基于风化料的胶结砂砾石料力学性能研究与工程应用

王建有，王朝菲，李曙光

（1.郑州大学水利科学与工程学院，郑州450001；2.中国水利水电科学研究院，北京100038）

1 研究背景

胶结砂砾石坝［1-5］具有漫顶不溃、环境友好、施工快捷和工程造价低等优点，在中小型坝的建设和加固过程中具有很强的竞争力和应用前景，越来越多国内外学者对其材料性能和结构设计进行研究。目前许多学者已经对胶结砂砾石坝筑坝材料性能进行了研究，并取得了一定的成果。贾金生［6］于2004年提出胶凝砂砾石坝的概念，并成功应用于街面、洪口等胶结砂砾石围堰上；贾金生研究团队对胶凝砂砾石筑坝材料的耐久性能和新型防护材料进行了研究［7，8］，将研究成果应用到我国首座开工建设的胶结砂砾石坝永久工程—山西守口堡胶凝砂砾石坝。何蕴龙［9-12］研究团队研究了胶凝砂砾石坝的动力特性、地震响应规律及在覆盖层地基上修建的可能性。

上述研究的筑坝材料的性能指标较好，满足配制胶结砂砾石的要求。砂岩、泥岩、风化料等性能较差的骨料不满足配制胶结砂砾石的要求，还未在胶结砂砾石工程上应用。为进一步拓宽胶结砂砾石坝筑坝材料的选择范围，本文结合西江大坝的风化料开展配合比试验研究，通过微风化、强风化料复掺的方法配制了满足设计要求的胶结砂砾石，并基于有限单元法，对大坝进行应力-应变分析。

2 工程概况

西江大坝位于黔东南苗族侗族自治州西南部雷山县境内，主要任务为城市供水、农田灌溉和防洪，总库容447 万m3，正常蓄水位896.0 m，相应库容360 万m3。坝顶高程899.5 m，河床建基面高程851.0 m，最大坝高为49.5 m，坝顶宽6 m，坝轴线长198.5 m，坝体上、下游坡比为1∶0.6。坝址处河谷为对称“V”型斜向谷，水库正常蓄水位处谷宽约173 m，宽高比约为3.1。坝址处微风化料的储量不能满足西江大坝的回填，周围土地均为景区规划用地及国家保护林地，不能开挖取料，左坝肩处有强度较低的强风化料，强风化料具有强度低、风化程度高等工程特性。

3 胶结砂砾石配合比试验

为拓宽胶结砂砾石坝筑坝材料的选择范围，响应国家保护环境的号召以及实现胶结砂砾石坝零弃料的筑坝理念等原因，本文采用微风化料和强风化料复掺的混合骨料来进行配合比试验。

3.1 试验原材料

水泥采用普通硅酸盐42.5 水泥；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；减水剂为专用外加剂；砂石料为西江工程微风化料和强风化料，如图1所示。砂石料性能指标的测定数据可以参考表1的标识。

图1 风化砂砾石料

表1 骨料性能指标检测结果

由表1可见，强风化料各粒径骨料的表观密度在2 502～2 538 kg/m3之间，满足《胶结颗粒料筑坝技术导则》SL678-2014［13］（下文中缩写为导则）之中不应当低于2 450 kg/m3的要求。气干条件下，抗压强度以及点荷载强度指标相对偏低，实际检测数据是18.7 和1.2 MPa。微风化料压碎指标和含泥量数据相对较小，强度及表观密度数据较高，因此微风化料骨料品质较好。

3.2 配合比设计

开展了6 组胶结砂砾石配合比试验，其中强风化料占比分别为0%，20%，40%，60%，80%，100%，各试验组配合比见表2。

表2 各试验组胶结砂砾石配合比

依据《导则》及《水工混凝土试验规程》SL352-2006［14］中碾压混凝土的有关试验方法成型胶结砂砾石试件，在养护室中养护到相应龄期后进行抗压强度、弹性模量试验测试。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 抗压强度

各试验组试块的强度随龄期变化规律如图2所示，相对于组6的强度增强效果如图3所示。

图2 复掺胶结砂砾石抗压强度

图3 抗压强度提升效果

由图2可见，胶结砂砾石抗压强度随着强风化料占比的增加而减小，当强风化料掺量小于60%时，180 d 抗压强度为8.7～10.6 MPa，可以满足强度等级为C1806的设计标准。

