碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間的關(guān)系

1、碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間的關(guān)系    摘要：本文對(duì)江埡大壩二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土的室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并作出了各自的積累概率曲線。根據(jù)累積概率曲線得出了6種保證率下二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)的滲透系數(shù)值，并用最小二乘法擬合得出二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間的線性關(guān)系式。擬合結(jié)果表明室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間存在很好的線性相關(guān)關(guān)系。根據(jù)上述線性關(guān)系式，可利用室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)。 關(guān)鍵詞：碾壓混凝土 室內(nèi)試驗(yàn) 壓水試驗(yàn) 滲透系數(shù) 線性相關(guān)關(guān)系   目

2、前世界上已建和在建的碾壓混凝土壩已超過(guò)200座。由于碾壓混凝土壩存在眾多的層(縫)面，其滲透指標(biāo)是評(píng)價(jià)其質(zhì)量的一個(gè)重參數(shù)，而滲透系數(shù)是評(píng)定碾壓混凝土滲透性的主要滲透指標(biāo)。目前測(cè)定碾壓混凝土滲透系數(shù)有室內(nèi)芯樣滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)兩種。壓水試驗(yàn)需在碾壓混凝土壩施工現(xiàn)廚行，存在一定的壩面施工干擾，試段壓力過(guò)大還會(huì)對(duì)壩體產(chǎn)生不良影響。此外，相對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)更耗費(fèi)人力、物力。故若能根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)，就可為碾壓混凝土滲透性指標(biāo)的獲得創(chuàng)造簡(jiǎn)化的條件。根據(jù)國(guó)內(nèi)外一些已建碾壓混凝土壩室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)的資料來(lái)看，壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)一般比室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)大2個(gè)數(shù)

3、量級(jí)左右，但還沒(méi)有建立起兩者之間的相關(guān)關(guān)系。本文將根據(jù)江埡大壩二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，來(lái)擬合碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系式。 1 工程簡(jiǎn)介 江埡水利樞紐位于湖南省張家界市境內(nèi)澧水支流溇水中游，距長(zhǎng)沙322km，總庫(kù)容17.41×108m3，電站裝機(jī)3000 mw，工程具有防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)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(chǔ)設(shè)置2.0m厚的三級(jí)配常態(tài)混凝土，標(biāo)號(hào)為c15，除預(yù)制廊道及壩頂結(jié)構(gòu)外采用全斷面碾壓混凝土，以三級(jí)配為主。防滲層是二級(jí)配碾壓混凝土，標(biāo)號(hào)為c20

4、.其上游為變態(tài)混凝(在二級(jí)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(chēng)變態(tài)混凝土)，在客觀上加強(qiáng)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(jí)配碾壓混凝土，在高程190m以下其標(biāo)號(hào)為c15，在高程190m以上其標(biāo)號(hào)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(jié)合面稱(chēng)為層面，層面間的間隔時(shí)間在初凝時(shí)間內(nèi)，層面不作任何處理，超過(guò)初凝時(shí)間，又在24h之內(nèi)，則在攤鋪上層混凝土之前，需刮鋪2.0cm厚的砂漿；超過(guò)24h按

5、常規(guī)施工縫處理。一般最大層間允許間隔時(shí)間為6h.每填筑碾壓10層為一升程，其厚度為3m，每個(gè)升程結(jié)合面稱(chēng)為縫面，縫面停歇時(shí)間較長(zhǎng)，縫面處理按常態(tài)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(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)概況 室內(nèi)滲透試驗(yàn)在河海大學(xué)研制的ks-50b多功能高壓滲透儀上進(jìn)行，試驗(yàn)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(lèi)型有二級(jí)配碾壓混凝土、三級(jí)配碾壓混凝土和變態(tài)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(yàn)步驟和試驗(yàn)成果詳見(jiàn)“九·五”

6、攻關(guān)子題報(bào)告剔除少數(shù)滲透異常的芯樣后，共獲得107個(gè)有效的滲透系數(shù)數(shù)據(jù)，其中二級(jí)配碾壓混凝土67個(gè)，三級(jí)配碾壓混凝土22個(gè)，變態(tài)混凝土18個(gè)。 為檢查碾壓混凝土施工質(zhì)量，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和湖南湘水基礎(chǔ)施工有限公司分別于1997年和1998年對(duì)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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)。壓水試驗(yàn)鉆孔孔徑為75mm，壓水試段長(zhǎng)為1.5m(少數(shù)試段長(zhǎng)1.0m、2.03m、2.04m、2.4m、3.0m或6.0m)。壓水試驗(yàn)鉆孔位置和壓水試驗(yàn)成果詳見(jiàn)各報(bào)告江埡大壩現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)報(bào)告(初稿).中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所。1997

