沥青混凝土心墙堆石坝（共7篇）
沥青混凝土心墙堆石坝 篇1
金平水电站大坝为沥青混凝土堆石坝,沥青混凝土心墙为直线形,顶部高程3 092.30 m,顶宽0.5 m,向下逐渐加厚,最大底宽为2.3 m。沥青心墙底部和岸坡设垫座,垫座下设厚1.2 m的全封闭混凝土防渗墙,嵌入基岩1.0 m,最大深度80.0m。混凝土防渗墙墙顶与钢筋混凝土垫座之间采用柔性连接,钢筋混凝土垫座与沥青混凝土心墙之间采用刚性连接。心墙与混凝土之间设铜止水防渗。
1 堆石坝沥青混凝土心墙主要控制要点
在沥青混凝土心墙施工过程中主要控制要点是:(1)沥青心墙与普通混凝土面连接;(2)沥青混凝土配合比;(3)沥青混凝土原材料控制;(4)沥青混凝土拌制与运输;(5)沥青混凝土层面接合;(6)沥青混凝土铺料与碾压;(7)冬雨季施工保证;(8)沥青混凝土取样试验。
2 沥青心墙与混凝土面连接
堆石坝沥青心墙底部及两侧位置均由混凝土连接,连接质量直接关系到沥青心墙防渗质量。为保证连接质量,施工前需要对混凝土面进行打毛(或凿毛),保证混凝土表面粗糙、平坦、干燥和洁净,处理混凝土表面要尽量防止凿出小深坑,防止涂冷底子油时造成沥青淤积,使冷底子油干燥时间延长和影响沥青中的汽油挥发,影响混凝土表面粘接强度;施工中严禁混凝土表面有乳皮、浮尘和潮湿(明水),混凝土表面严禁露出尖骨料,避免降低沥青与混凝土的粘结力。如果表面有凹坑突角,要进行处理或修整;铜止水焊接和埋设位置一定准确。
心墙与底板、垫座基面之间先喷冷底子油,涂抹时要均匀、无空白、无团块和色泽要一致,最好是浅褐色,分2～3次进行涂刷,涂量约0.2kg/m2,待冷底子油干涸后(一般不小于12 h),再铺设沥青砂浆;沥青砂浆涂抹厚度一般为1.5 cm(一般为1～2 cm),涂抹后表面要无鼓泡、无流淌、平整光顺。
3 沥青混凝土配合比
推荐的沥青混凝土心墙配合比见表1,后经过现场多组对比试验并经生产性试验,最终确定的沥青混凝土施工配合比,详见表2、3。
在施工过程中,每次开盘前沥青混凝土配合比均经过监理工程师审批,并对现场各种原材料进行筛分试验,根据试验结果对沥青混凝土配合比进行微调,确保沥青混凝土配合比的准确性、科学性和严谨性。
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4 沥青混凝土原材料控制
沥青混凝土粗骨料采用现场砂石骨料加工厂生产专用骨料,细骨料采用砂石骨料加工厂生产人工砂和当地生产河砂,填料采用“镇旺牌”白色矿粉,沥青采用新疆克拉玛依中石化“东海牌”70#水工沥青。各种结果见表4～6。为保证沥青混凝土质量首先要保证原材料质量合格,施工时每次开盘前先对骨料、填料进行检测;沥青原材料实行每车次检测,检测合格后再卸车。
5 沥青混凝土拌制与运输
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5.1 沥青混凝土拌制
沥青混凝土拌和设备采用固定间歇式沥青拌和站。间歇式沥青拌和站的工作原理是连续进行骨料烘干,再由振动筛进行二次筛分,电子计量。各种材料的计量和拌和是按周期(45 s)进行的。控制骨料、沥青、矿粉、添加剂的计量精度是沥青混合料成分质量的保证。该工程沥青搅拌计量精度采用动态计量精度,因故停机时间超过30 min时,就将机内沥青混合料及时清理干净;对沥青温度应随时检测,并控制在150～170℃;对骨料每天至少试验1次,温度从执料中随时检测,并控制在170～190℃;机口温度控制在150～165℃,每盘出料均进行测温。
5.2 沥青混凝土运输
沥青混合料运输采用5～8 t封闭式专用运输车,现场采用保温储罐储存,保温时间24 h内每4h温度降低不超过1℃,尽量避免温度损失,现场抽取试样,测试频率为每5～10 min 1次;还要进行沥青混合料的抽提试验,误差控制在±0.3%,防止沥青混合料在运输过程中出现离析和分层,在转运或卸料时出口处沥青混合料自由落差应小于1.5 m。
6 沥青混凝土铺料与碾压
6.1 模板
模板采用30 cm高、2 m长、4 mm厚钢模板;沥青混合料摊铺前按摊铺机的钢模宽度调整好,钢模要牢固、拼接严密、尺寸准确、拆卸方便,钢模定位后中心线距心墙设计中心线偏差应小于±5 mm。
施工时,模板内壁采用脱模剂或轻柴油进行脱模处理,脱模剂按火碱:硬酸:滑石粉:水(80℃)为1:20:330:400比例进行配制,为防止沥青混凝土心墙污染,尽量减少脱模剂用量,优先采用物理方法脱模。
6.2 沥青混合料摊铺
采用专用摊铺机和人工辅助摊铺,摊铺速度通过现场试验确定。过渡料铺筑时要先用防雨布或其他材料遮盖心墙表面,防止砂石、尘土等杂物落入仓内。心墙两侧的过渡料要同时填筑、碾压,靠近模板部位作业时要特别注意,防止模板走样、移位,距模板20～30 cm的过渡料先不碾压,待模板拆除后与心墙沥青混合料同时碾压。心墙松铺厚度采用30 cm;连续铺筑2层及以上沥青混凝土时,下层温度要降至90℃以下时方可摊铺上层沥青混合料,沥青混凝土每天铺筑层数控制在1～3层。铺筑沥青混合料时发现花白料或搅拌不均匀料,要及时清除。
6.3 沥青混合料碾压
碾压设备采用RWYL51C型1.7 t振动碾碾压沥青心墙,采用3 t振动碾碾压过渡料,沥青混合料与过渡料碾压宜先过渡料后沥青混合料,沥青混合料先采用无振碾压再进行振碾,碾压速度控制在20～30 m/min,前后交接处重叠碾压300～500mm,碾压时禁止急刹车或跨心墙行走;碾压时严格控制碾压温度,初碾温度控制在145～155℃,终碾温度控制在120～130℃。第1层碾压顺序为(铺筑基础为原做生产性碾压试验的硬基础上):静碾过渡料1遍→静碾沥青混合料2遍→动碾过渡料3遍→动碾沥青混合料10遍→动碾过渡料3遍,最后用1.5 t振动碾在沥青心墙静碾1遍收光,过渡料用3.0 t振动碾静碾1遍压平过渡料与心墙接触部位;第2层碾压(基面为沥青混凝土)顺序为:过渡料静碾1遍→沥青混合料静碾2遍→动碾过渡料3遍→动碾沥青混合料12遍→动碾过渡料3遍,最后用1.5 t振动碾在沥青心墙静碾1遍收光,过渡料用3.0 t振动碾静碾1遍压平过渡料与心墙接触部位,碾压过渡料时振动碾离心墙边缘5～10 cm。
6.4 沥青混合碾压注意事项
(1)因间隔时间较长温度损失过大混合料要清除且不能对下层沥青混凝土扰动,碾轮宽度小于心墙宽度时宜采用贴缝碾压,大于心墙宽度时要采用单边骑缝碾压。碾轮大于心墙时过渡料要用苫布进行覆盖,防止碾轮被污染。
(2)沥青混合料碾压时采用错缝碾压方式,即每次错位50%(半碾宽),做到表面平整无错台。
(3)防止过碾或欠碾,过碾将会造成表面游离沥青析出,使沥青混凝土上部2～5 cm表层沥青含量及细骨料增加,容重偏低,下部沥青混凝土粗骨料集中,孔隙率增加,影响沥青混凝土防渗性;欠碾会造成沥青混凝土密实性不够,孔隙率增加,容重降低,影响沥青混凝土性能。
(4)设备碾压不到的边角位置,采用人工辅助夯实或采用小型冲击电夯(或蛙夯)辅助夯实。
(5)碾压过程中要定期向碾轮喷适量水,防止沥青混合料粘轮,碾轮上的粘附料要及时清除,防止出现“陷碾”。
