土石心墙坝沥青混凝土防渗的几个问题.pdf

设计 与施 工 水 利规划 与设 计 2 0 1 1 年 第 4期 土石心墙坝沥青混凝土防渗的几个问题 白生贵 ( 吐鲁 番地 区水 利 水 电勘 测 设计研 究院 新疆 吐鲁番8 3 8 0 0 0 ) 【 摘要】 土石心墙坝用沥青混凝 土用 防渗 结构是土石坝防渗结构的重要类 型 ，在我 国已有 了长足 的发展 。本 文就 土石 心墙 坝设 计中的防渗技术问题进行 阐述 ，供水利工程界 同行 进行 讨论 。 【 关键词】 土石心墙坝 沥青混凝 土 防渗 【 中图分类号】T V2 2 3 ． 4 【 文献标识码】 B 【 文章编 号】 1 6 7 2 —2 4 6 9( 2 0 1 I )0 4 —0 0 8 2 ～0 3 【 D OI 编码】 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． I 6 7 2 —2 4 6 9 ． 2 0 1 I ． 0 4 ． 0 2 9 1 概况 土 石心 墙坝 采用 沥青 混凝 土用 防渗 结构 ，国外 始 于二 十世 纪 2 O 、3 O年 代 ，截 止 目前 ， 已建 成 的 最高的土石沥青混凝土心墙坝是挪威 的 S t o r g l o m— v a t n坝 ，坝高 1 2 5 m。我 国土石心墙坝用沥青混凝 土做 防渗结构起步于二十世纪 7 0年代 ，党河水库 沥青混凝土 心墙砂砾石坝 ，坝高 5 8 ；国内已建的 较高的沥青混凝土心墙为三峡水利枢纽茅坪溪防护 坝 ，坝 高 1 0 4 m ；最高 的 四川南 桠 河 冶 勒 水 电站 沥 青混 凝 土心 墙 堆石 坝 ，坝 高 1 2 5 ． 5 m，为 国 内同 类 工程 之最 。 2 沥青混凝土的优点 近年来越来越 多的工程在进行 防渗方案选 择 时 ，都将 沥青 砼 防渗列 为首 选取 方案 ，许 多 已建 或 在建 工程 也 已选 择 了 沥 青 混 凝 土 作 为 防 渗 结 构 型 式 ，之 主要是 水利 工程 界逐 步认 识 到 了沥青混 凝 土 作为防渗材料 的优越性 。与其它防渗结构相 比，沥 青混凝土主要有以下几方面的优点。 ( I )防渗 性 能好 ，其渗 透 系数 1 0 c m／ s以 下 ；无渗透破坏及水力劈裂问题 ，且在 自重和水压 力作 用下 ，裂 缝有 自行 愈合 的特 性 ( 大连 碧 流河水 库大坝运行观测正说明此特性) 。 ( 2 )变形性能好 ，可随坝体及地基的变形而变 形 ，拉压应变值可达 1 ％～1 ． 5 oA；因沥青混凝 土 是一种粘一弹一塑性材料 ，就应力松驰和蠕变特性 非常明显 ，尤其在温和地区条件下 ，蠕变变形可达 82 非常大的数值 ，还可 以选择不 同的沥青标号和调整 沥青混合料 的配合比来适应不 同气候 、不同变形特 性 的工 程 。 ( 3 )抗 震能 力强 ，沥 青混 凝土材 料 在地震 等 冲 击荷载作用下 ，有较大的抗剪强度 ，而且抗疲劳损 伤 的能力也很高 。 ( 4 )工程量较省 ，沥青混凝土用为土石心墙坝 的防渗结构 ，其厚度一般为 4 O ～1 0 0 c m，坎尔其水 库 坝 体 总填 筑 量 约 1 6 0万 m。 ，而 心墙 工 程量 只有 6 5 0 0 m。 ，约 占坝体 填筑 总量 的 4 ‰ 。 ( 5 )施 工方便 ，对于 中小 型工程 ，国 内 自研制 的沥青混凝土推铺机( 针对碾压式施工工艺)价格 较低 ，也很实用 ；另外沥青混凝土心墙施工速度较 快 ，从水库施工情况来看 ，坝体升高的速度不取决 于 心墙 的填 筑速度 ，而取决 于坝 壳 的填筑 速度 。 ( 6 )对 水质无 污染 ，抗 酸碱 侵蚀 能力 强 。 3 施 工工艺选择 沥青混凝土心墙施工工艺可分为碾压式、浇筑 式和埋石式三种。 碾压式为国际大坝委员会公认的施工工艺 ，在 中欧及 日本应用较多 。