7、年10月。江埡水利樞紐工程大壩碾壓混凝土質(zhì)量檢查鉆孔取芯及現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)報(bào)告。湖南湘水基礎(chǔ)施工有限公司，1998年5月。在統(tǒng)計(jì)分析之前，對(duì)前述壓水試驗(yàn)的透水率數(shù)據(jù)作了取舍，即二級(jí)配碾壓混凝土中少量透水率大于3.0lu以及三級(jí)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(tǒng)計(jì)樣本中，透水率為0.0lu的試段也不列入統(tǒng)計(jì)樣本中。剔除上述試段后，總共有161段次的有效透水率數(shù)據(jù)，其中二級(jí)配碾壓混凝土123段次，三級(jí)配碾壓混凝土38段次。 3 室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系 3.1 壓水試驗(yàn)透水率與滲透系數(shù)間的換算關(guān)系要得出室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系式

8、，首先需把壓水試驗(yàn)測(cè)得的透水率換算為滲透系數(shù)值。換算因子計(jì)算如下。假設(shè)壓水穩(wěn)定后的流型為輻射流型，則其滲透系數(shù)的計(jì)算公式為    kq2lplnr r0    (1) 式中：k 滲透系數(shù)，單位：cm/s；q 滲流量，單位：cm3/s；l 試段長(zhǎng)，單位：cm；r 影響半徑，單位：cm(對(duì)于非飽和帶壓水，一般取試段長(zhǎng)度l3)；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(jì)算公式為    qq/lp    (2)

9、式中：q 試段透水率，單位：lu；l 試段長(zhǎng)，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(yàn)中的鉆孔半徑r03.75cm和試段長(zhǎng)l150cm、300cm、240cm、204cm、203cm、100cm、600cm分別代入式(1)和式(2)，然后兩式相除，同時(shí)統(tǒng)一單位可得透水率(lu值)和滲透系數(shù)(cm/s)的換算因子c，結(jié)果見(jiàn)表1.    表1 透水率(lu值)與滲透系數(shù)(cm/s)的換算因子    試段長(zhǎng)/cm    換算因子 

10、   100    150    203    204    240    300    600    c×106    8.71    9.79    10.

11、6    10.6    11.0    11.6    13.4    3.2 室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析由于現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)是反映層縫面和本體滲透性的綜合滲透系數(shù)，故為確定它與室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)得的滲透系數(shù)間的關(guān)系，對(duì)應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)應(yīng)是層縫面和本體滲透系數(shù)合起來(lái)的統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。 根據(jù)二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)的頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果和頻率直方圖，先假設(shè)二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混

12、凝土室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，再用柯?tīng)柲缏宸驒z驗(yàn)法對(duì)假設(shè)的分布函數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明，二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)均在顯著性水平=0.05下服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。根據(jù)二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值(見(jiàn)表2)作出的對(duì)數(shù)正態(tài)分布的累積概率曲線如圖1所示。    圖1 室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的累積概率曲線    圖2 壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的累積概率曲線           

13、 表2 二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值         混凝土類(lèi)型    樣本容量n    均 值    均方差    變異系數(shù)cv              lgk&

14、#160;   k/(cms)     室內(nèi)試驗(yàn)    二級(jí)配    67    -8.944    1.14×10-9    1.553    0.17    三級(jí)配    22 

15、0;  -7.873    1.34×10-8    1.219    0.15    壓水試驗(yàn)    二級(jí)配    123    -6.959    1.10×10-7    0.915 

16、   0.13    三級(jí)配    38    -6.191    6.44×10-7    1.015    0.16    根據(jù)表1的換算因子將現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)各試段的透水率(lu值)換算為滲透系數(shù)值(cm/s)，同上可得出二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值

17、(見(jiàn)表2)和對(duì)數(shù)正態(tài)分布的累積概率曲線(見(jiàn)圖2). 3.3 室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間的線性相關(guān)關(guān)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(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)的透滲系數(shù)值見(jiàn)表3.    表3 室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)6種保證率下的滲透系數(shù)值         保證率(%)    30    50  &#

18、160; 60    66.7    80    90    室內(nèi)試驗(yàn)    室內(nèi)試驗(yàn)（×10-9cm/s)    0.17    1.14    2.82    3.57    