(6)碾压过程中严禁涂刷柴油,因为柴油不易挥发,与沥青混凝土混合后严重影响沥青混凝土强度、抗劈裂等性能,降低混凝土施工质量。
(7)沥青混凝土与过渡料碾压设备严禁混用,防止造成沥青混合料被污染,影响沥青混凝土质量。
(8)单层沥青混凝土施工时原则上不允许留有接缝,如因特殊情况造成接缝,接缝位置要按缓于1:3的坡比成坡,下一次施工连接时,要提前对接缝进行烘烤,达70℃以上后再进行铺料碾压连接,搭接碾压应在30～50 cm;上下层横缝应错开2 m以上。
(9)加强沥青混合料排气,防止沥青混凝土内部产生气泡或表面浮油浸入,造成沥青混凝土容重偏小和孔隙率增大、表面缺油产生麻点,影响沥青混凝质量。
7 沥青混凝土层面接合
(1)对于因故停工,停歇时间过长,表面要用苫布进行整体覆盖,下一次铺筑前要对沥青混凝土层面进行清理,先用高压风处理干净,或用高压水冲洗干净再对表面烘干,表面粘附物要用小木铲、钢毛刷或抹布清除。
(2)沥青混凝土继续铺筑时,表面温度保证在70℃以上后方可铺筑沥青混合料,间隔时间较长的层面可均匀喷涂1层稀释沥青,待稀释沥青干涸后再继续施工。
(3)沥青混凝土心墙钻孔取芯后留下的孔洞应及时回填,回填时用管式红外线加热器将孔壁烘干并加热使沥青混凝土表面温度达到70℃以上。
8 冬雨季施工保证
在冬雨季或有雨时原则上不进行沥青混凝土心墙施工,采取的防雨措施也只适合突遇小雨时的应急措施,所以施工期间尽量避开雨季和雨天、低温季节施工,雨天及低温季节施工对沥青混凝土的施工质量难以保证。雨季碾压沥青混凝土心墙施工中运输汽车、卸料铺筑和碾压过程要有防雨措施,防止受料时雨水进入料斗。
低温季节施工沥青混凝土心墙时,要搭设暖棚,采用电热炉(或其他供热设施)进行供暖,一般环境温度控制在10～15℃,沥青拌和系统、运输设备均采用相应的保温措施,保证沥青混合料入仓温度控制在165～170℃,初碾温度控制在160～165℃,由于气温低,初碾温度宜按上限控制,终碾温度不得低于135℃;沥青混合料摊铺完后尽快完成碾压程序,避免表层沥青混合料温度过低时进行碾压造成施工裂纹。
9 沥青混凝土取样试验
现场经过对沥青混凝土心墙取小样和大样进行检测,最大密度及孔隙率、渗透系数、小梁弯曲及静三轴试验结果均满足设计及规范要求,各种检测数据详见表7、8。
1 0 结语
沥青混凝土心墙做为新型坝体防渗墙体,施工质量尤其重要,因此在施工过程中严格控制各工序质量是保证沥青混凝土心墙质量的关键,只有每个工序和过程环节得到良好控制,最终才能保证沥青混凝土心墙质量,才能保证坝体防渗安全、稳定,才能使整个挡水建筑物运行稳定。
摘要：金平水电站大坝设计结构为沥青混凝土心墙堆石坝,在施工过程中如何保证沥青混凝土心墙施工质量成为堆石坝施工的重点,因此,控制好沥青混凝土施工的各个环节也就成为保证沥青混凝土心墙质量的关键,主要是针对沥青混凝土心墙施工过程质量控制要点进行阐述。
关键词：沥青混凝土心墙,拌制,运输,铺筑,碾压
沥青混凝土心墙堆石坝 篇2
关键词土石坝；黏土心墙；施工
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)021-0124-01
东大龙口土石坝工程位于新疆吉木萨尔县东部的东大龙口河山出口处，西距乌鲁木齐市180Km。黏土心墙土石坝坝高31m，坝长702m，坝体填筑量165万m3，其中黏土心墙料填筑量24万m3，心墙料填筑边坡为1：0.3，心墙两端与坝肩连接处边坡为1：0.6，工程等级为三等。
1黏土料规划
1）料场选择。设计所选用的T1黏土心墙料位于坝址上游，距坝址1.6～2.0km，黏土粒含量为14%～17%，为分散性黏土。料场为垅岗状低山丘陵区，以重粉质壤土和中粉质壤土为主，土料可用层厚18.2m，土料储量约257万m3。
2）土料检测。在土料场布置6个探坑，深度7m，每隔0.5～1.0m取样1组，共取原状土样43组，扰动土样7组，对其进行物理力学性质的试验，料场土料的含水率最大值为11.0%，最小值为3.0%，平均值为5.8%，室内击实试验的最优含水率为12.6%，故土料上坝前需补充水分。
3）土料开采。料场开采分I～IV区，I～III区可满足坝体不同时期土料需求，IV区作为储备料场。开采时用推土机辅以人工清理覆盖层50cm，所清废料和在开挖出的不合格土料暂存于料场边缘，以利于后期回填料场和环境保护。
采用立面开采法，在每料区分成若干开采带，每开采带宽5～6m，挖料后运料至坝体填筑现场。
4）土料浸水。土料场的平均含水率较低，且土料用量大、蒸发量大，常规洒水方法不能满足坝体填筑要求，经试验比较采用挖沟畦加水的方法提高土料含水率。①挖沟畦。根据地形分区分块，沿等高线用PC220反铲开挖浸水槽。浸水槽底宽为1.4m（为反铲斗宽度），深2.5m，边坡坡比先采用1：1，在浸水的过程中，为避免边坡失稳而造成蓄水流出料场，边坡坡比在开挖过程中适当放缓。浸水槽间断布置，地形较平缓地段槽长不超过20m；地形高差变化较大时，浸水槽两端的高差不超过30cm。槽与槽间距考虑到反铲通过和浸水槽所挖土料的堆放，以7～8m为宜。②沟畦充水。浸水槽充水深度以接近平均地面20～30cm处为准，每次充水浸润完成后立即进行下次充水，冲水时先充浸水槽最低处，让水面自由上升，尽量避免水从高处向低处流，充水次数根据土料含水率确定，最后一次充水时，当进水槽内蓄水剩余1/3时封土覆盖。③含水率检测。沟畦覆土1个月后，选择2～3个典型部位挖探坑进行含水率检测，若含水率偏大、局部成泥团不能用于填筑坝体时，继续闷放；若含水率偏小时，则在装车前或在坝体用洒水车（或水管）对土料进行洒水，使土料含水率为12%～14%。
2黏土心墙施工
1）黏土料碾压试验。碾压设备采用YZTK-18拖式凸块振动碾，拟定试验土料配置含水率为15%、13%、11%，虚铺厚度为60、50、40cm。碾压时的铺料厚度及碾压后的沉降用水准仪测量；含水率、密度采用环刀法结合核子密度仪进行检测。选取的8个试验点均匀分布于试验土层上，取均值作为该场地的评定值。
经计算分析，碾压时含水率为12.6%、虚铺厚度50cm、碾压6～8遍较优。
2）黏土料填筑施工。填筑施工工艺流程：填筑面分段→土料上坝→摊铺→碾压→质检、验收。①填筑分段。平行坝轴线每坝段100m～150m，按土料上坝强度划分坝段大小，施工中根据现场情况进行调整，最低保证3个坝段以使填筑作业连续进行。垂直坝轴线方向黏土心墙作为一个单独填筑区。②土料摊铺。采用15t自卸汽车运料上坝，推土机铺料，辅以人工局部平整和修边。采用进占法卸料，首先形成一个进占平台，汽车在平台上平行卸料，推土机进占平料。在底部坝体断面宽时可垂直坝轴方向卸料，随坝体上升，平行坝轴方向卸料，摊铺厚度45～50cm，边角部位摊铺厚度15～20cm。同一层填筑施工，先中间然后向两边分。为避免反滤料的污染，黏土料填筑前先在反滤料顶部铺设一层彩条布。③土料碾压。大面积碾压采用推土机牵引YZTK-18拖式凸块碾，碾压6～8遍。碾压时平行坝轴线进退错距法碾压，速度1～2档车速，在分段搭接处，顺碾压方向搭接不小于30～50cm，垂直碾压方向搭接1～1.5m，碾迹错距搭接30cm，同时增加碾压1～2遍。黏土料与防渗墙、坝肩边坡接触边角部位采用YZ-1.8自行式碾碾压或采用蛙式夯、平板夯夯实，蛙式夯采用连环套打法，碾压或夯实6～8遍。碾压完成后，进行含水率、干密度检测，合格后方可进行下一工序施工。④辅助作业。由于黏土料大面积采用凸块碾碾压，因此坝面无需刨毛处理，仅对局部小块碾压或夯实部位进行人工或机械刨毛处理，包括坝面清理、平土、削坡、边线及边坡的修整等辅助作业。
