瀝青混凝土心墻風化料壩的設計及變形特性CHENGYi;YUDingxian【摘要】以云南省在建的某瀝青混凝土心墻風化料壩為例，闡述瀝青心墻及筑壩材料特性，采用非線性模型模擬壩體竣工期及蓄水期應力變形，研究壩體及心墻應力變形分布特點.在分層加載分析中心墻變形沿壩高方向呈現(xiàn)明顯的拋物線變化趨勢，且最大位移始終發(fā)生在壩高2/3左右的位置,心墻內部應力主要表現(xiàn)為壓應力,不會發(fā)生水力劈裂破壞.【期刊名稱】《廣東水利水電》【年(卷)，期】2019(000)006【總頁數(shù)】5頁(P1-5)【關鍵詞】瀝青混凝土心墻風化料壩;筑壩材料;應力變形【作者】CHENGYi;YUDingxian【作者單位】【正文語種】中文【中圖分類】TV6411概述土石壩因其對地形、地質條件適應性強、能充分利用當?shù)夭牧隙粡V泛運用于工程實踐中。瀝青混凝土心墻是土石壩中的一種新型防滲結構，作為一種典型的粘彈性柔性材料，瀝青混凝土心墻具有較強的自愈能力、抗?jié)B能力，適應壩體變形能力強。在當?shù)赝亮系馁|量和儲量無法滿足工程防滲需求時，瀝青混凝土心墻壩的優(yōu)勢就更為突出。在中國，瀝青混凝土心墻壩的建設已有40多年的歷史，中國第一座碾壓式瀝青混凝土土石壩完建于1974年，坐落于甘肅省敦煌縣，一期壩高為59m，二期加高到74m。目前世界上最高的瀝青心墻堆石壩位于中國四川甘孜藏族自治州得榮縣境內的去學瀝青心墻堆石壩，最大壩高為170m。瀝青混凝土心墻在高土石壩中的工程實踐優(yōu)勢已越來越明顯，主要因瀝青混凝土的力學特性及在心墻構造中的獨特之處，從國內外學者的研究中發(fā)現(xiàn)：瀝青混凝土具有高抗震性和甚至在低溫條件下不出現(xiàn)裂縫的抗拉應變能力；具有獨特的自封和自愈能力；具有延展性和粘性的瀝青心墻可以適應不均勻的基礎變形而不產(chǎn)生裂縫等［1-4］。隨著工程實踐和研究的不斷深入，對瀝青混凝土性能的逐步掌握，未來這種壩型的建設優(yōu)勢將越來越明顯，尤其在強地震區(qū)。本文結合云南省第一座在建的74.5m高瀝青混凝土心墻風化料壩為例，探討瀝青混凝土心墻風化料壩的設計及變形特性。2工程概況該工程位于云南省新?lián)峤患壷Я骶G葉河上游，為B等中型工程。壩址以上集雨面積為18.1km2，多年平均年徑流量為1544萬m3。水庫正常蓄水位為1550.32m,相應庫容為943.4萬m3，設計洪水位為1552.50m,校核洪水位為1553.35m，總庫容為1078萬m3oT程區(qū)地層巖性主要為凝灰?guī)r和砂巖。3壩體設計3.1斷面設計大壩最大壩高為74.5m，壩頂高程為1553.40m，防浪墻頂高程為1554.50m,壩頂寬為10.0m,壩頂長度為220m。壩體上游壩坡自上而下分別為1:2、1:2.25.1:2.25,設有3級馬道，馬道寬為2.0m；下游壩坡自上而下分別為1:1.8、1:2.0、1:2.0,同樣設有3級馬道，馬道寬為2.0m；排水棱體頂高程為1484.0m，頂寬為2m，夕卜邊坡為1:1.8。瀝青砼心墻防滲體頂高程為1553.20m，頂部厚度為0.6m,高程1520.00m以下心墻厚度為1.0m。在心墻防滲體上、下游均設有垂直過渡層，過渡層厚為3.2~3.0m—心墻底部設C20混凝土基座，厚2.0m(具體布置見圖1所示)。3.2筑壩材料選擇及材料特性為充分利用當?shù)夭牧?