堤防岸坡防渗材料的单轴力学及透水性能试验分析

周新川

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

混凝土材料在水利工程中应用广泛，混凝土防渗材料配比方案的优化确定对于稳定性设计至关重要[1]。为此国内不少学者[2- 5]采用仿真模拟平台对混凝土颗粒力学特征进行模拟，从而对了解混凝土防渗材料的力学特性提供了有效的研究方式和手段，但其防渗材料固体颗粒力学仿真模拟效果受混凝土构造及内部防渗材料颗粒形态影响较大，使得其防渗材料单轴力学模拟效果和实际力学特征有所差异。河道堤防混凝土防渗材料稳定性通过原位观测试验测定值和实际值吻合度较高，分析的结果也更为可靠[6]。因此，采用原位观测方式，通过设计单轴力学及渗透试验对水工混凝土性能进行测试成为当前分析水工混凝土稳定性的重要手段和依据[7]。近些年来关于堤防岸坡防渗材料特性研究取得一定成果[8- 14]，但是对于河道堤防岸坡不同砂率及碳钎维掺量下的防渗材料性能影响研究还较少，为此本文用单轴力学及透水试验对不同砂率及碳钎维掺量下的防渗材料性能进行测定，研究成果对于堤防防渗材料的参数配比方案具有参考价值。

1 试验河段堤防概况

以辽河干流辽中水文站上游20km综合治理河段作为原位观测河段，河流上游设置有防洪橡胶板和一个蓄能抽水泵站，河道防洪标准为20年一遇，堤防行洪能力为3500m3/s，河道防洪堤防顶部设计高程为11.5m，迎水和背水两侧的坡度均为1∶2，堤防地基堆筑材料主要为黏土、砂土等土料，对各层土料进行分层压实，堤顶沉降最大值不高于6mm，堤防岸坡的防渗结构通过土工布和防渗墙进行共同构成，防渗墙厚度设计值为55cm，基岩插入的深度为0.8m，防渗墙结构河段堤防每隔100m的距离进行布设，渗透坡降对于堤防最大值低于0.25。河段上游由于抽水蓄能泵站放水影响，上游来水对下游河道冲刷影响明显。为此在河段进行综合治理时，需要对岸坡稳定及渗透性能进行加固和改善。在河段堤防工程设计时采用坡面加固喷射材料作为其河道堤防水工混凝土的主要防渗材料，由于对坡面加固喷射材料的冲刷及防渗性能认识不足，尤其是对加固喷射材料的砂率及碳钎维掺量配比方案还存在一定盲区，因此亟需对加固防渗材料的力学特性及渗透性能进行试验分析，确定参数配比最优方案。

2 试验方法

2.1 主要试验仪器

本文主要采用原位采样，室内试验的方式，通过室内单轴压缩和透水试验对加固喷射的水工混凝土材料力学及防渗性能进行测定，采用伺服式液压控制系统对其防渗材料进行单轴压缩试验，该液压操作系统通过数据加载及采集系统对其液压程序进行控制，其中单轴荷载最高值为1000kN，变形控制为其主要的单轴压缩方式，压缩速率最大值为100kN/min，最大速率对于其液压控制系统为4mm/min，试样在全过程中均可保证两种采集方式按照试验预定进行失稳破坏。传感器监测与数据自动处理包含在数据采集系统内，混凝土材料下的轴环向变形通过传感器进行测定，轴向传感器变形量监测量程在±10mm范围内，环向变形最大监测值可达到20mm，各变形监测传感器误差低于0.5%。每隔0.5s进行一次数据自动处理及采集，应力变形状态通过试验混凝土样品加载单轴力学后可以进行实时读取。采用简易透水装置进行透水试验，水头变化每间隔1s进行记录，本次试验中以砂率及碳钎维掺量作为主要配比参数方案，针对砂率及碳钎维掺量不同配比方案进行变形应力及渗透性能的测试，结合试验河段采用的混凝土试验材料，砂率及碳钎维掺量初始设定参数配比方案见表1。

表1 砂率及碳钎维掺量初始设定参数范围配比

2.2 试验步骤

通过设定水压恒定值采用自然渗透的方式对混凝土材料的渗透性能进行试验，渗透试验步骤较为简易，主要以单轴压缩力学试验进行渗透破坏试验，具体步骤为：

(1)混凝土材料在完成透水试验进行烘干后，进行12h的养护，相关物理指标在试验前完成测定，液压控制系统内放入试验材料。加载方向与试验两端中心面保持一致，监测传感器在加载试验前安装到不同配比参数方案下的混凝土不同轴向，相关测试的物理参数提前在程序中进行设定。