3质量控制措施
1）土料控制。对料场各部位的土料进行含水率检测，根据含水率确定加水量和加水次数；当料场土料含水率略小于最优含水率时，直接在料场补充加水，如含水率相差较多，要重新配制土料；坝面卸料时要及时对黏土料进行含水率抽检，当含水率小于11%或超过14%时，要翻晒或补水等。
2）填筑控制。土料填筑厚度控制不超过50cm，填筑前，根据铺土厚度和每车运量计算出摊铺面积；平料前在填筑区两侧人工用坝料堆起间距5～10m、厚度50cm的土堆，采用插钎检查填筑厚度。
3）碾压控制。洒水或雨后含水率超过14%时，在碾压过程中易出现橡皮土，此时要将含水率较高的土料进行翻晒以降低含水率，出现橡皮土的地方要挖除清理。黏土料与反滤料接触部位要骑缝碾压。
4）搭接部位控制。在黏土心墙与放水涵洞、混凝土齿墙、坝肩等刚性部位结合处，在回填土料前要对混凝土面进行彻底清理和洒水湿润，然后涂刷浓泥浆（土：水=1：2.5），边刷泥浆边铺土并夯实，泥浆厚度为3～5mm。在施工过程中泥浆要保持湿润，严禁泥浆风干后再填土，保持涂刷泥浆的混凝土面两侧均衡上升，用YZT-1.8t小型震动碾碾压。
在坝体分期分段填筑中各施工缝的搭接部位，要预留搭接坡，搭接坡不陡于1：3，高差控制在15m以内，并予留保护层，随着填筑块的上升逐层清理保护层，再回填土料，骑缝碾压6～8遍。
5）雨季控制。在多雨季节，黏土心墙填筑坝面稍向上游倾斜；下雨时要覆盖防雨，并用振动平碾压实封闭黏土心墙坝面，以利排水防冲；在黏土心墙区施工的机械在雨前要移出工作区，下雨时禁止车辆通行，雨后及时处理积水，整理坝面。
6）冬季控制。当日最低气温在-10℃以下或在0℃以下且风速大于10m/s时要停止施工，严禁土料中加有冰雪和冻土；新填土层和已填好的土层相接时，严禁结合面有冻雪，接坡面削成梳齿状榫槽，用不含冻土的暖土料填筑。
4结语
新疆东大龙口气候特殊，夏季炎热、冬季寒冷，昼夜温差大，易造成土料水分损失和产生冻块，同时，天然黏土料含水率低，保水性差，在施工中取得以下经验：①对土料特性进行认真检测分析，从料源上控制好质量；②当土料含水率与最优含水率相差较大时，采用开挖沟畦浸水方案来提高土料含水率；③土料开采时，表面风干层用水管进行补充加水，采用立面开采，降低开采过程中的水分损失；④在土料摊铺时，采取算方上料、定点卸料、随卸随平、定机定人及插钎检查等控制手段；⑤减少土料含水率损失，黏土填筑宜“三快”，即快上料、快碾压、快质检，将每个填筑作业的循环时间减小到最少。
参考文献
[1]水利电力部水利水电建设总局：水利水电工程施工组织设计手册.第二卷.北京:中国水利水电出版社,2001.
[2]中国水利水电科学研究研：碾压式土石坝施工规范DL/T5129-2001.北京:中国标准出版社,2001.
作者简介
沥青混凝土心墙堆石坝 篇3
水力劈裂是指由于水压力的抬高在岩石或者土体中引起裂缝发生或扩展的一种现象。20世纪六七十年代,曾出现过Djatiluhur、Teton[1]坝等多起因水力劈裂造成严重渗漏甚至是垮坝的事件,这使得水力劈裂在土石坝建设方面得到了广泛的关注。研究发现许多低矮的均质土石坝中也有水力劈裂现象, 这说明水力劈裂是土石坝工程中普遍的现象,对于土石坝来说水力劈裂的研究具有很大意义。沥青混凝土作为一种水工防渗材料在土石坝心墙材料选择中具有较强的竞争性,国内外已先后建成了Finstertal、茅坪溪、Stoglomvatn以及冶勒等一批100m级高沥青混凝土心墙堆石坝。已具备向更高坝建设的条件,但是在此过程中仍然面临着一些亟须解决的问题,水力劈裂就是其中之一。沥青混凝土心墙和过渡料间的特殊接触条件对心墙的应力变形以及水力劈裂的发生具有重大影响。 研究其特殊工作条件下沥青混凝土的水力劈裂问题很有必要。
另外以往关于水力劈裂的研究手段比较单一,大多以物理实验手段[2,3,4,5,6]进行研究。由于水力劈裂通常是在自然力营造下发生的,其相比较室内试验成果受力条件更加复杂,发生的条件也具有很强非连续性和局部化特征。复杂的大体积岩土材料细微的裂缝和变形,往往是水力劈裂发生的诱导条件。因此应用多手段研究实际工况中沥青混凝土心墙水力劈裂机理显得尤为重要。
本文针对土石坝心墙的工作条件,采用室内试验与FLAC3D数值模拟结合的手段对沥青混凝土中水力劈裂的发生机理、产生原因进行研究,并以冶勒沥青混凝土心墙堆石坝为例,根据实测资料分析实际工程中水力劈裂的可能诱导因素。
1沥青混凝土水力劈裂试验及其数值模拟
1.1试验室沥青混凝土水力劈裂现象
本次试验试样为厚壁空心圆柱,试验采用室内击实性的沥青混凝土试件,级配曲线如图1,试件直径100 mm、高度200 mm,试样密度为2 430kg/m3,待试样在规定的温度下养护48h后,测定其孔隙率为3%,在试件的一端钻一直径为20mm深为160mm的圆孔。将试样固定在剪切三轴仪上并施加竖向变形为0.8%。然后,向试样孔内施加水压,稳定水压一段时间,若无水力劈裂现象,则增加孔内水压力,每隔一段时间测定试样的侧向变形,水压力和试样侧向变形过程如图2。
试验结果表明孔内水压力为150kPa时几乎没有侧向变形,当水压力为200kPa时侧向变形较快的发展,并发生了明显的水力劈裂(图3)。
1.2沥青混凝土水力劈裂数值模拟
本文以上述发生水力劈裂的试件为原型,通过数值实验模拟分析其在200kPa内水压力条件下发生水力劈裂的机理。
沥青混凝土本构模型试验由北方交通大学完成[7],沥青混凝土试件在低围压下有较强的剪胀特性,其破坏面近似满足摩尔-库伦准则。这里采用FLAC3D中的弹塑性摩尔库伦模型[8],采用剪切破坏面和张拉破坏面结合的方法对沥青混凝土
试件进行数值分析。若规定受拉为正,并规定主应力满足σ1≤ σ2≤σ3,则剪切破坏面可以表示为:
拉伸破坏面可以表示为:
式中:σt为抗拉强度;为内摩擦角。
最大拉应力可以表示为:
对剪切破坏面采用不关联的流动法则:
其中:
式中:ψ为膨胀角。
对拉伸破坏面采用相关联的流动法则:
为了反映在破坏面以下沥青混凝土的应力- 应变曲线的非线性性质,以及围压对材料应力- 应变关系的影响,采用文献[9]中的方法,破坏面以下的弹性模量和泊松比由下式决定。
式中:C、φ为材料的凝聚力与内摩擦角;K,n,Rf,G,F,D为模型参数,由三轴试验确定;Pa为大气压。
材料强度参数的取定为:c=149.2kPa,=33.2°,σt=103 kPa,Rf=0.56,K =365,n=0.2,G=0.37,F=0.06,D = 27.08。
