谷 靜，王 霄，陳 超，齊春舫，仲召偉

（淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇淮安223005）

水工結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性不僅與水工設(shè)計水平息息相關(guān)［1-2］，同樣水工材料力學(xué)水平對結(jié)構(gòu)運(yùn)營穩(wěn)定性亦有較大影響［3-4］，因而，推動水利材料力學(xué)特性研究在水工設(shè)計中具有重要意義。徐俊等［5］、劉璇等［6］、劉國華等［7］認(rèn)為水工材料中典型的混凝土、巖土體等材料，均可屬于顆粒流類材料，因而引入顆粒流離散元仿真計算手段，通過設(shè)計離散元模型的單、三軸仿真試驗，研究獲得了不同屬性參數(shù)影響下顆粒流模型的力學(xué)特征，為工程設(shè)計提供了基礎(chǔ)力學(xué)依據(jù)。當(dāng)然，巖石與混凝土材料的破壞過程與其內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展密切相關(guān)，故在一些水利隧洞等工程中安裝相應(yīng)的微震監(jiān)測儀器［8-9］，及時預(yù)判工程失穩(wěn)前兆。室內(nèi)力學(xué)試驗?zāi)耸且环N精度較高、方法較成熟的研究手段，通過對巖石、混凝土或土體等材料進(jìn)行室內(nèi)加工打磨，設(shè)計開展單軸、三軸及滲透等力學(xué)耦合試驗［10-11］，可較宏觀獲得材料的力學(xué)水平，提升水利材料工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)二干渠護(hù)坡材料工程環(huán)境，設(shè)計模擬水流侵蝕作用下混凝土的力學(xué)加載試驗，為二干渠輸水工程護(hù)坡材料的應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 工程背景

二干渠為來龍灌區(qū)主要灌水渠道之一，西起井頭泵站，東至宿沭界張圩閘，全長26.14 km。流徑有多個水利控制樞紐，包括有泄洪閘與排沙閘等重要水工設(shè)施，監(jiān)測表明渠道含沙量最大不超過，3.5 kg/m3，輸水樞紐降淤排污作用顯著。渠首為井頭泵站，設(shè)計流量80 m3/s，出水池設(shè)計水位20.0 m。渠底寬40～80 m，渠底高程17.00～15.60 m，渠底比降1∶20 000；渠頂高程22.50～22.00 m，邊坡1∶2.5，北堤結(jié)合宿沭公路，頂寬15 m；南堤頂寬4～5 m；渠堤腳處鋪設(shè)有0.3 m厚度的碎石填土層，局部渠段加設(shè)土工防滲膜，有效降低輸水損耗率，亦可抑制渠底滲流活動。二干渠兩側(cè)分布3條分干渠和7條支渠，灌溉總六塘河左岸塘湖、曹集、來龍、新莊、保安、關(guān)廟、大興、丁嘴等鄉(xiāng)鎮(zhèn)2.11萬hm2農(nóng)田。現(xiàn)狀二干渠為土質(zhì)渠道，以曹集鄉(xiāng)為界，曹集以西段土質(zhì)為砂壤土夾淤泥質(zhì)黏土，透水性超過3.5×10-4cm/s，松散程度較高，易受地表徑流影響，發(fā)生沖刷流失，對渠基礎(chǔ)抗滑移特性乃是較大威脅。以東段為黏土，顆粒粒徑以2.75 mm為主，局部土層級配較好，壓實效果較佳，但承載力較低，現(xiàn)場標(biāo)貫測試表明，土體屬較中低等持力層，不利于渠坡抗傾覆穩(wěn)定性。二干渠灌溉面積大，輸水線路長，渠道沿線特別是曹集以西段邊坡存在坍塌現(xiàn)象，渠道工程完好率僅為23.4%，有效防護(hù)渠道邊坡完整性與功能完好性，乃是輸水渠道安全管理的重要考量方面。二干渠乃是區(qū)域內(nèi)重要水利樞紐設(shè)施，保障二干渠輸水穩(wěn)定性乃是工程設(shè)計與管理的重點工作，為此，對二干渠縱、橫斷面進(jìn)行“升級”設(shè)計，在滿足渠首設(shè)計流量要求的前提下，設(shè)計渠道滲透比降為120 000，整體提升輸水渠道邊坡穩(wěn)定性。從二干渠渠坡防護(hù)角度考慮，設(shè)計采用塑性混凝土硬化護(hù)坡，并搭配以植物綠化網(wǎng)格，有效提升工程綠色設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，硬化混凝土作為坡面材料，在長期的水質(zhì)物化侵蝕作用下，當(dāng)受靜、動水壓力影響，會產(chǎn)生局部裂縫，而裂紋的擴(kuò)展根源主要與混凝土的拉、壓應(yīng)力特性有關(guān)，因而工程試驗部門考慮先期對塑性混凝土開展物理損傷作用下拉、壓力學(xué)試驗。

