守口堡水库胶凝砂砾石筑坝材料强度试验研究

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

胶凝砂砾石坝是在碾压混凝土坝和面板堆石坝的基础上发展而来的一种新坝型。它的施工方法与碾压混凝土坝相似，其特点是将少量胶凝材料和水掺入天然砂砾石材料中，采用经拌合设备拌和而成的一种低强度的材料来筑坝。胶凝砂砾石坝具备面板坝和碾压混凝土坝两者的优点，除此之外还具有缩小坝体断面、简化施工、缩短工期、减少费用等特点。由于胶凝砂砾石坝安全性高，抗震性强，对施工工艺及地基条件要求低，而且可就地取材，造价低廉，基本实现零弃料，对环境的负面影响小，在国际坝工界已经得到了普遍的重视[1]。目前，中国胶凝砂砾石坝的应用仅为围堰工程等一些临时工程的试验性应用，在永久性工程中没有应用先例[2]。山西省守口堡水库枢纽工程是中国第一座将胶凝砂砾石坝运用在永久工程中的水利工程，目前大坝尚在建设中，对其进行筑坝材料强度试验研究对于胶凝砂砾石坝的推广应用意义重大。

1 工程概况

守口堡水库位于山西省大同市阳高县，坝址位于黑水河上游段，坝控面积291km2，是一座小(1)型水库，水库总库容为980万m3，主要用于工业供水、农业灌溉及防洪等。大坝的主体为胶凝砂砾石，采用150mm×150mm×150mm的立方体试件180天龄期的极限抗压强度，设计强度为C6。基础垫层、靠近岸坡部位、廊道和底孔等建筑物常态混凝土周围为富浆胶凝砂砾石，采用150mm×150mm×150mm的立方体试件90天龄期的极限抗压强度，设计强度为C15。

2 试验方案

针对胶凝砂砾石筑坝材料的特性，分为室内试验和现场试验两部分。室内试验为在室内成型150mm×150mm×150mm的胶凝砂砾石和富浆胶凝砂砾石小试件，对其进行抗压强度的检测，得到小试件的抗压强度。现场试验为在守口堡水库胶凝砂砾石坝施工现场模拟坝体施工工艺制取350mm×350mm×350mm的胶凝砂砾石大试件和450mm×450mm×450mm的富浆胶凝砂砾石大试件，通过对制取的大试件进行试验研究，得到胶凝砂砾石和富浆胶凝砂砾石原型的抗压强度。对大试件进行劈裂试验，得到其劈裂抗拉强度。胶凝砂砾石和富浆胶凝砂砾石的配合比均采取守口堡水库工程拟定的配合比，见表1。

表1 守口堡水库胶凝砂砾石配合比 单位：kg

3 试验原材料检测

3.1 水泥

试验用的水泥普通硅酸盐水泥P.O 42.5，水泥的物理力学性能经检测符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的要求。

3.2 粉煤灰

试验用的粉煤灰为Ⅲ级灰，经检测符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)的要求。

3.3 砂砾石料

试验用的砂砾石料为守口堡水库砂砾石料场挖取的筛除150mm以上的大石块后的砂砾石，对其进行筛分，可得砂砾石料的颗粒级配。由于直接从砂砾石料场挖取的砂砾石中5～40mm的石料偏少，小于5mm的砂料偏多，而较高的砂率可能会影响胶凝砂砾石材料的强度，所以在使用前对砂砾石料的级配进行了优化，即添加25%的5～40mm的碎石，优化后砂砾石的颗粒级配见表2。富浆胶凝砂砾石试件添加的石子为当地5～100mm的碎石，经检测，外掺石子的物理化学性能符合标准要求。

表2 添加25%石子后砂砾石料颗粒级配试验结果

4 结果分析

4.1 小试件抗压强度试验结果

胶凝砂砾石(SJ)和富浆胶凝砂砾石(SFJ)小试件的成型试验在水工试验室中进行，由于试件胶凝材料用量较少，砂砾石料的粒径组成较复杂，所以要控制其成型过程。成型过程在振动台上完成，将胶凝砂砾石拌合物一次装入模具，装料时应用抹刀沿试模内壁略加插捣，使拌合物高出试模上口，振动应持续到胶凝砂砾石表面出浆为止。试件成型后进行标准养护，到达龄期后进行抗压强度检测。

