某水电站大坝裂缝化灌混凝土芯样抗剪试验研究

李　伟，沈　蓉，赵云川，龚维群

(中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司，昆明　650033)

某水电站大坝裂缝化灌混凝土芯样抗剪试验研究

李伟，沈蓉，赵云川，龚维群

(中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650033)

摘要：混凝土拱坝、重力坝等的大体积混凝土在浇筑过程中产生的温度裂缝可能会成为大坝的安全隐患，尤其会降低大坝混凝土的抗拉、抗剪力学性能，影响大坝的长期稳定性和降低大坝的寿命。某水电站在大体积混凝土浇筑过程中，部分坝段受温度影响，形成一些贯通裂缝。采用该水电站大坝坝体的裂缝灌浆材料，在室内进行了无缝本体混凝土芯样抗剪试验、带缝(劈裂造缝)坝体混凝土立方体试件及混凝土芯样模拟化灌后的抗剪试验、化学灌浆后裂缝完整粘结的坝体混凝土芯样抗剪试验，并对试验结果进行了比较和分析。结果表明：该工程坝体裂缝经化灌处理后，其抗剪特性参数f ′可以达到本体混凝土的83%；c′可以达到本体混凝土的68%；室内模拟灌浆的效果更好，f ′可以达到本体混凝土水平，c′可以达到85%以上。化学灌浆是处理大坝裂缝，提高混凝土抗剪强度和抗渗性能的一个有效措施，研究结果可以为化灌后混凝土的力学参数合理取值提供参考。

关键词：大体积混凝土；温度裂缝；抗剪试验；模拟化灌；力学性能

1研究背景

随着我国水利水电事业的高速发展，根据坝基岩体力学性能及建设区建筑材料供给条件，混凝土拱坝、重力坝均在大江大河中得到广泛应用；大体积混凝土浇筑过程中形成的温度裂缝势必会成为大坝的安全隐患。

某水电站坝高约290余m，坝体分为3区，即A区——强约束区，B区——弱约束区，C区——非约束区。在大体积混凝土浇筑过程中有些坝段由于温度的影响出现了较大拉应力，从而产生裂缝。裂缝主要分布在970～1 127m高程及B区混凝土范围内。

裂缝的存在影响了坝体的整体性，削弱了坝体刚度，若处理不好将影响坝体的安全。根据国内外研究情况，对于出现大坝温度性裂缝的情况下通常采用化学灌浆来提高混凝土的整体力学性能[1-5]。鉴于各方面研究成果，该大坝采用环氧树脂化灌材料对裂缝进行化灌处理,而采用混凝土剪切试验来评判化灌后混凝土的性能是一种简单可行的方法[6-10]。

为了对施工期混凝土裂缝造成大坝运行期的静力和动力影响进行深入分析和试验研究，开展了无缝本体混凝土芯样抗剪试验、立方体劈裂试件室内模拟化灌抗剪试验、带缝(劈裂造缝)坝体混凝土芯样模拟化灌抗剪试验、完整粘结裂缝芯样抗剪试验等坝体混凝土裂缝室内模拟化灌抗剪试验研究。通过灌浆前后的混凝土抗剪结果进行比较分析，对坝体灌浆效果进行初步评价，供化灌后混凝土的力学参数合理取值参考。

2试验设计

根据该电站大坝坝体不同高程，混凝土单元体裂缝损坏模型受力状态，按室内可开展的混凝土力学性能及坝体混凝土钻芯芯样的数量及尺寸，分别开展了以下几个方面的试验研究。

(1) 无缝本体混凝土芯样抗剪试验研究：采用大坝上钻取的芯样，加工后进行抗剪试验，以确定大坝本体混凝土的抗剪强度和抗剪特性参数f ′和c′作为比较的基础。

(2) 裂缝灌浆材料室内模拟化灌混凝土抗剪试验研究：根据施工现场的裂缝灌浆试验，选出适合该大坝裂缝处理灌浆材料及施工工艺及参数，作为室内模拟化灌的指标并进行模拟化灌前后的混凝土抗剪试验，为确定裂缝混凝土化灌后的力学参数取值的合理性提供依据。

(3) 带缝(劈裂造缝)坝体混凝土芯样模拟化灌抗剪试验研究：对取自大坝的混凝土芯样进行劈裂造缝，采用现场化灌的同类浆材进行模拟化灌。灌浆厚度分别为1，≤2，3mm，养护一定时间后进行抗剪试验。

