压水试验和钻芯取样技术在碾压混凝土大坝的应用.docx
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压水试验和钻芯取样技术在碾压混凝土大坝的应用
压水试验和钻芯取样技术在碾压混凝土大坝的应用
[摘要]本文介绍在碾压混凝土大坝质量检查中，进行的现场压水试验和钻取芯样的方法。
从湖南江垭、山西汾河二库、云南大朝山、湖北高坝洲、三峡工程三期围堰、陕西蔺河口、云南景洪电站等工程实践，探索和研究出了一套适合碾压混凝土的现场压水试验、钻取芯样的方法及设备和工艺。
[关键词]碾压混凝土现场质量检查
1.前言
碾压混凝土筑坝技术自80年代初进入我国以来，以施工速度快、工艺简单、整体性好、造价低得到了广泛的应用，经过广大水电科技工作者的不断探索，现已形成了一套具有中国特色的施工工艺——中等胶凝材料、高粉煤灰掺量、薄层通仓摊铺碾压、连续上升的技术，并且应用范围正在逐渐推广，工程由小到大。
目前正在施工的龙滩大坝，216.5m坝高是目前世界上最高的碾压混凝土坝，体现了我国碾压混凝土筑坝技术已走在世界前列。
随着碾压混凝土坝施工技术的日趋成熟，碾压混凝土坝施工质量的不断提高，人们在不断探索施工工艺，改进材料性能，攀登世界高峰的同时，也十分关注碾压混凝土筑坝质量检查技术。
如何正确测试碾压混凝土的渗透性及质量，特别是对于碾压混凝土渗透性的现场精确测试，关系到碾压混凝土防渗效果的正确评价。
现场压水试验是评价碾压混凝土渗透性的重要方法，其可靠性、正确性是至关重要的。
长期以来，评价碾压混凝土的方法——“机口取样成型进行检查，但碾压混凝土与常态混凝土形成结石的机理不一样，这就未免有不足之处，虽然增加了施工仓面碾压后测量其密实度的方法，但碾压混凝土连续上升形成的众多层面的结合质量仍然无法得到检测。
对于高坝来说，层面结合质量的好坏尤为重要，如何准确了解层面结合的质量，是大家多年来研究的主要课题，我国已建成的和在建的碾压混凝土坝已达50余座。
我公司从工程实践以及与建设和科研单位的合作中，研究出了一套适合碾压混凝土的压水试验和钻芯取样的有关设备、工艺方法。
在以往多次对碾压混凝土的检测中，钻取φ150mm岩芯单根整长为12.3m（三峡三期围堰碾压混凝土长芯样，取芯日期:
2003.08），超过10.0m（陕西蔺河口碾压混凝土长芯样，取芯日期:
2003.07；大朝山碾压混凝土长芯样，取芯日期:
1999.10）的达15根，超过7.0m的达54根；经过技求改造的设备进行的现场压水试验，最小吕容值读数为1×10-5（Lu），精度达到室内试验标准。
得到了业主、设计、监理、专家的肯定和好评。
公司近几年完成的检测工程详见表1:
湖南湘水基础公司完成碾压混凝土坝现场检测一览表。
表1湖南湘水基础公司完成碾压混凝土坝现场检测一览表
序号
工程名称
坝型
坝高
（m）
检查日期
总钻孔长（m）
压水试验
钻取岩芯（Ф150）
备注
总长（m）
段·次
延米
单根最长
1
江垭电站
重力
131.0
97.08-99.06
1069.42
656.85
595
412.57
7.56
芯样整根长大于6.0m的共10根
2
汾河二库
重力
88.0
98.11-99.12
557.51
320.91
207
236.6
8.53
芯样整根长大于7.0m的共24根
3
高坝洲电站
重力
27.5
99.09-00.03
798.03
215.51
139
582.52
3.35
4
大朝山电站
重力
111.0
99.10-01.08
1320.55
689.31
262
631.24
10.47
芯样整根长大于7.0m的共14根
5
蔺河口电站
拱
100.0
03.07-03.08
