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碾压混凝土坝的渗流特性和渗流控制

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-02-26  来源:中国井盖网  作者:[db:作者]
核心提示:  碾压混凝土琐的渗流特性和渗流控制任旭华1,李浩钧2,夏颂佑1,沈洪俊1(1.河海大学,江苏南京210024;2中国水利水电工程咨询公司,北京100011)验的实验装置,对现场取样的碾压混凝土试块进

  碾压混凝土琐的渗流特性和渗流控制任旭华1,李浩钧2,夏颂佑1,沈洪俊1(1.河海大学,江苏南京210024;2中国水利水电工程咨询公司,北京100011)验的实验装置,对现场取样的碾压混凝土试块进行了碾压混凝土本体及层面的渗透试验,着重研宄了碾压混凝土层面的渗流特性;对应力。水头对碾压混凝土渗透性的影响进行了探索研宄,获得了碾压混凝土不同工况。不同层面处理方式的渗流特性。对碾压混凝土坝的渗流控制提出了一些有益的观点。

  2:B碾压混凝土(RCC)筑坝是近20年来新兴起的一项筑坝技术这种型式兼有混凝土重力坝和堆石坝的优点,因此,目前正被广泛应用。由于碾压混凝土坝(RCCD)是分层碾压而成,而RCC的浇筑层通常只有几十厘米,这就使得RCC存在大量的水平施工缝,这些施工缝如处理不当就有可能成为RCCD渗流集中通道的抗滑稳定的薄弱面。自RCCD兴起以来,总体来说筑坝技术是成功的,但普遍存在渗漏问题,近年来,人们不断探讨研究RCC及RCCD的渗流规律,寻求合适的渗控措施以解决坝的渗流问题。本文根据工程建设的需要,对从施工现场取得的RCC试块,以层面作为研究对象,进行了层面渗流特性的室内试验研究,获得了一些RCC层面渗流特性的规律。

  1碾压混凝土的渗流试验1.1渗透试件的基本情况用于渗流试验的试块采制于某施工现场上的纵向围堰外段,第8、9块高程70m平台右侧140m2范围内。层面结合试验主要条件见表1.每层碾压前混凝土的厚度约为33cm,压实到30cm左右,选用的*大骨料粒径均为8cm.试验装置及试验方法见、。现场取样的试块进行人工取样成0cm圆柱体,然后采用专用的设备进行试件加工,中心孔磨削(孔径5. 1cm)、切割、外圆周修圆等工序。在加工过程中力求不使RX层面和本体受到表1层面结合试验主要条件项目I组RCC标号/级配层面计划暴露时间/h层面实际暴露时间Ah:min)层面间隔时间/层面处理方式铺水泥砂浆注:暴露时间指下层摊铺后至上层覆盖的时间;2间隔时间指下层出仓后至上层覆盖的时间RCC的微观特征比较复杂,由于从现场取样的试块,其外表圆度不均匀,凹凸不平,I、组较好,姐较差。组RCC层面较明显,其中i试块在钻中心注水孔加新冷却水时,在层面周边上就出现了两处漏水通道,孔径在20mm以上;2试块在层面圆周边上看到极明显的锯齿形缝隙(由大骨料块石形成),估计在0.2mm以上,其余两组未见明显的层面分界特征。

  1.2碾压混凝土层面的渗流规律RCC的层面实质上是上、下两层混凝土间有一定嵌入的起伏不同的啮合面,尽管由于层面结合状况不同而导致层面渗流的不均一性,但就总体而言,层面的渗流仍在层流状态,基本符合立方定律,我们可通过计算雷诺数来判别,定义层面的雷诺数为:取D=2b(b为等效水力隙宽)u为水的运动粘滞系数,u=0.013cm2/s.则福向流中的Re定义可表示为:丌u在辐向流中,不同的r处具有不同的Re.在试验中出现的*大流量1⑴。1(m3/s(2试块),在中心进水孔层面起始处(r二2 980.对比我们对接触型裂隙岩体渗流试验,试验条件基本类似,其*大隙宽b= 130Pm,仍属层流状态,通过拟合计算水流基本符合Q=Ab"的关系~3.09之间变化。本次试验b=60Pm,雷诺数表示水流在层流区内(局部区域如边缘点除外),即层面渗流符合达西定律。

  RCCD层面受施工因素的影响其渗透性能差异很大,试验所选三组RCC试块,是根据施工时不同层面的处理方式、不同层面暴露时间以及层面间隔时间而选择的。前面已论证RCC层面中的水流为层流状态,则辐向流的流量关系可表示为:「,r.、r;分别为试块中的注水孔半径和层面的外半径;为水的运动粘滞系数;为重力加速度;b为试块层面等效水力隙宽。