，?jié)省工程投資，本工程瀝青混凝土心墻骨料、填料及壩體填筑料盡量采用當?shù)亻_挖料。瀝青混凝土心墻料瀝青混凝土骨料采用石灰?guī)r人工破碎后的粗骨料、細骨料，經(jīng)室內人工篩分為19-9.5mm、9.5-4.75mm的2級粗骨料和人工砂細骨料，填料采用石灰?guī)r礦粉，瀝青采用克拉瑪依70號A級瀝青。石灰?guī)r破碎后的人工骨料質地堅硬，在加熱過程中未出現(xiàn)開裂、分解等現(xiàn)象，與瀝青黏附力強，堅固性好；石灰?guī)r骨料、礦粉填料及克拉瑪依水工70號A級瀝青的指標均滿足SL501—2010[5]規(guī)定的瀝青混凝土原材料的技術要求(各材料指標見表1-4)。圖1瀝青心墻風化料壩最大剖面示意(單位：m)表1粗骨料特性技術指標密度/(g/cm3)吸水率/%黏附力/級堅固性/%抗熱性壓碎率/%規(guī)范要求>2.60<2>4<12—<30粗骨料2.7130.35.01.22合格11.8表2細骨料特性技術指標密度/(g/cm3)水穩(wěn)定等級/級硫酸鈉5次循環(huán)重量損失/%吸水率/%<0.075mm/%規(guī)范要求>2.55>6<15<2<15人工砂2.72991.20.35.9表3填料特性技術指標密度/(g/cm3)含水率/%親水系數(shù)填料級配篩分結果/%0.0750.150.3規(guī)范要求>2.5<0.5<1>85>90100填料2.7320.160.7787.899.4100表4克拉瑪依70號A級瀝青特性試驗項目質量指標瀝青針入度(25OC,0.1mm)60-8062.0針入度指數(shù)PI-1.5-+1.0-1.2延度(10C,5cm/min)>2076延度(15°C,5cm/min)>100116軟化點/。04650.4溶解度/%>99.599.9閃點/°C2260280密度(15C,g/cm3)實測0.986含蠟量/%<2.21.82薄膜烘箱后(163°C,5h)質量損失/%±0.80.02針入度比/%>6176.0延度(10°C,5cm/min)>615根據(jù)不同骨料級配指數(shù)、不同礦粉和油石比組成各種不同配合比，從防滲、變形、強度、施工、耐久性和經(jīng)濟性等考慮，結合工程實際情況，最終選用瀝青混凝土配合比材料和級配參數(shù)見表5，其物理力學性能試驗結果見表6。表5瀝青混凝土配合比的材料和級配參數(shù)級配參數(shù)材料礦料最大粒徑/mm級配指數(shù)填料含量/%油石比/%粗骨料細骨料填料瀝青190.42126.9破碎石灰?guī)r料石灰?guī)r人工砂石灰?guī)r礦粉克拉瑪依70號A級表6瀝青混凝土配合比的力學性能密度/(g/cm3)孔隙率/%拉伸抗壓強度/MPa應變/%強度/MPa應變/%水穩(wěn)定性系數(shù)彎曲強度/MPa應變/%滲透/(cm/s)2.431.570.271.911.816.451.110.745.83<10-8在17.8°C溫度條件下，對上述瀝青混凝土進行靜三軸試驗。根據(jù)工程特性選取3個圍壓值，分別為0.2MPa、0.4MPa和0.6MPa，得到瀝青混凝土心墻三軸應力和體積應變與軸向應變的關系曲線見圖2。從瀝青混凝土靜三軸試驗曲線可看出，其應力應變曲線基本呈雙曲線關系。圖2瀝青混凝土偏應力和體積應變與軸向應變關系曲線示意壩體堆石料壩體強、弱風化混合料主要來自石料場、溢洪道和隧洞開挖料，為強、弱風化砂巖及粉砂巖。