1.2 試驗介紹

為確?；炷晾毫W(xué)試驗結(jié)果的可靠性，本文采用GDS-RTS巖石三軸試驗系統(tǒng)開展力學(xué)加載破壞試驗，該試驗系統(tǒng)配備有程序加載控制設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備及程序?qū)崟r控制系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)加載部分可根據(jù)試樣尺寸配備不同加載盤，適應(yīng)多類型、多尺寸參數(shù)試樣力學(xué)試驗，本文所有試樣的尺寸直徑、高度均分別為75 mm、150 mm。加載系統(tǒng)也可根據(jù)實驗要求更換不同傳感器量程與加載裝置。數(shù)據(jù)采集設(shè)備可設(shè)置采集間隔最小為0.01s，本試驗中數(shù)據(jù)采集間隔為0.5 s，各數(shù)據(jù)設(shè)備包括有軸向、環(huán)向變形傳感器及機(jī)器位移監(jiān)測儀器，可根據(jù)試驗要求對各試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。本試驗中所采用的軸向、環(huán)向傳感器均已標(biāo)定，試驗數(shù)據(jù)采集誤差不超過0.1%。試驗采集過程中，數(shù)據(jù)處理設(shè)備可實時給出試樣力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，基于狀態(tài)參數(shù)，試驗人員可調(diào)整試驗進(jìn)程，而荷載加載方式可選擇力學(xué)與變形控制［12］，本文壓縮試驗前期彈性變形階段采用力學(xué)加載方式，速率為15 kN/min，后轉(zhuǎn)成變形控制加載，速率為0.006 mm/min，而拉伸試驗全程均采用變形控制。利用該試驗設(shè)備分別對二干渠護(hù)坡混凝土材料進(jìn)行拉、壓力學(xué)試驗。

由于本試驗中需模擬渠道內(nèi)水質(zhì)侵蝕作用下混凝土拉、壓力學(xué)特性，因而設(shè)計在試驗前對試樣進(jìn)行人工預(yù)制物化損傷，當(dāng)所有混凝土制備、加工打磨后，放在NaCl鹽溶液中浸泡一定時間，完成前期鹽溶液侵蝕物化損傷試驗后，再進(jìn)行拉、壓力學(xué)試驗。本試驗中設(shè)定鹽溶液溶度試驗組分別為0 g/L（自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)）、2 g/L、4 g/L、6 g/L、8 g/L，而浸泡時間分別設(shè)定為24 h、48 h、72 h 3個對比組，所有塑性混凝土試樣均保持取樣、制樣統(tǒng)一。本文各試驗組具體參數(shù)方案如表1所示。

表1 試驗方案具體參數(shù)