为了简化计算,将此问题按照平面应变问题进行模拟,先利用反变化法[10],将weibull分布在(0,1)区间内的均匀分布经变换生成试样的初始孔隙分布,如式(12)。
式中:u为在区间(0,1)上的均匀分布;尺寸参数θ=2.6478%,依据Weibull分布的期望求得,μn0为试样孔隙率3%;形状参数β根据文献[11]取为0.8。
试样初始状态为饱和,内部边界保持水压力为200kPa,外部边界水压力固定为0,在数值模拟过程中采用式(13)计算每一个单元区域孔隙率的改变:
式中:n0为随机分布的初始孔隙率;n1为最终的孔隙比;ε为体积应变。
同时采用Al-Omari[12](2002年)等提出的预测沥青混凝土渗透系数的方程式(14)更新各单元的渗透系数。
式中:n为总孔隙率;m=6为回归系数;γ=9.79kN/m3为20 ℃的单位水重;c为常数3;S为材料的比表面积,根据文献[13] 取为0.182;μ= 10-3kg/(m·s)为水的黏度。
数值计算结果如图4、图5。
结合图4和图5可以看到,当水压力作用在沥青混凝土表面时间很短时,沥青混凝土并没有发生破坏,而随着时间的发展,试件才逐渐产生破坏,这说明仅仅施加足够大的水压力还不足以使得试件发生破坏。
从图4中可以看到,孔隙水压力沿着渗透性较大的局部区域深入到了沥青混合料内部,对照图5可以看出,数值模拟过程中沥青混合料破坏的区域正是水压力渗入的区域。这说明区域破坏的原因在于材料骨架与水压力的相互作用。为进一步探究沥青混凝土破坏原因,选择区域742和782(如图6所示)进行研究,742号区域为孔隙水压力可以深入区域,782为其周边区域。 两个区域孔压、孔隙率随时间变化图如图7所示。
图7所示孔压变化结果表明在数值模拟过程中水压力并没有进入到区域782,区域782孔隙率的变化与孔隙水压力作用不直接相关,变形过程中此区域的体积变化小,孔隙率改变也小。而区域742在此过程中土骨架与渗流发生耦合作用,这使得体积应变增大孔隙率增大渗透性增强,这又反过来使得此区域孔压进一步增大。区域742和782渗透系数相差大,在它们之间很短的距离内孔隙水压力从200kPa变为0,该区域产生很高的水力梯度,局部狭窄区域内的高渗透性和周围区域的低渗透性使得沥青混凝土内部形成了“水楔作用”,文献[14]认为这种高水力梯度产生的“水楔作用”是形成水力劈裂发生的必要条件。初始的劈裂缝形成后,裂缝尖端应力集中效应将加快裂缝的扩展和试样的破坏。由Kozeny-Carman方程可知,沥青混凝土渗透性系数与孔隙率的6次方成正比,局部区域较小孔隙率的变化可能会对其渗透性产生较大的影响,这些因素都是有利于“水楔作用”形成的。
上述实验结果表明,试件发生水力劈裂现象的最直接的原因是由于混凝土在外荷载条件下引起的局部孔隙率的增大导致,而沥青混凝土最终破坏是在颗粒骨架与水的相互作用下发生。
2冶勒沥青混凝土心墙坝水力劈裂研究
Teton坝的水力劈裂发生在初次蓄水,众多学者[14,15]认为,初次蓄水是堆石坝心墙发生水力劈裂的危险期,本文依据冶勒沥青混凝土心墙坝初次蓄水资料[16],对沥青混凝土心墙发生水力劈裂的条件进行分析。在其初次蓄水过程中上游水位上升了36m,这里选用了一个典型的+220断面监测资料进行分析。心墙表面设有渗压计、位错计、单向应变计。从前文的分析可以看出影响沥青混凝土水力劈裂的因素主要有:1沥青混凝土表面的水压力;2沥青混凝土的渗透特性;3沥青混凝土的受外力的状态。本节将从冶勒坝运行过程中分析这些方面的因素。
冶勒沥青混凝土心墙坝,从2005年开始蓄水至今运行完好,大坝建设中细致地布置了设备用于监测坝体外部、内部变形、沥青混凝土心墙的应力、应变、沥青混凝土心墙温度、混凝土防渗墙应力变形以及坝体内部的渗透压力。这些监测数据是分析坝体和心墙的力学行为的有力工具,对分析沥青混凝土心墙的实际受力状况无疑更具有可信度。本节以冶勒沥青混凝土心墙坝的原型观测资料为依据,通过前文研究得出的结论对沥青混凝土心墙坝水力劈裂问题进行了讨论。这些结论将为以后高沥青混凝土心墙坝的建设提供参考和经验。
2.1心墙表面的水压力分布
在众多渗压计中心墙上下游表面渗压计P17(2 533m)和P21(2 533m)的水压力测值与心墙的表面的水压力分布是直接相关的,两只测压计压力和库水位随时间变化如图8。在蓄放水过程中位于心墙上游的渗压计水压力随蓄水位的变化趋势一致,由于心墙较好的防渗性,下游水压力基本保持不变。
2.2心墙与过渡料错位变化
一般来说沥青混凝土的刚度小于两侧过渡料的刚度,由于两者不同的力学性质,运行过程中心墙与过渡料接触表面存在相对位移,如果沥青混凝土心墙与两侧过渡料相互贯穿、咬合作用强,则很可能产生拱效应,若沥青混凝土心墙出现过大的拉应变,孔隙率增大、透水性增强就有可能发生水力劈裂。冶勒工程在心墙上下游侧分别设置了用于观测心墙与过渡料之间的相互位移。高程2 558.00 m处,心墙上下游位错计分别为J13、J14。高程2 548.00 m上下游位错计分别为J15、J16。 高程2 538.00m处上下游位错计分别为J17、J18。各位错计变化过程如图9所示。
2.3心墙上下游表面应变
初次蓄水期间,心墙上下游表面设置多个应变计用来测量不同高度心墙表面的应变,不同时期测得心墙上下游表面应变分布如图10所示。
2.4监测资料分析以及原位应力下心墙发生水力劈裂的条件
从心墙与过渡料之间的相互位错(图9)可以看出,心墙的竖向沉降位移大于两侧过渡料沉降位移,这样导致心墙位移相对过渡料向下,过渡料对心墙摩擦作用力方向向上,这很可能使得心墙发生“拱效应”,使得心墙竖向压力减少,甚至出现拉应变。从心墙应变观测的结果看,除了应变计SX13(2 558m) 和SX14(2 558m)出现了微小的拉应变以外,其他的应变计都是压应变,由于SX13和SX14在同一高程,认为这种拉应变是由于心墙与过渡料相互作用后形成的“拱效应”造成的,这是因为,如果是心墙的弯曲变形则会出现心墙上下游表面必然是一边受拉一边受压。从其他的应变计观测结果来看下游压应变一般大于上游的压应变,这说明心墙承受一定的顺时针方向的弯矩作用,这使得心墙上游侧的压应力减小,是心墙上游压应变较小的原因。
心墙与过渡料之间不均匀的位错是拱效应发生的直接原因,从图9可以看出高程2 558,2 548,2 538m处心墙和过渡料位错大约分别为45,17,32mm,这说明2 548m处的心墙与过渡料作用力大,使得其位错较小,而2 538m处的位错又较大, 这使得在高程2 548m以下部分的心墙伸长。从图10的应变监测结果来看心墙在2 548m以下部分的确出现了压应变突然减小的现象。心墙的拉应变可能导致心墙局部孔隙率的增大,渗透性的增强,从而水压力深入心墙内部发生水力劈裂。
冶勒原位监测资料的分析表明,沥青混凝土心墙与过渡料之间不均匀的位错加大了沥青混凝土的发生水力劈裂的可能性。
3结语
本文采用多手段对沥青混凝土心墙的水力劈裂的产生机理进行了研究,对室内沥青混凝土水力劈裂试样进行了数值模拟,探究试件发生水力劈裂的条件。进而以冶勒沥青混凝土心墙坝的初次蓄水资料为例,分析了心墙运行过程中的工作性态,并对心墙产生水力劈裂的可能性进行讨论。 主要结论如下。
