水庫大壩瀝青混凝土心墻防滲效果分析

徐建軍

（臨沂市水利工程處，山東 臨沂 276000）

在水庫大壩防滲加固中，瀝青混凝土心墻具有施工簡單、防滲效果好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，特別適合中小型水庫大壩的防滲加固。

1 工程概況

河西水庫位于山東日照市五蓮縣城西北，壩址位于汪湖鎮(zhèn)河西村1.0 km處，控制流域面積45 km2，現(xiàn)狀總庫容1 988萬m3，是濰河支流燕河上游的一座以防洪為主，結(jié)合農(nóng)田灌溉、淡水養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。河西水庫大壩為一座土石壩，壩頂高程119.20 m，壩頂凈寬6.5 m。2013年6月，日照市水利局通過招標(biāo)確定采用瀝青混凝土心墻技術(shù)對(duì)河西水庫大壩進(jìn)行防滲加固處理。

2 瀝青標(biāo)號(hào)試驗(yàn)分析

原材料規(guī)格設(shè)計(jì)是瀝青混凝土防滲心墻的基礎(chǔ)性工作，其中瀝青標(biāo)號(hào)和各材料配合比是最重要的兩個(gè)指標(biāo)。在此，結(jié)合其他項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)河西水庫大壩心墻進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì) 50#、70#、90#、110#、160#五種瀝青進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，各瀝青的基本參數(shù)見表1所示。參照其他工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目確定所用骨料為石灰?guī)r破碎料（粒徑4.75 mm以下占44%；4.75-13.2占20%；13.2-19占25.5%），填料為石灰?guī)r礦粉（粒徑小于0.075 mm），級(jí)配指數(shù)為0.41，礦粉含量設(shè)計(jì)為11%，油石比6.8%[1]。

表1各種標(biāo)號(hào)瀝青基本參數(shù)

試驗(yàn)利用彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，采用兩端簡支梁結(jié)構(gòu)，中間集中加載，速率設(shè)計(jì)為1.65 mm/min。試件尺寸設(shè)計(jì)為長×寬×高：220 mm×35 mm×40 mm，其最大彎曲強(qiáng)度σmax、應(yīng)變?chǔ)拧⒆冃文Ａ縀計(jì)算公式如下[2]。

式中：P為施加的載荷；L為梁跨距，200 mm；b為試件寬度；h為試件高度；f為撓度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)要求每種試件至少準(zhǔn)備5個(gè)。最終試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，由圖1可知：1）隨著瀝青標(biāo)號(hào)的升高，當(dāng)試件產(chǎn)生相同的彎曲應(yīng)變時(shí)，所需要的彎曲應(yīng)力逐漸降低，即標(biāo)號(hào)越高，瀝青變形能力越強(qiáng)；2）通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線同其他標(biāo)號(hào)瀝青相比，可知50#瀝青的抗彎強(qiáng)度和變形模量遠(yuǎn)大于其他型號(hào)瀝青；3）50#瀝青最大彎曲應(yīng)變約6%，不適合做心墻材料，160#瀝青最大彎曲應(yīng)變達(dá)到超過10%，因此本項(xiàng)目確定選取160#瀝青作為心墻材料，不僅可以適應(yīng)壩體變形，而且能夠有效防止瀝青老化[3]。

圖1不同標(biāo)號(hào)瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 心墻厚度模擬分析

3.1 不同心墻厚度對(duì)壩體位移影響模擬分析

瀝青混凝土心墻厚度直接關(guān)系到工程成本、工期、防滲效果等核心問題，在此利用“三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)”對(duì)心墻厚度分別為0.3 m、0.4 m、0.5 m的不同工況下的壩體水平和垂直位移情況進(jìn)行分析[4]。

1）水平位移等值線分析。不同厚度心墻情況下壩體水平位移模擬結(jié)果圖可以得到以下結(jié)論：①受上游水壓作用，壩體從上游壩坡坡腳至下游壩坡坡腳，水平位移值不斷增大；②當(dāng)心墻厚度分別為0.3 m和0.4 m時(shí)，壩體水平最大位移均發(fā)生在下游壩坡位置處，位移值分別為5.59 cm和5.57 cm；③當(dāng)心墻厚度為0.5 m時(shí)，壩體最大水平位移發(fā)生在下游壩趾處，位移值為8.27 cm。綜合分析：隨著心墻厚度增大，壩體水平位移值也在增加，對(duì)壩體防滲不利。

2）垂直位移等值線分析。不同厚度心墻情況下壩體垂直位移等值線模擬結(jié)果圖可以得到以下結(jié)論：①壩體最大垂直下降位置均位于壩頂，最小位置均位于下游壩趾位置；②當(dāng)心墻分別為0.3 m、0.4 m、0.5 m時(shí)，最大垂直沉降量分別為11.81 cm、11.81 cm、11.84 cm，符合中低級(jí)均質(zhì)壩的沉降規(guī)律。綜合分析，心墻厚度不同對(duì)壩體垂直沉降量無明顯影響[5]。

3.2 不同心墻厚度對(duì)壩體防滲效果影響分析

為分析不同心墻厚度對(duì)壩體防滲效果的影響，采用圖2所示的滲流簡圖進(jìn)行理論計(jì)算，主要依據(jù)參考達(dá)西定律，在此不再詳述，計(jì)算結(jié)果見表2。由數(shù)據(jù)可知：1）不同心墻厚度下單寬滲流量差別很小，均在一個(gè)數(shù)量級(jí)，防滲效果均良好；2）從年總滲流量分析，0.4 m心墻比0.5 m心墻多10%，并沒有產(chǎn)生較大影響[6]。

表2不同心墻厚度滲流計(jì)算結(jié)果

圖2 0.3 m心墻滲流計(jì)算簡圖

4 結(jié)語

根據(jù)本文分析可知：1）使用標(biāo)號(hào)越高瀝青的混凝土其適應(yīng)變形能力越強(qiáng)，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用160#瀝青；2）不同心墻厚度對(duì)河西水庫大壩水平位移影響較明顯，心墻厚度越大，壩體水平位移越大，但對(duì)壩體垂直沉降沒有明顯影響；3）相對(duì)來說防滲墻厚度越大防滲效果越好，但無論哪種心墻厚度其防滲效果均滿足使用要求。綜合施工、成本、效果等因素，河西水庫大壩防滲加固項(xiàng)目最終確定防滲墻厚度為40 cm。