其中砂巖飽和抗壓強度相對較高，在混合料中起著骨架作用；凝灰?guī)r料致密，在混合料中起著填充作用。該分區(qū)最大粒徑為600mm，碾壓后孔隙率不大于23%，滲透系數(shù)大于1x10-3cm/s。弱風化堆石料主要采用石料場砂巖開挖料，抗壓強度不低于40MPa，最大粒徑為800mm，碾壓后孔隙率不大于20%，滲透系數(shù)大于1x10-1cm/s。3） 壩體過渡料過渡層采用級配良好的人工骨料，最大粒徑不超過瀝青混凝土骨料最大粒徑的6~8倍，以給墻體提供均勻支撐，并可減少瀝青混凝土嵌入過渡層數(shù)量，上游側過渡層應有利于瀝青混凝土自愈，避免裂縫部位的滲漏。過渡層填筑料主要采用石料場開挖的砂巖，經(jīng)砂石破碎加工系統(tǒng)生產(chǎn)的骨料摻配，要求石料飽和抗壓強度不低于40MPa,加工后應具有連續(xù)級配，最大粒徑不大于80mm,小于5mm的含量為25%~40%，含泥量低于5%，碾壓后孔隙率不大于20%，滲透系數(shù)控制在（1~5）x10-3cm/s。4） 堆石排水棱體選用新鮮堅硬、組織均勻的碎石及塊石，不均勻系數(shù)小于30，孔隙率不大于22%,級配較好，最大粒徑為1000mm,粒徑小于10mm的含量為10%~20%，粒徑小于5mm的含量為小于10%，飽和抗壓強度不低于40MPa。4計算模型及參數(shù)采用控制斷面單元自動剖分技術，生成的有限元結點總數(shù)為3107個，單元總數(shù)為2995個，壩體材料參數(shù)見表7。5壩體竣工期和蓄水期的變形分析計算模擬了壩體分層填筑的過程，每層填筑厚度為3m。根據(jù)壩址上游來水情況，當水庫在11月下閘蓄水時，推算出水庫蓄至死水位1532.00m需216d,蓄至正常蓄水位1550.32m需303d。計算分析整理了竣工期和蓄水期壩體和瀝青混凝土心墻的位移、應力分布等值線圖，如圖3~8所示。圖3竣工期順河向水平位移彩色云圖示意（單位：m）圖4竣工期垂直位移彩色云圖示意（單位：m）表7壩體材料參數(shù)表（E-B模型）材料密度/（g/cm3）凝聚力C/MPa內摩擦角中/。模量數(shù)K模量指數(shù)n破壞比Rf體變模量參數(shù)模量數(shù)Kbm瀝青心墻2.430.0841180.60.440.672564.70.29強、弱風化堆石料2.000.099388000.2910.8134500.14弱風化堆石料2.110.174408500.330.885500.12過渡料2.150.06359500.40.785800.16圖5竣工期豎向應力彩色云圖示意（單位：KPa）圖6蓄水期順河向水平位移彩色云圖示意（單位：m）圖7蓄水期垂直位移彩色云圖示意（單位：m）圖8蓄水期豎向應力彩色云圖示意（單位：KPa）1）壩殼結果分析壩體最大位移發(fā)生在心墻下游壩殼內。竣工期，壩體最大垂直位移為634mm，約占最大壩高的0.85%；順河向指向上游的最大水平位移為-98mm，指向下游的最大水平位移為121mm。蓄水期，壩體最大垂直位移為670mm，約占最大壩高的0.9%；順河向指向下游的最大水平位移為174mm。從壩體位移分布云圖來看，竣工期：由于上、下游壩殼的填筑料材料及體積不同，相應的力學參數(shù)差別較顯著，致使下游壩殼順河向水平位移略大于上游壩殼順河向水平位移。