(1)外部荷载作用下沥青混凝土材料孔隙率的增大是沥青混凝土破坏的直接原因。
(2)沥青混凝土发生破坏是颗粒骨架与水的相互作用的最终结果。
(3)心墙与过渡料之间的不均匀位错是可能发生水力劈裂的诱导因素。由于心墙与过渡料之间刚度的差别以及接触作用,沥青混凝土心墙可能出现局部拉应变,从而导致孔隙率增大和渗透性的增强,增大了沥青混凝土心墙发生水力劈裂的破坏可能性。
为了防止沥青混凝土的水力劈裂,未来对心墙与过渡料之间相互作用的研究将具有重要意义。
摘要：针对土石坝沥青混凝土心墙的工作特点,采用室内试验以及数值模拟试验结合的手段对沥青混凝土水力劈裂的发生机理、产生原因进行了研究,结果表明,后期变形导致的孔隙率的增大使得沥青混凝土试样局部区域出现较大的渗透性,在颗粒骨架与水压力相互作用过程中此局部区域失效破坏,形成初始的水力劈裂裂缝。同时发现裂缝周边存在很大的水力梯度,这被众多学者认为是发生水力劈裂的必要条件。进而分析了冶勒沥青混凝土心墙坝初次蓄水的原位观测资料,资料表明沥青混凝土心墙与过渡料之间存在着较大的相对不均匀位移,这使得心墙局部区域竖直压力骤减甚至出现拉应力,它是诱导沥青混凝土发生水力劈裂的重要条件。
沥青混凝土心墙堆石坝 篇4
1沥青混凝土心墙坝简介
沥青混凝土心墙坝是现今世界广为采用的一种坝型之一, 其具有较为良好的适应变形能力与较好的抗水流的冲刷能力, 而且此种坝型能够在多种海拔与气候条件下具备较强的蓄水能力。
2沥青混凝土心墙坝出现渗漏的原因分析
通过对建成的大坝采用浸润线观测的方式发现, 由于沥青混凝土心墙坝的防渗能力不强从而导致大坝的渗水率大大提高。而后通过对大坝进行分析采样, 并建立模型分析后发现造成大坝出现渗漏的原因可能有: (1) 在大坝的坝体正常的进行蓄水作业时, 沥青混凝土心墙坝和帷幕的配合将会将渗水很好的隔离在外, 从而使大坝坝体的渗流场分布较为合理, 使得沥青混凝土心墙坝的下游浸润线要低于坝坡, 从而使得大坝不会产生渗水现象。 (2) 当坝体中的沥青混凝土心墙坝和帷幕的配合失效后, 则大坝将会产生渗水现象。 (3) 当沥青混凝土心墙坝由于振动或者是施工质量存在问题时将会导致大坝的坝体出现明显的渗漏, 同时由于大坝中的沥青混凝土心墙坝出现明显的漏洞, 这会造成沥青混凝土心墙坝出现问题的普及坝体的渗透比降增加, 同时由于心墙下游的渗透扩散的饱和区范围较为有限, 从而不会出现由于浸润线过高而导致的大幅透水现象。通过以上分析得知, 造成大坝的渗水的主要原因是由于沥青混凝土心墙坝的施工质量不合格从而造成沥青混凝土心墙坝存在着一定的质量缺陷, 并且水库大坝的坝体填筑材料透水性能较弱且不均匀所造成的。
3沥青混凝土心墙坝的防渗处理措施
通过以上对水库大坝的渗漏原因造成分析后得知, 造成大坝出现渗漏的主要原因是由于大坝的沥青混凝土心墙坝出现了一定程度的损坏且坝体的填筑材料的透水性较弱从而造成大坝的坝体出现渗透量较大。通过分析后发现, 针对沥青混凝土心墙坝的防渗处理可以采用以下几种方法。
3.1对原有的沥青混凝土心墙坝进行修补。对原有的沥青混凝土心墙坝进行修补是指通过对大坝进行检测, 查找到沥青混凝土心墙坝中的损毁或者是由于建设质量不合理所造成的缺陷区域, 通过对存在缺陷或者损坏区域进行修补, 从而达到使大坝恢复使用能力的方法。在应用这一方法的过程中将会面临着以下困难: (1) 由于沥青混凝土心墙是位于沥青混凝土心墙坝的中间内部, 因此, 使用常规的方法是无法进行检测并精确定位的。 (2) 如果发现损坏区域需要通过采用钻孔灌浆的方式来修补沥青混凝土心墙的损坏区域, 由于需要钻孔的深度大, 使用的灌浆材料与坝体的沥青混凝土较难结合, 从而对施工带来一定的难度。 (3) 对沥青混凝土心墙进行修补的材料需要使用融化的沥青, 此种方法适用于心墙埋藏深度较浅的坝体。
3.2对沥青混凝土心墙坝采用钻孔灌浆的方式。我国自上世纪90年代研究攻关钻孔灌浆技术成功后, 先后在多地的水坝修复中应用此种技术。当在垂直型沥青混凝土心墙中出现漏水问题时, 可以使用在上游过渡料区进行灌浆防渗处理, 坝体的灌浆方案则可以在沥青混凝土心墙上游侧过渡料及坝壳内进行浆液的灌注, 从而使浆液结石与原沥青混凝土心墙形成新的防渗帷幕, 从而形成良好的防渗效果。
3.3对沥青混凝土心墙坝采用混凝土防渗墙的方案。混凝土防渗墙是指使用挖槽设备或者是钻凿设备等沿着坝体上挖掘出一道槽沟, 而后使用混凝土在这一槽沟上进行浇筑, 从而形成一道沿着大坝的混凝土墙来对原来的沥青混凝土心墙进行防渗加固, 从而达到防渗的效果。在应用此种方法时为了更好的完成沟槽, 同时防止漏浆, 避免浆液对原有的沥青混凝土心墙造成一定的损坏, 应当将新建的混凝土防渗墙设置在旧有的沥青混凝土心墙轴线上游侧大于4m的坝壳料中。同时在防渗墙下基岩与墙体基岩的结合部位来采用帷幕灌浆的方式来确保其连接效果, 从而达到一个较为完善的防渗体系, 确保防渗效果。
3.4对沥青混凝土心墙坝采用上游垂直防渗与坝面防渗相结合的防渗方案。采用此种方式是为了保证防渗墙下基岩及墙体与基岩结合部分的紧密性, 从而使大坝形成一种从点、线、面的整体防渗体系, 从而达到良好的防渗效果。同时为了做好混凝土防渗墙的前期准备工作, 则需要在上游坝坡堆筑一个宽度大于12m的施工平台, 而对于混凝土防渗墙则需要在堆筑的平台内测进行布置。采用此种防渗处理措施需要完成的施工项目众多, 因此需要完成的工期较长, 而在夏季汛期时搭建的防渗项目将会面临着导流的问题。
结语
沥青混凝土心墙坝是一种使用较为广泛的坝型, 在欧洲和日本已经全面的开展应用。我国自上世纪开展大规模水利工程建设的过程中通过学习、自主研发形成了适合中国国情的沥青混凝土心墙坝建设方式, 同时对由于沥青混凝土心墙坝中的心墙存在的缺陷或者是由于其他原因所造成的损害而形成的坝体漏水问题展开研究。形成了以上4种对于坝体出现渗水问题所采取的补救措施, 使坝体形成新的防水体系, 从而达到良好的防水效果。
参考文献
浇筑式沥青混凝土心墙施工技术 篇5
乌雪特河发源于托里县加依尔山东段北坡, 是托里县与额敏县的界河, 属降雨、融雪混合型补给的河流。水库坝址位于托里县境内的乌雪特河出山口处, 距离托里县城40km, 坝址处地理坐标为东经84°00′43.3″, 北纬46°04′35.2″。乌雪特水库坝址位于托里县境内的乌雪特河出山口处, 距离托里县城40km, 是一座农牧业灌溉为主的工程, 大坝坝型为浇筑式沥青心墙砂砾石坝, 水库总库容320×104m3。随着新疆一批富民兴牧工程的开始, 由于新疆的砂砾石丰富, 沥青来源近, 大部分小水库都是浇筑式沥青心墙砂砾石坝, 浇筑式沥青混凝土砂砾石坝中沥青用量直接影响混凝土的物理力学性能和施工性能, 同时沥青混凝土心墙浇筑的关键环节是温度控制。现在对浇筑式沥青混凝土施工技术措施:
1 温度控制要点
1.1 沥青加热
沥青的溶化、脱水温度控制在120±10℃, 脱水时间0.5~1.0小时, 使水分充分脱出, 不再冒泡;沥青脱水后进入沥青加热罐继续加热, 温度控制在160±10℃, 保持恒温, 但恒温时间不宜超过6小时。