  用式(3)及实测流量,可求得RCC层面的等效水力隙宽b再按下式求层面的等效渗透系数:试验结果详见。在应力水头耦合渗流试验中,RCC本体已显出良好的抗渗性能,为进一步验证,对RCC本体再取样进行抗渗性能试验。采用一次性加压法,结果表明,RCC本体材料抗渗性能良好,其渗透系数在261X10间。

  根据对RCC层面的渗流试验,有以下认识:(1)RCC的层面不同于两块平板叠合时构成的平整接触面,也不同于岩体的裂隙面,它实质上恒应力下透系数与水头差的关系验结果也印证了这1点。未经处理的层面,间隔时力。当剪加时有可能导致啮/合面错动,此时bookmark7是上下两层混凝土间有一定嵌入的起伏不平的啮合面。这是由于上层混凝土碾压时,某些骨料嵌入下层尚未完全凝固的混凝土或砂浆中而形成的。因此RCC的渗流有其特殊的规律。

  RCC本体具有良好的抗渗性,RCC的渗流特性主要由层面的渗流特性决定。RCC层面的渗流特性受诸多因素影响,其中主要是施工条件,如层面间隔时间、层面处理方式、碾压质量、填筑时的气候条件等,还与渗流水头、层面的应力状态和混凝土配合比等有关,其中*基本的是层面间隔时间。

  2碾压混凝土的渗流特性2.1碾压混凝土渗流的主要特点大量室内外试验及己建工程原型观测资料都表明,RCCD渗流问题主要是通过集中渗流通道的渗流问题。许多工程的现场压水试验也表明,配合比适当且施工精良的RCCD的透水性是很小的,与常规混凝土坝类似,渗透系数平均值为1(T9cm/s.然而由于RCCD的施工特点,存在大量水平施工缝,在运输和铺筑过程中,骨料(主要是粗骨料)容易分离,特别是在层面附近分离更为严重,如处理不当,层面将成为强透水面。我们通过试验发现,沿层面切线方向的渗透系数可达1icm/s甚至更大,而RCC本体渗透试验值在2 109~1.29X109cm/s之间。这说明施工不良的RCCD沿层面的透水性比RCC本体大得多,层面的渗透性是整个RCCD的控制因素。同时,通过试验发现,RCC同一个层面内的渗透性也存在很大差异,即使同一试块,其层面水的渗出也不是沿四周均匀的。由于拌和料的离散性,铺筑厚度及碾压的不均匀性,以及在施工过程中难以避免的施工设备对局部层面造成的扰动,都将造成层面胶结的不均匀性,这种不均匀性会造成同一层面内有的地方渗透性与RCC本体相差无几,有的地方却相差很大,不同域的渗透系数相差1至数个数量级。这种层面渗透的不均匀性使得RCCD的渗流问题更为复杂。

  2.2层面间隔时间及层间处理方式对层面渗透性的影响1层面间隔时间RCC层间间隔时间的长短对层面渗流特性的影响十分显著。室内成型试验表明,层面抗渗性随间隔时间的延长而降低,在初凝时间(8h左右)以内基本上没有变化,初凝后将显著降低,现场取样室内试间越长,其透水性越大。层间间隔时间6. 7~7.2h的I组,其层面平均渗透系数比层间间隔时间为13.0~13.8h的组,层面的平均渗透系数小2~3个数量级甚至更多。可以预测,如果层面的间隔时间足够短,亦即可能不形成层面,则其抗渗性将接近RCC本体的抗渗性能。

  222层间处理方式层间渗漏是影响RCC抗渗性的关键因素,工程上通常采用铺设层间垫层的方法来改善层面抗渗性。RCC铺筑如果层面间隔时间太长,对层面进行铺水泥浆或砂浆处理是非常有效的,也是十分必要的。现场取样试块试验表明,铺设砂浆处理的层面,如果控制得当经处理后层面的抗渗性是有保证的。如I组试块,其平均渗透系数为106cm/s左右,等效水力隙宽约1X10-5cm.但若控制不当(如施工时风速大、风干等因素),其透水性也可能较大,如瓜试块,其平均渗透系数在104cm/s左右,这个值比间隔时间较短、层面未经处理的I组试块还大。23碾压混凝土应力、水头对层面渗透性的影响2.3.1渗流水头的影响层面的渗流特性受渗流水头的影响较为显著。一般来说,层面的平均渗透系数随着渗流水头的加而加大,在通常情况下,其加量在2 0倍以内,未引起数量级的变化。当渗流水头大到一定程度时,水力破坏作用会引起新的渗流通道,在中表现为平均渗透系数长梯度突然变陡。层面结合欠佳时较明显,如(c),当a= 40MPa渗流水头达100 ~150m时,平均渗透系数陡然大,其他试块也有类似的情况。有的试块当渗流水头达150 ~200m或更大时才引起水力破坏,形成新的渗流通道,何时开始破坏与层面的结合情况以及所受的应力状态等因素有关。