527.86
275.8
138
252.06
10.57
芯样整根长大于8.0m的共3根
6
三峡工程
三期围堰
重力
115.0
03.08-03.09
62.10
62.10
12.3
芯样整根长大于8.0m的共3根
7
景洪电站
重力
114.0
04.09-04.11
420.00
139.0
68
274.25
8.04
天然骨料
小计
4755.47
2297.38
1409
2451.34
芯样整根长大于6.0m的共54根
2．压水试验及钻芯取样的目的和意义
由于碾压混凝土施工工艺决定混凝土中存在众多的层面，其渗透特性是评价碾压混凝土质量的一个重要指标，如果库水沿层面或薄弱部位进入坝体,则会增加坝体的孔隙水压力及扬压力,降低坝体的抗滑稳定性,再则渗透水还会将混凝土结构中的Ca（OH）2和其它成份带走，影响混凝土强度和耐久性。
故在设计文件中，对碾压混凝土的渗透指标有较严的要求，而测定其渗透指标的方法在我国《水工碾压混凝土施工规范》中已明确指出，现场钻孔压水试验检查是评定碾压混凝土大坝抗渗性能的一种方法。
为此，在坝体不同部位布置了不同深度的钻孔进行压水试验检查，测定其渗透指标，以了解评价坝体整体防渗性能和坝体局部区域的施工质量。
从已施工的碾压混凝土坝块中取出芯样，对其外观、长度、断面、骨料分布均匀性、混凝土密实程度及胶结情况等作直观检查,同时进行综合打分评定。
部份芯样送试验室作力学指标测定。
3．主要试验设备
由于水利水电钻孔压水试验规程所要求的设备性能和精度，针对防渗要求高的碾压混凝土坝，其试验的供水设备、试验精度远远不能满足检查混凝土防渗性能的要求，主要是碾压混凝土的渗透系数很小，为了较为精确地测出碾压混凝土防渗性能，我公司参加了国家“九五”重点科技功关项目《96-220-01-02》专题研究，在中国水科院的指导下，研制出了一套能满足上述要求的专用设备，并摸索出了一套试验方法。
根据取芯直径及钻孔压水检测要求，选取的主要设备见表2:
表2主要取芯压水检测设备明细
设备名称
型号及规格
单位
备注
岩芯钻机
HGY300、XY-2、XY-1A、XY-4
台套
精密计量泵
台套
压力0～1.6MPa
流量测试仪
H97-2
台套
公司研制
泥浆泵
BW-150
台套
3.1钻机
选用岩芯钻机，钻孔采用金刚石或合金钻头旋转钻进。
3.2止水栓塞
目前使用的柱塞有气压式、单管顶压式、双管循环式等类型。
但由于单管顶压式止水柱塞操作简单，而使用较多。
同时，柱塞长度应大于7倍钻孔孔径。
3.3供水设备
供水设备主要包括试验用水泵（精密流量泵、普通流量泵）、稳定空压室、滤水器等，压水试验用中间无接头的专用胶管替代钻杆作为工作管，解决常规压水试验采用普通水泵和钻杆作为连通管导致钻杆接头的漏水现象。
试验用泵满足如下要求：
（1）在1MPa压力下，流量能保持100L/min，我公司选用的BW～150泵最大可达150L/min，而采用精密流量泵，其最大压力为1.6MPa，压力可在0～1.6MPa之间无级调节；最大流量为1.33L/min，可在0～1.33L/min之间任意调节流量。
（2）稳定空气室的容量大于5L。
（3）滤水器有二层孔径小于2mm的过滤网。
（4）压力稳定，出水均匀，工作可靠。
（5）量测设备
压力：
压力量测有试段压力计和压力表等，一般采用压力表计，但要求压力表反灵敏，卸压后指针回零。
压力表的工作压力保持在表的极限压力值的1/3～3/4范围内。
流量:
采用水表及流量测试仪计量，量测范围在10-5～100L/min，压水试验段渗水量大于1L/min，采用水表计量。
压水试验段渗水量小于1L/min，采用H97—2流量测试仪计量。
该测试仪的原理是利用测压管量测相应体积，用电子表计时求取流量。