(4) 完整粘结裂缝芯样抗剪试验研究：采用大坝现场原位取出的完整粘结裂缝混凝土芯样进行抗剪试验，分析原位灌浆对混凝土力学性能的改善。

3试验结果及分析

3.1无缝本体混凝土芯样抗剪试验

共进行22组无缝本体混凝土芯样抗剪试验，试验结果见图1。

图1　混凝土芯样抗剪峰值τ′-σ′关系曲线Fig.1　Curves of τ′-σ′ of original concrete coresamples from the dam

结果表明，用点群中心法回归的抗剪特性参数摩擦系数f ′的平均值为1.335、黏聚力c′的平均值为4.731MPa。本体混凝土芯样的抗剪强度参数均较高，说明该电站混凝土的浇筑质量较好。

3.2立方体劈裂试件室内模拟化灌后的抗剪试验

由现场施工单位给予配合，保留机口取样强度等级分别为C18040，C18035，C18030、试验龄期>90d经过劈拉试验后的立方体标准试件。将劈拉试验后的试件复原并用胶带缠牢，标注上成型日期、试件编号、所属坝段、强度等级及混凝土分区等信息。

共取得A,B,C3区劈拉后的原配混凝土试件30组，计180个。其中15组对劈裂缝进行模拟化学灌浆，另外15组不进行模拟化学灌浆，以比较灌浆前后的抗剪特性。

模拟化学灌浆的试件，在灌浆前先采用环氧胶泥将已劈开的裂缝进行表面封闭，再分别在每个试件裂缝的对称面，以裂缝为中心，骑缝钻5mm深的灌浆孔2个，并用清洁水冲洗干净，在孔内安装注浆嘴后用胶泥进行加固，待胶泥硬化后再对裂缝进行化学灌浆。

室内模拟化学灌浆试验采用施工现场提供的帕斯卡PSI-500环氧灌浆材料，配合比为A液∶B液=5∶1，与现场化灌使用的配比完全一致。

室内模拟灌浆设备采用现场施工使用的电动单液泵，同时备有手动单液泵；模拟化学灌浆起始压力设定为0.3～0.5MPa，对试件灌注时，从底部的灌浆嘴进浆，待上面的注浆嘴返浆后再封闭上面的注浆嘴管，待注浆压力达到设定压力后屏浆5min封管闭浆。进行28d养护，到龄期后用角磨机磨掉裂缝缝面的封闭胶泥后进行试验，封缝与钻孔工艺见图2。

图2　化灌封缝与钻孔工艺示意图Fig.2　Schematic diagram of crack sealing andborehole drilling for chemical grouting

图3　化灌前混凝土抗剪峰值τ′-σ′关系曲线Fig.3　Curves of τ′-σ′ of concrete core samplesbefore grouting

15组现场劈拉试验后不进行化灌混凝土抗剪试验摩擦强度数据回归结果见图3。 3个区化灌前混凝土抗剪强度参数均比较接近，抗剪特性参数摩擦系数f ′的平均值为1.013、黏聚力c′的平均值为0.580MPa。

15组劈拉试验后模拟化灌的混凝土抗剪试验数据用最小二乘法计算回归结果见图4。

摩擦系数f ′的平均值为1.314、黏聚力c′的平均值为4.019MPa。比较立方体劈拉试件劈裂缝进行化灌和不进行化灌的抗剪试验结果，进行过化灌的摩擦系数f ′为1.314，比不进行化灌的摩擦系数f ′为1.013提高30%,黏聚力c′从0.580MPa提高到4.019MPa。在正应力τ为3.0MPa的情况下，抗剪强度从3.62MPa提高到7.96MPa，提高120%，其贡献主要来源于黏聚力c′的提高，使混凝土的整体性得到很好的改善。

与本体混凝土芯样进行抗剪试验所得的摩擦系数f ′为1.335、黏聚力c′为4.731MPa相比，劈裂缝经过化灌后，f ′可以达到本体混凝土的98%，c′可以达到本体混凝土的85%。

虽然室内模拟混凝土化灌的条件，如灌浆压力与盖重、裂隙的分布与性状、化学浆液的强度、充填面积及粘结混凝土骨料的强度、混凝土试件尺寸等与现场有较大差别，试验结果的代表性是局限的。但化学灌浆对提高裂缝混凝土的强度和整体性的效果是明显的。

