堆石混凝土层面渗透性能影响因素试验研究

胡 松 涛，陈 芳，3，祝 小 靓，徐 赛 辉

(1.江西省水利科学院，江西 南昌 330029； 2.江西省水工安全技术研究中心，江西 南昌 330029； 3.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 213022； 4.中建西部建设建材科学研究院有限公司，四川 成都 610000；5.广东粤水电勘测设计有限公司，广东 佛山 528000)

0 引 言

堆石混凝土采用分层投放块石并填充自密实混凝土的方式施工，因此会产生大量的层间施工冷缝，这些层间冷缝是堆石混凝土渗水的重要通道，其渗透性大于堆石混凝土本体的渗透性[1]。现有规程SL 678-2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》[2]和NB/T 10077-2018《堆石混凝土筑坝技术导则》[3]针对堆石混凝土抗渗要求主要考虑整体抗渗。李俊杰等[4]引入区间数理论，研究建立了考虑层间渗透的碾压混凝土坝层面性态区间分析模型。林长农等[5]分析了同样具有层间冷缝的碾压混凝土层面抗渗性能与层面不同胶凝材料措施之间的关系，并提出了“并联”渗透试验模拟层间渗透的方法。任旭华[6]等通过自制的装置研究了碾压混凝土层面的渗流特性。任明倩等[7]研究了骨料特性和分布等对RFC层面剪切性能的影响。虽然层间冷缝对堆石混凝土层间渗透有较大影响，但针对堆石混凝土的研究主要集中在本体物理力学特性及层间剪切，而对层间渗透研究较少。本文将采取“并联”渗透试验方法，通过堆石混凝土施工冷缝小型渗透试验，研究堆石特性及层面处理工艺等因素对堆石混凝土层面抗渗性能的影响，以期为堆石混凝土层面施工提供参考。

1 试验设计与方法

1.1 试件设计

本文采用DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》[8]中混凝土相对渗透性试验方法。受堆石混凝土施工层面影响，渗透薄弱层面会出现法向和切向两种渗透，而切向渗透远大于法向渗透[5]，因此为更好地研究堆石混凝土层面渗透性能影响因素，采用“并联”渗透模型试验开展堆石混凝土渗透性能试验研究，具体如图1所示。“并联”渗透试验模型通过成型150 mm×150 mm×150 mm的标准试块，取芯后包芯检测混凝土相对渗透性系数，为使浇筑的混凝土能够与芯样更好地结合，且在较短时间内强度满足试验要求，同时避免水从浇筑面渗漏，包芯混凝土采用强度较高的C50自密实混凝土。

试验所用堆石混凝土层面设在试件中部。为排除试件内部岩石影响，仅在层面处布置堆石骨料，试件上下层浇筑强度等级为C25的自密实混凝土。自密实混凝土粗骨料粒径为5～10 mm，堆石骨料选取粒径为20～60 mm的均质页岩，实际施工中堆石骨料粒径约为300 mm，试验采用的试件缩尺比例约为1/6。为研究层面堆石外露高度、外露面积及层面凿毛工艺、石粉含量对其层面渗透性能的影响，制备了本体组、层面露石高度组、层面露石面积组、层面凿毛工艺组、层面石粉含量组试件若干，其中本体组为无层面堆石混凝土对照试件。表1为试验工况及试件相对渗透性系数，其中序号“BT”代表本体组，“Hx”代表层面露石高度组，“Sx”代表层面露石面积组，“ZMx”代表层面凿毛工艺组，“SFx”代表层面石粉含量组，数字“x”分别表示露石高度、露石面积、凿毛工艺、石粉含量情况。

表1 试验工况及试件相对渗透性系数Tab.1 Test conditions and relative permeability coefficient of samples

1.2 试件成型

(1) 表1中本体组试件采用直接成型标准抗渗试件的方法，其他含层面堆石混凝土试件，根据工况，分别待下半层自密实混凝土浇筑完成后，按如下步骤控制影响因素，然后浇筑上半层自密实混凝土，如图2(a)～(f)所示。

露石高度组。筛选若干20，40，60 mm粒径碎石备用，按照同一露石面积(露石面积控制在50%)在层面插入碎石，保证H10、H20、H30组试件层面碎石外露高度分别为10，20，30 mm。

露石面积组。筛选若干40 mm粒径碎石备用，按照同一露石高度(露石高度控制在20 mm)通过堆放面积法控制露石面积以25%的比例增长，并在层面均匀布置碎石，保证S25、S50、S75组试件层面碎石面积分别占层面面积的25%，50%，75%。

图2 试件制备Fig.2 Sample preparation

凿毛工艺组。待下半层自密实混凝土初凝后终凝前(约4 h)，按照同一露石高度和露石面积(露石高度控制在20 mm，露石面积控制在50%)，留1组ZM0不做层面处理，其余两组分别采用钢丝球、高压水枪将层面处理至露砂ZM2、露石ZM5。

石粉含量组。下半层自密实混凝土初凝后终凝前(约4h)，按照同一露石高度和露石面积(露石高度控制在20 mm，露石面积控制在50%)，采用试验筛在层面均匀撒石粉，保证SF0、SF5、SF10组试件层面石粉含量为0，220，440 g/m2。