蓄水期：在水壓力的作用下，壩體向下游位移有所增加，順河向水平位移稍有增大?？⒐て冢瑝误w最大第一主應力為1374kPa，最大第二主應力為700kPa，最大第三主應力為500kPa。蓄水期，壩體的最大第一主應力為1421kPa，最大第二主應力為820kPa，最大第三主應力為524kPa。壩體最大應力均發(fā)生在壩體底部，靠近心墻基座附近。越靠近心墻，第一主應力越大。壩體應力沿壩高方向，高程越低、應力越大，且在瀝青心墻上、下游側基本成對稱分布。壩體各部位的應力水平均較高，壩體內部沒有出現(xiàn)明顯的剪切破壞區(qū)，表明壩體在目前荷載情況下是穩(wěn)定的。2）瀝青混凝土心墻結果分析瀝青混凝土心墻是一種薄壁柔性結構，自身的變形主要取決于心墻在壩體中所受的約束條件，受壩殼變形影響，自身對壩體變形影響較小，但對心墻兩側壩體應力分布有較大影響?？⒐て冢瑸r青心墻的最大順河向水平位移為向上游11mm；最大第一主應力為848kPa，最大剪應力為157kPa。蓄水期，瀝青心墻的最大順河向水平位移為向下游120mm；最大第一主應力為871kPa，最大剪應力為161kPa。瀝青心墻基本處于受壓狀態(tài)，不會發(fā)生拉裂現(xiàn)象，心墻最大應力均小于瀝青混凝土的抗壓強度1.81MPa，不會發(fā)生壓碎破壞。為分析壩體分層填筑過程中，瀝青混凝土心墻的變形情況，本次計算模擬了壩體填筑直到蓄水完成后，整個時段內瀝青心墻沉降位移特性，并將結果整理成圖9。壩體填筑到30m之前瀝青混凝土心墻變形數(shù)值較小，特征不明顯，圖9僅繪制壩體填筑到30m以上的沉降變形結果。在分層填筑過程中，瀝青砼心墻沿壩高方向的變形呈現(xiàn)明顯的拋物線趨勢，且在不同填筑壩高處，心墻最大沉降位移值均發(fā)生在2/3壩高左右的位置?？⒐て诘叫钏?，心墻豎向位移在壩高方向大致相同，但水平位移受上游水壓力的影響，變化差異較大，呈現(xiàn)凸向下游的拋物線變化趨勢，見圖10；兩種工況下，心墻豎向應力數(shù)據(jù)均不大，說明過渡料起到了很好拱效應，豎向應力變化趨勢隨壩高成線性變化，且應力值均大于水壓力（見圖11），心墻不會發(fā)生水力劈裂。在壩高40m左右位置心墻厚度從0.6m漸變?yōu)?m,在突變區(qū)域心墻的位移和應力均受到一定影響。從圖9~10心墻變形關系中可分析，心墻豎向變形更明顯，而水平變形量較小。圖9不同填筑高度下瀝青混凝土心墻的豎向沉降值圖10瀝青混凝土心墻的水平位移值圖11瀝青混凝土心墻豎向應力6結語為充分利用料場開挖料，本工程所用瀝青混凝土心墻的骨料、砂以及填料均采用料場開挖的石灰?guī)r料破碎而成，瀝青采用克拉瑪依水工70號A級瀝青，最終組成滿足工程所需的配合比。上、下游壩體填筑料采用溢洪道和隧洞開挖的強、弱風化砂巖及粉砂巖料開挖料，但為了增強下游壩體排水，在1512m高程處，在下游反濾層外側開始設置頂寬12m、1：2斜坡的梯形弱風化堆石料保護分區(qū)，下游弱風化堆石料兼作豎向排水帶，降低瀝青混凝土心墻下游的浸潤線，與水平排水帶形成一個完整的排水通道，同時增強壩體下游邊坡穩(wěn)定?；贓-B模型計算得壩體變形及應力分布符合一般堆石壩特性。在竣工期和蓄水期，壩體內部沒有出現(xiàn)明顯的剪切破壞區(qū)，壩體是穩(wěn)定的；過渡料與堆石料均來自料場開挖料，兩種材料模量參數(shù)相差不大，能較好的平滑心墻與壩體之間的變形關系，防止剪切破壞［6-8］