2 混凝土拉伸力學(xué)特性

2.1 荷載變形特征

根據(jù)物化損傷后塑性混凝土的拉伸力學(xué)破壞試驗，獲得不同浸泡溶液濃度的混凝土試樣拉伸應(yīng)力變形特征，如圖1所示。從圖1可知，在相同浸泡時間下，鹽溶液濃度愈高，則混凝土試樣拉伸應(yīng)力水平愈低，在浸泡時間24 h試驗組中，自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下試樣在拉伸變形1.5 mm時對應(yīng)的拉伸荷載為29.45 kN，而相同拉伸變形下的鹽溶液濃度2 g/L、6 g/L、8 g/L試樣的拉伸荷載較前者分別減少了38.4%、64.3%、69.8%，表明浸泡鹽溶液濃度愈大，則塑性混凝土受物化損傷作用愈強(qiáng)，試樣內(nèi)部顆粒骨架穩(wěn)定性受“打擊”愈大，反映在拉伸荷載上則是降低的特性［13-14］。當(dāng)浸泡時間增大至72 h后，各試樣拉伸荷載水平整體減小，但物化損傷作用與拉伸荷載關(guān)系仍基本一致，各試樣間拉伸荷載差異有所增大；在拉伸變形1.5 mm時鹽溶液濃度2 g/L、8 g/L試樣拉伸荷載與自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下差幅分別為45.2%、81.3%；表明浸泡時間愈長，浸泡溶液濃度對混凝土物化損傷作用影響增強(qiáng)。從拉伸變形可知，相同浸泡時間下各試樣峰值拉伸變形以低濃度下為最大，在浸泡24 h試驗組中溶液濃度0～8 g/L的5個試樣的峰值變形分別為3.14 mm、2.82 mm、2.64 mm、2.46 mm、2.31 mm；另一方面，各試樣最大拉伸應(yīng)變基本保持一致，塑性混凝土試樣在峰值應(yīng)力后期均有穩(wěn)定變形階段，即不論物化損傷程度多大，峰值拉伸荷載破壞后的塑性混凝土仍具有一定承拉能力。

圖1 物化損傷后混凝土拉伸荷載變形特征

2.2 抗拉強(qiáng)度特征

基于拉伸力學(xué)破壞試驗，獲得不同浸泡時間、溶液濃度影響下混凝土抗拉強(qiáng)度變化特征，如圖2所示。從圖2可知，浸泡時間、溶液濃度與混凝土抗拉強(qiáng)度均具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)浸泡時間為24 h時，溶液濃度2 g/L試樣的抗拉強(qiáng)度為42.8 kN，而濃度4 g/L、8 g/L的試樣抗拉強(qiáng)度相比前者分別降低了20.8%、54%，在該浸泡時間試驗組中，溶液濃度增長2 g/L，則試樣抗拉強(qiáng)度平均減少20.6%。浸泡時間增大至72 h后，溶液濃度2 g/L試樣抗拉強(qiáng)度較之24 h下減少了20.1%，而該浸泡時間試驗組中，隨溶液濃度增長，試樣抗拉強(qiáng)度平均損失28.8%。分析表明，當(dāng)浸泡時間延長，物化損傷作用加劇，混凝土抗拉強(qiáng)度整體降低，不同溶液濃度間試樣的抗拉強(qiáng)度差距亦拉大，筆者認(rèn)為此與物化“慢性“損傷作用有關(guān)，浸泡時間愈大，浸泡濃度的差幅愈可體現(xiàn)。

圖2 物化損傷作用下混凝土抗拉強(qiáng)度特征

3 混凝土壓縮力學(xué)特性

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

混凝土作為一種抗壓材料，其經(jīng)歷物化損傷作用后的壓縮應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖3所示，本文以浸泡時間48 h為典型試驗組分析。從應(yīng)力應(yīng)變整體特征可知，浸泡溶液濃度與壓縮應(yīng)力同樣為負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明物化損傷作用愈強(qiáng)，塑性混凝土試樣的拉、壓應(yīng)力水平均會降低。當(dāng)浸泡溶液濃度為2 g/L時，應(yīng)變1%時試樣的加載應(yīng)力為23.33 MPa，而溶液濃度為4 g/L、8 g/L試樣相同加載應(yīng)變下的應(yīng)力較前者分別減少了26.6%、58.2%。筆者認(rèn)為，在鹽溶液中浸泡一定時間，混凝土試樣內(nèi)部的堿性活性分子會受到化學(xué)進(jìn)程影響，對其顆粒骨架穩(wěn)定性、密實度均是較大“損害”，故其壓縮應(yīng)力水平亦降低［15-16］。從塑性混凝土在二干渠輸水工程中應(yīng)用方面可知，應(yīng)控制渠道水位線，降低護(hù)坡混凝土材料受水溶液侵蝕物化損傷作用，且應(yīng)降低水渠中COD等化學(xué)元素含量，控制水中微量元素，從源頭降低護(hù)坡材料受物化損傷影響。比較圖5中5個試樣的應(yīng)變特征可知，浸泡溶液濃度增大，試樣的峰值應(yīng)變增大，且試樣峰值應(yīng)力后期區(qū)域呈軟化特征，應(yīng)力下降幅度減小。浸泡溶液濃度2 g/L試樣的峰值應(yīng)變?yōu)?.26%，而破壞后應(yīng)力降幅為70.1%，當(dāng)溶液濃度為6 g/L、8 g/L時，峰值應(yīng)變分別為1.66%、1.92%，且峰后降幅分別僅為12.1%、13.6%。分析表明，浸泡溶液濃度增大后，物化損傷形成的內(nèi)部孔隙在不斷壓實作用下，其具有應(yīng)變硬化特征，長期維持有較大抗壓性能。

