沙牌水电站高拱坝碾压混凝土芯样长龄期性能试验研究

李光伟 ， 詹侯全， 刘宇欣， 王海波

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.中国水利水电科学院， 北京 100038)

沙牌水电站高拱坝碾压混凝土芯样长龄期性能试验研究

李光伟1， 詹侯全1， 刘宇欣1， 王海波2

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.中国水利水电科学院， 北京 100038)

对沙牌水电站拱坝高掺50%粉煤灰碾压混凝土芯样进行的长龄期性能试验研究结果表明：拱坝碾压混凝土的力学性能以及耐久性能仍在持续发展。与设计龄期的碾压混凝土相比，12年龄期的芯样抗压强度增加了58%，抗拉强度提高了7.4%，未出现拱坝碾压混凝土强度倒缩现象。其10年龄期的弹性模量提高了14.7%，极限拉伸值提高了22.2%，与国内其他工程碾压混凝土芯样的性能指标相比，沙牌水电站拱坝碾压混凝土具有弹性模量较低、极限拉伸值较高的特性。

沙牌水电站； 拱坝； 碾压混凝土； 芯样； 长龄期

0 前 言

碾压混凝土筑坝是20世纪80年代兴起的施工新技术，以其施工速度快、工期短、投资省、质量安全可靠、机械化程度高、施工简单、适应性强等优势，特别是建坝周期比同类的常态混凝土坝可以缩短工期三分之一以上，从而备受世界坝工界的青睐[1]。但由于碾压混凝土的粉煤灰掺量较高，其长龄期的性能也是工程界十分关注的问题。

沙牌水电站位于四川省阿坝州汶川县境内, 是岷江支流草坡河上游的龙头电站。该电站由碾压混凝土拱坝、泄洪闸、引水系统和地面厂房组成。拱坝高132 m , 是我国上世纪末建设的世界最高碾压混凝土拱坝, 坝型为三心圆单曲拱坝 , 底宽28 m ,顶宽9.5 m, 碾压混凝土设计方量为36.5万m3。电站分两期建设: 一期工程采用引水式开发，于1995年11月开始施工,1997年5月发电; 二期工程为高拱坝建设,于1997年6月开工建设, 2003年6月全面竣工。拱坝坝体主要采用三级配碾压混凝土，因坝体防渗的需要，在坝体上游部位采用二级配碾压混凝土，坝体碾压混凝土的设计强度等级均为90 d龄期的20 MPa[2]。

为了监测和研究沙牌水电站拱坝碾压混凝土长龄期性能及耐久特性，确保拱坝的安全运行，于2011年1月对沙牌水电站拱坝三级配碾压混凝土取芯进行长龄期性能试验研究。

1 拱坝混凝土原材料及配合比

沙牌水电站拱坝混凝土采用四川阿坝州白花水泥厂生产的中热水泥，该水泥采用高铁和低铝配方，具有低脆性、高抗裂性的特点。粉煤灰为宜宾黄桷桩电厂及成都关口电厂的Ⅱ级粉煤灰。骨料采用距离坝址3 km处的长河坝料场的花岗岩加工的人工骨料。该岩石受挤压动力作用产生变形，有局部碎裂或隐裂隙，裂缝被次生石英和绿泥石充填，属花岗岩变晶结构，矿物较为完整。其湿抗压强度为129～152 MPa，弹性模量为40.9～44.7 GPa，具有高强低弹的特性。

沙牌水电站拱坝碾压混凝土施工过程中，除温度较低时采用冬季施工配合比适当增加胶凝材料用量外，主要采用如表1所示配合比，其中粉煤灰掺量为50%，碾压混凝土的出机VC值控制在10 s左右,机口碾压混凝土的含气量控制在2.5%～3.5%[3]。

表1 拱坝碾压混凝土主要配合比

2 拱坝混凝土芯样性能试验研究

钻孔取芯是碾压混凝土质量检查的综合方法之一，长芯样的钻取能完全揭示碾压混凝土原状，真实地反映碾压混凝土的质量情况。为了研究沙牌水电站拱坝碾压混凝土长龄期性能及耐久特性，对沙牌水电站拱坝不同高程、不同时段浇筑的三级配碾压混凝土取芯进行芯样性能试验研究。取芯工作累计造孔深度为150.23 m，芯样直径为20 cm，合计取芯长度为134.57 m。