(2)以变形加载控制整个试验全程，逐步进行轴向压缩试验，变形控制速率低于0.02mm/min范围内，逐步进行加载到混凝土试验材料出现失稳现象后加载试验停止。

(3)采集的变形及透水试验数据在试验结束后进行保存，变形传感器从荷载中进行卸载，进行其他试样的测定，并按以上步骤进行重复试验。

3 混凝土防渗材料单轴力学试验结果分析

3.1 不同砂率对混凝土单轴力学影响试验

首先针对4种初始砂率条件下的单轴进行力学试验，对其不同应变力条件下的应力加载值进行分析，分析结果见表2。

表2 不同砂率对混凝土单轴力学影响试验结果

从表1中试验结果可看出，砂率和应力加载值呈现正关系，随着砂率增加其不同应变条件下的应力加载值逐步加大，砂率在配比方案中值越高其混凝土防渗材料的应力逐步增加。在相同应变力条件下，当砂率增加到2%、4%、6%时相比于0%砂率条件下其应力增加值分别增加倍比分别在0.9～12.5之间。在进行混凝土防渗材料配比中砂率越高，这主要是因为混凝土防渗材料中骨架颗粒孔隙中能更好的被砂子填充，使得其孔隙率被降低，从而提高混凝土防渗材料的承载能力。随着砂率增加混凝土防渗材料变形特征越明显。相比于0%砂率下，当砂率增加到2%、4%、6%时其弹性模量增幅在1.5～3.2倍，其试验在应力峰值后的砂率有所下降，6%初始砂率条件下应力峰值下降幅度超高跟50%，而0%初始砂率试验条件下应力峰值下降幅度低于20%，不同砂率条件下各试验材料样品随着砂率增大而减小，因此在进行防渗材料增加试验材料砂率要避免破坏材料的脆性。

3.2 不同碳钎维掺量对混凝土单轴力学影响试验

在进行不同砂率条件下混凝土单轴力学分析的基础上，针对不同碳纤维掺量下堤防岸坡混凝土防渗材料的单轴力学进行试验，分析结果见表3。

表3 不同碳钎维掺量对混凝土单轴力学影响试验结果

从表3中试验结果可知，碳纤维掺量对混凝土的加载应力有一定促进效应，相比于0%的碳纤维掺量下，其他碳纤维掺量下的应力加载值分别可增加倍比在20%以上，混凝土防渗材料应力加载值整体上虽然可通过碳纤维掺量有所促进，但对应力水平增幅总体影响较小。各防渗材料试样的变形特征随碳纤维掺量变化影响差异性较低，各试验材料的弹性模量均在4.5MPa左右范围内变化，各试验碳纤维掺量条件下应力峰值变化较小，混凝土防渗材料变形特征受碳纤维掺量影响较低。

3.3 碳钎维掺量-抗压强度及砂率-抗压强度曲线

对不同碳纤维掺量和砂率初始条件下对碳纤维掺量-混凝土防渗材料抗压强度及砂率-混凝土防渗材料的抗压强度曲线进行试验分析，如图1—2所示，并对碳纤维掺量、砂率初始条件下的碳钎维掺量-抗压强度及砂率-抗压强度曲线进行显著性检验，检验结果见表4—5。

