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        基于風(fēng)化料的膠結(jié)砂礫石料力學(xué)性能研究與工程應(yīng)用

        2021-09-02 02:28:42王建有王朝菲李曙光
        中國農(nóng)村水利水電 2021年8期

        王建有,王朝菲,李曙光

        (1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州450001;2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京100038)

        1 研究背景

        膠結(jié)砂礫石壩[1-5]具有漫頂不潰、環(huán)境友好、施工快捷和工程造價低等優(yōu)點,在中小型壩的建設(shè)和加固過程中具有很強的競爭力和應(yīng)用前景,越來越多國內(nèi)外學(xué)者對其材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行研究。目前許多學(xué)者已經(jīng)對膠結(jié)砂礫石壩筑壩材料性能進(jìn)行了研究,并取得了一定的成果。賈金生[6]于2004年提出膠凝砂礫石壩的概念,并成功應(yīng)用于街面、洪口等膠結(jié)砂礫石圍堰上;賈金生研究團(tuán)隊對膠凝砂礫石筑壩材料的耐久性能和新型防護(hù)材料進(jìn)行了研究[7,8],將研究成果應(yīng)用到我國首座開工建設(shè)的膠結(jié)砂礫石壩永久工程—山西守口堡膠凝砂礫石壩。何蘊龍[9-12]研究團(tuán)隊研究了膠凝砂礫石壩的動力特性、地震響應(yīng)規(guī)律及在覆蓋層地基上修建的可能性。

        上述研究的筑壩材料的性能指標(biāo)較好,滿足配制膠結(jié)砂礫石的要求。砂巖、泥巖、風(fēng)化料等性能較差的骨料不滿足配制膠結(jié)砂礫石的要求,還未在膠結(jié)砂礫石工程上應(yīng)用。為進(jìn)一步拓寬膠結(jié)砂礫石壩筑壩材料的選擇范圍,本文結(jié)合西江大壩的風(fēng)化料開展配合比試驗研究,通過微風(fēng)化、強風(fēng)化料復(fù)摻的方法配制了滿足設(shè)計要求的膠結(jié)砂礫石,并基于有限單元法,對大壩進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析。

        2 工程概況

        西江大壩位于黔東南苗族侗族自治州西南部雷山縣境內(nèi),主要任務(wù)為城市供水、農(nóng)田灌溉和防洪,總庫容447 萬m3,正常蓄水位896.0 m,相應(yīng)庫容360 萬m3。壩頂高程899.5 m,河床建基面高程851.0 m,最大壩高為49.5 m,壩頂寬6 m,壩軸線長198.5 m,壩體上、下游坡比為1∶0.6。壩址處河谷為對稱“V”型斜向谷,水庫正常蓄水位處谷寬約173 m,寬高比約為3.1。壩址處微風(fēng)化料的儲量不能滿足西江大壩的回填,周圍土地均為景區(qū)規(guī)劃用地及國家保護(hù)林地,不能開挖取料,左壩肩處有強度較低的強風(fēng)化料,強風(fēng)化料具有強度低、風(fēng)化程度高等工程特性。

        3 膠結(jié)砂礫石配合比試驗

        為拓寬膠結(jié)砂礫石壩筑壩材料的選擇范圍,響應(yīng)國家保護(hù)環(huán)境的號召以及實現(xiàn)膠結(jié)砂礫石壩零棄料的筑壩理念等原因,本文采用微風(fēng)化料和強風(fēng)化料復(fù)摻的混合骨料來進(jìn)行配合比試驗。

        3.1 試驗原材料

        水泥采用普通硅酸鹽42.5 水泥;粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰;減水劑為專用外加劑;砂石料為西江工程微風(fēng)化料和強風(fēng)化料,如圖1所示。砂石料性能指標(biāo)的測定數(shù)據(jù)可以參考表1的標(biāo)識。

        圖1 風(fēng)化砂礫石料

        表1 骨料性能指標(biāo)檢測結(jié)果

        由表1可見,強風(fēng)化料各粒徑骨料的表觀密度在2 502~2 538 kg/m3之間,滿足《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》SL678-2014[13](下文中縮寫為導(dǎo)則)之中不應(yīng)當(dāng)?shù)陀? 450 kg/m3的要求。氣干條件下,抗壓強度以及點荷載強度指標(biāo)相對偏低,實際檢測數(shù)據(jù)是18.7 和1.2 MPa。微風(fēng)化料壓碎指標(biāo)和含泥量數(shù)據(jù)相對較小,強度及表觀密度數(shù)據(jù)較高,因此微風(fēng)化料骨料品質(zhì)較好。

        3.2 配合比設(shè)計

        開展了6 組膠結(jié)砂礫石配合比試驗,其中強風(fēng)化料占比分別為0%,20%,40%,60%,80%,100%,各試驗組配合比見表2。

        表2 各試驗組膠結(jié)砂礫石配合比

        依據(jù)《導(dǎo)則》及《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352-2006[14]中碾壓混凝土的有關(guān)試驗方法成型膠結(jié)砂礫石試件,在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后進(jìn)行抗壓強度、彈性模量試驗測試。

        3.3 試驗結(jié)果與分析

        3.3.1 抗壓強度

        各試驗組試塊的強度隨齡期變化規(guī)律如圖2所示,相對于組6的強度增強效果如圖3所示。

        圖2 復(fù)摻膠結(jié)砂礫石抗壓強度

        圖3 抗壓強度提升效果

        由圖2可見,膠結(jié)砂礫石抗壓強度隨著強風(fēng)化料占比的增加而減小,當(dāng)強風(fēng)化料摻量小于60%時,180 d 抗壓強度為8.7~10.6 MPa,可以滿足強度等級為C1806的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