(2) 以上各工况试件成型后，拆模养护堆石混凝土试件10 d，并用100 mm取芯机对含层面堆石混凝土钻取芯样，其中芯样方向与层面方面一致。

(3) 将取出的芯样置于标准抗渗试模中心，并在周围浇筑C50高强度自密实混凝土，过程中应防止芯样浮起。

(4) 成型脱模后，分别将含层面堆石混凝土包芯抗渗试件养护至28 d和90 d龄期。

1.3 试验过程

试验中将1组6个试件装入抗渗仪试模中，调整抗渗仪水压至0.8 MPa，并在此水压下恒定24 h，记录发生渗水情况。如在恒压过程中试件出现渗水时，即停止试验，并记录出水时间和渗水高度。如试件未渗水，则劈开试件记录水痕高度作为渗水高度，并按照公式(1) 计算其相对渗透性系数。

(1)

式中：Kr为相对渗透性系数，cm/h；Dm为平均渗水高度，cm；H为水压力，以水柱高度表示，cm；T为恒压时间，h；a为混凝土吸水率，一般为0.03。

2 试验结果分析

2.1 试件渗水现象分析

通过开展不同工况下试件的相对渗透性能试验可知，试件渗透主要表现为2种形式：① 24 h内端面出现渗水，记录渗水出现时间；② 24 h内端面未出现渗水，立即释放水压，并将试件劈开后测量层面渗水高度。渗水破坏形式如图3所示。从图3试件渗水现象可知：

图3 堆石混凝土层面渗水形式 Fig.3 Seepage patterns of rock-filling concrete

(1) 不同凿毛工艺试件均未出现24 h端面渗水情况，且渗水高度差距较大，表现为ZM5

(2) 不同露石高度和露石面积试件均未出现24 h端面渗水情况，且渗水高度变化不大。

(3) 含石粉层面试件在24 h内均出现端面渗水情况，但不同层面石粉含量的试件渗水时间差异较大，表现为SF0

综上，层面凿毛工艺和石粉含量对层面抗渗性能的影响较大，层面渗水高度随凿毛工艺加大而减小，随石粉含量的增加而增大。

2.2 层面渗透性能影响因素分析

层面相对渗透性系数试验结果详见表1。图4为本体组、凿毛工艺组、外露高度组和外露面积组试件层面相对渗透性系数。图5为石粉含量组层面试件相对渗透性系数。

图4 本体组、凿毛工艺组、露石高度组和露石面积组试件 层面相对渗透性系数Fig.4 Relative permeability coefficient of bedding layer of original group，roughening group，controlling exposed stone heiglt group， and controlling exposed stone area group samples

图5 石粉含量组试件层面相对渗透性系数Fig.5 Relative permeability coefficient of bedding layer in stone powder group samples

从图4知：

(1) 对比不同龄期凿毛工艺组、露石高度组、露石面积组试件层面相对渗透性系数，90 d试件层面相对渗透性系数小于28 d层面相对渗透性系数。由此可见，堆石混凝土层面相对渗透性系数和试件养护龄期有关，适当延长养护龄期可以有效改善堆石混凝土层面的结合质量，增强层面的抗渗性能。

(2) 含层面堆石混凝土试件相对渗透性系数明显大于本体组。由此可见，层面是影响堆石混凝土相对渗透性系数的重要原因，控制层面结合性能是提高堆石混凝土抗渗性能的重要措施。

(3) 对比露石面积组和露石高度组试件层面相对渗透性系数可见，两者相对渗透性系数约在2.0×10-9～3.0×10-9cm/s，差异较小。由此可知，堆石混凝土层面渗透通道并未发生在块石与自密实混凝土的结合部位，而主要受上下层面自密实混凝土因素影响，自密实混凝土与堆石结合质量的好坏，直接影响到堆石混凝土层面抗渗性能。当结合质量差时，层面易出现渗透通道。

(4) 从凿毛工艺组试件相对渗透性系数可知，凿毛工艺对层面结合质量影响较大。当凿毛至露砂时，层面相对渗透性系数较无凿毛工艺试件减小37.4%；当凿毛至露石时，减小60.5%。由此可知，层面凿毛工艺对抗渗性能的提升效果明显，堆石混凝土层面施工时应控制凿毛工艺质量。

从图5可知：

(1) 对比石粉含量组与其他组试件相对渗透性系数，其差异很大，其中层面石粉含量为220 g/m2的试件相对渗透性系数大约为不含石粉层面试件相对渗透性系数的30倍。当层面石粉含量为440 g/m2时，可达到约50倍，表明石粉对堆石混凝土层面的结合质量影响很大。

(2) 对比不同龄期的堆石混凝土石粉层面相对渗透性系数可知，层面含石粉不仅影响层面结合质量，还限制了层面结合质量随龄期的提升。

3 结 论

通过小型“并联”渗透试验模拟堆石混凝土分层浇筑层面的渗透特性，研究了堆石高度、堆石面积、凿毛工艺、石粉含量对堆石混凝土层面渗透性能的影响，得出如下结论：

(1) 堆石混凝土层面是影响其抗渗性能的重要因素，层面的存在对堆石混凝土的抗渗性能影响较大，不含层面堆石混凝土抗渗性能明显高于含层面堆石混凝土。

(2) 随着堆石混凝土龄期的增长，抗渗性能有一定的提升，主要是因为浇筑堆石混凝土的自密实混凝土配合比中粉煤灰掺量较大，其后期强度增长率高。

(3) 层面石粉含量是影响堆石混凝土抗渗性能的一个重要因素。实际施工中，层面石粉含量应控制在440 g/m2以下。

(4) 凿毛工艺是影响堆石混凝土抗渗性能的另一重要因素。实际施工中，可结合施工部位采取不同凿毛方式，对于抗渗要求较高的部位，可以采用凿毛至露石，对于抗渗要求较低的部位，可采取冲毛措施。