2.1 拱坝混凝土芯样物理性能

在所加工的238块芯样试件中，表面光滑的占80%以上，基本光滑的占15%以上；表面致密的占90%左右，表面稍有孔的占5%以上；骨料分布均匀占75%以上，骨料分布基本均匀的占20%以上。表明沙牌水电站拱坝碾压混凝土芯样的表面光滑程度、表面致密程度、骨料分布的均匀性均较好，且层间接触面结合良好。

按照《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)[4]中“碾压混凝土表观密度测定”的规定，对拱坝碾压混凝土芯样的表观密度进行了测定，芯样的表观密度为2 450～2 509 kg/m3，平均值为2 478 kg/m3，满足设计要求，表明拱坝碾压混凝土的压实质量较好。

2.2 拱坝混凝土芯样强度性能

芯样的抗压强度和劈拉强度依据《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)中规定的试验方法进行，采用1 ∶1高径比的试件，试件直径和高度均为20 cm。不同时段浇筑的碾压混凝土芯样强度性能(已折算成标准试件强度)见表2，不同龄期拱坝碾压混凝土强度性能见图1。

表2 拱坝碾压混凝土芯样强度性能

图1 拱坝碾压混凝土的强度性能

由图1可以看出：与90 d设计龄期的强度相比，拱坝碾压混凝土9年、10年、12年各龄期的抗压强度分别增长了28%、47%和58%，各龄期的抗拉强度增长了5.1%～7.4%。表明沙牌水电站拱坝高掺50%粉煤灰的碾压混凝土的强度是随着龄期的增加而增长，未出现混凝土强度“倒缩”的现象。

2.3 拱坝混凝土芯样变形性能

芯样的弹性模量及极限拉伸试验均依据《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)中规定的试验方法进行，采用2 ∶1高径比的试件，试件直径为20 cm，高度为40 cm。其中极限拉伸试件两端采用粘接方式与试验机加载装置相连接，芯样弹性模量及极限拉伸试验的装置及试件的测量见图2。

图2 拱坝碾压混凝土芯样变形性能试验

不同时段浇筑的碾压混凝土芯样弹性模量及极限拉伸试验结果见表3，其中芯样的极限拉伸值按照湿筛碾压混凝土与全级配碾压混凝土极限拉伸的比值进行了换算[5]，不同龄期拱坝碾压混凝土变形性能见图3。

表3 拱坝碾压混凝土芯样变形性能

图3 拱坝碾压混凝土的变形性能

由试验结果可以看出：随着龄期的增长，拱坝碾压混凝土的弹性模量与极限拉伸值都有所提高。其9年和10年龄期的弹性模量较90 d设计龄期的弹性模量分别提高了4.9%和14.7%，9年和10年龄期的极限拉伸值较90 d设计龄期的极限拉伸值分别提高了4.6%和22.2%。与国内其他工程碾压混凝土芯样的性能指标相比[1]，沙牌水电站拱坝10年龄期芯样具有弹性模量较低，极限拉伸值较高的特点，这是由于当地花岗岩具有的特性所致。

2.4 拱坝混凝土芯样耐久性能

将芯样经二次加工为直径150 mm，高150 mm的圆柱体，然后将试件放入混凝土抗渗试模中，周围浇筑高标号砂浆，试件与砂浆接触的缝隙用环氧砂浆胶结，标准养护至28 d龄期，依据《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)中规定的试验方法进行抗渗性能试验。芯样的抗渗试验结果见表4。

由试验结果可以看出：拱坝碾压混凝土9年、10年和12年芯样的抗渗等级均大于W12，与90 d设计龄期W8的设计要求相比，拱坝碾压混凝土的抗渗能力有所提高。

表4 拱坝碾压混凝土芯样抗渗性能

2.5 拱坝混凝土芯样动态性能

混凝土材料具有率敏感性，其力学特性与加载速率相关，混凝土结构在动载荷作用下其动态强度、动态弹性模量以及动态极限拉伸等物理参数均与静态力学参数有较大差异。沙牌水电站地处汶川地震中心区域，研究沙牌水电站拱坝碾压混凝土的动态性能对评估汶川地震对沙牌水电站拱坝的影响，揭示沙牌水电站拱坝真实抗震性能十分必要。