1.2 骨料加热
采用烘干筒, 各种不同粒径的骨料计量后进入燃煤式烘干筒, 加热3~5min, 温度宜控制在190±5℃, 应根据沥青混合料要求的出机口温度控制, 但不得超过200℃。
1.3 入料顺序
采用先将骨料和填料干拌15~30s后, 再加入沥青一起拌和45~60s, , 混合料出机口温度宜控制在170~175℃, 要求拌和均匀, 无花白料。拌制好的混合料由搅拌机直接卸入装载机运输至现场。
2 沥青拌和站检测的要点
2.1 拌和站原材料检测, 拌和站原材料质量检测频次表见表1
2.2 拌和站沥青混合料控制要点
2.2.1 温度检测:
拌和站温度的控制是施工质量控制的重点, 主要控制主要从原材料的加热进行控制, 沥青必须保证温度在160±10℃之间, 粗细骨料必须保证温度在190±5℃之间, 最高不超过200℃, 超过200℃有发生沥青进入搅拌机内发生因骨料过热超过沥青闪点引起火灾。最终要求沥青混合料的出机口温度宜控制在170~175℃。当混合料温度超过185℃时, 作为废料。
2.2.2 沥青含量抽提试验:
每层做抽提试验一次, 检测沥青含量, 配合比允许误差为±0.5%。
2.2.3 矿料级配试验:
矿料级配每层检测一次, 粗骨料的级配误差为±2%, 细骨料级配误差为±2%, 填料配合比允许误差为±1%。
2.2.4 马歇尔稳定度和流值、孔隙率检测:
每层成型试件各项指标检测一次。
2.2.5 外观检测:
随时观察, 要求色泽均匀、稀稠一致, 无花白料及其它异常现象。
3 现场控制要点
3.1 混凝土基座结合面处理
沥青混凝土心墙同周边建筑物的连接是防渗系统结构的关键, 其处理的好坏将直接影响大坝的安全。先将混凝土基础面浮浆、乳皮、粘着物等清除干净, 再进行凿毛, 凿毛完成后采用高压风吹干净, 对潮湿部位进行烘干。烘干后人工均匀涂刷两遍冷底子油 (沥青:汽油=3:7) , 待冷底子油干涸后涂抹1~2cm厚的沥青玛蹄脂 (沥青:矿粉:砂=1:2:2) , 玛蹄脂宽度不小于心墙底宽。涂刷冷底子油时必须对止水铜片也涂刷两遍。
3.2 边角部位摊铺与浇筑
浇筑式沥青混凝土采用人工立模、人工摊铺, 加强质量检查, 人工摊铺、人工浇筑沥青混合料表面要求返油良好, 不产生纵向裂缝。对于取样的坑洞采取人工铺填沥青混合料, 采用直径小于坑洞直径的铁锤按5cm一层进行分层夯实。
3.3 模板
钢模采用钢板制作, 模板两侧采用角钢限位卡固定, 钢模安装前表面粘贴牛皮纸作为脱模隔离层, 安装好的模板平整严密, 尺寸准确, 相邻钢模搭接长度不小于5cm, 模板定位前进行中心线放样, 定位后的钢模距心墙中心线的偏差不大于10mm。
3.4 过渡料铺筑
模板定位检查合格后方可铺筑两侧过渡层。用帆布遮盖心墙表面, 防止砂石、杂物落入仓面内。采用装载机将掺配好的过渡料粗平, 人工配合整平, 松铺厚度为心墙铺设厚度。心墙两侧的过渡料应同时铺筑, 靠近模板部位作业时要特别小心。防止模板移位, 距钢模15~20cm的过渡层, 采用人工压实。
3.5 结合面清理
在浇筑的心墙上继续铺筑时, 结合面必须清理干净, 灰尘等污染面采用毛刷清除或用铲除粘污面。沥青玛蹄脂不需要加热。对于潮湿部位先将表水清除, 再加热烘干, 对取样坑洞回填前先将杂物清理干净, 再采取加热烘干。
3.6 沥青混凝土混合料入仓
沥青混凝土混合料拌好后采用装载机入仓, 人工配合平仓, 浇筑厚度为沥青混凝土工艺试验确定的浇筑厚度, 入仓温度控制在170~175℃。沥青混合料浇筑完成后半小时可以将钢模拔出, 可使沥青混凝土与过渡带形成犬牙交错的断面, 利于两者的结合, 这样对防止沥青心墙的塑性变形具有重要意义。
3.7 沥青混凝土浇筑
先碾压过渡料再浇筑沥青混合料, 过渡料碾压采用2台3t自行式振动碾同时静压心墙两侧2遍后再振动碾压, 碾压时离心墙20~30cm, 采用人工夯实。浇筑后的沥青混合料表面要求返油良好, 不产生纵向裂缝。前后两段交界处采用不大于1:3的斜坡进行接坡, 必须保证斜坡密实。
3.8 浇筑温度
浇筑时最高温度不超过185℃, 最低温度不低于160℃。最优温度是工艺试验确定的170~175。
4 现场检测要点
4.1 沥青混凝土浇筑质量检测
4.1.1 浇筑前的检测
沥青混凝土每次摊铺浇筑前, 应对心墙轴线放样, 对施工准备情况进行全面检查, 并检测心墙中心线, 与心墙轴线的偏差不超过±5mm。
4.1.2 温度检测
混合料浇筑过程中, 应对入仓温度、浇筑时温度随时进行检测。
4.1.3 钻孔取芯容重及渗透系数检测
沥青心墙每升高2~4m, 沿坝轴线100~150m布置钻取芯样2组, 检测容重、孔隙率及渗透系数。
4.1.4 厚度检测
每层立模时必须检查中心线偏差, 浇筑后检查浇筑情况、心墙宽度及层间结合情况。
4.1.5 平整度
随时检查浇筑面的凹凸情况。
4.1.6 外观检查
沥青混凝土浇筑时, 每一浇筑层均应进行外观检查, 不得产生裂纹、蜂窝、麻面、空洞及花白料等现象。如发现异常, 立即报告质检站并加以处理。
4.2 现场质量控制要求见表2
5 注意事项
5.1 在涂刷冷底子油时施工现场禁止烟火, 由于冷底子油采用汽油配置易发生火灾。
5.2施工时注意帆布在浇筑完成后及时从心墙上撤下, 再重新覆盖, 防止温度过低帆布难以与心墙沥青混凝土分离, 重新覆盖后在有风时段必须压牢防止大风将帆布刮起, 灰尘对心墙产生污染。
5.3 沥青拌和站在拌制沥青混凝土前必须进行预热。
5.4 因故停机超过30min必须将拌和机内的沥青混合料清理干净。
5.5沥青拌和站的称量系统必须定期进行动态、静态校验, 使称量系统满足称量精度±0.5%要求。
5.6 运输机具必须采取保温防漏措施, 在使用前涂刷防粘剂, 防粘剂不能与沥青混合料产生反应, 涂刷防粘剂的量应根据现场实际确定, 不能涂刷得过多。
5.7 各种施工机械不得横跨心墙, 在心墙两侧2m范围内, 不得使用10t以上的大型施工机械作业。
5.8 沥青混凝土心墙宜采用全线保持同一高程施工, 以避免横缝。当无法避免横缝时, 其结合部位做成缓于1:3的斜坡, 上、下层横缝错开距离必须大于2m。
5.9 沥青混凝土表面停歇时间较长时, 采取覆盖保护措施。继续铺筑时必须将结合面清理干净, 再进行沥青混合料浇筑。必要时可在层面上均匀喷涂一层冷底子油, 待冷底子油沥青干涸后进行上层沥青混合料铺筑。
5.1 0 沥青混凝土覆盖所用帆布必须保证帆布的洁净, 对不能使用的帆布必须进行淘汰。
6 结束语
沥青混凝土心墙堆石坝 篇6
沥青混凝土简称沥青砼, 是人工选配一定级配的矿料、、矿粉、碎石、石屑或砂等, 与一定比例沥青材料作为胶结材料拌制而成的人工合成混合料。沥青混凝土依靠沥青与矿粉形成胶结料的粘结力和集料颗粒间的内摩阻力和锁结力能提供较好强度, 且沥青混凝土具有优异的防渗能力。因此, 沥青材料作为一种路面材料及防渗材料在国内外运用历史悠久。在水利工程中, 沥青混凝土技术广泛应用于大坝防渗面板、心墙、水库防渗、渠道河堤防渗、垃圾场污水池衬砌等, 特别是混凝土心墙的运用, 使得国内外很多水利工程几乎没有渗漏情况。