图1 相同碳钎维掺量下砂率-抗压强度拟合曲线

图2 相同砂率下碳钎维掺量-抗压强度拟合曲线

表4 砂率-抗压强度拟合曲线显著性检验结果

表5 碳钎维掺量-抗压强度拟合曲线显著性检验结果

从4种碳纤维掺量条件下的砂率-抗压强度曲线可看出，随着砂率的增加混凝土防渗材料抗压强度逐步增加，但随着砂率增加，其抗压强度曲线逐步变化平缓，强度增幅有所减小，这和前面砂率条件单轴力学试验结果也较为吻合，当存在碳纤维掺量时，砂率的增加对其强度促进影响较小，当砂率初始率增加到4%后防渗材料的抗压强度递增幅度可达到36.5%，而再增加到6%后其抗压强度增幅可达到71.5%，抗压强度随着砂率增加其平均强度总体呈现递增变化，砂率每增加2%其抗压强度平均可提高34.5%。从4种砂率条件下碳纤维掺量-抗压强度曲线可看出，碳纤维掺量增加到一定程度后其防渗材料的抗压强度增幅有所降低，当碳纤维掺量每增加1%时抗压强度增幅均值均为8.2%。从各砂率条件下抗压强度曲线可看出混凝土防渗材料的抗压强度随着碳纤维掺量增加有所提高，但影响程度相比于砂率影响要小。从不同试验初始条件下砂率-抗压强度曲线及碳纤维掺量-压强度曲线检验值可看出，各拟合曲线的决定系数均高于0.7，拟合度较高，且从两组曲线检验结果可看出，随着碳纤维掺量和砂率不同程度的增加，其曲线拟合度有所降低，这主要是因为随着砂率和碳纤维掺量增加，其抗压强度影响度降低，使得其拟合曲线吻合度有所减小。从F检验值可看出，各组曲线均具有较好的显著性，通过试验确定的砂率-抗压强度曲线及碳纤维掺量-抗压强度曲线可以为后期防渗材料设计抗压强度下砂率和碳纤维掺量的配比值提供技术支撑。

4 混凝土防渗材料透水试验结果分析

4.1 砂率对防渗材料透水系数影响试验

结合简易透水装置对不同砂率对防渗材料的透水性能影响进行试验，各碳纤维掺量下的砂率-透水系数拟合曲线结果如图3所示，并对各组拟合曲线的显著性进行检验，检验结果见表6。

图3 不同碳纤维掺量砂率-透水系数拟合曲线

表6 砂率-透水系数拟合曲线显著性检验结果

从表6结果可看出，混凝土透水性能随着砂率的较大而有所减小，每加大2%砂率，平均渗透系数可减少24.2%。水工混凝土防渗材料的渗透性能随着砂率的增加有所减小，随着砂率的增加，防渗材料骨架颗粒孔隙充实度增加，孔隙度被降低，渗透通道在混凝土防渗材料内部被抑制，渗透系数随着砂率增加有所降低，这也说明在试验材料中有碳纤维掺量存在时可以对其渗透性能有所抑制。从不同碳纤维掺量下砂率-透水系数拟合曲线检验结果可看出，随着碳纤维掺量增加，其砂率-透水系数拟合曲线拟合决定性系数有所降低，这主要是因为随着砂率增加其渗透性能有所降低，使得其拟合曲线的决定系数降低，但各组曲线的F检验值表明均通过显著性检验。

4.2 碳钎维掺量对防渗材料透水系数影响试验

对各砂率下的碳纤维掺量-透水系数进行曲线拟合，结果如图4所示，并对各组拟合曲线的显著性进行检验，检验结果见表7。

从图4中可看出，混凝土防渗材料的透水性能受碳纤维掺量的增加影响呈下降变化，碳钎维掺量对混凝土透水性能的影响低于对其强度性能的影响，透水系数均值随着碳纤维掺量每增加1%可平均减少23.5%，物理化学反应可在胶凝材料和碳纤维中产生，混凝土防渗材料的流动性受其中固体沉淀颗粒的影响有所降低，防渗材料内部渗透通道受到影响而有所堵塞，混凝土渗透系数随碳纤维掺量增加呈线性递减变化。从不同砂率条件下的碳纤维掺量-透水系数拟合曲线的拟合度检验和显著性检验变化可看出，各组拟合曲线的决定系数均高于0.7，呈现较高的拟合变化，但随着砂率增加其拟合度有所减小，这主要是因为随着砂率的增加混凝土防渗材料的渗透性能有所抑制，因此降低了其拟合系数，同理随着砂率增加碳纤维掺量-透水系数拟合曲线的显著性检验水平也有所降低。

图4 不同砂率条件下的碳纤维掺量-透水系数拟合曲线

表7 碳钎维掺量-透水系数拟合曲线显著性检验结果

5 结语

(1)混凝土防渗材料配比设计时，砂率配比建议在2%～4%之间，以免砂率过高，加大防渗材料的脆性破坏，结合试验确定的砂率-抗压强度拟合曲线，在设计抗压强度下，确定其砂率配比值，再结合砂率-渗透系数曲线拟合值综合确定其渗透系数设计值。

(2)砂率、碳纤维掺量对防渗材料的渗透性能均有抑制作用，其中砂率的抑制作用要强于碳纤维掺量，因此在防渗材料配比方案设计时，可提高砂率配比量，降低碳纤维掺量配比量，建议砂率、碳纤维掺量可按2∶1或者3∶1进行配比。

(3)砂率、碳纤维掺量对防渗材料强度和渗透性能影响是相互的，并不独立，因此后期研究中还应对其不同配比组合方案下的单轴力学及渗透性能进行试验分析。