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(fèi)縣境內(nèi)，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(yǎng)殖等的中型水庫。水庫大壩長(zhǎng)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(dá)到56.5 m3/h，經(jīng)多年運(yùn)行壩體存在諸多貫穿裂縫，經(jīng)鑒定為三類壩，最終選擇瀝青混凝土心墻加固技術(shù)。

1 瀝青混凝土最佳配合比確定

1.1 瀝青混凝土各項(xiàng)材料技術(shù)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(xì)骨料、填料等[1]，本項(xiàng)目對(duì)各組成材料性能指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果如下：

1）瀝青。采用的是東營(yíng)廣發(fā)化工公司產(chǎn)的70#瀝青，心墻對(duì)瀝青的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求及本項(xiàng)目所采用瀝青指標(biāo)對(duì)比見表1，經(jīng)對(duì)比可知：所選用瀝青符合要求。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)要求及對(duì)比

2）骨料。粗骨料首選堿性骨料，包括石灰?guī)r、白云巖等，與瀝青粘結(jié)較好。另外，要求質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好。本項(xiàng)目選用本地產(chǎn)的石灰?guī)r粗骨料，具體測(cè)試結(jié)果見表2，經(jīng)檢測(cè)，粗骨料質(zhì)量合格。

表2 粗骨料指標(biāo)要求及對(duì)比

細(xì)骨料粒徑范圍在0.074～0.25 mm，一般要求堅(jiān)硬、耐久、潔凈，且不得含有較多泥塊等雜質(zhì)。項(xiàng)目選用本地產(chǎn)河砂，具體測(cè)試結(jié)果見表3，經(jīng)檢測(cè)該種河砂含泥量較大，在使用前必須進(jìn)行沖洗[2]。

表3 細(xì)骨料指標(biāo)要求及對(duì)比

3）填料。填料粒徑很?。?.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(chǔ)，一般常采用填料為石灰?guī)r粉、碳酸巖粉、白云巖粉等[3]。項(xiàng)目采用石灰?guī)r粉，粒徑組成見表4，經(jīng)檢測(cè)合格。

表4 填料粒徑組成

1.2 配比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）配比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。礦料級(jí)配采用理論計(jì)算結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn)的方法確定范圍，參考丁樸榮公式[4]，共設(shè)計(jì)出如表5所示的4個(gè)骨料級(jí)配參數(shù)。

混合料中若瀝青含量太大，則會(huì)使心墻整體有較大彈性，能適應(yīng)較大的位移變化，但強(qiáng)度較小，不足以抵擋較大壓強(qiáng)水流沖擊；若瀝青含量太小，則容易因壩體不均勻移動(dòng)而產(chǎn)生裂縫，影響抗?jié)B性[5]。參考其他工程經(jīng)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了兩個(gè)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(shí)也會(huì)降低混凝土心墻結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度。參考其他工程經(jīng)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了3個(gè)含量作比較，見表5。

表5 配比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中各材料含量

2）試驗(yàn)結(jié)果分析。本項(xiàng)目共設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)組數(shù)24組，依次編號(hào)（1#～24#），為保證準(zhǔn)確率，每組設(shè)計(jì)3個(gè)相同試件。試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容包括：抗拉性、抗壓性、抗剪性、水穩(wěn)定性、彎曲性[6]，由于篇幅限制，在此只做部分?jǐn)⑹觥?/p>

（1）拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)尺寸為：40 mm×40 mm×220 mm，溫度20℃，加載拉力速率0.01 MPa/min，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各試件最大應(yīng)變值約為3%左右，其中8#試件此時(shí)拉應(yīng)力約為0.29 MPa，表現(xiàn)較好。

（2）抗壓試驗(yàn)。抗拉試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)尺寸為：100 mm×100 mm（圓柱形），溫度20℃，加載壓力速率0.01 MPa/min，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各試件在位移4～5 mm時(shí)，壓應(yīng)力達(dá)到最大值；各試件最大抗壓應(yīng)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(yīng)力為13 MPa，處于中上位置。

（3）彎曲試驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)尺寸為：35 mm×40 mm×250 mm，溫度20℃，加載速率1 mm/min，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各試件在撓跨比為5%～6%時(shí)，載荷達(dá)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(dá)105 N，4#試件僅為80 N。其中8#試件最大抗彎應(yīng)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(wěn)定性、彎曲性，各項(xiàng)參數(shù)也能滿足規(guī)范要求，因此本項(xiàng)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(jí)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(yīng)力分析

采用數(shù)學(xué)模擬（鄧肯模型、修正劍橋模型）和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來估算瀝青混凝土心墻的最大變形量及主應(yīng)力，以此驗(yàn)證配比合理性。

2.1 心墻最大變形量

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

圖1 不同時(shí)期、不同位置心墻最大位移量曲線

2.2 心墻最大主應(yīng)力

由經(jīng)驗(yàn)可知，心墻最大主應(yīng)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(yīng)力作用于心墻上。主應(yīng)力大小與心墻高度也有直接關(guān)系，模擬曲線如圖2所示。由圖2可知：（1）心墻從底到頂，主應(yīng)力變化趨勢(shì)為小—大—小，在0.3倍的壩高處主應(yīng)力最大；（2）相對(duì)于竣工期和死水位，心墻在正常蓄水位時(shí)主應(yīng)力最大，達(dá)到1.2 MPa，不過死水位與之差別很小了。通過之前試驗(yàn)可知該配比下瀝青混凝土材料能承受的最大壓應(yīng)力均在10 MPa以上，遠(yuǎn)大于正常蓄水位時(shí)的主應(yīng)力值，因此滿足要求。

圖2 不同時(shí)期、不同位置心墻最大主應(yīng)力曲線

3結(jié)語

石嵐水庫大壩經(jīng)過本次防滲加固后，徹底解決了滲漏量大的問題，并結(jié)合其他加固措施，大大延長(zhǎng)了壩體使用壽命，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。瀝青混凝土心墻對(duì)于配比設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)切不可照搬其他工程，可以參照其經(jīng)驗(yàn)再結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。