棉花滩水电站大坝第一枯水期碾压砼取芯试验.docx
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棉花滩水电站大坝第一枯水期碾压砼取芯试验
棉花滩水电站大坝第一枯水期碾压混凝土取芯试验
摘要：
文章介绍了棉花滩大坝第一枯水期碾压混凝土的钻孔取芯及物理性能测试，结果表明混凝土质量状况总体良好。
文章还就次高温天气施工和骨料裹粉等问题进行初步分析。
关键词：
碾压混凝土芯样质量物理力学性能
1概况
棉花滩水电站大坝为全断面碾压混凝土坝，最大坝高115m，坝长310m，坝体碾压混凝土约54万m3。
第一枯水期施工自98年12月30日至99年5月31日，累计浇筑碾压混凝土12万m3。
大坝2#～4#坝段施工至EL88m，5#坝段浇筑至EL112.0m。
为了较为客观地了解棉花滩水电站大坝碾压混凝土内在品质和相关的物理力学性能指标，于99年7月底至99年12月25日开展了坝体钻孔取芯、芯样描述、压水、超声物探以及物理力学性能测试等工作。
取芯孔位置根据不同类别混凝土、不同层间、龄期组数和有关试验规程规定，并充分考虑不同施工条件而确定。
本次钻孔取芯共钻孔20个，其中二级配防渗区10孔（φ150mm8孔，φ250mm2孔），三级配区9孔（φ150mm6孔，φ250mm3孔），三级配变态混凝土区1孔（φ150mm），芯样总长252.02m。
钻孔取芯后，对取出的芯样首先进行外观质量描述。
随后，进行了压水试验和超声波物探，并按有关规程规定要求，加工成不同尺寸试件，进行相应的容重、抗压、弹模、抗渗、抗拉、抗剪测试。
2芯样外观质量描述
依据《水工碾压混凝土施工规范》对20孔芯样进行外观质量描述和分析，描述内容有：
混凝土芯样获得率、光滑程度、致密程度、骨料分布均匀性、混凝土结合面结合情况等。
2.1芯样段长、获得率
20个孔共钻深257.26m，取出芯样共252.02m，芯样获得率97.96%。
其中混凝土芯样共260段（不计纯基岩段），总长249.51m，平均段长0.96m，最长芯样达到8.38m。
详见表2.1。
2.2混凝土结合面情况
钻孔取芯中穿过的混凝土结合面（层面、缝面、与基岩结合面）数共771（其中层面数682、缝面数73、基岩面数16），结合完好界面数705（其中能分辩出层、缝面位置的36），断裂、分离的结合面数共66。
结合面完好率90.7%，详见表2.2。
表2.1钻孔芯样获得率、混凝土芯样平均段长表
混凝土类别
孔径（mm）
孔深（m）
总芯长（m）
混凝土芯长（m）
芯样段数
平均段长（m）
最大段长（m）
芯样获得率
R1
150
112.58
110.63
109.37
121
0.90
8.27
98.3%
250
21.93
21.35
21.35
20
1.07
7.74
97.4%
R2
150
67.02
64.53
63.28
97
0.65
8.38
96.3%
250
48.38
48.16
48.16
20
2.41
7.03
99.5%
V2
150
7.35
7.35
7.35
2
3.68
6.23
100%
合计
257.26
252.02
249.51
260
0.96
8.38
97.96%
注：
1、R1为二级配R180200、R2为三级配R180150碾压混凝土，V2为现场加浆变态混凝土。
2、表中若干长芯样已在运输过程中折断。
表2.2混凝土结合面完好率表
混凝土类
孔径（mm）
总面数
断裂数
完好率（%）
其中：
层面
其中：
缝面
面数
断
%
面数
断
%
R1
φ150
348
33
90.5
308
23
92.5
32
7
78.1
φ250
69
5
92.8
62
4
93.5
6
1
83.3
R2
φ150
203
22
89.2
178
15
91.6
20
4
80.0
φ250
150
6
96.0
134
3
97.8
14
1
92.9
V2
φ150
2
0
100
2
100
合计
771
66
90.7
682
45
93.4
73
13
82.2
2.3芯样外观情况
2.3.1芯样外观评分标准见表2.3
表2.3芯样外观评分标准
等级