由于碾压混凝土存在渗透离散性大的特点，本测试仪设四个档位，分别由四种不同的计量管具组装而成，可满足不同流量的精度要求，测出最小渗水量为0.000072L/mim，该流量测试仪采用体积法配合电子表联合读数，其精度达到室内试验标准。
4.碾压混凝土压水试验
在碾压混凝土大坝防渗体中，进行原位钻孔压水试验，测定其渗透性，提供评价质量的基本资料。
4.1碾压混凝土大坝渗水的原因
碾压混凝土坝由于通仓、薄层连续铺筑碾压、存在着众多的层面和缝面，容易造成隐伏状结构，形成渗漏通道。
大坝作为挡水建筑物，其稳定性和渗透性是最关键的两个问题。
坝体的渗流或渗漏，会引起坝体混凝土的溶蚀，降低混凝土强度，影响混凝土的耐久性；同时坝体渗流若控制不好，有可能在坝体中形成较大的扬压力，对坝体的层面或缝面的稳定性构成威胁。
所以我们对渗流分析与防渗结构的研究，不仅牵涉到大坝的稳定性与耐久性，而且也关系到大坝的维护、观测、检查及大坝的美观。
造成碾压混凝土坝渗水的原因很多，大部分原因在常态混凝土坝内依然存在，主要是以下几种：
（1）用水量超过水泥水化热所需用水量，在混凝土内部形成毛细管渗流路径；
（2）骨料和水泥由于泌水性形成的空隙；
（3）碾压不密实而形成的孔洞；
（4）由于天然骨料中杂质未洗净或由于人工骨料（特别是大骨料）粘贴或附着的石粉未洗净（或搅拌时间不充分）而形成的缝隙；
（5）由于骨料分离而形成的架空与蜂窝；
（6）由于层面和缝面（特别是冷缝面）上下层嵌接不良（包括层面污染）而形成的缝隙；
（7）由于温度应力在混凝土中形成的裂缝；
（8）由于溶蚀作用而形成的渗漏通道；
（9）在斜层平推铺筑法中由于坡脚处理不当，而形成粗骨料集中堆积的渗漏路径；
（10）由于止水失效或止水周边变态混凝土振捣不密实而形成缝隙渗漏；
（11）冲走了碾压层的水泥浆体而形成的渗漏层；
（12）由于坝上游防渗体失效或部分失效而形成的渗漏。
4.2碾压混凝土渗透性的测试方法及现状
目前国内外研究碾压混凝土渗透性的方法主要有三种：
（1）按工程使用的碾压混凝土的配合比，在试验室成型试件，测定碾压混凝土本体和层面的渗透性；
（2）在已填筑的碾压混凝土上钻取芯样，测定其本体和层面的渗透特性；
（3）已填筑的碾压混凝土上进行现场压水试验，测定其实际的渗透特性（包括碾压混凝土本体、层面及坝体的特殊部位）。
室内试验条件与现场施工的条件有很大的差异，室内试验因湿筛等原因不能够反映现场填筑碾压混凝土的不均匀性；现场施工受内外界因素的影响，施工条件复杂，虽然芯样渗透试验的试件来自现场，也只能测定能做成试件的芯样，在取芯时如果层面（缝面）接合较差或有冷缝及碾压不密实，则芯样在此断裂或破碎，不能通过芯样渗透试验测定这些部位；而只有通过现场压水试验才能克服室内试验及芯样渗透试验的不足，较为真实的测定碾压混凝土的渗透特性，故在我国《水工碾压混凝土施工规范》中明确指出，现场钻孔压水试验是评定碾压混凝土大坝渗透性能的一种方法。
虽然《水工碾压混凝土施工规范》中把现场压水试验作为评定碾压混凝土抗渗性的方法，但目前对碾压混凝土的现场压水试验尚无统一标准，而大部分工程是沿用《水利水电工程钻孔压水试验规程》，该规程适用于岩体的压水试验。
由于岩体和碾压混凝土两种介质有较大差异，碾压混凝土层面虽存在着类似于岩体的结构面，但不同之处在于除层面外并无其它结构面，特别是对于施工质量好的碾压混凝土，其层面（缝面）接合非常好，渗透性非常小，其成果精度要求高，可见现行的《水利水电工程钻孔压水试验规程》应用于碾压混凝土的现场压水试验有较大的局限性。
部份已建的碾压混凝土坝的现场压水试验结果不是为0就是偏大，而渗透系数在10－3cm/s～10－9cm/s之间的未能测试出来（渗透系数小于10－9cm/s，压水时间在1小时左右，则进水量很小），主要是压水设备及量测装置的精度未能达到要求。
