大壩防滲瀝青混凝土心墻配比試驗分析

李善超

（臨沂市水利工程處，山東 臨沂276000）

石嵐水庫位于山東省臨沂市費縣境內，建成于1982年，總庫容約2 375萬m3，是一座以灌溉供水為主，兼顧防洪、養殖等的中型水庫。水庫大壩長度328.3 m，平均高度35 m，壩頂寬6.5 m。截至2018年6月，石嵐水庫大壩平均滲流量已達到56.5 m3/h，經多年運行壩體存在諸多貫穿裂縫，經鑒定為三類壩，最終選擇瀝青混凝土心墻加固技術。

1 瀝青混凝土最佳配合比確定

1.1 瀝青混凝土各項材料技術要求

瀝青混凝土心墻具有良好的防滲性和變形能力，組成材料包括：瀝青、粗骨料、細骨料、填料等[1]，本項目對各組成材料性能指標及檢測結果如下：

1）瀝青。采用的是東營廣發化工公司產的70#瀝青，心墻對瀝青的相關技術指標要求及本項目所采用瀝青指標對比見表1，經對比可知：所選用瀝青符合要求。

表1 瀝青技術指標要求及對比

2）骨料。粗骨料首選堿性骨料，包括石灰巖、白云巖等，與瀝青粘結較好。另外，要求質地堅硬、級配良好。本項目選用本地產的石灰巖粗骨料，具體測試結果見表2，經檢測，粗骨料質量合格。

表2 粗骨料指標要求及對比

細骨料粒徑范圍在0.074～0.25 mm，一般要求堅硬、耐久、潔凈，且不得含有較多泥塊等雜質。項目選用本地產河砂，具體測試結果見表3，經檢測該種河砂含泥量較大，在使用前必須進行沖洗[2]。

表3 細骨料指標要求及對比

3）填料。填料粒徑很小（0.074 mm以下），在瀝青混凝土料中填充骨料孔隙，是保證心墻防滲性的重要基礎，一般常采用填料為石灰巖粉、碳酸巖粉、白云巖粉等[3]。項目采用石灰巖粉，粒徑組成見表4，經檢測合格。

表4 填料粒徑組成

1.2 配比試驗設計

1）配比正交試驗設計。礦料級配采用理論計算結合其他工程經驗的方法確定范圍，參考丁樸榮公式[4]，共設計出如表5所示的4個骨料級配參數。

混合料中若瀝青含量太大，則會使心墻整體有較大彈性，能適應較大的位移變化，但強度較小，不足以抵擋較大壓強水流沖擊；若瀝青含量太小，則容易因壩體不均勻移動而產生裂縫，影響抗滲性[5]。參考其他工程經驗，共設計了兩個含量作比較，見表5。

填料含量決定了瀝青混凝土的孔隙率大小，填料含量越大，孔隙率越小，越有利于提高防滲性，但同時也會降低混凝土心墻結構的抗壓強度。參考其他工程經驗，共設計了3個含量作比較，見表5。

表5 配比正交試驗設計中各材料含量

2）試驗結果分析。本項目共設計正交試驗組數24組，依次編號（1#～24#），為保證準確率，每組設計3個相同試件。試驗檢測內容包括：抗拉性、抗壓性、抗剪性、水穩定性、彎曲性[6]，由于篇幅限制，在此只做部分敘述。

（1）拉伸試驗。拉伸試驗試件設計尺寸為：40 mm×40 mm×220 mm，溫度20℃，加載拉力速率0.01 MPa/min，經統計，各試件最大應變值約為3%左右，其中8#試件此時拉應力約為0.29 MPa，表現較好。

（2）抗壓試驗。抗拉試驗試件設計尺寸為：100 mm×100 mm（圓柱形），溫度20℃，加載壓力速率0.01 MPa/min，經統計，各試件在位移4～5 mm時，壓應力達到最大值；各試件最大抗壓應力值差別較小，基本均在11～15 MPa之間，其中8#試件最大抗壓應力為13 MPa，處于中上位置。

（3）彎曲試驗。彎曲試驗試件設計尺寸為：35 mm×40 mm×250 mm，溫度20℃，加載速率1 mm/min，經統計，各試件在撓跨比為5%～6%時，載荷達到最大值，約為80～100 N；但各試件所能承受最大載荷差別較大，12#試件可達105 N，4#試件僅為80 N。其中8#試件最大抗彎應力為100 N，處于中上位置。

通過綜合分析24種配比下的試件性能，8#試件能夠較好平衡抗拉性、抗壓性、抗剪性、水穩定性、彎曲性，各項參數也能滿足規范要求，因此本項目確定8#試件配比作為瀝青混凝土混合料的最終配比，即：礦料級配0.42，填料含量12%，瀝青含量6.9%。

2 心墻最大變形量及最大應力分析

采用數學模擬（鄧肯模型、修正劍橋模型）和計算機模擬技術來估算瀝青混凝土心墻的最大變形量及主應力，以此驗證配比合理性。

2.1 心墻最大變形量

由經驗可知：心墻應變最大位置處于順河向河床中間，應變程度與心墻高度有直接關系，模擬曲線詳如圖1所示。由圖1可知：（1）心墻從底到頂，應變程度趨勢：小—大—小，在0.5倍的壩高處位移量最大；（2）相對于竣工期和死水位，心墻在正常蓄水位時應變程度最大，最大值約為2.7%。通過之前試驗可知該配比下瀝青混凝土材料最大應變為3%，大于正常蓄水位的應變程度，因此滿足要求。

圖1 不同時期、不同位置心墻最大位移量曲線

2.2 心墻最大主應力

由經驗可知，心墻最大主應力位置也是位于順河向河床中間，主要是受上游水給壩體壓應力作用于心墻上。主應力大小與心墻高度也有直接關系，模擬曲線如圖2所示。由圖2可知：（1）心墻從底到頂，主應力變化趨勢為小—大—小，在0.3倍的壩高處主應力最大；（2）相對于竣工期和死水位，心墻在正常蓄水位時主應力最大，達到1.2 MPa，不過死水位與之差別很小了。通過之前試驗可知該配比下瀝青混凝土材料能承受的最大壓應力均在10 MPa以上，遠大于正常蓄水位時的主應力值，因此滿足要求。

圖2 不同時期、不同位置心墻最大主應力曲線

3結語

石嵐水庫大壩經過本次防滲加固后，徹底解決了滲漏量大的問題，并結合其他加固措施，大大延長了壩體使用壽命，取得了較好的社會經濟效益。瀝青混凝土心墻對于配比設計要求很高，這也是很多工程失敗的根本原因。瀝青混凝土材料的配比設計切不可照搬其他工程，可以參照其經驗再結合工程實際進行調整。