胶凝砂砾石进行了三个不同砂率配合比的抗压强度试验，从表3可以看出，三个砂率胶凝砂砾石小试件的抗压强度均符合设计要求，其中，砂率含量为29%的小试件的抗压强度最大，为11.2MPa；砂率含量为34%的小试件抗压强度次之，为9.6MPa；砂率含量为39%的小试件抗压强度最小，为9.1MPa；表明砂率的大小会直接影响胶凝砂砾石的抗压强度。因此在进行施工时要对砂砾石料的级配进行优化以控制其砂率。富浆胶凝砂砾石进行了90天抗压强度的试验，试验分为三个砂率配合比进行，分别进行了不掺加石子和掺加15%石子的试验，从表4中可以看出，三个砂率胶凝砂砾石试件的抗压强度均符合设计要求，其中掺加石子和不掺加石子的试件抗压强度差别不大，表明外掺石子对富浆胶凝砂砾石的抗压强度影响不大，不掺加石子的富浆胶凝砂砾石试件可以满足设计要求。

表3 守口堡胶凝砂砾石小试件抗压强度

表4 守口堡富浆胶凝砂砾石小试件抗压强度

4.2 大试件抗压强度试验结果

胶凝砂砾石(SJL)和富浆胶凝砂砾石(SFJL)大试件的成型试验在守口堡水库坝址上游河床的胶凝砂砾石坝施工现场进行，试验采用的施工工艺皆与大坝相同，具体试验方案如下：在试验地修建模拟试验坝，坝体规格为11m×90m，胶凝砂砾石采用专用拌合设备进行拌制(与大坝拌合设备相同)，由自卸汽车直接运输至模拟试验坝，用推土机平料，铺料厚度每层350～450mm，铺2层，采用26 t碾压机碾压，静压压2遍，有振碾压4～8遍，用手扶式振动碾对碾压机无法碾压的边角部位进行碾压，碾压分两层进行；层间面铺设一层厚度为15mm的1∶3的水泥砂浆。碾压完毕后，放置180天后切割制取350mm×350mm×350mm和450mm×450mm×450mm立方体试件进行力学性能检测，检测设备为WAW-5000kN万能试验机，试验规程参照《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)。大试件分为胶凝砂砾石大试件和富浆胶凝砂砾石大试件两组，每组设置两个龄期进行抗压强度试验，由于现场切割的大试件并不规整，所以对其面积进行了实际测量，试验结果见表5。由表5可知，胶凝砂砾石大试件和富浆胶凝砂砾石大试件的强度均满足设计要求。

表5 守口堡胶凝砂砾石大试件抗压强度

4.3 大试件抗拉强度试验结果

为了进一步研究胶凝砂砾石大试件的强度以及大试件被破坏后内部结构的变化情况，采用劈裂破坏的方法对大试件的抗拉强度进行检测(由于大坝主体材料为胶凝砂砾石，故没有进行富浆胶凝砂砾石大试件的劈裂试验)，即在压力机上下压板与试件之间垫以垫条，垫条方向应与试件的顶面垂直，这样使试件上下受到的荷载为条形荷载，造成试件沿立方体中心切面的劈裂破坏，得到大试件的劈裂抗拉强度，见表6。由表6可以看出，胶凝砂砾石大试件的劈裂抗拉强度符合规范要求，强度可以满足设计要求。

表6 守口堡胶凝砂砾石大试件劈裂抗拉强度

5 结 语

通过守口堡水库胶凝砂砾石筑坝材料的室内试验和现场试验可以看出，按照工程拟定的配合比，胶凝砂砾石和富浆胶凝砂砾石大小试件的抗压强度均能满足设计要求，但在拌和过程中要注意对砂率的控制。添加石子和不添加石子对富浆胶凝砂砾石试件的抗压强度影响不大，因此施工过程中可以不外掺石子，充分发挥胶凝砂砾石因地取材的优点。对胶凝砂砾石大试件进行劈裂试验的结果表明胶凝砂砾石大试件的强度完全满足设计要求。试验表明，胶凝砂砾石筑坝材料的强度可以达到大坝的施工要求，经过严谨的施工控制，其可以在具备胶凝砂砾石大坝施工条件的地区推广应用。

由于胶凝砂砾石试验周期较长、检测条件有限，目前的试验仅进行了抗压强度和劈裂抗拉强度的试验，对其耐久性方面的研究还有待进一步开展。