无砂混凝土在高地下水位渠道边坡衬砌中的应用

李永强

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

0 引言

无砂混凝土是一种由水泥、粗集料和水拌合而成的开放级配混凝土，具有孔隙率大、排水性好、容重和收缩变形小、经济性高等优点，且具有一定的强度，在公路、水利、取水等工程领域大量应用[1～3]。

无砂混凝土排水性优良这一特点是其广泛应用于工程的主要原因，很多专家学者针对无砂混凝土的渗透排水特性进行了试验研究，得出配合比、容重、骨料种类等均是影响其

渗透性能的主要因素[4～7]。吴党平[8]、徐飞[9]、黄岳文[10]等将无砂混凝土应用于边坡工程当中，并取得了很好的实践效果。

南水北调宝郏一标项目段地处不良地质段，且处于高地下水位区，一般常用的施工方法已不能满足渠道边坡安全稳定的要求，因此决定对该段采用无砂混凝土代替砂砾料作为垫层。本文通过进行不同配比、不同水头下的室内试验，根据试验成果，在现场进行优化，最终确定出最佳施工配比。

1 工程概况

宝郏一标项目的地质情况较为复杂,渠坡主要由粘土岩、砂岩、砾岩、泥灰岩、页岩、灰岩组成，而主渠道SH(3)21+250-SH(3)22+060段共计810 m，为高地下水位页岩地质结构段，施工期发现页岩裂隙内向外渗水现象突出，下雨和周边农田灌溉时渗水量明显加大，渠道原设计的垫层砂砾料压实后被渗水带走，垫层稳定性无法保证，见图1。其中，桩号S H21+115～SH22+060段以寒武系页岩为主、夹有薄层灰岩，岩层走向为 287°（NWW），倾向 16°（NNE），倾角 10°，地下水位多在渠道设计水位以上及附近 (地下水位比渠道底板高7 m以上)，施工时存在排水问题。

图1 现场施工过程中渗水现象

为了保证高地下水位形成的动水压力下垫层的稳定性，且满足渗排水功能，通过理论研究和大量的现场试验，认为无砂混凝土透水性好，具有过滤功能，且具有一定的强度，工程效益也较好，遂决定进行无砂混凝土替代砂砾料作为垫层的相关试验、设计和施工。

2 室内试验

2.1 试验配比

试验共设置四组不同级配（不同单粒径级配以及连续级配）的无砂混凝土，配合比根据前人研究经验和施工经验选取，见表1。水泥采用常规po42.5硅酸盐水泥，平均密度3.05 kg/m3，粗集料保证洁净耐久，压碎值小于30%,z针片状小于15%，含泥量小于1%，水位当地自来水，不含其它杂质。

表1 试验级配和配比情况

2.2 有效孔隙率

在混凝土中的孔隙率分为有效孔隙率（连通孔隙）和无效孔隙（非连通和半连通孔隙），而有效孔隙率是表征无砂混凝土排水性能的重要指标之一，其计算原理为：

式中：V 为外观体积，cm3；W1为浸泡 24 h 后重量，g；W2为自然放置24 h后重量，g。

试验得到的各试验组的有效孔隙率对比见图2。从图中可以看到，有效孔隙率由大到小依次为试验组S3＞S2＞S1＞S4，连续级配下的有效孔隙率明显小于单级配无砂混凝土的有效孔隙率，单粒径时，粒径越大，有效孔隙率越大，这是因为无砂混凝土是水泥浆包裹粗集料西城的骨架孔隙结构材料，水泥浆厚度大致相同，故孔隙率主要由集料间距决定，单粒径级配颗粒间容易相互嵌挤形成间隙，且粒径越大，间隙越大，连续级配的间隙则会被小颗粒填充，故而有效孔隙率降低。

