碾壓混凝土室內管理論文

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目前世界上已建和在建的碾壓混凝土壩已超過200座。由于碾壓混凝土壩存在眾多的層(縫)面，其滲透指標是評價其質量的一個重參數，而滲透系數是評定碾壓混凝土滲透性的主要滲透指標。目前測定碾壓混凝土滲透系數有室內芯樣滲透試驗和現場壓水試驗兩種。壓水試驗需在碾壓混凝土壩施工現廚行，存在一定的壩面施工干擾，試段壓力過大還會對壩體產生不良影響。此外，相對室內試驗來說，現場壓水試驗更耗費人力、物力。故若能根據室內試驗滲透系數來預測現場壓水試驗滲透系數，就可為碾壓混凝土滲透性指標的獲得創造簡化的條件。根據國內外一些已建碾壓混凝土壩室內試驗和壓水試驗滲透系數的資料來看，壓水試驗滲透系數一般比室內試驗滲透系數大2個數量級左右[1]，但還沒有建立起兩者之間的相關關系[2]。本文將根據江埡大壩二級配、三級配碾壓混凝土室內試驗滲透系數和壓水試驗滲透系數的統計分析結果，來擬合碾壓混凝土室內試驗和壓水試驗滲透系數間的相關關系式。

1工程簡介

江埡水利樞紐位于湖南省張家界市境內澧水支流溇水中游，距長沙322km，總庫容17.41×108m3，電站裝機3000MW，工程具有防洪、發電、灌溉、航運以及供水等綜合作用。擋水建筑物采用碾壓混凝土重力壩，最大壩高為131m.重力壩基礎設置2.0m厚的三級配常態混凝土，標號為C15，除預制廊道及壩頂結構外采用全斷面碾壓混凝土，以三級配為主。防滲層是二級配碾壓混凝土，標號為C20.其上游為變態混凝(在二級配碾壓混凝土鋪料中另加一定量水泥漿并用插入式振搗器振搗形成厚度為30cm的混凝土稱變態混凝土)，在客觀上加強了防滲層。防滲層厚度依次為：高程165.0m以下采用8m，高程165.0m～高程215.0m之間采用5m，高程215.0m～高程240.0m之間采用3m.防滲層下游壩體為三級配碾壓混凝土，在高程190m以下其標號為C15，在高程190m以上其標號為C10.大壩采用分層填筑碾壓法施工，每30cm為一填筑碾壓層，層間結合面稱為層面，層面間的間隔時間在初凝時間內，層面不作任何處理，超過初凝時間，又在24h之內，則在攤鋪上層混凝土之前，需刮鋪2.0cm厚的砂漿；超過24h按常規施工縫處理。一般最大層間允許間隔時間為6h.每填筑碾壓10層為一升程，其厚度為3m，每個升程結合面稱為縫面，縫面停歇時間較長，縫面處理按常態混凝土施工縫處理。江埡大壩混凝土方量為130×104m3，其中碾壓混凝土為105×104m3。

2室內試驗和壓水試驗概況

室內滲透試驗在河海大學研制的KS-50B多功能高壓滲透儀上進行，試驗用碾壓混凝土芯樣取自已澆好的江埡碾壓混凝土大壩。芯樣類型有二級配碾壓混凝土、三級配碾壓混凝土和變態混凝土3種(每種碾壓混凝土均包括含層、含縫和本體芯樣)，芯樣為150mm×150mm的圓柱體，試驗步驟和試驗成果詳見“九·五”攻關子題報告①剔除少數滲透異常的芯樣后，共獲得107個有效的滲透系數數據，其中二級配碾壓混凝土67個，三級配碾壓混凝土22個，變態混凝土18個。