我公司研究出一套适应碾压混凝土现场压水试验测试方法和相应的试验设备。
4.3碾压混凝土现场压水试验方法及工艺要求
4.3.1现场压水试验方法
压水试验严格按照有关规定实施。
试验孔采用金刚石钻头造孔，孔径一般为Ф75～Ф91mm，自上而下单栓塞逐段阻塞压水，分段长度按设计及监理文件而定，一般等于一个升程高度或二分之一升程高度、含冷缝层面或不含冷缝层面，在遇到较大渗透量时，改变栓塞位置，再缩短段长，找出渗透较大量的部位。
根据《水利水电工程钻孔压水试验规程》（SL25—92）有关条款求取试段透水率（Lu）
压水试验完毕后，采用灌浆封孔。
4.3.2压水试验钻孔布置
压水试验钻孔布置视碾压混凝土部位功能和施工工艺及材料结构确定。
对大坝整体防渗检查，一般压水试验钻孔均布置在碾压混凝土大坝防渗区（二级配），钻孔距大坝上游面1.0～3.0m。
每坝块（或坝段）视分缝长度而定，一般每30.0m布置1～2孔，但每坝块（或坝段）不少于1孔。
布置时应避免破坏坝内预埋设备及管线，并距排水孔有一定的距离，防止产生串孔。
4.3.3试段长度的确定
压水试验的试段长度根据对碾压混凝土的测试要求而定。
一般根据每次升程确定，作两种考虑：
一种是每一试段长度含一个冷缝层面，即为一个升程高度。
另一种是一个升程高度分两个试段长度，一段（即1/2升程高度）不含冷缝层面，习惯叫碾压混凝土本体。
另一段（即1/2升程高度）含冷缝层面，底部高层在冷缝以下0.5～0.75m。
4.3.4试段试验水压
试段压力一般为0.3～0.6MPa，孔深6.0～8.5m以上试验平均压力为0.3MPa，以不使碾压混凝土临空面产生抬动为准。
以下各试段平均压力为0.6MPa。
4.3.5工艺要求:
4.3.5.1钻孔及洗孔
采用岩芯钻机钻孔，Ф75～91mm金刚石钻头旋转钻进。
每次钻进深度为压水试段长度。
开钻前用预埋扣件将钻机底座固定，保证钻机立轴垂直，钻孔垂直。
将钻具下至孔底，将注水泵的流量开至最大档位，孔口若无岩粉带出，回水清洁，便进行下一工序。
4.3.5.2试段隔离及设备安装。
在设备安装前要检查栓塞装置，查看胶塞是否变形，滑动是否灵活，连通管接头是否松动等。
上述装置达到要求后，利用钻机上的卷扬机将止水隔离装置放入孔内。
同时将滤水器、供水泵、流量测试仪、压力表、稳定空气室等安装完毕。
4.3.5.3设备调试
每段·次压水试验前，均对压水试验设备进行了调试检查。
对孔内止水栓塞、连通管路及管路连接部位、各种阀门及供水泵详细观测后，无任何漏水状况，再进行下一工序施工。
调试设备的顺序如下:
首先启动供水精密流量泵，关闭调压阀，将止水栓塞提起，让孔口返水，排净试段内及工作管路中的空气，观测回水无岩粉带出后，用钻机顶压胶塞止水。
胶塞压缩后,隔离止水,此时将调压阀门由大向小操作，观测精密压力表的压力上升过程,达到或稍超过设计值时,停止操作。
关闭供水阀，打开H97-2型流量测试仪，继续调整调压阀，使试段压力达到设计值，并保持稳定。
压力表读数按下式计算:
压力表读数=试段设计压力-压力表中心距所测量1/2试段面的水柱压力。
4.3.5.4压力、流量观测读数
压力表反映的压力稳定，所有部位观测无漏水现象。
这时采用电子秒表计时，进行流量观测。
根据钻孔压水试验技术要求，每隔5min记录一次水量，在流量无持续增大趋势，且连续5个流量中最大值与最小值之差小于最终值的10%时，试验便结束。
当渗漏较大时，改用BW-150型水泵利用水表读数，读数的方法与试验工艺相同。
4.3.5.5封孔
压水试验完毕后，采用了灌浆及水泥砂浆封孔。