随着水电事业的发展, 地形、地质条件适宜于修建混凝土坝的坝址越来越少。土石坝的比例逐渐增多, 以心墙作为土石坝防渗结构形式的坝型得到了极大地发展, 并且应经成为筑坝技术的一个发展方向。由于土石坝的数量巨大, 适用于修建土石坝的理想的两岸对称的河谷地形、地质条件越来越少, 所以, 土石坝慢慢趋向于在两岸不对称、岸坡比较陡等复杂河谷地形和地质条件修建。
2 沥青混凝土心墙土石坝的国内外发展现状
2.1 沥青混凝土心墙土石坝国外发展现状
近年来水工沥青混凝土心墙发展极其迅速。上世纪50年代, 欧美国家在沥青技术方面得到了广泛的发展和应用, 建成的采用沥青混凝土防渗体的土石坝较多。1949年葡萄牙建成了最早的沥青混凝土心墙坝—Vale de caio坝, 坝高45m。经过20多年的发展, 上个世纪70年代后建成的沥青混凝土心墙土石坝坝高已突破百米大关。其中, 具有代表性的是挪威1997年完建的Storglomvatn沥青混凝土心墙坝, 坝高128m及1980年奥地利完建的150m高的Finstertal沥青混凝土斜心墙坝, 其斜心墙高度高达96m, 是第一座全高采用沥青混凝土斜心墙的坝。
在国外, 水工沥青混凝土心墙发展如此迅速, 分析其主要原因有:⑴应用的范围越来越宽广, 多样化结构型式, 且趋于简单化;⑵越来越高的施工机械化程度, 施工技术和理论发展, 使得工程规模不断扩大, 沥青混凝土心墙越来越高, 防渗面积越来越大, 施工成本大大降低, 在同类型坝中具有越来越大竞争力。
2.2 沥青混凝土心墙土石坝国内发展现状
与国外相比, 我国沥青混凝土土石坝防渗体的起步相对较晚。20世纪70年代以后沥青混凝土防渗技术才开始在我国逐渐应用发展起来。1972年, 在我国东北地区吉林省安图县修建的白河水电站为沥青混凝土心墙坝, 采用沥青混凝土作为筑坝材料, 坝高为24.5m, 装机6Mw, 是一座以发电为主的水电站。同年, 采用沥青混凝土作为防渗材料的水电站还有甘肃省敦煌县的党河水库, 坝高58m, 总库容4500万m3, 党河水库因为采用了沥青混凝土防渗技术从而大量节省了资金和人力资源。在这以后, 我国各地区又相继建成了沥青混凝土防渗工程。八十年代后, 我国土石坝沥青混凝土心墙防渗技术开始有了较快的发展, 如辽宁碧流河坝、北京杨家台坝及四川新丰坝等十余座中、低坝大多采用了浇筑式沥青混凝土心墙。
九十年代后, 我国水工沥青混凝土工程发展进入了一个全新的阶段, 从人工化和半机械化进入了机械化的阶段, 施工速度和施工质量得到了较大的提升。例如, 由我国自己设计、监理和施工的三峡茅坪溪土石坝, 它是目前我国已建工程中最高的垂直式防渗的沥青混凝土心墙土石坝工程, 其最大坝高为104m, 沥青混凝土心墙高94m。四川的冶勒坝和瀑布沟坝, 最大坝高分别高达125m和182m。
虽然水工沥青混凝土的应用已经具有了几千年的发展历史, 在筑坝技术方面也有了近百年的历史, 但在我国, 采用沥青混凝土防渗技术仅有几十年的历史, 沥青混凝土筑坝技术还不够成熟, 目前正处于高速发展的阶段, 所以这需要我们结合生产实际来完善水工沥青混凝土应用理论, 是我国沥青混凝土技术迈向世界先进水平。
3 沥青混凝土心墙的特性
沥青混凝土心墙土石坝是将防渗体设计在大坝体内, 沥青混凝土心墙处于大坝的内部, 受到坝体的保护, 震动能力提高, 温度对其影响较小, 适应坝体和基础的变形能力好, 不容易受到破坏, 其具有以下特性。
3.1 防渗性能较好
实验表明, 碾压式沥青混凝土的渗透系数一般在10-7~10-8cm/s以下, 浇筑式沥青混凝土则基本不透水。
3.2 具有较强的适应变形的能力
沥青混凝土具有较好的柔性, 能适应各种不均匀沉陷, 还能适应地基、岸坡及坝体等的较大变形。同时, 当出现裂缝时沥青混凝土还具备较好的裂缝自愈能力。沥青混凝土是粘弹塑性的材料, 通过试验证明:在常温下, 压缩应变能够达到10%, 弯曲应变达到5%, 拉伸应变也可达3%, 说明沥青混凝土比其他材料对较大的渐变变形有更好的适应性。
3.3 沥青混凝土心墙防渗结构工程量少同, 可以使相应的劳动力得到节省, 提高施工的进度
沥青混凝土防渗体大约是粘性土防渗体体积的1/20~1/50。沥青混凝土防渗体的工程量小, 劳动力更加集中, 可以提高施工功效, 加快施工进度, 减少施工成本。
3.4 沥青混凝土塑性性能较好
沥青混凝土心墙可有效的吸收由于坝体超载所引起的材料变形但不影响其防渗性能, 抗冲击性能较强, 在加速度较快的地震荷载作用下, 强度高, 阻尼比较大, 受地震破坏的可能性较小。
3.5 沥青混凝土心墙的耐久性比沥青混凝土面板好
因为防渗心墙位于坝体内部, 所以免受波浪的冲刷以及阳光的照射, 防冻防晒, 也可以避免产生裂缝和流淌。心墙防渗体与坝体同时填筑, 施工过程中也可以蓄水。
3.6 沥青混凝土心墙的体积比粘土心墙的体积要小得多, 不用挖土破坏植被和耕地, 可以有效的保护坏境及农田
在设计方面, 沥青混凝土心墙的厚度远小于粘土心墙, 因此基础处理时仅需3-4m宽的混凝土垫座, 大大提高了施工进度并降低了施工成本。沥青混凝土本身抗侵蚀性强, 对水质无污染。从以上土石坝沥青混凝土防渗结构的优点中分析, 沥青混凝土应用于水利工程, 尤其是在坝体防渗中具有极大的优越性。
3.7
从经济角度上分析, 虽然沥青混凝土的单价要高于水泥混凝土和土方的单价, 但沥青混凝土体积小、施工快, 综合单价反而更低。例如, 新疆恰普其海水库高土石坝, 沥青混凝土心墙方案比土心墙方案在总造价上低约2000万元。
近年来沥青混凝土心墙坝越来越多, 尤其是在缺少粘土、多雨高寒和地震高烈度地区应用广泛。沥青混凝土作为土石坝的防渗体, 与粘土心墙相比较, 沥青混凝土心墙本身能适应较大的拉应力和较大的变形, 防渗性能好, 适应能力强, 工程量小, 机械化程度高, 施工速度快, 塑性性能好, 抵抗冲击能力强, 耐久性和裂缝自愈能力强, 在严寒高山地区及潮湿多雨地带迅速施工等优点。沥青混凝土心墙防渗结构的优点众多, 沥青混凝土施工技术推广迅速, 其已经成为土石坝筑坝技术的一个新亮点。国际大坝委员会 (ICOLD) 在1992年第84号公报中曾指出:沥青混凝土心墙土石坝“是未来最高坝适宜的坝型”。
4 总结
沥青混凝土心墙对拉应力和变形适应性较好, 防渗性能好, 施工工程量小, 施工速度较快, 塑性性能较好, 抗冲击能力强, 耐久性和裂缝自愈能力强。目前国内外所有已建好的沥青混凝土心墙坝工程都表现出极好的运行效果, 沥青混凝土心墙土石坝将成为未来土石坝的研究及发展趋势。
摘要：本文详细介绍了沥青混凝土及其在工程上的应用, 总结其在国内外的发展现状, 并全面的分析了沥青混凝土心墙的特性, 对沥青混凝土及沥青混凝土心墙的发展及研究具有一定的实践价值。
关键词：沥青混凝土心墙,土石坝,特性研究
参考文献
[1]朱晟等当代沥青混凝土心墙坝的进展, 人民长江, 第35卷第9期
[2]王为标.沥青混凝土心墙土石坝:一种非常有竞争力的坝型[C].第一届堆石坝国际研讨会论文集.中国成都, 2009:13.