3.3带缝(劈裂造缝)混凝土模拟化灌芯样抗剪试验

混凝土芯样主要取自大坝A区和C区。芯样直径为130mm和200mm。试件的制作，先对混凝土芯样进行切割、磨平，用压力试验机将混凝土试件从中部沿横截面劈开，劈裂面特征见图5。

图5　劈裂后(灌浆前)混凝土芯样Fig.5　Concrete core samples after splitting(before grouting)

然后采用施工现场使用的帕斯卡PSI-500环氧灌浆材料(配合比：A液∶B液=5∶1)，按缝宽1,2,3mm3种工况对劈裂后的混凝土试件进行模拟化学灌浆。灌浆采用手动单液泵，灌浆起始压力设定为0.3～0.5MPa。共制作抗剪试件15块，模拟化灌后的混凝土试件见图6。

图6　灌浆后(剪切前)混凝土芯样Fig.6　Concrete core samples after grouting(before shearing)

3.3.1芯样直径130 mm和缝宽≤2 mm试件抗剪特性

进行了试件直径为130mm、缝宽≤2mm的混凝土化灌试验(抗剪试件为7块)，正应力为1.0～6.0MPa，剪断时的剪应力为5.937～12.584MPa。试件断面较平整，剪切破坏主要发生在混凝土本体而局部沿劈裂化灌面剪断，剪切面上大粒径的骨料多被剪断。通过对抗剪试验结果进行回归分析可知，抗剪特性参数f ′值为1.40，c′值为4MPa。

3.3.2芯样直径200 mm和缝宽1 mm试件抗剪特性

进行了试件直径为200mm、缝宽1mm的混凝土化灌试验(抗剪试件为4块)，正应力为1.0～5.0MPa，剪断时的剪应力为6.918～11.703MPa。试件断面起伏大，主要从混凝土本体骨料边缘剪断，通过对抗剪试验结果进行回归分析可知，抗剪特性参数f ′值为1.34，c′值为5.50MPa。

3.3.3芯样直径200 mm和缝宽3 mm试件抗剪特性

进行了试件直径为200mm、缝宽3mm的混凝土化灌试验(抗剪试件为4块)，正应力为1.0～5.0MPa，剪断时的剪应力为3.976～9.824MPa。试件断面基本平整，剪切破坏主要发生在混凝土本体，局部可见粒径较大的骨料被剪断。通过对抗剪试验结果进行回归分析可知，抗剪特性参数f ′值为1.28，c′值为4.1MPa。

模拟化灌混凝土试件大多沿混凝土本体剪断；仅局部沿化学灌浆面剪断，剪切面基本平整；大部分骨料均被剪断，见图7。与无缝本体混凝土芯样抗剪试验结果摩擦系数f ′为1.335、黏聚力c′为4.731MPa相比， f ′相当， c′有2个略低。说明接缝化灌具有良好的效果。

图7　灌浆后混凝土试件剪切断面Fig.7　Shearing section of concrete specimensafter grouting

3.4完整粘结裂缝芯样抗剪试验

5组试验样品均取自大坝B区含温度裂缝坝段，样品为经化学灌浆处理后钻取的完整粘结的混凝土芯样，直径为130mm，加工后直接进行试验。抗剪试验数据用最小二乘法计算回归，结果见图8。

结果表明：取自大坝含温度裂缝坝段，经过化学灌浆处理后的裂缝完整粘结的混凝土芯样，抗剪特性参数摩擦系数f ′的平均值为1.103、黏聚力c′的平均值为3.23。比较本体混凝土抗剪特性参数f ′=1.335，c′=4.731MPa的试验结果，该工程坝体裂缝经过化学灌浆处理后，其f ′可以达到本体混凝土的83%，c′可以达到68%。这个结果低于室内模拟灌浆试验的结果，这是因为室内条件控制优于现场的关系，也说明只要进一步加强现场的控制，化学灌浆处理裂缝的效果会更好。

4结论

通过对某水电站坝体无缝本体混凝土芯样抗剪试验、立方体劈裂试件室内模拟化灌后的抗剪试验、带缝(劈裂造缝)坝体混凝土芯样模拟化灌抗剪试验、完整粘结裂缝芯样抗剪试验的试验研究，得出以下几点结论：