圖3 物化損傷后混凝土壓縮應(yīng)力應(yīng)變特征

3.2 抗壓強(qiáng)度特征

同理，獲得浸泡溶液濃度、浸泡時間影響下塑性混凝土抗壓強(qiáng)度變化特征，如圖4。從圖4可知，浸泡濃度、浸泡時間對混凝土抗壓強(qiáng)度影響關(guān)系與抗拉強(qiáng)度一致，且前者與之具有線性函數(shù)關(guān)系。在浸泡時間24h時，溶液濃度為2 g/L的試樣抗壓強(qiáng)度為29.9 MPa，而濃度4 g/L、6 g/L、8 g/L試樣抗壓強(qiáng)度較前者分別減少了19.5%、31.7%、39%，隨溶液濃度增大，該浸泡時間下試樣抗壓強(qiáng)度平均損耗15.2%。當(dāng)浸泡時間增長至72 h后，其濃度2 g/L試樣抗壓強(qiáng)度較24 h、48 h下分別降低了37.5%、24.3%，而在該浸泡時間下，試樣抗拉強(qiáng)度隨溶液濃度平均降低22.5%。分析表明，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度受浸泡溶液濃度影響敏感度高于抗拉強(qiáng)度。結(jié)合二干渠護(hù)坡材料應(yīng)用場景，筆者認(rèn)為，除應(yīng)控制渠道水位與水質(zhì)成分，也應(yīng)控制渠坡面受靜水壓力影響，減弱水力沖蝕對混凝土護(hù)坡材料抗壓強(qiáng)度的損耗。

圖4 物化損傷作用下混凝土抗壓強(qiáng)度特征

4 結(jié)論

本文主要得到以下3點結(jié)論：

（1）浸泡時間、溶液濃度與混凝土抗拉強(qiáng)度均具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，浸泡時間為24 h與72 h時溶液濃度2g/L試樣抗拉強(qiáng)度差幅為20.1%，且在此兩浸泡時間試驗組下，溶液濃度增大2 g/L，試樣抗拉強(qiáng)度平均減少20.6%、28.8%，浸泡時間愈長，物化損傷效應(yīng)愈顯著。

（2）浸泡濃度與混凝土抗壓強(qiáng)度具有負(fù)比例線性函數(shù)關(guān)系，浸泡時間同樣與抗壓強(qiáng)度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，浸泡時間24 h與72 h時抗壓強(qiáng)度差幅為37.5%，在該兩浸泡時間下濃度增大2 g/L，抗壓強(qiáng)度分別平均損耗15.2%、22.5%；塑性混凝土抗壓強(qiáng)度受浸泡溶液濃度影響敏感度低于抗拉強(qiáng)度，但受浸泡時間影響比前者更為敏感。

（3）不論物化損傷程度多大，峰值拉伸荷載破壞后的塑性混凝土仍具有一定承拉能力，峰值拉伸變形以低濃度下為最大；溶液濃度增大，混凝土壓縮荷載下具有應(yīng)變硬化特征，抗壓性能持續(xù)時間較長。