土石壩碾壓式瀝青混凝土心墻水力劈裂條件研究

隆 銳

(廣西壯族自治區百色水利電力設計院,廣西 百色 533000)

1 概述

水力劈裂問題是土石壩設計中的主要問題之一，土芯的孔隙含量通常在10%～20%之間，當水庫蓄水時，由于水流過土芯，土芯中產生持續的靜水壓力，當靜水壓力或孔隙水壓力大于巖芯的垂直總應力時，可能會出現水力壓裂現象[1-3]。

與土石壩心墻空隙率相比，瀝青心墻空隙率小于3%，瀝青芯中不允許水進入，從而在芯中產生孔隙水壓力的空隙系統，通常設置20 cm或者40 cm厚的不透水瀝青層來抵御外部水庫水壓。此外，如果瀝青心墻壩位于狹窄的河谷中，且橋臺陡峭，則心墻在縱向上可能存在拱效應。瀝青心墻壩地質條件非常復雜，從而引起了業內人士的擔憂，在這種特殊情況下，如何排除瀝青心墻水力劈裂的影響，是筆者進行以下研究的主要動機。本文主要研究內容包括:① 用模型試驗確定瀝青混凝土的水力劈裂條件；② 計算模型試驗結果中瀝青混凝土的拉伸應變；探討了土石壩瀝青心墻水力劈裂的可能性[4-5]。

2 試驗模型和試樣制備

圖1為研制的水力劈裂瀝青混凝土模型試驗設備示意。在圓柱形鋼模中制備了直徑為150 mm、高度為250 mm的瀝青混凝土試件。標準瀝青混凝土配合比設計標準已經制定，骨料粒徑最大不超過18 mm。瀝青混凝土心墻采用鄧肯-張 E-B 材料本構模型，瀝青混凝土心墻的計算參數見表1所示[6-8]。本研究采用我國某高土石壩瀝青混凝土配合比設計(見表2所示)。骨料是破碎的石灰石。添加的填料由石灰石粉組成，填料總含量(<0.075 mm)為礦物重量的14%。瀝青等級為B70，瀝青含量為礦物重量的7.0%(占總重量的6.5%)。

圖1 水力壓裂瀝青混凝土模型試驗設備原理示意

表1 瀝青混凝土計算參數

表2 研究中使用的瀝青混凝土混合物(礦物重量的百分比)

將干集料、添加的填料和瀝青加熱并混合，然后將溫度約為150℃的熱瀝青混合料連續3層放置在直徑為150 mm的圓柱形鋼模中。每層的頂部用直徑為98.4 mm、均勻分布的圓形平面錘擊，以模擬堆芯的現場碾壓。瀝青基層壓實高度為70 mm，在基層中心預先設置直徑為6 mm的銅管。在鋪設中間層瀝青混合料之前，在中心臨時固定1根直徑為40 mm的薄圓柱形鋼管，并在鋼管中填充天然砂，在鋼模壁的內周長周圍放置1張潤滑紙。將瀝青混合料放入鋼管與鋼模壁之間的空腔后，將鋼管拔出，并將瀝青混合料與天然砂一起壓實，瀝青中間層高度為80 mm，瀝青面層壓實高度為100 mm。

3 約束和壓縮條件下的模型試驗結果

瀝青混凝土表現出較強的彈塑性，其應力應變關系具有時變性和溫度密切相關。因此，模型試驗在不同溫度(選定的試驗溫度分別為5℃、10℃和20℃)下以階梯加載蠕變方式進行，以達到相對穩定的應力應變狀態。

3.1 約束下的模型試驗結果

該試驗旨在研究瀝青試件在約束條件下室內的高水壓。在試驗過程中，通過固定可調螺釘來限制瀝青試樣頂部的垂直位移。初步階段，室內水壓以0.3～0.6 MPa/d的速度逐步升高，接近瀝青試件可能破裂時，室內水壓以0.1 MPa/d的速度升高(測試結果如圖2所示)。

圖2 瀝青試件破裂前約束條件下，室內水壓與時間的關系

試驗結果表明，在瀝青試件斷裂的約束條件下，5℃時的水壓為3.1 MPa，10℃時的水壓為1.2 MPa，20℃時的水壓為0.7 MPa，低溫條件對應于高壓條件。

3.2 模型壓縮試驗結果

該試驗旨在研究高水壓下瀝青試件在室內承受的低壓應力。將試驗模型放入壓縮試驗機中，在10℃下進行試驗，共進行了2個試驗模型。

對于第1個試驗模型，垂直力P在2 h內逐漸增加，瀝青試件上的平均垂直壓應力為1.55 MPa，應注意的是，在試驗過程中松開了位移可調螺釘，以使垂直力P作用在試樣頂部。然后，在2.0 h內，室內水壓逐漸升高至2.5 MPa，同時增大壓力P以補償室內的水升力，使試件中部的空心瀝青混凝土保持1.55 MPa的恒定平均垂直壓應力。壓力P由以下方程式計算：