  2.3.2应力的影响由于RCC层面的构造与平面石板叠合构成的接触型裂隙存在较大差异,这就使得应力对RCC层面渗流特性的影响要复杂得多。对平面石板构成的接触型裂隙,当施加正向荷载时,隙面基本上承受着法向应力,压应力的作用是减小隙面的等效隙宽,使得平均渗透系数减小;而对RCC施加法向荷载时,由于层面是起伏不平的,这使得层面上不仅作用有法向应力,而且还有剪应力的作用。对于层面相对平整的部分,应力将起到减小等效隙宽、减小平均渗透系数的作用,而对那些嵌入的部分承受的是剪应将加新的渗流通道,从而使平均渗透系数加。

  由此可见,应力对RCC层面渗流特性的影响机理比较复杂,有时甚至还可能出现平均渗透系数因法向应力的加而有所加大的情况,本次试验中就出现了这种情况。就其程度而言,应力的影响不太明显。

  从另一方面来看,应力对裂隙渗流的影响是随着初始等效隙宽而异的,初始隙宽愈小,应力对减小渗流能力的影响亦越小。RCC层面的初始隙宽一般较小,因而应力对渗流特性的影响不显著亦好理解。

  应力和水头相互作用时,若小一级应力作用经历了较大水头,形成新的渗流通道,使平均渗透系数有较大长,则下一较大级应力作用时,其在同等水头作用下的平均渗透系数比上一级相应的平均渗透系数大,这是因为此时的渗流通道己非上一级应力同等水头作用时的通道(不可逆)随着应力(压)的加,渗透系数将逐渐变小。综上所述,在RCCD中,渗流与应力的耦合作用效应不会太明显,耦合作用对坝体渗流场分布影响不会太大。但也必须注意到,试验结果只考虑了压应力和水头的作用,并未考虑拉裂、剪切等对层面渗透性的影响,况且层面上的压应力也不与所施加的应力完全一致,故有些问题还有待深入研究。

  3碾压混凝土坝渗流控制RCCD的渗漏和渗透是两个不同的概念,在早期RCD渗控设计中,人们常将这两个概念混为一谈。在RCCD渗控设计中,不应只注意坝的渗漏,更应把注意力放在降低坝的渗透压力上,这样才能真正达到保证大坝安全的目的。对高RCCD渗流控制的关键是降低坝体的渗透压力。基于这样的观点,根据研究成果111,坝体排水(包括坝体排水孔、防渗体后透水层)对降低扬压力的效果是非常显著的。因此,建议在渗控设计中将排水设计放在一个重要的位置。坝体设置排水后许多对RCC渗流的不利因素即可减轻甚至消除。当然对RCCD的漏水也必须给予足够的重视,渗漏与渗透压力是相辅相成的。

  为了减少渗漏量,更为了降低压力,*为有效的措施是采取坝面防渗措施。各种防渗结构型式各有利弊,应根据工程规模、重要性以及对建筑物的具体要求选择。

  目前对RCCD的防渗设计有一种观点,即“采取一定的措施、保证RCCD坝体本身不漏水,这样即可免除一切工程措施”。我们觉得这种观点是值得商而且效果也不一定能得到保证。根据计算分析“31,如RCCD上游防渗体的有效性能得到保证,RCCD坝体的透水性越大,坝的工作状态越好。根据前面的研究,对RCCD的渗控设计笔者提出这样一种设想:工材料透水层(或透水混凝土)、排水孔,将透过防渗层后的渗透水流排出;其后跟二级配富胶混凝土作安全储备;保证大坝主体的RCC基本上不受渗透水流的作用”。这种设计思想的主要意图是将渗透水流控制在上游坝面附近的防渗、排水系统中,其后的大坝主体基本上处于干燥状态,从而在保证强度稳定性的前提下可放松对其后RCC抗渗性的要求,达到快速施工、降低造价的目的。

  4结论RCC施工过程中如处理不当会形成薄弱面,层面成为强透水带;RCC本体的抗渗性可达到常规混凝土;含层面的渗透系数则显著大,RCC的渗流特性由RCC层面的渗透性控制。

  RCC层面的渗流特性受诸多因素影响,其中*基本的是层面间隔时间,时间愈长透水性愈大;RCC的层面渗透具有明显的不均匀性,造成这种不均匀是由施工的离散性所致。这种离散性将使大坝的渗流问题复杂化,在渗控设计时应引起足够的重视。

  RCC层面渗流特性受渗流水头作用,层面平均渗透系数随作用水头加而加大,但变化在量级范围内,除非水力破坏形成渗流通道。RCC层面应力与其渗透性的耦合关系不明显,这是由RCC层面的构造所决定的。

  RCC本身的抗渗性是有保证的,关键是施工质量。施工中应尽量减小层面间隔时间(尽量控制在初凝时间内)。如不得不采取长间歇,则采取刷毛铺水泥砂浆等措施可以提高其抗渗性。

  RCCD的渗流控制不仅要关注渗漏,更要考虑降低扬压力。

 
 
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