彭水水电站碾压混凝土原位抗剪试验研究

周 浪，陈国胜，王晓军

（1.重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 409600；2.长江科学院材料结构研究所，武汉 430010）

彭水水电站碾压混凝土原位抗剪试验研究

周 浪1，陈国胜1，王晓军2

（1.重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 409600；2.长江科学院材料结构研究所，武汉 430010）

碾压混凝土层面结合的优劣将直接影响碾压混凝土坝体的安全运行，而层间间隔时间及不同层面处理方式则是控制层面结合的关键所在。通过研究碾压混凝土不同的层间间隔时间、不同层面处理方式，对碾压混凝土层面结合处抗剪断特性的影响进行了研究。结果显示：①尽可能缩短碾压混凝土层间间隔时间是保证RCC层面结构质量的关键。②为使上下层混凝土成为一体，此时层面不处理，直接铺筑碾压。③提出了RCC初凝后终凝前和终凝后的层面处理方式。为彭水电电站碾压混凝土重力坝施工提供了重要的参考依据。

彭水水电站；碾压混凝土；层间间隔时间；层面处理方式；抗剪断特性

1 概 述

彭水水电站位于乌江下游河段，彭水县城上游，距彭水县城11 km，距河口涪陵147 km。彭水水电站为碾压混凝土弧形重力坝，坝顶高程301.5 m，最大坝高116.5 m，是乌江干流水电开发的第10个梯级电站。工程以发电为主，兼顾航运、防洪等综合利用。正常蓄水位293m，相应库容为14.44亿m3。电站装机5台，单机容量350 MW，总装机1 750 MW。

碾压混凝土作为一种振动压实的干硬性材料，由于具有可以大仓面快速施工、减少水泥用量、简化温控措施等优点，在水利工程中得到了广泛应用。但是，碾压混凝土层间缺陷直接影响坝体的整体性，从而大大减弱坝体的防渗性能，更甚者可能影响大坝的安全运行。要确保层面的结合质量，主要是控制好层面的层间间隔时间和采用合理的层面处理方式。

大坝碾压混凝土的碾压工艺试验及原位抗剪试验在彭水水电站替溪沟渣场试验块上进行。试验块的平面尺寸为长32 m、宽16 m，试验块高度方向分6层，底层为找平混凝土，1～6层为碾压混凝土，原位抗剪试验布置在试验块的第5和第6层（顶层）。

2 碾压混凝土原材料及配合比

2.1 原材料

试验用水泥为华新水泥股份有限公司生产的42.5MPa中热硅酸盐水泥，试验用粉煤灰为重庆珞璜电厂I级粉煤灰，外加剂为江苏博特新材料股份有限公司生产的JM-II（c）缓凝高效减水剂及JM-2000引气剂，碾压混凝土工艺性试验采用的砂石骨料为彭水鸭公溪砂石系统生产的以灰岩为母岩的人工砂石骨料。

2.2 碾压混凝土配合比

本次工艺性试验主要针对彭水水电站大坝C9020，C9015碾压混凝土进行，试验所用的配合比是根据室内试验［1］及本工程碾压混凝土设计要求拟定的，配合比参数如表1所示。

2.3 砂浆（净浆）配合比

碾压混凝土层面结合所用的砂浆和净浆配合比见表2。

表1 碾压混凝土工艺性试验施工配合比［1］Table 1 Mix proportion of RCC for Penshui Hydropower Station

表2 碾压混凝土层面结合用砂浆（净浆）配合比［1］Table 2 Mortarmix proportion used in connection of layer surface of RCC

3 碾压混凝土原位抗剪试验

3.1 试验布置与试件制作

3.1.1 试验布置

原位抗剪试验布置在试验块的第5和第6层（顶层），以第5层为基层，顶层布置4个条带16个试验区，安排16组不同级配、不同间隔时间和层面处理方法的原位抗剪试验。间隔时间的确定以碾压混凝土在现场环境条件下的凝结时间试验结果为依据。根据试验结果，在当时现场环境条件下，掺0.6%JM-II（c），C15碾压混凝土的初凝时间约6 h，终凝时间约28 h。

每组原位抗剪试验布置5个试件，以满足5级不同法向应力的试验要求。试验块的碾压混凝土品种、间隔时间和层面处理方法见表3。

表3 各试验区的碾压混凝土品种、间隔时间和层面处理方法对照表Table 3 Variety，time interval and layer surface treatmentway of RCC for every test region

3.1.2 试验制作

碾压混凝土养护至90 d龄期的前30 d开始制作原位抗剪试件。试件制作按放样、切割、开挖、细凿加工的程序进行，试件尺寸为50 cm×50 cm，高度约30 cm，试件底部以层面控制，试件顶部用砂浆找平，以满足法向加荷的需要。共制作16组80个原位抗剪试件。