為檢查碾壓混凝土施工質量，中國水利水電科學研究院和湖南湘水基礎施工有限公司分別于1997年和1998年對江埡碾壓混凝土大壩高程158.0m以下壩體和高程160.0m～高程191.0m壩體碾壓混凝土進行了現場壓水試驗。壓水試驗鉆孔孔徑為75mm，壓水試段長為1.5m(少數試段長1.0m、2.03m、2.04m、2.4m、3.0m或6.0m)。壓水試驗鉆孔位置和壓水試驗成果詳見各報告②③江埡大壩現場壓水試驗報告(初稿).中國水利水電科學研究院結構材料所。1997年10月。江埡水利樞紐工程大壩碾壓混凝土質量檢查鉆孔取芯及現場壓水試驗報告。湖南湘水基礎施工有限公司，1998年5月。。在統計分析之前，對前述壓水試驗的透水率數據作了取舍，即二級配碾壓混凝土中少量透水率大于3.0Lu以及三級配碾壓混凝土中少量透水率大于4.0Lu的試段屬于特殊非正常滲透，不列入統計樣本中，透水率為0.0Lu的試段也不列入統計樣本中。剔除上述試段后，總共有161段次的有效透水率數據，其中二級配碾壓混凝土123段次，三級配碾壓混凝土38段次。

3室內試驗滲透系數和壓水試驗滲透系數間的相關關系

3.1壓水試驗透水率與滲透系數間的換算關系要得出室內試驗和壓水試驗滲透系數間的相關關系式，首先需把壓水試驗測得的透水率換算為滲透系數值。換算因子計算如下。假設壓水穩定后的流型為輻射流型，則其滲透系數的計算公式為[3]

k＝Q2πLplnRr0

(1)

式中：k滲透系數，單位：cm/s；Q滲流量，單位：cm3/s；L試段長，單位：cm；R影響半徑，單位：cm(對于非飽和帶壓水，一般取試段長度L[3])；p試段壓力值，單位：cm水頭；r0鉆孔半徑，單位：cm.

試段透水率計算公式為

q＝Q/Lp

(2)

式中：q試段透水率，單位：Lu；L試段長，單位：m；Q滲流量，單位：L/min；p試段壓力值，單位：MPa.

把壓水試驗中的鉆孔半徑r0＝3.75cm和試段長L＝150cm、300cm、240cm、204cm、203cm、100cm、600cm分別代入式(1)和式(2)，然后兩式相除，同時統一單位可得透水率(Lu值)和滲透系數(cm/s)的換算因子C，結果見表1.

表1透水率(Lu值)與滲透系數(cm/s)的換算因子

--------------------------------------------------------------------------------

試段長/cm

換算因子

--------------------------------------------------------------------------------

100

150

203

204

240

300

600

--------------------------------------------------------------------------------

C×106

8.71

9.79

10.6

10.6

11.0

11.6

13.4

--------------------------------------------------------------------------------

3.2室內試驗和壓水試驗滲透系數的統計分析由于現場壓水試驗所得的滲透系數是反映層縫面和本體滲透性的綜合滲透系數，故為確定它與室內試驗所測得的滲透系數間的關系，對應的室內試驗滲透系數應是層縫面和本體滲透系數合起來的統計的結果。

根據二級配、三級配碾壓混凝土室內試驗滲透系數的頻率統計結果和頻率直方圖①，先假設二級配、三級配碾壓混凝土室內試驗滲透系數均服從對數正態分布，再用柯爾莫哥洛夫檢驗法對假設的分布函數進行檢驗，檢驗結果表明，二級配、三級配碾壓混凝土室內試驗滲透系數均在顯著性水平α=0.05下服從對數正態分布①。根據二級配、三級配碾壓混凝土室內試驗滲透系數的統計特征值(見表2)作出的對數正態分布的累積概率曲線如圖1所示。

圖1室內試驗滲透系數對數正態分布的累積概率曲線

圖2壓水試驗滲透系數對數正態分布的累積概率曲線

表2二級配、三級配碾壓混凝土室內試驗和壓水試驗滲透系數的統計特征值

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混凝土類型

樣本容量n

均值

均方差

σ

變異系數

Cv

--------------------------------------------------------------------------------

lgk

k/(cm／s)

--------------------------------------------------------------------------------

室內試驗

二級配

67

-8.944

1.14×10-9

1.553

0.17

三級配

22

-7.873

1.34×10-8

1.219

0.15

壓水試驗

二級配

123

-6.959

1.10×10-7

0.915

0.13

三級配

38

-6.191

6.44×10-7

1.015

0.16

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根據表1的換算因子將現場壓水試驗各試段的透水率(Lu值)換算為滲透系數值(cm/s)，同上可得出二級配、三級配碾壓混凝土現場壓水試驗滲透系數的統計特征值(見表2)和對數正態分布的累積概率曲線(見圖2).