4.4碾压混凝土现场压水试验资料整理
根据碾压混凝土分层施工的特点，从宏观上观测渗流的流态，其渗流状态可归纳为层流，并在进行压水试验过程中，其裂缝状况不可能发生明显变化。
故如前所述采用一阶段一压力进行，目前均参照《水利水电工程钻孔压水试验规程》SL25—92，计算其透水率。
计算公式如下：
Q1
q=—·—
LP
式中：
q—试段透水率（Lu）
L—压水段长（m）
Q—流量（L/min）
P—试段压力值（MPa）
由每段的试验成果汇编成每孔碾压混凝土部位压水试验检测成果表，如表3:
汾河二库碾压混凝土坝压水试验检测成果表。
由每段的试验成果综合进行数理统计分析，一般分五个档位，即0.01.0统计，求取相应的百分比，综合分析大坝的防渗状况。
如表4：
蔺河口碾压混凝土钻孔压水试验透水率（%）统计表。
目前，国内衡量大坝的抗渗性能均用渗透系数来比较，根据现场压水试验资料求取渗透系数（K），“九五”国家重点科技功关《96-220-01-02》专题己取得了初步成果，目前正进一步深入研究。
由水科院根据压水段附近的混凝土处于非饱和状态，压水时水流沿钻孔径向外渗，为饱和圈逐渐扩大的非恒定过程这一思路，推导出渗透系数公式如下：
mr12r0r12－r02
K=——[－Ln－+________]
T0H2r14
表3汾河二库碾压混凝土大坝压水试验检测成果表
试段
编号
孔段高程（m）
段长
（m）
压水
起
止
流量
（L/min）
压力
（MPa）
透水率
（Lu）
1
906.25
905.20
1.05
0.00000
0.3
0.00000
2
905.20
904.15
1.05
0.00000
0.3
0.00000
3
904.15
903.10
1.05
0.00667
0.3
0.02116
4
903.10
902.05
1.05
0.00768
0.6
0.01218
5
902.05
901.00
1.05
0.00646
0.6
0.01026
6
901.00
899.95
1.05
0.02333
0.6
0.03704
7
899.95
898.70
1.25
0.00333
0.6
0.00444
8
898.70
896.95
1.75
0.00202
0.6
0.00192
9
896.95
895.90
1.05
0.00081
0.6
0.00128
10
895.90
894.30
1.60
0.00162
0.6
0.00168
11
894.30
893.25
1.05
0.00667
0.6
0.01058
12
893.25
891.50
1.75
0.02000
0.6
0.01905
13
891.50
889.75
1.75
0.00364
0.6
0.00346
14
889.75
888.30
1.45
0.00485
0.6
0.00557
15
888.30
887.25
1.05
0.02000
0.6
0.03175
16
887.25
885.50
1.75
0.01333
0.6
0.01270
17
885.50
884.45
1.05
0.00667
0.6
0.01058
18
884.45
882.80
1.65
0.00040
0.6
0.00041
19
882.80
881.75
1.05
0.00202
0.6
0.00321
20
881.75
879.90
1.85
0.00080
0.6
0.00072
21
879.90
878.85
1.05
0.00081
0.6
0.00128
22
878.85
876.85
2.00
0.016666
0.6
0.01389
23
876.85
874.75
2.10
0.003333