其沥青用量少 ，强度高 ，变 形 能力适 中 ，通过 调整 配合 比来 适应 坝体 变形 ，均 匀性好 ，适宜于机械施工。挪威 已建的 9座沥青混 凝土心墙坝全部采用碾压式施工工艺 ，我 国近几年 作者简介 ：白生贵 ( 1 9 7 7 年 一) ，男 ，甘肃 民勤人 ，水工 室副 主任 ，工程师。 设计 与施 工 水 利规 划 与设计 2 0 1 1 年 第 4期 建成的如三峡水利枢纽茅坪溪防护坝 、重庆黔江县 洞塘水库以及在建的冶勒水 电站沥青混凝土心墙堆 石坝均采用碾压式施工工艺。 浇筑式起源于前苏联 ，在心墙两侧砌筑副墙 ( 兼 作 心墙模板 ) ，然后 在 副 墙 内浇 筑 沥 青混 凝 土 心墙 ， 最大优点是适宜于低温施工 。前 苏联部分地 区年平均 气温为一5 ． 5 ~ C，最 低 气温 一5 5 ℃ ，在 该地 选 择 浇筑 式施工工艺正是利用了其宜于低温施工的优点。二十 世纪 7 0年代之后，在我国东北地区修建的沥青混凝 土心墙坝中，也主要采用了浇筑式施工工艺。浇筑式 沥青混凝土沥青含量高 ( 约为 1 6 ％) ，其变形性能好 ， 但会产生流变 ，对坝壳 的稳 定不利 。为 防止其 产生流 变 ，一般选用 品质较差 的沥青( 渣 油或低标号沥青 ) ， 同时，必须等到下层温度降低至 5 0 ℃以下后才可浇筑 第二层，此时势必会影响到施工进度。 埋石式是先 在模板 ( 或副墙)中浇筑沥青砂 浆 ，再埋入干净的石块 ，起源于法国、波兰及西班 牙 等地 。其 均匀性 差 ，故适 应变 形 的性能 及 防渗性 能 均较差 ，近年来 一般 不再 采用 。 碾压式沥青混凝土与浇筑式沥青混凝土综合比 较如下 。 ( 1 )防渗性能：由于浇筑式沥青混凝土沥青含 量较高 ( 约为 l 6 左右) ，防渗性能较碾压式好 ， 但二 者均 能满 足 防渗要 求 。 ( 2 )均匀 性 ：碾压 式沥 青混凝 土 由于 目前普 遍 采用 机械 施工 ，均 匀性 较浇 筑式好 。 ( 3 )强度 ：碾压式较浇筑式大的多。浇筑式抗 压强度一般为 2 ． 0 MP a ，碾压式抗压强度一般都大 于 3 ． 0 MPa 。 ( 4 )变形 ：浇筑 式沥青含量 较高 ，其柔性 较 好 ，适应 变形 的能 力较碾 压式 强 ，但二 者均 能满 足 工程对 其 变形 的要求 。 ( 5 )稳 定性 ：碾 压式 较浇 筑式 的稳定 性好 。 从 以上各种因素可以看出，碾压式沥青混凝土 和浇筑式沥青混凝土作为土石心墙坝的防渗结构 ， 各有所长 ，对于某一特定的工程 ，在进行施工工艺 选择时 ，应根据工程 自身的特点 ，如工程所在地的 气温、工程地质条件 、坝高等综合确定。但值得注 意 的是 浇筑式 在 施 工过 程 中无 可 遵循 的施 工 规 范 ， 故无法确定统一的质量标准 。 4 过渡料选择 为保证心墙与坝体的变形能力相适宜 ，在心墙 两 侧必 须设 置过 渡料 ， 目前对过 渡料 的要 求 主要反 映在粒径和变形模量两个指标上 。 国际大坝委员会提出的标准 ： d l o < d ；d 1 0 mm；d 1 5 1 0 0 软化 点( ℃) 4 2 ～5 2 含腊量 ( ) ≤2 ． 5 ≤ 0 ． 8 质 量 损 失 ( ) 薄膜加热试 验 针入度 比( ) >6 5 ( 1 6 5 ℃， 5 h ) 延伸度( 2 5 ℃) >1 0 0 软化点升高( 2 5 ℃) 2 0 0 ℃的老化相当于工程多运行 1 9 年。 ( 上接第 7 8页) 断面的振 冲区范围。振 冲复合土体 作 上坝 脚基 础 ， 不 仅 增 加 阻 滑 力 ， 稳 固坝 坡 ， 还 为 培 厚坝 坡稳 固了基础 。 对不 同的坝高断面作原坝体稳定分析， 得知， 当 坝底高程为 2 5 4 8 ． 0 0 m 时， 原坝断面 已满足稳定 要 求。坝底高程为 2 5 5 0 ． 0 0 m以上的断面无需加固， 不必振冲， 据此定出平面上坝的振冲范围。 