(1) 22组无缝本体混凝土芯样抗剪试验得到的抗剪特性参数平均值，摩擦系数f ′为1.335、黏聚力c′为4.731MPa，大坝混凝土的浇筑质量较好。

(2) 15组立方体试件劈裂后模拟化灌的混凝土抗剪试验，摩擦系数f ′的平均值为1.314、黏聚力c′的平均值为4.019MPa。f ′可以达到本体混凝土的98%，c′可以达到本体混凝土的85%。

进行化灌和不进行化灌立方体劈裂试件的抗剪试验结果表明，化灌后摩擦系数f ′提高30%,黏聚力c′从0.580MPa提高到4.019MPa，抗剪强度得到很大提高，其贡献主要来源于黏聚力c′的提高，使混凝土的整体性得到很好的改善。

(3) 劈裂造缝的坝体混凝土芯样，经过室内模拟化灌后，其摩擦系数f ′与无缝本体混凝土相当， c′略低。说明接缝化灌具有良好的效果。

(4) 坝体温度裂缝经过化学灌浆处理后，在裂缝完整粘结的情况下，抗剪特性参数摩擦系数f ′的平均值为1.103、黏聚力c′的平均值为3.23MPa。其f ′可以达到本体混凝土的83%，c′可以达到68%。这个结果低于室内模拟灌浆试验的结果，这是因为室内条件控制优于现场的关系，也说明只要进一步加强现场的控制，化学灌浆处理裂缝的效果会更好。

(5) 化学灌浆是处理大坝裂缝，提高混凝土抗剪强度和抗渗性能的一个有效措施。研究结果可以为化灌后混凝土的力学参数合理取值提供参考。

参考文献：

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[4]蒋硕忠.我国化学灌浆技术发展与展望[J].长江科学院院报,2003, 20(5) : 25-27.

[5]谭日升,蒋硕忠,薛希亮.三峡大坝化学灌浆研究[J].长江科学院院报,2000, 17(6) : 4-8.

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[9]龙渝川,张楚汉,周元德.基于弥散与分离裂缝模型的混凝土开裂比较研究[J].工程力学,2008,25(3):80-84.

[10]金初阳,余冬生,张秉友.AS高强混凝土抗剪强度的试验研究[J] .水利学报,1992, (11) :75-80.

(编辑：王慰)

Shear Tests on the Concrete Core Samples for the Chemical Groutingof Dam Cracks of a Hydropower Project

LIWei,SHENRong,ZHAOYun-chuan,GONGWei-qun

(PowerChinaKunmingEngineeringCorporation,KunmingYunnan650033,China)

Abstract:Temperature crack in the pouring process of mass concrete of concrete arch dam and gravity dam could be a hidden troubles that affects the safety of the dam, especially reduces the tensile strength and shear mechanical properties of concrete dam, and also affects the long-term stability and the service life of the dam. During the pouring of mass concrete of a hydropower station, part of the dam was affected by temperature and cracks penetrated through. By using the crack grouting material for the hydropower station dam, we carried out indoor tests and compared the test results. The indoor tests include: shear test on the original concrete core sample with no crack from the dam, shear test on cube concrete samples with cracks (made by splitting) and concrete core samples after simulation chemical grouting, and shear test on concrete core samples with cracks fully bonded after grouting. Results show that after chemical grouting treatment on the cracks, the shear parameter f ′ reaches the 83% of the original concrete, and c′ s the 68% of the original concrete. The result of indoor chemical grouting simulation is better, with f ′ equaling the level of original concrete, and c′ reaching above 85% of the original concrete. Chemical grouting is an effective measure to treat dam cracks and improve the shear strength and the impermeability of concrete. The research results provide reference for reasonable values of mechanical parameters of concrete after chemical grouting.

Key words:mass concrete; temperature crack; shear tests; simulation of chemical grouting; mechanical property

收稿日期：2014-10-28；修回日期：2015-10-26

作者简介：李伟(1963-),男，四川资中人，高级工程师，主要从事大型水电站岩石力学试验、大坝岩土等方面的试验研究工作，(电话)13700695663(电子信箱)781153427@qq.com。

通讯作者：沈蓉(1960- )，女，四川成都人，教授级高级工程师，主要从事大型水电站岩石力学试验、大坝土工材料等方面的试验研究工作，(电话)13987667361(电子信箱)781153427@qq.com。

doi:10.11988/ckyyb.20140912

中图分类号：TU411

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0124-05

2016,33(06):124-128