金安桥大坝碾压混凝土芯样及原位抗剪试验

李迪光，李金磊，刘相鑫

（1.金安桥水电站有限公司，云南 丽江 674100；2.汉能控股集团有限公司开发管理部，北京 100031）

0 引言

金安桥水电站碾压混凝土重力坝最大坝高160 m，坝顶长640 m，坝体共分21个坝段，大坝混凝土工程量约360万m3，其中碾压混凝土242万m3。碾压混凝土于2007年5月开始浇筑施工， 2009年12月底浇筑完成。按照设计要求，进行大坝碾压混凝土钻孔取芯和压水检查试验。通过对碾压混凝土芯样进行力学性能、耐久性试验及压水检查,并结合大坝碾压混凝土现场原位抗剪试验，综合评价金安桥水电站大坝碾压混凝土的施工质量。

1 原材料及混凝土技术指标

金安桥水电站大坝碾压混凝土所用水泥为永保42.5中热硅酸盐水泥，粉煤灰为攀枝花利源厂生产的Ⅱ级粉煤灰，骨料为左岸砂石加工系统生产的玄武岩人工骨料。碾压混凝土采用ZB-1Rcc15缓凝高效减水剂，引气剂为ZB-1G。碾压混凝土的设计技术指标见表1。

表1 碾压混凝土设计技术指标

2 钻孔取芯及压水试验

2.1 孔位布置

碾压混凝土钻孔取芯的布孔是在混凝土达到设计龄期后，结合不同段坝的不同高程部位及上游防渗区、变态混凝土、汽车入仓扰动等影响仓内混凝土质量的薄弱环节，所布孔位具有代表性。孔位布置避开安全监测仪器、管线及其他预埋件的位置。

碾压混凝土二级配区钻取的φ150 mm芯样，采用HGY-300钻机φ168 mm钻具钻取；碾压混凝土三级配区φ200 mm芯样，用HGY-300钻机φ219 mm钻具钻取。

2.2 芯样描述

金安桥水电站大坝碾压混凝土先后安排3次钻取芯样，累计取出φ200 mm和φ150 mm大于10 m的长芯样10根；钻孔总计长791.25 m，芯样获得率为98.86%，平均长度为0.98 m。芯样的长度和获得率属国内前列。2009年5月11日在1号坝段取出一根φ150 mm、长16.49 m的超长芯样。2008年12月22日在11号坝段11-Ⅱ-01深40.07 m的同一孔内，取出一根φ150 mm、长15.73 m芯样和两根分别长为10.92、10.36 m的芯样，刷新了在同一个碾压混凝土钻孔中取出3根超过10 m的芯样纪录。

取出的碾压混凝土芯样外观表面平整、光滑、骨料分布均匀，结构密实、气孔少，骨料架空现象少。在对芯样进行编号和素描后，具有代表性的超长芯样，存放在左坝肩EL.1424养护水池里长期保存；一般芯样堆放在2号渣场，然后选送到委托单位进行芯样力学性能和耐久性试验。

2.3 压水试验成果分析

碾压混凝土压水孔为φ75 mm，压水检查孔布置考虑了防渗区和主填筑区的不同部位。压水孔每3 m为一压水段长，采用单点法进行压水试验，第一段压力为0.3 MPa，第二段压力为0.6 MPa，其余各段压力均为1.0 MPa。压水试验压力结束标准：在稳定的压力下每5 min读一次压水流量，在流量无持续增大趋势、每一次连续5个流量中最大值与最小值之差小于最终值的10%时，全孔压水试验结束，用满足要求的水泥砂浆封孔。总压水段数为58段。

压水试验结果表明：碾压混凝土最小透水率为0.02 Lu，最大透水率为0.90 Lu（孔口段）；透水率小于0.1 Lu、0.1～0.5 Lu、0.5～1.0 Lu的段分别占总段数的33%、62%、5%；大坝碾压混凝土整体抗渗性能良好。

3 芯样试验

3.1 容重和抗压强度

对碾压混凝土坝所取芯样，进行抗压强度试验，最后换算成150 mm3的抗压强度，试验结果见表2。

表2 芯样抗压强度、容重试验结果

二级配C9020混凝土芯样 （15组）抗压强度平均值为26.0 MPa，最大值 32.5 MPa，最小值18.6 MPa，满足二级配抗压强度设计要求。三级配C9020混凝土芯样 （15组）抗压强度平均值为24.1 MPa，最大值38.6 MPa，最小值17.9 MPa，满足三级配抗压强度设计要求。

二级配C9020碾压混凝土容重检测25组，平均值为 24 901.8 kN·m-3， 最大值为 25 382 kN·m-3， 最小值为24 059 kN·m-3；三级配C9020碾压混凝土容重检测40组，平均值为25 881.8 kN·m-3，最大值为26 744.2 kN·m-3， 最小值为 25 215.4 kN·m-3。 符合玄武岩骨料容重值较大的特性。

3.2 抗拉强度、极限拉伸值和静力抗压弹性模量

芯样抗拉强度和极限拉伸值的试验结果见表3。

表3 芯样抗拉强度、极限拉伸值结果

二级配C9020混凝土芯样轴心抗拉强度平均值为1.09 MPa，最大值1.12 MPa，最小值0.92 MPa。极限拉伸值平均为0.69×10-4,最大值 0.80×10-4，最小值0.53×10-4。三级配C9020混凝土芯样轴心抗拉强度平均值为1.01 MPa，最大值1.42 MPa，最小值0.70 MPa。极限拉伸值平均为0.59×10-4，最大值0.77×10-4， 最小值0.47×10-4。 说明两种级配混凝土抗拉强度和极限拉伸值均满足设计要求。