图2 级配、配比类型与有效孔隙率关系

2.3 强度

对各试验组进行了抗压、抗折和劈裂试验，得到三者的对比关系见图3。从图中可以看到：抗压、抗折和劈裂强度与有效孔隙率成反比，有效孔隙率越大，强度值越低，即S3＜S2＜S1＜S4，这是因为强度主要取决于水泥用量、水灰比以及碎石级配，而骨料的强度远远大于其试件强度，因此受力破坏主要还是集中于胶结点的破坏，胶结面积越小，强度越低，故而在保证有效孔隙率的情况下，应该适当增加水泥用量以增大胶结面积。

图3 级配、配比类型与强度的关系

2.4 渗透特性

试验获得了不同水头作用下各组的渗透量，并根据达西定律得到了相应的渗透系数变化规律，见图4。从图中可以对比看到：在相同水头下，各试验组的渗透系数大小与有效孔隙率保持一致，即S3＞S2＞S1＞S4，连续级配的渗透系数明显小于单粒级配渗透系数；随着水头的不断增大，渗透系数呈幂函数型y=axb增长，且相关系数R2大于0.97；根据内插法计算，在7 MPa水头下，各试验组的渗透系数大小分别为0.39 cm/s、0.39 cm/s、0.44 cm/s、0.22 cm/s。

图4 不同水头下渗透系数变化关系

3 现场试验

3.1 初选

确保工程质量安全的前提下，各参建单位根据室内试验结果，初步拟定了相应的技术指标：①混凝土强度指标C10；②渗透系数不小于2×10-1cm/s。由于施工现场料场内的碎石粒径在5 mm～20 mm之间，故根据室内试验结果，对配合比做了微调，并初步选定了六组C10无砂混凝土配合比，具体见表2。

表2 初拟C10无砂混凝土配合比

由于工期较紧，故首先对混凝土试件3 d强度和渗透率(水压7 MPa)进行了测定，测定结果见图5。从图5可以看到：在各配合比下3 d渗透系数虽然都满足了设计要求，但强度非常高，有5组已经超过C10的强度要求（但工程效益得不到保障），故经分析后认为没有必要再等7 d和28 d强度，应该及时调整优化配合比并重新试验，得出最佳配比。

图5 现场初拟配比强度和渗透系数关系

3.2 优化

根据初步拟定的试验结果，对无砂混凝土的配合比进行了优化调整，具体参数见表3。

表3 调整优化后C10无砂混凝土配合比

鉴于工期紧张的缘故，仅对7 d的强度和渗透系数进行了测定，见图6。从图6可以看到：调整优化后的配合比7d渗透系数都能满足设计要求，但强度总体仍然偏高，有3组已经超过C10的强度要求，分别为T3、T5和T6组，考虑到位7 d的抗压强度，后续强度仍有增长，且经过和易性、坍落度等情况综合分析，挑选出了编号“T4”的配合比，作为先行施工的推荐配合比。

图6 优化后各试验组强度、渗透系数关系

3.3 讨论

施工完成后28 d，在现场钻取试件若干，进行了抗压和渗透试验，结果显示渗透系数平均值8.31×10-1cm/s，满足设计要求的不小于2×10-1cm/s技术指标，平均抗压强度为13.7 MPa，也满足了相应的强度指标，故认为本文得出的无砂混凝土最佳配合比技术合理，同时满足了经济适用性。最终变更方案得到了设计单位的认可，工程施工得以顺利实施，解决了工程质量安全隐患、推动工程进展、为南水北调顺利通水提供有力的保障。

4 结论

（1）连续级配无砂混凝土的有效孔隙率和渗透系数明显低于单粒径级配，粒径越大的无砂混凝土有效孔隙率和渗透系数越大；强度值表现则与有效孔隙率和渗透系数相反。

（2）随着水头的增大，无砂混凝土的渗透系数呈幂函数型增加。

（3）通过现场初拟和优化调整，最终确定了最佳施工配合比为：水灰比0.45，灰骨比1∶6，水∶水泥∶石子=135.5∶301∶1806。

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