗渗特性;黄登水电站;云南省

中图法分类号：TV642.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.012

文章编号：1006 - 0081（2021）12 - 0072 - 04

0 引 言

20世纪70年代起，碾压混凝土（RCC）技术因其特有的优势在世界各国混凝土坝施工中快速发展。碾压混凝土坝素有“千层饼”之喻，对于0.3 m的浇筑层厚度，每立方米碾压混凝土将产生大于3 m2的层面，碾压层之间的结合面是RCC薄弱环节。RCC通常采用薄层连续浇筑，第1层混凝土压实后，层面间需要隔一定时间再浇筑第2层碾压混凝土，才能保证层面间依然有良好的黏结力和抗渗性能;碾压层面应采用不处理、净浆或砂浆处理中的哪种方法;针对这些问题目前还没有一致的解决方案[1-2]。

云南省黄登水电站大坝是目前世界上最高的碾压混凝土重力坝之一，最大坝高203 m，将有680多个层面。黄登水电站大坝对筑坝碾压混凝土材料要求很高，其中层间结合特性和质量控制参数以及抗剪、抗渗特性是工程建设中的关键控制性指标。因此，本次试验针对该工程特点开展了层间结合特性和质量控制参数研究。

1 工程概况

黄登水电站位于云南省怒江州兰坪县营盘镇境内的澜沧江上游河段，为澜沧江上游曲孜卡至苗尾河段规划8个梯级中的第6个梯级。坝址距营盘镇公路里程约12 km，距兰坪县城约67 km，距昆明市约631 km。该电站以发电为主，是兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等综合效益的大型水利水电工程。总装机容量190万kW（4×47.5万kW），正常蓄水位1 619.00 m，死水位1 586.00 m，属Ⅰ等大（1）型工程。枢纽主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪放空建筑物、左岸地下引水发电系统等建筑物组成。大坝和引水发电系统混凝土总量约463.41万m3，其中坝体碾压混凝土约275.3万m3，坝体常态混凝土约91.48万m3，水垫塘常态混凝土约26.8万m3，引水发电系统混凝土约69.83万m3。

2 试验原材料

试验原材料包括：云南红塔滇西水泥股份有限公司生产的42.5级中热硅酸盐水泥，28 d抗压强度和抗折强度分别为50 MPa和8.6 MPa。宣威发电厂的分选Ⅱ级粉煤灰，28，90，180 d龄期的活性指数分别为64.5%，83.4%，92.0%。 胶凝材料主要化学成分见表1。黄登水电站工地砂石骨料加工系统生产的大格拉石料场灰岩人工骨料，表观密度为2 680 kg/m3，压碎指标为8.6% 。江苏博特新材料有限公司生产的JM-Ⅱ（R）碾压混凝土高效减水剂及该厂生产的JM-YQJ引气剂。

3 碾压混凝土技术指标和配合比

采用了黄登水电站二级配C9025W12F150碾压混凝土，碾压混凝土主要技术指标和配合比参数见表2～3。

4 室内模拟碾压层面不同处理方式

室内RCC模拟试验试件制备方式：将15 cm×15 cm×15 cm的立方体试模边壁上涂一层矿物油，将已成型的下层碾压混凝土试模放入养护室中养护。养护达到所需的层面间隔时间后取出试模，层面按不处理、铺水泥净浆、铺砂浆3种方式处理，然后装入上层碾压混凝土拌和物，振动压实后放入养护室继续养护。层面所铺砂浆、水泥浆的厚度为1.0～1.5 cm。拆模养护90 d龄期后，将试件沿层面进行抗剪试验和抗渗试验[3]。

RCC层面分别采用不作处理、净浆、砂浆处理，层面间隔时间采取4，6，8，12，24 h。净浆水胶比与碾压混凝土相同，砂浆配合比强度等级比碾压混凝土提高一个等级，层面处理用净浆和砂浆配合比及抗压强度见表4～5。

5 碾压混凝土层间抗剪试验成果分析

RCC按层面间隔4，6，8，12，24 h以及不同层面处理方式后，进行了90 d龄期的抗剪试验。试验采用平推法，试验最大正应力为6 MPa，每组试验法向应力按最大法向应力均匀分成5级[4]，按式（1），（2），（3）分别计算各级法向荷载下的极限抗剪强度、残余抗剪强度、摩擦抗剪强度：

[τ极=Q极A] （1）

[τ残=Q残A] （2）

[τ摩=Q摩A] （3）

式中：[τ]极，[τ残]，[τ摩]分别为极限抗剪强度、残余抗剪强度、摩擦抗剪强度，MPa;[Q]极，[Q残]，[Q摩]分别为极限剪切荷载、残余剪切荷载、摩擦阻力，N;[A]为剪切面面积，mm2。

根据各级法向应力下的极限抗剪强度、残余抗剪强度、摩擦抗剪强度，在坐标图上绘制σ～τ关系曲线图，并用最小二乘法或作圖法求得式（4），（5），（6）中的[f]和c′值：

[τ=σf+c] （4）

[τc=σf′c+c′c] （5）

[τm=σf′m+c′m] （6）

式中：[σ]为法向应力，MPa;[f]，[f′c]，[f′m]分别为极限抗剪摩擦系数、残余抗剪摩擦系数、摩擦抗剪摩擦系数。[c]，[c′c]，[c′m]分别为极限抗剪黏聚力、残余抗剪黏聚力、摩擦抗剪黏聚力，MPa。由于文章篇幅限制，选取了法向应力为4 MPa时的抗剪强度进行对比分析，抗剪试验成果见表6。