19、23.34    112.07    壓水試驗(yàn)/(×10-7cm/s)    0.37    1.10    1.88    2.74    6.51    16.37    壓水試驗(yàn)    

20、;室內(nèi)試驗(yàn)/(×10-8cm/s)    0.31    1.34    2.74    4.53    14.38    49.02    壓水試驗(yàn)/(×10-6cm/s)    0.19    0.64 &

21、#160;  1.17    1.77    4.64    12.09     根據(jù)上述保證率下的滲透系數(shù)值，假設(shè)室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間滿(mǎn)足線性關(guān)系，用最小二乘法擬合得出的線性相關(guān)關(guān)系如圖3和圖4所示。 采用相關(guān)系數(shù)r檢驗(yàn)法，由參考文獻(xiàn)4的附表14和相關(guān)系數(shù)值可知，對(duì)二級(jí)配和三級(jí)配碾壓混凝土，室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間均在顯著性水平=0.05下滿(mǎn)足線性相關(guān)關(guān)系，可見(jiàn)相關(guān)關(guān)系是很好的。

22、    圖3  二級(jí)配碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系    圖4 三級(jí)配碾壓混凝土室內(nèi)試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系四、結(jié)論及討論 本文對(duì)軟巖(砂漿模擬材料)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，試樣的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加有較明顯的增加趨勢(shì)，增加幅度大于硬巖(如花崗巖)。同時(shí)，與硬巖(如花崗巖)的彈性模量和泊松比隨應(yīng)變速率的增加變化幅度不大相比，隨著應(yīng)變速率的增加，軟巖的彈性模量以及泊松比均有增加的趨勢(shì)，但增加幅度小于強(qiáng)度的增加幅度。基于巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外研究人員作了大

23、量的工作致力于揭示巖石材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性機(jī)理。例如，grady7提出了一種假設(shè)。他認(rèn)為，巖石材料內(nèi)部存在的裂紋的擴(kuò)展和聚合是巖石材料破壞的根本原因，在低應(yīng)變速率下，僅僅那些能在低應(yīng)力水平下被激活的裂紋發(fā)生擴(kuò)展，這些裂紋的擴(kuò)展和聚合使得巖石材料在應(yīng)力水平達(dá)到能使其他裂紋擴(kuò)展之前已經(jīng)發(fā)生破壞, 因此巖石材料具有較低的強(qiáng)度；而在高應(yīng)變速率下，在那些在低應(yīng)力水平下被激活的裂紋聚合之前，應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高的水平，這時(shí)需要很多裂紋參與擴(kuò)展，消耗外力功，從而導(dǎo)致巖石材料的強(qiáng)度的增加。grady7也認(rèn)為，巖石材料的脆性會(huì)隨著應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。 在grady 7的工作之后，masuda9等人于19

24、87年發(fā)現(xiàn)花崗巖材料在壓縮載荷作用下的ae (acousmic emmision)率隨加載速率的增加而增加。由于材料的ae率是材料破壞過(guò)程中裂紋擴(kuò)展的直接結(jié)果，masuda等人9的結(jié)果實(shí)際上也表明了在動(dòng)載荷情況下多裂紋參與了材料的破壞。另外，swan等人12對(duì)油頁(yè)巖破壞后的sem(scanning electronic microscopy)觀察結(jié)果表明，在低應(yīng)變速率下，巖石試樣的破壞面由大尺寸的裂紋構(gòu)成，而在高應(yīng)變速率下，破裂面由許多細(xì)小的裂紋構(gòu)成，因此，masuda和swan的觀察結(jié)果也grady的假設(shè)相符。 圖6、7為代表性試樣破壞后的式樣破裂面的sem實(shí)驗(yàn)照片(應(yīng)變速率分別為：10-5

25、s-1和101s-1)，可以看出，隨著應(yīng)變速率的增加，試樣的破碎程度和裂隙發(fā)育程度增加。表明，隨著應(yīng)變速率的增加，更多裂紋參與擴(kuò)展，導(dǎo)致軟巖強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加。因此，在動(dòng)載荷作用下，軟巖的應(yīng)變速率效應(yīng)機(jī)理與硬巖是一致的。 參考文獻(xiàn) janach w. the role of bulking in brittle failure of rock under rapid compression. int j rock mech min sci 1976, 13: 177-186. olsson.wa. the compressive strength of tuff as a function

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