评定标准
记分
表面光滑程度
表面致密程度
骨料分布均匀性
优良
光滑
致密
均匀
5
合格
基本光滑
稍有孔
基本均匀
4
差
不光滑
有部分孔洞
不均匀
3
2.3.2光滑程度
绝大多数芯样表面光滑，但15#～19#孔芯样部分芯段表面不光滑，总长10.51m。
根据各芯段记分，以段长为权重，光滑程度平均分为4.88。
2.3.3致密情况
绝大多数芯样表面致密程度好，仅极少部分因碾压不实存在小孔或孔洞现象，11#孔有1.2m长纵向裂缝（EL79.0～EL80.2）。
此类芯样总长3.51m。
仍以段长为权重，芯样密实情况平均评分为4.93。
2.3.4骨料分布均匀性
芯样显示碾压混凝土骨料分布绝大部份均匀，有局部芯样骨料较不均匀。
也有出现骨料集中、架空现象，此类芯长计2.69m。
以芯长为权重，加权平均分为4.94。
2.3.5芯样外观质量评述
依据评分标准三项指标有一项不合格即判定相应芯样不合格的原则，不合格芯样总长15.13m，综合混凝土芯样合格率为93.94%。
只有三项全部优良的芯样才评定为外观优良，优良芯样总长214.28m，优良率85.88%。
2.3.6关于骨料周边空隙问题
有相当部分芯样表面粗骨料周边出现长短不一的浅小空隙，深度一般小于1mm，宽度在2mm之内。
为便于分析，对此进行了抽样统计，标准统计区域定为每段混凝土芯中部30cm长的半圆柱面，φ150mm的统计面面积为30×47.1cm2，φ250mm的统计面面积为30×78.5cm2，计算该标准面积上的隙缝条数和孔洞个数。
芯长不足30cm时，折算为30cm长。
据此，以段长为权重，计算出φ150mm芯样标准区域内空隙数为5.96条，φ250mm的为7.04条。
3压水及超声波物探
3.1压水试验
3.1.1本次压水将φ75mm压水孔布置在取芯孔附近1.6m处，并且要求先取芯，后压水。
3.1.2压水试验方法
压水试验自上而下单栓塞逐段阻塞压水，每试验段长为5m，三级压水五个阶段，每孔第一试段为0.2→0.4→0.6→0.4→0.2Mpa，其余试验段压力为0.3→0.6→1.0→0.60.3MPa。
采用BW3250泵，高压胶管与钻杆连接供水，送水均匀压力稳定。
记录采用长江科学院GJY灌浆自动记录仪。
按规程进行压水试验，当某试验段遇到漏水量较大时，则改变栓塞位置缩短段长再进行压水，以找出漏水量较大的准确位置。
3.1.3试验成果
本次压水试验共压水44段，223.30m进尺，平均段长5.075m。
各孔压水成果见表3.1。
表3.1压水试验成果
坝段
2#
3#
孔号
YS1
YS3-1
YS4
YS5
平均值（Lu）
0.4
0.3
0.035
0.007
坝段
4#
5#
孔号
YS9
YS10
YS11
YS13
YS15
YS16
YS17
YS18
平均值（Lu）
0.155
0.023
0.023
0.167
3.575
3.42
0.0
2.78
说明：
同其它工程相比较，压水段长较大，段数较少，由于先取芯，压水孔又距取芯孔较近，透水率平均值偏大。
由试验成果和现场观察可知，大部分压水段具有较小的透水率，且上游坝面在压水时未发现有出水点。
透水率大（大于1Lu）的部位集中在5#坝段部分试验段，经过灌浆处理后，已全部达到设计要求（小于1Lu）。
3.2超声波物探
本次进行了16个单孔、8对跨孔测试。
经检测，16个单孔中，最高声速4474m/s，最低声速4160m/s，平均声速4328m/s；8组跨孔平均声速4457m/s。
以声速4000m/s为临界值，则全部测孔平均声速均大于4000m/s，表明混凝土质量总体水平良好。
其中部分测孔在某些部位声速略低于4000m/s，表明该部位混凝土密实度略差；另一些部位声速较低，表明该部位混凝土密实度较差，存在某些问题。
经统计，声速低于4000m/s的段长总和约5.85m，与混凝土芯样外观描述中的密实程度较差及骨料分布不均匀的部位芯样长（6.63m）相当。
显示总体碾压混凝土混凝土质量较好。
详见表3.2。
4芯样物理力学性能测试
4.1容重、抗压强度及弹性模量测试
该部分测试项目共取试件174个（其中63个试件还做弹模测试），试件规格为φ150×300mm，高径比为2:
1。
4.1.1容重
容重测试采用排水法（静水浸泡48小时以上），结果见表4.1，该结果与现场碾压施工过程中核子密度计测试的结果基本一致。
从表中可看出，大坝第一枯水期碾压混凝土密实度上乘。
表3.2超声波测试声波值统计表
方式
孔号
均值（m/s）
＜4000m/s
≥4000m/s但混凝土品质欠佳（m）
方式
孔号
均值（m/s）
＜4000m/s
≥4000m/s但混凝土品质欠佳（点）
段长（m）
单点数
段长（m）
单点数
单
孔
1
4196
0.2
1
0
跨
孔
1-1
4324
0
0
0
2
4258
0
1
1.1
3
4160
1.5
0
0
1-3
4529
0
0
1
4
4472
0
0
0
5
4363
0
1
0
3-3
4397
0
0
0
6
4306
0
1
0
7
4433
0
0
0.4
4-4
4563
0
0
0
8
4285
0
0
0.2
9
4265
0
2
0
5-5
4396
0
0
2
10
4432
0
0
0
11
4367
0
2
0
9-9
4407
0
0
0
12
4385
1.5
2
0
13
4326
0
3
0
10-11
4570
0
0
5
15
4270
1.0
4
0
16
4290
0.5
4
0
15-15
4570
0
0
6
17
4430
0
0
0
总计
4327
4.7
21
1.7
总计
4457
0
0
14
说明：
1、每个声速小于4000m/s的点按0.05m估算；
2、最大声速值为5290m/s，最小值为3280m/s。
表4.1芯样容重表单位：
kg/m3
混凝土类别
混凝土标号
n
γ（min～max）
γ
γ现场
γ理论
γ设计
k（%）
P（%）
R1（V1）
R180200#二级配
109
2391～2470
2428
2464
2442
2402
99.1
97.2
R2（V2）
R180150#三级配
65
2379～2524
2447
2469
2460
98.5
95.4
注：
k=P（γ＞aγ理论），其中二级配a=0.98，三级配a=0.97；
P=P（γ＞γ设计）。
4.1.2芯样抗压强度
轴心抗压强度换算成标准150mm立方体，见表4.2。
从表中可看出，所有试件抗压强度超过设计要求。
表4.2芯样抗压强度表单位：
MPa
混凝土类别
混凝土标号
n
R（min～max）
R
R设计
P（%）
R1（V1）
R180200#二级配
109
21.3～45.2
31.3
20
100
R2（V2）
R180150#三级配
65
19.0～47.1
30.2
15
100
注：
P=P（R＞R设计）。
4.1.3压缩弹模测试
弹模测试采用电阻应变仪测量，结果见表4.3。
表4.3芯样弹模值表单位：
×104MPa
混凝土类别
混凝土标号
n
E（min～max）
E
R1（V1）
R180200#二级配
34
2.17～3.37
2.80
R2（V2）
R180150#三级配
29
2.27～3.72
2.84
4.2抗渗标号测试
大坝混凝土R1、R2（V2）共取抗渗芯样试件本体18个、层面19个、缝面5个。
芯样先切取150×150×150mm试件后，再制做成Φ150×150mm尺寸,有层、缝面的芯样,使层、缝面垂直抗渗成型模底面,用高标号防渗砂浆把芯样浇成Φ175×Φ185×150mm的标准试件,试验采用逐级加压法,每8小时增加压力0.1MPa。
成果见表4.4。
表4.4芯样抗渗测试成果表
类别
设计标号
n
min～max
标号评定
备注
二级配
本体
S8
6
S3～S8
S4
抗渗标号低的试件劈开见骨料集中。
层面
13
＞S8
缝面
3
＞S8
三级配
本体
S4
12
＞S4
层面
6
＞S4
缝面
2
S2～S5
低标号试件劈开见大骨料集中。
因二级配本体试件太少，仅为1孔（4#孔），缺乏代表性，成果只能供参考。
但从表中也可看出，层、缝面混凝土胶结状况良好，达到了抗渗要求。
4.3抗剪断强度测试
大坝混凝土R1、R2共取芯样抗剪试件本体30个、层面30个、缝面5个，芯样直径为Φ250,加工成150×150×150mm试件。