抗剪試验成果分析表明：RCC层面处理方式和层面间隔时间影响RCC抗剪强度，不同层面处理方式和间隔时间与抗剪峰值强度、残余强度和单点摩擦强度关系见图1～3。

分析试验结果可知：随着RCC层面间隔时间增加，层面抗剪峰值强度呈现降低趋势。间隔时间在8 h内时，抗剪强度峰值下降速度较快;当间隔超过8 h，抗剪强度峰值下降速度减慢并逐渐趋于收敛。结果表明：RCC层面间隔在8 h以内时，对层面抗剪强度影响较大;当间隔超过8 h，RCC层面之间有明显的分隔，超过初凝时间后实际上已经是两层分离的碾压混凝土，故其后抗剪峰值强度逐渐趋于稳定。铺砂浆处理方式的RCC层面间抗剪强度最高，净浆处理比不处理的层间抗剪强度高[5]。

RCC层面抗剪残余强度在层面间隔8 h内随间隔时间增加而降低，8 h后3种层面处理方式的抗剪残余强度逐渐趋于稳定，铺砂浆处理方式的RCC层面间抗剪残余强度最高，净浆处理方式其次，不处理的层间抗剪残余强度最小。

单点摩擦试验是剪切破坏后重新扶正试件进行的剪切试验，由于此时试件已经沿层面破坏，由图3的曲线可知单点摩擦强度与层间间隔时间或处理方式无明显规律。

6 碾压混凝土层间抗渗试验成果分析

RCC相对抗渗性试验是将抗渗仪水压力一次加到0.8 MPa，恒定24 h后测定渗水高度，计算相对抗渗系数。不同层面处理方式及间隔时间的RCC层间抗渗性能试验结果见表7。

抗渗试验结果显示：不同层面间隔时间和3种不同层面处理方式的RCC层面相对渗透系数在0.286´10-6～3.105´10-6  cm/h之间，整体抗渗效果较好。因层面处理方式和层面间隔时间不一样，相对渗透系数有所差异，不同层面处理方式下相对渗透系数与间隔时间之间的关系见图4。

试验成果分析表明：层面间隔在8 h以内时，3种处理方式的RCC试件相对抗渗系数相差不大。随着层面间隔时间的增大，3种处理方式的RCC试件相对渗透系数都呈增大的趋势，但最后都趋于稳定。层面不处理的RCC试件相对渗透系数最大，铺净浆的RCC试件相对渗透系数又略大于铺砂浆的RCC试件。说明层面间隔时间在8 h以内，上下两层RCC能够结合比较紧密，而超过8 h的间隔时间则会逐渐形成稳定的层面缝，从而具有较大的相对渗透性[6]。

7 结 论

本文依托黄登水电站“200 m级碾压混凝土原材料及配合比性能试验深化研究”项目，通过试验研究了RCC层面间隔时间和3种层面处理方式对RCC层面抗剪强度特性及抗渗特性的影响，得到结论如下。

（1）RCC层面间隔时间在8 h内时，抗剪强度随着间隔时间的增大下降速度较快;当间隔时间超过8 h时，抗剪强度下降速度减慢并逐渐趋于收敛。铺砂浆处理方式的RCC层面间抗剪强度最高，净浆处理比不处理的层间抗剪强度高。

（2）RCC试件相对抗渗系数与层面间隔时间正相关。随着层面间隔时间的增大，3种处理方式的RCC试件相对渗透系数都呈增大的趋势，但最后都趋于稳定。层面不处理的RCC试件相对渗透系数最大，铺净浆的RCC试件相对渗透系数略大于铺砂浆的RCC试件。

（3）RCC层间抗剪试验和抗渗试验结果分析表明：黄登水电站RCC层面间隔时间越短，混凝土层间结合特性越好，混凝土抗剪和抗渗能力越高;并且在8 h内，缩短间隔时间能更有效提升层间结合性能，超过8 h后，层间结合性能对间隔时间的敏感性逐渐降低并趋于收敛。

（4）混凝土层间结合面抗剪和抗渗性能试验均表明，采用铺砂浆处理方式的层间结合性能最好，铺净浆处理方式次之，不处理时层间结合性能最差。

参考文献：

[1] 杨华全，周守贤，邝亚力. 三峡工程碾压混凝土层面结合性能试验研究[J].长江科学院院报，1996，13（4）： 29-32.

[2] 汪琣铭，许乾慰. 材料研究方法[M].北京：科学出版社，2006.

[3] 姜福田.碾压混凝土坝的层面与影响[J].水利水电技术，2008，39（2）： 19-21.

[4] 张业勤，周浪，蔡胜华.彭水水电站碾压混凝土原位抗剪试验研究[J].四川水力发电，2008，27（5）： 90-94.

[5] 宋拥军，肖亮达.改善碾压混凝土坝层间结合性能的主要措施[J].湖北水力发电，2008（1）： 37-40.

[6] 谢彦辉，杨海泉，赵雅玲.南沙水电站大坝碾压混凝土层面结合质量的控制方法[J]. 广东水利水电，2013（11）： 58-61.

（编辑：江 文）

Experimental study of influencing factors of interlayer bonding performance of RCC dam

YE Xin， DONG Haiying

（PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited， Kunming  650033， China）

Abstract： In order to determine the compacted concrete proportion and construction quality control parameters of RCC dam of Huangdeng Hydropower Station in Yunnan Province，we carried out some tests to study the effect of RCC dam layer grouting interval time and processing methods on the shear strength and impermeability characteristics of RCC layer.The test results showed that shortening the grouting interval time within 8h could effectively improve the interlayer bonding performance.After more than 8 hours， the sensitivity of interlayer bonding performance to interval time decreased gradually and tended to converge. The RCC interlayer bonding performance was the best when the layer was poured by mortar .

Key words： RCC dam;interlayer bonding; shear strength; impermeability characteristic;Huangdeng Hydropower Station;Yunnan Province