0.6
0.00265
注
坝块:
2孔号:
2-1孔囗高程:
912.0m
表4蔺河口碾压混凝土大坝钻孔压水试验透水率（%）统计表
序号
钻孔
编号
段.次
透水率（Lu）
10-4≤q＜10-3
10-3≤q＜10-2
10-2≤q＜10-1
10-1≤q＜1.0
1.0≤q
1
ysy-1
12
33.3
66.7
2
ysy-2
30
3.3
93.4
3.3
3
ysy-3
30
33.3
60.0
6.7
4
ysy-4
12
58.3
41.7
5
ysz-5
27
25.9
18.5
51.9
3.7
6
ysz-6
27
100.0
合计
138
21.0
65.9
10.9
2.2
5．钻芯取样
根据《水工碾压混凝土施工规范》DL/T5112—2000，有关对碾压混凝土质量控制与评定相关条款的规定，确定钻芯取样作为评定碾压混凝土质量的综合方法。
施工质量高的碾压混凝土，必须选择好的质量检测单位，因为检测水平将直接影响对碾压混凝土的评定。
通过长时间、多项目对各种不同级配的碾压混凝土体的检测，我公司摸索出了一套较为完备的施工方法，在￠150mm级别芯样直径中，其单根芯样长度由开始的4.98m逐步提高到12.3m，三峡三期围堰碾压混凝土12.3m长芯样（取芯日期:
2003.08）、陕西蔺河口碾压混凝土10.57m长芯样（取芯日期:
2003.07）、大朝山碾压混凝土芯样，长芯样10.47m（取芯日期:
1999.10），芯样获得率、缝面完好率均不断提高。
从芯样表面评鉴碾压混凝土的质量优劣。
质量好的碾压混凝土表面光洁致密，质量不好的存在着蜂窝、麻面或架空等现象，甚至取不出完整芯样，往往容易在层面或缝面结合不好处断开。
对芯样表观评鉴主要从以下几个方面进行：
1）芯样获得率—芯样长度与钻孔深度的比值，以各个钻孔分别计算；
2）缝、层面完好率—芯样施工缝面（或碾压层面）未折断的数目与钻孔穿过的缝面（或碾压层面）总数之比。
3）芯样外观描述—评定碾压混凝土的均质性和密实性，
5.1钻芯取样方法
采用岩芯钻机，选用金刚石钻头钻进，并根据不同的碾压混凝土骨料级配，确定不同的钻机转速、给水量和压力等，匀速完整地取出岩芯。
5.2取样时间的确定及钻孔布置
钻芯取样应在碾压混凝土达到设计龄期后进行，我公司检测过的工程一般都超过了90天。
在设计龄期规定的时间内取芯，既不影响大坝工程质量，又能获取好的芯样，更能准确地检测出工程质量。
钻孔取芯的部位和数量需根据高程来确定，在其平面布置上，还应考虑分缝长度、距离和部位，如出料口位置等。
一般沿坝轴线方向每30.0m分别在二级配（防渗区）和三级配（非防渗区）布置1～2孔，但每坝块（或坝段）不得少于2孔。
在布置孔位时，应注意避免破坏坝内预埋设备及管线，并距排水孔有一定的距离防止相互影响。
5.3芯样外观描述
主要从表面光滑程度、表面致密程度、骨料分布均匀性进行描述。
相同质量的碾压混凝土其表面光滑程度不仅取决于施工质量而且取决于检测单位的施工水平，但表面致密程度、骨料分布均匀性主要取决于施工质量。
我公司在一些工地，将骨料架空、浆液离析呈蜂窝状的部位取出仍未断裂，见照片6:
碾压混凝土浆液离析、骨料架空现象，满足评定要求。
芯样的外观描述由于没有一个定量的标准，所以只能做定性的比较。
由芯样外观描述进行资料整理分析。
如表5:
大朝山碾压混凝土芯样获得率及外观评定表，表6汾河二库碾压混凝土取芯层、缝面统计表。
表5大朝山碾压混凝土芯样获得率及外观评定表
级配
坝
块
孔号
高程
厚度
（m）
施工
方法
芯长
（m）
获得率
（%）
外观（m）
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