3.3室內試驗滲透系數和壓水試驗滲透系數間的線性相關關系由圖1和圖2所示的累積概率曲線得出的30%、50%、60%、66.7%、80%和90%保證率下室內試驗和現場壓水試驗的透滲系數值見表3.

表3室內試驗和現場壓水試驗6種保證率下的滲透系數值

--------------------------------------------------------------------------------

保證率(%)

30

50

60

66.7

80

90

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室內試驗

室內試驗（×10-9cm/s)

0.17

1.14

2.82

3.57

23.34

112.07

壓水試驗/(×10-7cm/s)

0.37

1.10

1.88

2.74

6.51

16.37

壓水試驗

室內試驗/(×10-8cm/s)

0.31

1.34

2.74

4.53

14.38

49.02

壓水試驗/(×10-6cm/s)

0.19

0.64

1.17

1.77

4.64

12.09

--------------------------------------------------------------------------------

根據上述保證率下的滲透系數值，假設室內試驗滲透系數與現場壓水試驗滲透系數間滿足線性關系，用最小二乘法擬合得出的線性相關關系如圖3和圖4所示。

采用相關系數r檢驗法，由參考文獻[4]的附表14和相關系數值可知，對二級配和三級配碾壓混凝土，室內試驗滲透系數和現場壓水試驗滲透系數間均在顯著性水平α=0.05下滿足線性相關關系，可見相關關系是很好的。

圖3二級配碾壓混凝土室內

試驗和壓水試驗滲透系數間的相關關系

圖4三級配碾壓混凝土室

內試驗和壓水試驗滲透系數間的相關關系

4結論及建議

由表3的數據可看出，現場壓水試驗的滲透系數比室內試驗的滲透系數大1～2個數量級，這與以往的試驗成果是一致的[1]。通過對6種保證率下兩者滲透系數值的相關關系分析可知，現場壓水試驗和室內滲透試驗的滲透系數間存在很好的線性相關關系，應用最小二乘法擬合的線性關系式如下：對二級配碾壓混凝土：y＝13.61x＋1.55×10-7；對三級配碾壓混凝土：y＝25.52x＋5.28×10-7。以上二式中，x為室內滲透試驗的滲透系數(cm/s)；y為現場壓水試驗的滲透系數(cm/s)。有了現場壓水試驗滲透系數和室內試驗滲透系數的關系式后，就可以根據室內試驗滲透系數來預測現場壓水試驗的滲透系數。值得指出的是，上述關系式僅僅是根據江埡碾壓混凝土壩的資料而得出的，要外延至其他碾壓混凝土壩，還有待于收集更多的資料進行整理分析，以修正上述建立的初步關系式。

①速寶玉，等。龍灘RCC滲流特性試驗研究。“九五”國家科技攻關報告，1999年12月。

②江埡大壩現場壓水試驗報告（初稿）。中國水利水電科學研究院結構材料所。1997年10月。

③江埡水利樞紐工程大壩碾壓混凝土質量檢查鉆孔取芯及現場壓水試驗報告。湖南汀水基礎施工有限公司，1998年5月。

參考文獻：

［1］姜福田。碾壓混凝土(第一版)［M］。北京：鐵道出版社，1991.196-200.

［2］譚志林，羅熙康，楊康寧。大壩芯樣測試與壓水試驗［J］。人民長江，1999，30(6)：24-26.

［3］毛昶熙。滲流計算分析與控制(第一版)［M］。北京：水利電力出版社，1990.386-389.

［4］吳翊，李永樂，胡慶軍。應用數理統計(第一版)［M］。長沙：國防科技大學出版社，1995.154-157.