由图3可见，在28 d 龄期时，1、2、3、4、5 试验组胶结砂砾石的抗压强度相对于6 试验组分别提升了112.1%、69.7%、39.4%、21.2%及9.1%；在180d龄期时，分别提升了85.9%、65.6%、50%、35.9%及18.8%。

完全采用强风化料不能配制满足设计要求的胶结砂砾石，当加入一定比例的微风化料时，可以显著提高胶结砂砾石的强度，且抗压强度随微风化料用量的增加逐渐增大。

3.3.2 弹性模量

1和4试验组弹性模量测试数据如表3所示。

表3 弹性模量试验结果

由表3可见，1 和4 试验组180 d 龄期弹性模量的均值是15.6 GPa 与12.1 GPa，有限元分析过程中相应的弹性模量数据设定为15和12 GPa。

4 有限元分析

4.1 有限元模型建立

使用Abaqus 软件针对西江大坝溢流坝段，构建相应的模型，模型具体信息及网格划分如图4和图5所示。

图4 西江大坝溢流坝段模型图

图5 网格划分图

4.2 工况及材料参数

4.2.1 工 况

（1）工况1：完建工况，只受重力荷载影响。

（2）工况2：正常蓄水位工况，上下游坝面受静水压力影响。

4.2.2 材料参数

坝体上半部分及下半部分采用配合比试验数据，基岩采用西江水库地质勘察设计报告中数据，防渗保护层和垫层采用文献［15］中数据，西江大坝溢流坝段各部位材料参数如表4所示。

表4 西江大坝溢流坝段各部位材料参数表

4.3 计算结果与分析

4.3.1 应力结果与分析

各工况下坝体-地基系统大、小主应力图如图6所示。

由图6可见，完建工况下，坝体大主应力呈现出从坝顶到坝底逐渐增大的规律，其值均为负值，坝体均受压应力。受自重荷载影响，坝踵及坝趾处应力值分别为-1.24 MPa和-1.15 MPa。坝体小主应力为-0.1 MPa左右的压应力。

图6 各工况下坝体-地基系统应力云图（单位：Pa）

正常蓄水位工况下，坝体未产生拉应力。受水压力及扬压力作用的影响，坝踵的大主应力数据为-0.709 MPa，相对于完建状态之下的应力数据显著下降。坝体的小主应力均为小于-0.24 MPa 的压应力，应力数值相对偏低。受上游水荷载作用的影响，在上游坝基附近产生了+0.189 MPa的拉应力。

不同工况下坝体特征部位的应力见表5。

表5 特征部位应力MPa

由表5可见，西江大坝坝体应力水平较低，坝踵及坝趾位置产生了相应的应力集中现象。各工况下，最大应力数据为1.41 MPa，相应安全系数为4.26，符合《导则》关于应力的要求。

4.3.2 位移结果与分析

各工况时水平和竖向位移云图见图7。

图7 各工况下坝体-地基系统位移云图（单位：mm）

通过图7的数据可发现，完建工况下，坝体在自重荷载的影响下，其竖向位移随着高程的增加逐渐变大，在坝顶处产生最大竖向位移，其数值为-2.95 mm。随着地基深度的加深坝基的竖向位移逐渐减小，系统的竖向位移沿坝轴线对称分布。

正常蓄水位工况下，受静水压力和扬压力的共同作用，其竖向位移均为负值。在上游静水压力影响下，坝体水平位移向下游产生明显倾斜。从坝基到坝顶，竖向位移值随高程增加而变大，在坝顶处产生-3.34 mm 的最大竖向位移，与完建工况的最大竖向位移相比略有增大。

各工况下西江大坝特征部位的位移如表6所示。

表6 特征部位位移mm

通过表6的数据可发现，各工况下坝体的位移相对较小，坝顶处产生-3.342 mm的最大竖向位移。

5 结 论

本文以西江大坝工程的风化料为研究对象，通过配合比试验研究，配制出满足强度要求的胶结砂砾石，并基于有限单元法，对西江大坝进行应力-应变分析。结论如下：

（1）完全使用强风化料配制的胶结砂砾石无法满足设计强度要求；当强风化料掺量低于60%的情况下，180 d 龄期的抗压强度数据为8.7～10.6 MPa，可符合C1806的设计要求。

（2）西江大坝在各类工况下其整体应力数据偏低，同时分布也相对均匀。最大压应力出现在坝趾处，其应力值为1.41 MPa；各工况下坝体位移均小于5 mm，变形较小。□