试验在中型剪力仪上进行,采用多点法进行试件饱和状态下抗剪断强度试验，水平推力方向与试件碾压方向垂直（垂直于坝轴线），施加剪切荷载采用时间控制,剪切过程中测记剪切向水平位移值。
取各级正应力下测得的最大剪应力τmax（峰值）,用最小二乘法计算其摩擦系数tgφ和凝聚力C值。
测试结果见表4.5。
表4.5芯样抗剪断测试成果表
类别
n
摩擦系数tgφ
凝聚力C（MPa）
剪断面情况（%）
备注
较平整（起伏差＜2cm）
欠平整（起伏差≥2cm）
二级配
本体
15
1.68
2.68
13.3
86.7
层面
15
1.38
2.56
46.7
53.3
缝面
3
1.37
2.55
100
0
试件不足，供参考
三级配
本体
15
1.77
2.20
0
100
层面
15
1.20
2.80
40
60
缝面
2
1.36
2.16
100
0
试件不足，供参考
从表中可看出，层面、缝面抗剪断强度与本体并无太大差异。
4.4抗拉强度测试
大坝混凝土R1、R2、V1、V2共取轴心抗拉芯样试件本体28个,层面27个,缝面6个。
二级配R180200和三级配R180150轴心抗拉设计标号分别为1.6MPa和1.3MPa。
试件尺寸为Φ150×300mm,两端用环氧树脂胶粘结住拉伸试件,养护后进行轴向拉伸试验,采用电阻应变仪测量应变。
测试结果见表4.6。
表4.6芯样抗拉测试成果表
试件类别
二级配
三级配
本体
层面
缝面
合计
本体
层面
缝面
合计
抗拉强度MPa
样本n
15
9
3
27
13
18
3
34
max
1.91
1.90
2.12
2.12
1.68
2.17
1.11
2.17
min
0.84
0.91
1.17
0.84
0.97
0.83
0.79
0.79
x
1.22
1.39
1.57
1.32
1.25
1.19
0.94
1.19
设计
1.6
1.3
比值
0.76
0.87
0.98
0.83
0.96
0.92
0.72
0.92
极限拉伸值×10-4
max
0.86
0.79
0.82
0.86
0.65
0.85
0.46
0.85
min
0.38
0.46
0.47
0.38
0.36
0.40
0.36
0.36
x
0.56
0.61
0.63
0.58
0.51
0.57
0.42
0.53
设计
≥0.8
≥0.75
比值
0.70
0.76
0.79
0.73
0.68
0.76
0.56
0.71
有关资料显示，同类碾压混凝土钻孔取芯抗拉强度测试值为设计值的0.5～0.85。
表4.6表明一枯碾压混凝土的抗拉强度属较好水平。
为进一步考察层、缝面的抗拉强度与本体是否存在明显差异，对它们进行了显著性检验，结果除三级配缝面因试件少无法做出判断外，其余并不存在显著性差异，详见表4.7。
实际上一些层、缝面试件拉断断口并非层、缝面，而是大骨料界面，这也说明层、缝面的胶结状况良好。
表4.7层面～本体、缝面～本体显著性检验表
测试参数
轴向抗拉强度
极限拉伸
比较体
层面～本体
缝面～本体
层面～本体
缝面～本体
碾压混凝土级配
二
三
二
三
二
三
二
三
U检验
统计量U
1.147
0.519
0.698
2.666
0.883
1.525
0.632
2.269
临界值Uα
U0.05/2=1.96U0.01/2=2.576
结论
无差异
无差异
无差异
有差异
无差异
无差异
无差异
未定
T检验
统计量T
1.162
0.473
1.393
2.029
0.802
1.444
0.516
1.623
临界值Tα
α=0.05
2.074
2.045
2.120
2.145
2.074
2.045
2.120
2.145
α=0.01
2.819
2.763
2.921
2.977
2.819
2.763
2.921
2.977
结论
无差异
无差异
无差异
无差异
无差异
无差异
无差异
无差异
5若干问题的认识
5.15#坝段碾压混凝土质量
5#坝段的碾压混凝土施工时正处在次高温多雨天的5月份，施工质量受到一定程度影响，因此芯样在外观上与2#～4#坝段存在较明显的差异：