3.2 试验设备与试验方法

原位抗剪试验设备主要有3个系统组成，包括垂直反力系统、水平加载及传力系统和位移测量系统，见图1所示。

图1 原位抗剪试验设备与安装示意图Fig.1 Sketch of equipment and installation of in-site shear test

原位抗剪试验按照SL48-94《水工碾压混凝土试验规程》及SL264-2001《水利水电工程岩石试验规程》的规定进行。采用平推法，推力方向与层面平行且与振动碾压方向垂直。每组5块试件，试验最大法向应力按彭水大坝设计最大正应力的1.2倍计算，取3.5 MPa，分0.7 MPa，1.4 MPa，2.1 MPa，2.8 MPa和3.5 MPa 5个等级［2］。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 不同层间间隔时间碾压混凝土层面抗剪断

特性

根据试验块浇筑时段彭水工地室外碾压混凝土凝结时间试验结果，分3个时间段，间隔时间在6 h以内，碾压混凝土尚未初凝，层间结合缝属于所谓的“热缝”［3］，属第1时间段；间隔时间为8 h、12 h、18 h和26 h时，碾压混凝土处于初凝后终凝前的阶段，层间结合缝属于所谓的“温缝”［3］，属第2时间段；间隔时间为45～48 h时，碾压混凝土已经终凝，层间结合属于“冷缝”，属第3时间段。不同时间段碾压混凝土层面现场原位抗剪结果见表4。

试验研究结果表明，当垂直正应力δ＝2.8 MPa时，随着层间间隔时间的延长即由3 h到48 h，碾压混凝土的极限抗剪强度即最大剪应力由7.09 MPa逐渐降至3.27 MPa；也就是说，对于有层面碾压混凝土，按目前的施工工艺，层面不论采取何种处理方式，其层间极限抗剪强度均随层间间隔时间的延长而降低。因此，尽可能缩短碾压混凝土层间间隔时间，保持现场施工的延续性，尽可能减少层间“温缝”或“冷缝”，是保证碾压混凝土层面结合质量的关键。

表4 RCC现场原位抗剪试验结果Table 4 Results of RCC shear test in site

3.3.2 采用不同层间处理方式的碾压混凝土层面抗剪断特性

碾压混凝土常用的层间处理方式主要包括以下几种：在铺筑上层混凝土以前，在层面上铺一层胶凝材料净浆、砂浆、细骨料混凝土等；层面本身分为冲毛和不冲毛处理2种情况。本次试验重点研究了4种不同层间处理方式，即层面不处理、层间铺砂浆、层间铺净浆、层面冲毛铺砂浆。试验结果见表4、表5。

试验研究表明：

（1）由于层间间隔时间的不同，采用上述各种处理方式所得的层间碾压混凝土的抗剪断强度是不同的；

（2）碾压混凝土初凝前（第1时间段），也就是层间间隔时间在6 h以内，层面不处理比层面铺净浆，其最大剪应力τ（δ＝2.8 MPa）和摩擦系数f＇分别提高9.8%和1.4%（图2、图3所示）。也就是说，在正常施工条件下，根据浇筑强度及适宜的碾压机械，并选用合适的优质外加剂，碾压混凝土层间间隔时间只要在碾压混凝土初凝时间以内，在下层混凝土上直接铺筑上层混凝土，在振动碾压作用下，上下层混凝土交界处的粗骨料将相互嵌入，层面处胶凝材料浆受振液化使上下层混凝土成为一体，此时施工层面性能与碾压混凝土本体性能差别不大，也就是说，下层碾压混凝土在初凝前具有触变复原的性能，此时层面不处理直接铺筑碾压比较适宜；

表5 不同层间处理方式RCC现场原位抗剪特性参数Table 5 Character parameters of in-situ RCC shear test with different layer-built treatmentmanners

图2 最大剪应力与层间处理方式的关系Fig.2 Relation between maximum shear stress and layer-built treatmentmanner

图3 摩擦系数与层间处理方式的关系Fig.3 Relationship between friction coefficient and layer-built treatmentmanner

（3）碾压混凝土初凝后终凝前（第2时间段），也就是层间间隔时间在6～26 h之间，最大剪应力τ和粘聚力c＇为层面不处理铺净浆时，其值最大；摩擦系数f＇为层面不处理铺砂浆时，其值最大（如图2、图3所示）。

f＇与c＇是混凝土坝抗滑稳定计算的2个重要参数，其值越大，坝体抗滑稳定系数越高。单从试验结果看，不能简单地判定铺砂浆和铺净浆哪一种方式对层面结合有利，而必须针对具体情况具体分析。从碾压混凝土层面的胶结机理方面分析，碾压混凝土的上下层间必须通过上下层物料间的胶结作用以及上下层粗细骨料间的有效咬合以保证其层面结合强度。从作为胶凝材料这一目的看，胶凝材料净浆的胶结作用要比水泥砂浆强；而从碾压混凝土的压实机理方面分析，考虑到混凝土拌和料的摊铺和压实过程中不可避免出现在层面上的架空现象，显然铺砂浆更有利于防止骨料层面上的架空，因此从这个角度看，铺砂浆比铺净浆更有利。层面冲毛铺砂浆，摩擦系数f＇与前2种方式相比，其值下降约20%左右；最大剪应力τ（δ＝2.8 MPa）值下降约18%左右，这可能与此时碾压混凝土尚未终凝、冲毛时强度较低，混凝土表层结构受损形成薄弱层有关。