分别选择0.2×10-3/s、1.2×10-3/s、5.0×10-3/s和10.0×10-3/s等四种应变速率，采用中国水利水电科学研究院的15 MN动、静态材料试验机，开展拱坝碾压混凝土芯样的动态性能试验。试验结果表明：动态荷载作用下拱坝碾压混凝土芯样的抗压强度和劈拉强度均随应变率有明显增加的趋势，较静态对应的强度均有所提高，其中抗压强度增加25%～60%，劈拉强度增加32.0%～52.0%。动态荷载作用下拱坝碾压混凝土芯样的弹性模量较静态对应的值变化不大。动态荷载作用下拱坝碾压混凝土芯样的极限拉伸值随应变率有明显增加的趋势，较静态对应的值增加3%～22%。

3 分析与讨论

掺入碾压混凝土中的粉煤灰在早期发挥形态效应和微集料效应，在混凝土凝结硬化的中后期，粉煤灰中的活性氧化物与水泥的水化产物发生“二次水化反应”，生成稳定的水化产物。通过XRD和SEM法的微观分析证明[6]:碾压混凝土中的水化反应主要水化产物为水化硅酸钙、水化硫铝酸钙、水化碳铝酸钙以及少量的氢氧化钙，与常态混凝土基本一致，主要水化产物是稳定的，混凝土内部结构是致密的。

试验研究表明[7-8]：碾压混凝土中的胶凝材料经过6年和9年龄期后，仍然具有一定的残余水化能力。高掺70%粉煤灰的10年碾压混凝土芯样中仍存在有少量的氢氧化钙，碾压混凝土中的粉煤灰“二次水化反应”仍在继续。对8年龄期碾压混凝土芯样微观分析结果显示(见图4)[7]，芯样中的主要水化产物与短龄期的碾压混凝土主要水化产物品种和形貌并无明显的不同，原状粉煤灰已很少发现，说明粉煤灰的水化反应已经比较充分，未水化的粉煤灰已被水化产物所包裹和覆盖，以微集料的形式存在与水化产物粘结成整体，形成均匀密实的结构。

图4 8年龄期碾压混凝土芯样微观结构

混凝土的性能与其水化产物的稳定性和混凝土的孔隙构造直接相关，高掺粉煤灰碾压混凝土的水化产物稳定，混凝土的孔结构致密，因此碾压混凝土的性能在一定的年限内，会随着龄期的延长而增长。

4 结 语

为降低拱坝大体积混凝土的温升，提高拱坝混凝土的抗裂能力，沙牌水电站拱坝碾压混凝土采用高掺50%粉煤灰的工程措施。对沙牌水电站拱坝高掺50%粉煤灰碾压混凝土芯样进行的长龄期性能试验研究结果表明：拱坝碾压混凝土的力学性能以及耐久性能仍在持续发展，与设计龄期的碾压混凝土相比，12年龄期的芯样抗压强度增加了58%，抗拉强度提高了7.4%，拱坝碾压混凝土未出现强度倒缩现象。其10年龄期的弹性模量提高了14.7%，极限拉伸值提高了22.2%，与国内其他工程碾压混凝土芯样的性能指标相比，沙牌水电站拱坝碾压混凝土具有弹性模量较低、极限拉伸值较高的特性。

[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] 陈秋华.沙牌碾压混凝土拱坝的技术创新及成就 [J].水电站设计，2006(2):13-17.

[3] 杨柳，李重周，刘更军. 沙牌拱坝高抗裂碾压混凝土材料的优选研究与应用[J]. 四川水力发电, 2003(1): 38-42.

[4] SL352-2006. 水工混凝土试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，2016.

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[6] 周守贤，邝亚力，肖振舜.高混合材碾压混凝土研究[C]//国际碾压混凝土坝学术讨论会论文集，1991：149-155．

[7] 方坤河，阮燕，曾力．少水泥高掺粉煤灰碾压混凝土长龄期性能研究[J]．水力发电学报，1999(4):18-25．

[8] 黄锦添，蓝文坚，何玉珍. 岩滩水电站大坝及围堰高掺粉煤灰碾压混凝土长龄期性能试验与研究[C]//中国碾压混凝土坝20年.北京：中国水利水电出版社，2006.

2017- 03- 29

李光伟(1962-)，男，湖北武汉人，教授级高级工程师，从事水工混凝土原材料及混凝土性能试验研究。

TV642；TV431

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1003-9805(2017)04-0070-04