        由圖3可見,在28 d 齡期時,1、2、3、4、5 試驗組膠結(jié)砂礫石的抗壓強度相對于6 試驗組分別提升了112.1%、69.7%、39.4%、21.2%及9.1%;在180d齡期時,分別提升了85.9%、65.6%、50%、35.9%及18.8%。

        完全采用強風(fēng)化料不能配制滿足設(shè)計要求的膠結(jié)砂礫石,當(dāng)加入一定比例的微風(fēng)化料時,可以顯著提高膠結(jié)砂礫石的強度,且抗壓強度隨微風(fēng)化料用量的增加逐漸增大。

        3.3.2 彈性模量

        1和4試驗組彈性模量測試數(shù)據(jù)如表3所示。

        表3 彈性模量試驗結(jié)果

        由表3可見,1 和4 試驗組180 d 齡期彈性模量的均值是15.6 GPa 與12.1 GPa,有限元分析過程中相應(yīng)的彈性模量數(shù)據(jù)設(shè)定為15和12 GPa。

        4 有限元分析

        4.1 有限元模型建立

        使用Abaqus 軟件針對西江大壩溢流壩段,構(gòu)建相應(yīng)的模型,模型具體信息及網(wǎng)格劃分如圖4和圖5所示。

        圖4 西江大壩溢流壩段模型圖

        圖5 網(wǎng)格劃分圖

        4.2 工況及材料參數(shù)

        4.2.1 工 況

        (1)工況1:完建工況,只受重力荷載影響。

        (2)工況2:正常蓄水位工況,上下游壩面受靜水壓力影響。

        4.2.2 材料參數(shù)

        壩體上半部分及下半部分采用配合比試驗數(shù)據(jù),基巖采用西江水庫地質(zhì)勘察設(shè)計報告中數(shù)據(jù),防滲保護(hù)層和墊層采用文獻(xiàn)[15]中數(shù)據(jù),西江大壩溢流壩段各部位材料參數(shù)如表4所示。

        表4 西江大壩溢流壩段各部位材料參數(shù)表

        4.3 計算結(jié)果與分析

        4.3.1 應(yīng)力結(jié)果與分析

        各工況下壩體-地基系統(tǒng)大、小主應(yīng)力圖如圖6所示。

        由圖6可見,完建工況下,壩體大主應(yīng)力呈現(xiàn)出從壩頂?shù)綁蔚字饾u增大的規(guī)律,其值均為負(fù)值,壩體均受壓應(yīng)力。受自重荷載影響,壩踵及壩趾處應(yīng)力值分別為-1.24 MPa和-1.15 MPa。壩體小主應(yīng)力為-0.1 MPa左右的壓應(yīng)力。

        圖6 各工況下壩體-地基系統(tǒng)應(yīng)力云圖(單位:Pa)

        正常蓄水位工況下,壩體未產(chǎn)生拉應(yīng)力。受水壓力及揚壓力作用的影響,壩踵的大主應(yīng)力數(shù)據(jù)為-0.709 MPa,相對于完建狀態(tài)之下的應(yīng)力數(shù)據(jù)顯著下降。壩體的小主應(yīng)力均為小于-0.24 MPa 的壓應(yīng)力,應(yīng)力數(shù)值相對偏低。受上游水荷載作用的影響,在上游壩基附近產(chǎn)生了+0.189 MPa的拉應(yīng)力。

        不同工況下壩體特征部位的應(yīng)力見表5。

        表5 特征部位應(yīng)力MPa

        由表5可見,西江大壩壩體應(yīng)力水平較低,壩踵及壩趾位置產(chǎn)生了相應(yīng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。各工況下,最大應(yīng)力數(shù)據(jù)為1.41 MPa,相應(yīng)安全系數(shù)為4.26,符合《導(dǎo)則》關(guān)于應(yīng)力的要求。

        4.3.2 位移結(jié)果與分析

        各工況時水平和豎向位移云圖見圖7。

        圖7 各工況下壩體-地基系統(tǒng)位移云圖(單位:mm)

        通過圖7的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),完建工況下,壩體在自重荷載的影響下,其豎向位移隨著高程的增加逐漸變大,在壩頂處產(chǎn)生最大豎向位移,其數(shù)值為-2.95 mm。隨著地基深度的加深壩基的豎向位移逐漸減小,系統(tǒng)的豎向位移沿壩軸線對稱分布。

        正常蓄水位工況下,受靜水壓力和揚壓力的共同作用,其豎向位移均為負(fù)值。在上游靜水壓力影響下,壩體水平位移向下游產(chǎn)生明顯傾斜。從壩基到壩頂,豎向位移值隨高程增加而變大,在壩頂處產(chǎn)生-3.34 mm 的最大豎向位移,與完建工況的最大豎向位移相比略有增大。

        各工況下西江大壩特征部位的位移如表6所示。

        表6 特征部位位移mm

        通過表6的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),各工況下壩體的位移相對較小,壩頂處產(chǎn)生-3.342 mm的最大豎向位移。

        5 結(jié) 論

        本文以西江大壩工程的風(fēng)化料為研究對象,通過配合比試驗研究,配制出滿足強度要求的膠結(jié)砂礫石,并基于有限單元法,對西江大壩進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析。結(jié)論如下:

        (1)完全使用強風(fēng)化料配制的膠結(jié)砂礫石無法滿足設(shè)計強度要求;當(dāng)強風(fēng)化料摻量低于60%的情況下,180 d 齡期的抗壓強度數(shù)據(jù)為8.7~10.6 MPa,可符合C1806的設(shè)計要求。

        (2)西江大壩在各類工況下其整體應(yīng)力數(shù)據(jù)偏低,同時分布也相對均勻。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩趾處,其應(yīng)力值為1.41 MPa;各工況下壩體位移均小于5 mm,變形較小。□

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