因此，从提高层面结合质量、便于施工控制等多方面考虑，在碾压混凝土初凝后终凝前，建议优先选用层面不处理铺净浆的处理方式。

（4）碾压混凝土终凝后（第3时间段），层间间隔时间在45～48 h之间，比较层面冲毛铺砂浆与层面不处理铺砂浆2种处理方式（表4、表5所示），前者最大剪应力τ（δ＝2.8 MPa）、摩擦系数f＇、粘聚力c＇分别比后者提高20.8%，28.9%，5.7%，说明碾压混凝土终凝后必须对层面进行处理，以提高其粘结强度。

碾压混凝土终凝后，本身具有一定的强度，此时对层面进行冲毛（凿毛）处理，一般不会破坏混凝土的结构。冲毛（凿毛）处理的层面，混凝土表面具有0.5～1.0 cm的不平整度，为防止上层混凝土拌和料中的骨料在层面架空或骨料与已凝结的水泥石直接接触，在冲毛（凿毛）处理的层面上铺一层1.5～2.0 cm厚度的砂浆，通过振动碾压作用，使上层混凝土骨料有效地嵌入下层混凝土中，相互咬合，增大胶结面积，使上下层混凝土尽可能地融为一体，从而最终提高层面粘接强度。

4 结 语

（1）对于有层面碾压混凝土，按目前的施工工艺，层面不论采取何种处理方式，其层间极限抗剪强度均随层间间隔时间的延长而降低，因此，尽可能缩短碾压混凝土层间间隔时间，保持现场施工的延续性，尽可能减少层间“温缝”或“冷缝”，是保证碾压混凝土层面结合质量的关键。

（2）碾压混凝土初凝前，下层碾压混凝土仍然具有触变复原的性能，在振动碾压作用下，上下层混凝土交界处的粗骨料将相互嵌入，层面处胶凝材料浆受振动液化作用，能使上下层混凝土成为一体，此时层面不处理直接铺筑碾压比较适宜。

（3）碾压混凝土初凝后终凝前，从提高层面结合质量、便于施工控制等多方面考虑，建议优先选用层面不处理铺净浆的处理方式。

（4）碾压混凝土终凝后，为防止上层混凝土拌和料中的骨料在层面架空或骨料与已凝结的水泥石的直接接触，在冲毛（凿毛）处理的层面上铺一层1.5～2.0 cm厚度的砂浆，通过碾压作用，使上层混凝土骨料有效地嵌入下层混凝土中，相互咬合，增大胶结面积，使上下层混凝土尽可能地融为一体，从而最终提高层面粘接强度。

［1］ 王迎春，蔡胜华，杨华全.彭水水电站混凝土配合比设计及性能试验研究报告［R］.武汉：长江科学院，2006.

［2］ SL264-2001，水利水电工程岩石试验规程［S］.

［3］ 肖焕雄，卢文波，胡志根，等.龙滩碾压混凝土重力坝层面处理措施研究［J］.红水河，2002，21（4）：26-29，37.

（编辑：赵卫兵）

Research on In-situ Shear Test of RCC for Pengshui Hydropower Station

ZHOU Lang1，CHEN Guo-sheng1，WANG Xiao-jun2
（1.Chongqing Datang InternationalWulong Hydropower Development.Co.Ltd，Wulong Chongqing 408506，China；2.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Joint quality between two layers in RCC（roller compacted concrete）has direct effect on the safety

of RCC dam，and the different time intervals between two layers roller compact and the different layers surface treatment are the key of connection.This paper discusses the influence of the different time intervals of two-layer roller compact and the different layer surface treatmenton shear properties of combination between RCC layers.The results show that：①shortening the time interval of two-layer roller compact asmuch as possible is the key to ensure the RCC quality of two-layer surface connection；②each layer surface doesn’tneed treatment，on which one may directly pour so as tomake RCC into an unity；③some treatmentmanners of layer surface in the period between early setting and final setting and after final setting are proposed.The finding provides important basis for RCC dam construction of Pengshui Hydropower Station.

Pengshui Hydropower Station；roller compacted concrete（RCC）；time interval of two-layer roller compact；layer surface treatment；shear property

TV431

A

1001-5485（2009）08-0076-04

2008-11-03；

2008-12-24

周 浪（1974-），男，重庆潼南人，工程师，主要从事水电建设技术及管理工作，（电话）023-77742570（电子信箱）zhoulang1025＠163.com。