振 冲碎 石 桩 按 正 三 角 型 布 孔 ， 桩 径 1 ． 1 5 m， 面 积 置 换 率 2 7 ． 9 6 ％ 。初 定 桩 距 为 1 ． 8 m， 排 距 为 1 ． 5 6 m。准确桩间距 由振冲试验最后确定。 4 ． 2 ． 2 振 冲加固设计计算 稳定分析采用 圆弧分 析计算。在 圆弧分 析 法 中， 假设滑动面呈圆弧形 。在 圆弧滑动面上， 总剪切 力记为 T， 总抗前切力记为 S， 则沿该圆弧滑动面发 生滑 动破 坏 的安全 系数 为 K —S ／ T。 取不 同的圆弧滑动面 ， 可得到不 同的安全系数 值 ， 通过试算可以找到最危险的圆弧滑动面， 并 以此 确定最小安全系数值 。 在圆弧分析法计算 中， 假设的圆弧滑动面往往 经过加 固区和未加固区。土体 的强度分 区计算 ， 加 固区和未加 固区采用不同的强度指标 。加固区土体 强 度 指标采 用 复合 土体 综合 强度 指标 。 复合土体综合强度指标采用面积比法计算。复合 土体粘聚 力 和内摩擦角 用下列二式表示。 C p— C ( 1一 m)+ Cp 仇 t g OSP — t g s( 1一 m)+ m 式 中 ： C 、 C 分别 为桩 间土 和桩体 的粘 聚 力 ； 为碎石桩置换率 ； 、 分别为桩间土和桩体 的内 摩擦角 。 设计选用 7 5 k W 振冲器， 成桩直径取 l m， 桩体 碎石填料用新鲜玄武岩加工。 ( 1 ) 桩距 、 排距 。 F 一A ／ n ； A—I 1 2 ； 一2 7 ． 9 6 计算求得 工 1 —1 ． 8 m； I 2 —1 ． 5 6 m 式中， A 为一根碎石桩负担 的面积 ， A 为一根 碎石桩面积， 为桩距 ， 。 为排距 。 8 4 ( 2 ) 振 冲 区物 理力 学指标 。 振 冲前 原 淤泥湿 容重 r 湿=1 ． 6 4 t ／ m。 ， 饱 和容重 饱一1 ． 5 5 t ／ m。 ， 玄 武 岩 填 料 干一 2 ． 0 t ／ m。 ， 湿 容 重 湿一2 ． 1 5 t ／ m。 。 一 ( 1一 m)+ 经计算振冲复合土体 湿一1 ． 7 7 t ／ m 。 ， 饱= 1 ． 7 0 t ／ m。 。 振 冲前 原 淤泥 一 9 ． 6 2 。 ， C 一1 1 ． 8 k P a ； 碎 石 填料 一3 8 。 ， C 值 按无凝 聚 力材料 考 虑 。 计算得复合土体的力学指标为 = = = 1 8 ． 8 。 ， C 一 8 ． 5 k P a 。 4 ． 2 ． 3 振冲填料要求 振冲桩体材料需用新 鲜玄武岩石料 ， 粒径 2 ～ 1 0 c m， 要求级配 良好 ， 不宜用单级配材料 。 4 ． 2 ． 4振 冲效 果分析 从设 计成 果 比较 ， 振 冲后 ， 复 合土体 的物理性 指 标较原来增加 8 ～1 O ， 内摩擦角增加 9 5 ． 4 3 ， 凝聚 力 C值较原来减少 2 7 ． 9 7 ％。 相同情况下 ， 坝体最小稳定安全系数较原来增 加 1 7 ． 5 至 2 5 9 ／ 6 。振冲后的坝体最小稳定安全系 数 已能满 足规 范要求 。 羊坪 水库 2 0 0 3年 投 入 使 用 ， 运 行 六 年 的 检 验 ， 证 明用振冲法加固上游坝脚淤积层 ， 稳定可靠 。 5 结论 应用振冲法加固土坝及坝脚淤积层具有如下优点： ( 1 ) 施 工 简单 ， 效果 显著 。 ( 2 ) 振冲法施工机具十分简单， 维修方便 ， 易于 操作 ， 这就为大量采用该法提供 了极好的条件 。经 振 冲加固的土石坝具有较好的安全性。 ( 3 ) 振冲填料一般可就地取材。在进行了各种加 固方法比较后发现， 振冲法加固的费用是较低的。 运行多年的病险水库 ， 淤积层较厚 ， 上游坝脚需 要加固时 ， 使用振冲加固法是方便有效的方法 ， 此法 在 云南省 永胜 县羊 坪水 库除 险加 固工程 中已得到 成 功运 用 。