P=1 000[1.55(S-Sc)+σwSc]

(1)

2 h后，由于瀝青混凝土的徐變效應，基礎鋼筋之間的壓縮應變從0.8%增加到0.9%(加載過程如圖3所示)。然后，將1.55 MPa的壓應力降低，保持室內2.5 MPa的恒定水壓，直到觀察到滲漏為止。試驗結果表明，試件的斷裂條件為：垂直壓應力降低至0.2 MPa，由0.9%恢復到0.6%。

圖3 室內水壓為2.5 MPa時壓應力及壓縮應變隨時間變化

同樣，對于第2個試驗模型，將1.55 MPa的壓應力減小，使試驗箱中的水壓保持在3.5 MPa，直到觀察到泄漏為止。試驗結果表明，試件斷裂的條件為：垂直壓應力降低至0.6 MPa，由此得到的基筋之間的垂直壓應變為0.8%(如圖4所示)。

圖4 室內水壓為3.5 MPa時壓應力及壓縮應變隨時間變化

4 結果討論

通過模型試驗，研究了大壩防滲體瀝青混凝土水力劈裂的不同條件。對不同條件下的試驗結果進行了驗證，得出了一般結論。壓縮模型試驗表明，試驗室水壓為2.5 MPa時，試件中部空心瀝青混凝土的平均垂直壓應力為0.2 MPa，試件破裂水壓為3.5 MPa時，平均垂直壓應力為0.6 MPa。

試樣破裂時的應力條件：

σw=2.5σa+2.0

(2)

式中σw為瀝青混凝土室內水壓，MPa；σa為瀝青試件中部空心瀝青混凝土的平均垂直壓應力，MPa。

應注意，瀝青心墻沿壩軸線方向的水平撓度很小，由于瀝青混凝土具有顯著的應力松弛特性，因此，狹窄河谷中陡峭橋臺引起的所謂“拱效應”在瀝青心墻上可以忽略不計。然而，對于公式(2)壓縮應力條件下的模型試驗，瀝青試樣內壁的計算環向拉伸應變相對較大。如果瀝青試件內壁的環向拉伸應變不太大，則式(2)的應力狀態將不成立。在高達7.5 MPa或11.5 MPa的水壓力下，如果瀝青混凝土工作面沒有拉伸應變，則不會出現漏水現象。試驗結果表明，即使是厚度僅為2 cm、水壓為1.0 MPa的瀝青混凝土薄片，在薄片表面也沒有漏水現象。因此，對于土石壩瀝青心墻而言，在拉伸、約束和壓縮作用下的瀝青試件破裂條件在現實中是極不可能的。

土石壩防滲心墻瀝青混凝土由細集料、填料和瀝青組成。空隙率小于3%的瀝青混凝土中瀝青的粘度很高，幾乎沒有水進入空隙率小于3%的防滲體并產生孔隙壓力的入口。在模型試驗中，瀝青試件的破裂實際上是由不同條件下的大拉伸應變引起的破裂引起的，而不是所謂的“水力破裂”。瀝青混凝土開裂時的拉伸應變很大，比土芯中使用的壓實土材料的相應開裂應變大1～2個數量級。瀝青心墻設計靈活，能夠適應路堤填料的變形，在施工、蓄水和運行期間不會開裂。因此，在正常情況下，對于用作土石壩防滲心墻的瀝青混凝土，可不包括所謂的“水力劈裂”。

5 結語

為了研究土石壩瀝青混凝土在水壓作用下的開裂情況，建立了土石壩瀝青混凝土防滲心墻圓筒試驗模型。對瀝青混凝土模型進行了拉、約束、壓縮試驗，并應用有限元方法對模型試驗結果進行了分析。討論了土石壩水壓致瀝青心墻開裂的條件，得出以下結論：

1) 土石壩防滲心墻瀝青混凝土設計空隙率小于3%，幾乎沒有出入口讓水滲入心墻產生孔隙壓力。因此，對于不透水瀝青心墻，水力劈裂的主要前提條件是不存在的。

2) 對大壩瀝青心墻極端工況對應的約束和壓縮條件下瀝青混凝土模型試驗結果的分析表明，模型試驗中瀝青試件的破裂是由大的拉伸應變引起的，而不是所謂的“水力破裂”。