芯长偏短、表面不够光滑、表面骨料周边不存在空隙或空隙较少等。
但经对两者芯样的物理力学试验结果进行显著性检验（U检验及T检验）后，可以认为5#坝段与2#～4#坝段在抗压、抗拉、弹模等诸方面不存在显著性差异（详见表5.1），若考虑龄期因素，则5#坝段平均抗压强度大于2#～4#坝段。
表5.15#坝段与2#～4#坝段显著性检验成果表
试验项目
抗压强度（MPa）
抗拉MPa
弹模（×104MPa）
未考虑龄期
考虑龄期
碾压混凝土级配
二
三
二
三
二
二
三
U检验
统计量U
0.140
0.868
3.032
2.966
1.860
0
0.443
临界值Uα
U0.05/2=1.96U0.01/2=2.56
T检验
统计量T
0.176
0.861
4.045
2.728
1.042
0
0.535
临界值Tα
α=0.05
1.99
2.01
1.99
2.01
2.07
2.04
2.08
α=0.01
2.63
2.67
2.63
2.67
2.82
2.75
2.83
结论
无差异
无差异
有差异
有差异
无差异
无差异
无差异
5.2骨料裹粉问题
棉花滩大坝碾压混凝土所用砂石料是全干法人工生产的，骨料表面附有石粉。
初步分析认为：
因碾压混凝土拌制时用水量较少，部分粗骨料表面石粉未完全融化，成为局部薄弱面。
钻孔取芯时芯样表面出现的一些细小空隙，以及抗拉、抗剪的破坏面相当部分为粗骨料界面，即反映了该问题。
骨料裹粉是不利因素，但从碾压混凝土芯样物理力学性能测试结果来看，并未对大坝混凝土品质造成危害。
A）对容重、抗压强度、弹模无影响，这几项指标均达到了很高的水平，超过设计要求。
B）对抗拉强度和抗剪强度也未产生影响，测试结果这两项指标属较好水平，满足设计要求。
C）对抗渗指标也未产生明显影响，实际上测试中几个标号较低的试件劈开后发现为骨料集中、密实度不足所致。
裹粉不会对抗渗造成明显影响，是由于它是局部的、封闭的、小面积的薄弱部分，它附于骨料表面被胶结质所包围，不会连续成通道。
裹粉是棉花滩大坝的特殊现象，从测试结果看，不必对它大惊小怪。
当然，能消除它会更好些，比如拌制碾压混凝土时改变投料顺序，使石粉先期溶于水中等。
5.3次高温问题
5#坝段碾压混凝土的施工一直延续至5月底，取出的芯样在外观上与2#～4#坝段有明显差异：
段长偏短、表面较粗糙，压水试验时透水率较大等。
人们怀疑是次高温期施工带来的不利影响。
由5.1分析可知，5#坝段碾压混凝土物理力学性能与2#～4#坝段并不存在显著差异。
短芯、粗糙、透水率偏大等问题主要原因在于：
A）混凝土入仓由汽车入仓改为溜槽（负压溜槽负压不明显）入仓后，存在骨料分离；
B）进入五月份后，降雨多，碾压混凝土仓面局部防雨措施不足造成混凝土浆液流失。
实际在2#～4#坝段浇筑的三月份期间，也出现过次高温天气，经查日平均气温大于22℃或日最高气温大于30℃的天数出现了七天。
相应的混凝土芯样并未出现问题。
因此基本上可排除次高温的因素。
我们认为，对温度的限制不宜过严，次高温天气（五月、九月）可以进行碾压混凝土施工，只要做好防晒、防雨工作，混凝土品质不会有影响。
认同此点，对南方地区碾压混凝土筑坝具有重要意义。
5.4二级配防渗区芯样抗渗能力试验问题
二级配碾压混凝土芯样制作抗渗试件22个，其中碾压混凝土本体试件6个，层、缝面试件16个。
抗渗能力测试结果，层、缝面试件抗渗标号均大于设计标号S8，唯本体试件除1个大于S8外，其余在S3～S7之间，综合评定抗渗标号为S4。
查本体试件6个取自4#孔混凝土芯样的顶端（EL88.0～87.4）和底端（EL77.27～76.47）。
经查，在“钻孔取芯报告”中，4#孔芯样的外观质量描述为“芯样表面光滑，致密，骨料分布均匀，结合面无明显界限。
其中孔深8.99～9.29m（EL79.01～78.71）骨料集中分布”。
骨料集中分布位于第二段长岩芯（芯长7.47m）上，并未加工成抗渗试件。
在压水试验报告中，4#孔的平均透水率（Lu）值为0.035，其中第一压水段（EL87.69～82.49）透水率为0
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