二级配C9020和三级配C9020混凝土芯样所测得的静力抗压弹性模量分别为31.5、29.45 GPa，均比设计的35 GPa低，有利于坝体抗裂。

3.3 抗剪强度

碾压混凝土芯样抗剪强度试验，做了2组二级配C9020（本体热缝）和5组三级配C9020（本体热缝和层面冷缝），结果见表4。

从表4可以看出：二级配和三级配混凝土的本体热缝、层面冷锋的抗剪强度参数均能满足设计要求；本体热缝的抗剪强度比层间冷缝参数要高。

3.4 抗渗和抗冻等级

选取3组二级配C9020和4组三级配C9020碾压混凝土芯样，进行抗渗等级试验。二级配C9020和三级配C9020芯样在0.9 MPa下渗水高度分别为9.2、11.7 cm，抗渗等级均满足W8设计要求，但劈开后其渗水高度均较高，6个试件中有1、2个全透水。

对三级配C9020碾压混凝土芯样进行2组 （6块）抗冻试验，其抗冻等级5块为F75（检测龄期为 294～360 d），1块为 F50（检测龄期为 294 d），低于F100设计要求。原因在于：混凝土运输、层面摊铺碾压过程，混凝土含气量有损失；现场施工的混凝土芯样浆体量少于试验室标准条件要求量；芯样在钻取、运输以及切割过程中，对混凝土芯样会有影响，造成芯样混凝土抗冻损坏加速，抗冻等级降低。但这不影响碾压混凝土的耐久性。

4 现场原位抗剪试验

4.1 场地布置

大坝碾压混凝土现场共布置6组原位抗剪断试验，分两次进行：第一次于2008年12月在11号坝段坝后高程1 317.5 m平台进行，试验分3组，每组5块试件，混凝土设计等级为三级配C9020W6F100碾压混凝土；第二次试验在2009年2月进行，试验位置为1号坝段坝1 422.5 m高程，试验分3组，每组5块试件，混凝土设计等级为三级配C9015W6F100碾压混凝土。

4.2 试验方法

试验采用平推法，剪切方向与坝体实际受力方向一致。

（1）垂直荷载的施加方法。碾压混凝土现场抗剪断试验采用多点峰值法，最大正应力3.0 MPa，5块试件的正应力初步设定为0.6、1.2、1.8、2.4、3.0 MPa。每块试件的垂直荷载分3～5级施加，每加一级垂直荷载，经5 min测读一次垂直变形，再施加下一级荷载。加到预定荷载后，当连续两次垂直变形读数之差不超过0.01 mm时，认为已达到稳定要求，即可开始施加水平剪切荷载。

（2）剪切荷载的施加方法。开始按照预估最大剪切荷载的8%～10%分级均匀等量施加，当所加荷载引起的水平变形为前一荷载变形的1.5倍时 （或视具体情况确定），荷载减半按4%或5%施加，直至剪断。荷载的施加方法以时间控制，每5 min一次，每级荷载施加前、后各读变形一次。临近剪断时，密切注视和测记压力变化及相应的水平变形（压力及变形同步观测）。在整个剪切过程中，垂直荷载始终保持不变。

（3）试验过程中，随时记录试验中发生的调表、换表、碰表、千斤顶漏油、补压、混凝土松动、掉块等情况。

（4）对试块进行试验完成后，翻转试块，对剪断面的物理特征，如破坏形式、起伏情况、剪断面面积等进行描述和测算，并进行拍照。

4.3 成果分析

坝体三级配C9020W6F100和三级配C9015W6F100碾压混凝土现场原位抗剪断试验成果分别见表5、6（缝面工况为热缝）。

表5 C9020碾压混凝土现场原位抗剪断峰值强度参数

表6 C9015碾压混凝土现场原位抗剪断峰值强度参数

通过现场试验，坝体三级配C9020W6F100碾压混凝土原位抗剪断强度参数值 （热缝）显示，试件剪切破坏面沿缝面剪断或混凝土剪断，混凝土剪断面20%～45%，剪切面起伏差大，为5～7 cm，混凝土胶结良好，石子分布均匀。三级配C9015W6F100碾压混凝土原位抗剪断强度参数值 （热缝）显示，试件剪切破坏面沿缝面剪断或混凝土剪断，剪切面较平整，最大起伏差3～5 cm，混凝土胶结良好，石子分布均匀，有少量石子剪断；第二组混凝土试件有两块剪断面约50%～60%，剪切面起伏差大，约为8～9 cm。

5 结语

金安桥水电站大坝碾压混凝土芯样，表面光滑、结构致密、骨料分布均匀，层间接合良好，混凝土与基岩接触良好，钻孔压水检查结果满足设计要求。

碾压混凝土芯样的抗压强度、静力抗压弹性模量、抗拉强度、极限拉伸值、抗渗等级、抗冻等级、抗剪强度等力学性能试验和耐久性试验均满足设计要求。通过对大坝现场两次原位抗剪试验，坝体混凝土抗剪稳定参数满足设计要求，碾压混凝土层（缝）面胶接良好，石子分布均匀，大坝抗滑稳定性好。大坝碾压混凝土工程质量满足设计要求，碾压混凝土质量整体良好。

［1］ 田育功.碾压混凝土快速筑坝技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［2］ 张严明.中国碾压混凝土筑坝技术（2010）［M］.北京： 中国水利水电出版社，2010.

［3］ CECS 03:88 钻孔法检测混凝土强度技术规程［S］.

［4］ DL/T5150—2001 水工混凝土试验规程［S］.

［5］ SL264—2001 水利水电岩石试验规程［S］.