[3]土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范 (SL 501—2010)
沥青混凝土心墙堆石坝 篇7
目前, 基于概率意义下的结构可靠度理论和方法在结构工程领域中成为一种趋势, 在水利工程领域中, 已经实施了《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》 (GB50199-94) , 其在水工钢结构设计、混凝土重力坝、混凝土拱坝的结构分析中已经得到广泛运用, 但在土石坝计算并不多见, 尤其在沥青混凝土心墙抗水力劈裂可靠度计算还未做尝试。其主要原因在于沥青混凝土心墙本构关系复杂, 材料高度非线性, 故使沥青混凝土心墙抗水力劈裂的功能函数不能显示表达出来, 不能用传统可靠度的计算方法如一次二阶矩, JC[1]法进行结构可靠度计算, 而Monte-Carlo有限元计算方法也因为沥青混凝土材料的非线性, 工作量非常大, 也不适合运用在这求解可靠度。本文在查阅大量资料基础上[2,3,4,5], 利用响应面有限元法既能利用确定性有限元结算结果, 又能减少数值模拟次数的优点, 对沥青混凝土心墙水力劈裂可靠度计算做了初步的研究, 选择了影响水力劈裂的主要因素作为随机变量, 利用响应面法和JC法相结合对抗水力劈裂沥青混凝土心墙的可靠度进行了计算和分析。
1 沥青混凝土心墙抗水力劈裂计算模型构建
1.1 抗水力劈裂功能函数构建
调查Teton坝失事原因的研究小组提出, 水力劈裂发生在土体抗拉强度与最小主应力之和小于水压力的区域, 即产生水力劈裂的条件为:
式中:uf为产生水力劈裂时的静水压力;σ2为土体的最小主应力;c为土的抗拉强度。
根据式 (2) 建立心墙抗水力劈裂的可靠度极限状态方程。
式中:R (·) 为抗力表达式;S (·) 为效应表达式;X1, X2, …, Xn为随机变量。
由于式 (2) 功能函数Z中变量σ2不能显示表达出来, 故需要采用响应面构建σ2的显示表达式。
1.2 响应面法构建σ2
响应面法是通过有限次计算求出一个近似曲面 (称为响应面) [6,7]以代替原曲面, 即在响应量 (z) 与不确定因素 (随机变量X1, X2, …, Xn) 间建立起一个近似的显式表达z=g (X1, X2, …, Xn) , 然后用该近似函数代入有限元程序进行重复计算, 获得作用响应统计分析之样本, 再结合JC法、几何法等方法进行结构可靠度的计算。其具体过程是:设结构实际功能函数为z=g (X1, X2, …, Xn) , 则其结构可靠度分析的二次响应面模型可以构造为式 (3) 。
式中:Xi (i=1, 2, …, n) 为基本随机变量;a0、bi、ci和di为响应面函数中的待定系数, 其值根据有限元计算结果寻找迭代样本点, 然后通过回归确定。
但对含有多个随机变量的大型结构进行可靠度分析时, 响应面形式的一般简化为无交叉项形式, 故本文对σ2的响应面方程简化为 (4) 式。
根据式 (3) , 结合σ2的响应面方程 (4) , 构造抗水力劈裂功能函数Z为 (5) 。
式中:Xi为σi的随机变量;c为土的抗拉强度;uf为静水压力。
1.3 JC 法求解可靠指标β
JC法是以一次二阶矩法为基础, 核心是将非正态随机变量当量正态化, 推得当量正态变量x′i在设计演算点x*i处均值μx′i和标准差σx′i为:
式中:Φ-1 (·) , Ψ-1 (·) 分别为标准正态分布函数的反函数及概率密度函数。
这样, 结合抗水力劈裂功能函数的偏导函数式 (8) ～式 (10) , 以及灵敏系数函数式 (11) ～式 (13) , 利用一次二阶矩法原理可计算出可靠指标。
式中:μ, σ为随机变量的均值和标准差。
根据式 (14) 首先假定一个初始值, 然后通过式 (8) ～ (14) , 不断迭代求解, 最后得到精确值β。
2 工程算例分析
2.1 工程概况
冶勒水电站位于四川省凉山州冕宁县和雅安市石棉县境内, 为南桠河流域梯级规划“一库六级”的第六级龙头水库电站。坝前正常蓄水位2 650 m, 死水位2 600 m, 大坝坝顶高程2 654.5 m, 坝顶宽14 m, 最大坝高124.5 m, 坝体填土均为堆石体, 沥青混凝土心墙采用直线形式, 由于河床及右岸坝基覆盖层深厚, 最大深度超过420 m, 工程区地震基本烈度为8级, 沥青混凝土最大坝高124.5 m, 故大坝按1级建筑物设计。鉴于此种情况, 为了保证大坝的安全运行, 对其心墙结构抗水力劈裂可靠性予以分析论证是十分必要的。
2.2 随机变量确定
本文在有限元计算中, 沥青混凝土心墙、堆石、大坝地基的结构模型都采用了邓肯-张[8]非线性有限元模型, 由于其参数比较多, 在不影响分析精度的前提下, 为了简化计算可将变异性相对较大的参数设置为随机变量。本文在查阅了大量文献基础上[9,10], 认为上游水位H作为整个大坝正常运行期最大的作用荷载, 其变化直接影响到整个沥青混凝土心墙变形和应力, 故选择它作为随机变量是必要的。同时考虑到材料本身的强度参数c, φ对心墙的应力、变形以及判断心墙的应力状况是最重要的因素, 故也应该考虑成为随机变量, 而对其他参数如容重、大坝尺寸等对于高坝来说, 变异性很小, 对整个的结构可靠度计算影响很小, 可以不作随机变量而考虑成定值处理。故其随机变量的分布和特征见表1。
2.3 模型构造及计算
根据冶勒最大断面的特征, 把该断面离散为2 959个单元和2 917个节点, 然后作平面非线性有限元计算, 为了分析沥青混凝土心墙抗劈裂可靠度, 需对心墙上游面61个节点分别建立相应的功能函数和响应面方程进行可靠度分析, 从而得到沥青混凝土心墙抗劈裂可靠度。
根据式 (5) 以及上述确定的随机变量, 对心墙上游面共61个节点分别建立相应的心墙抗水力劈裂的可靠度极限状态方程:
式中:x1, x2, x3为随机变量c, φ节点纵坐标, 静水压力uf是关于随机变量x3和y0的函数;y0为坝基防渗墙基座纵坐标;γ取9.81。
2.4 成果分析
根据前述计算域离散模型及各参变量随机特征, 本文编制了基于响应面有限元法的沥青混凝土心墙抗水力劈裂可靠度计算程序, 并将可靠度计算结果与传统方法计算出的安全系数以及心墙温度监测资料分析成果进行了比较。
2.4.1 抗水力劈裂可靠度结果分析
用自编程序计算出的沥青混凝土心墙抗水力劈裂可靠指标如图1, 可以看出冶勒大坝沥青混凝土心墙抗水力劈裂的可靠度指标值最小发生在中下部, 最小的可靠度指标为4.371, 满足水工结构安全级别为Ⅰ级建筑物二类破坏β4.2的标准, 但是从图中清楚反映出沥青混凝土心墙中下部安全储备远远小于上部, 建议在日常运行观测时, 加强沥青混凝土心墙中下部的监测分析。从上述结果可以看出整个沥青混凝土心墙抗水力劈裂可靠度高, 沥青混凝土心墙中失效破坏的概率非常小。
2.4.2 对比分析
(1) 沥青混凝土心墙安全系数分析。
本文在计算可靠度的同时, 也用传统方法对其进行复核, 采用了传统计算抗水力劈裂安全系数的公式为
(2) 沥青混凝土心墙温度监测资料分析。
在设计冶勒沥青混凝土心墙堆石坝时, 为了运行时能实时监测沥青混凝土心墙安全情况, 在冶勒沥青混凝土心墙里面沿不同高程埋设温度计 (T11-T16随埋设高程逐渐降低) 。根据2004年冶勒蓄水后温度计监测资料统计分析, 其温度过程线见图2, 结果表明:在温度计埋设初期, 温度下降很快, 但随着时间推移, 温度下降速度减慢, 后来温度趋于稳定, 没有突变, 说明蓄水后, 沥青混凝土心墙运行状况良好, 抗水力劈裂安全性好, 而前面计算出的可靠指标均大于允许规范值, 也说明心墙运行状况良好, 表明可靠度分析结果是与实际吻合的。
3 结 语
(1) 由可靠度指标图, 沥青混凝土心墙抗水力劈裂安全系数, 以及沥青混凝土心墙温度监测资料分析都表明, 大坝在蓄水后, 沥青混凝土心墙抗水力劈裂的安全度是有保证。通过传统分析方法结果和监测资料分析结果, 印证了本文提出的沥青混凝土心墙抗水力劈裂的可靠度计算方法是合理可行, 其计算结果是正确的。
(2) 本文采用响应面法、有限元法与 JC 法结合分析复杂非线性材料可靠度, 不仅解决了其结构功能函数难以显式表达的问题, 而且通过迭代调整, 精度满足实际工程分析要求, 且模拟效率高, 为解决类似工程的可靠性分析提供了可供选用的一条新途径。
参考文献
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