土石坝碾压式沥青混凝土心墙水力劈裂条件研究

2020-09-22隆锐

广东水利水电 2020年9期

隆锐

(广西壮族自治区百色水利电力设计院,广西百色 533000)

1 概述

水力劈裂问题是土石坝设计中的主要问题之一，土芯的孔隙含量通常在10%～20%之间，当水库蓄水时，由于水流过土芯，土芯中产生持续的静水压力，当静水压力或孔隙水压力大于岩芯的垂直总应力时，可能会出现水力压裂现象[1-3]。

与土石坝心墙空隙率相比，沥青心墙空隙率小于3%，沥青芯中不允许水进入，从而在芯中产生孔隙水压力的空隙系统，通常设置20 cm或者40 cm厚的不透水沥青层来抵御外部水库水压。此外，如果沥青心墙坝位于狭窄的河谷中，且桥台陡峭，则心墙在纵向上可能存在拱效应。沥青心墙坝地质条件非常复杂，从而引起了业内人士的担忧，在这种特殊情况下，如何排除沥青心墙水力劈裂的影响，是笔者进行以下研究的主要动机。本文主要研究内容包括:① 用模型试验确定沥青混凝土的水力劈裂条件；② 计算模型试验结果中沥青混凝土的拉伸应变；探讨了土石坝沥青心墙水力劈裂的可能性[4-5]。

2 试验模型和试样制备

图1为研制的水力劈裂沥青混凝土模型试验设备示意。在圆柱形钢模中制备了直径为150 mm、高度为250 mm的沥青混凝土试件。标准沥青混凝土配合比设计标准已经制定，骨料粒径最大不超过18 mm。沥青混凝土心墙采用邓肯-张 E-B 材料本构模型，沥青混凝土心墙的计算参数见表1所示[6-8]。本研究采用我国某高土石坝沥青混凝土配合比设计(见表2所示)。骨料是破碎的石灰石。添加的填料由石灰石粉组成，填料总含量(<0.075 mm)为矿物重量的14%。沥青等级为B70，沥青含量为矿物重量的7.0%(占总重量的6.5%)。

图1 水力压裂沥青混凝土模型试验设备原理示意

表1 沥青混凝土计算参数

表2 研究中使用的沥青混凝土混合物(矿物重量的百分比)

将干集料、添加的填料和沥青加热并混合，然后将温度约为150℃的热沥青混合料连续3层放置在直径为150 mm的圆柱形钢模中。每层的顶部用直径为98.4 mm、均匀分布的圆形平面锤击，以模拟堆芯的现场碾压。沥青基层压实高度为70 mm，在基层中心预先设置直径为6 mm的铜管。在铺设中间层沥青混合料之前，在中心临时固定1根直径为40 mm的薄圆柱形钢管，并在钢管中填充天然砂，在钢模壁的内周长周围放置1张润滑纸。将沥青混合料放入钢管与钢模壁之间的空腔后，将钢管拔出，并将沥青混合料与天然砂一起压实，沥青中间层高度为80 mm，沥青面层压实高度为100 mm。

3 约束和压缩条件下的模型试验结果

沥青混凝土表现出较强的弹塑性，其应力应变关系具有时变性和温度密切相关。因此，模型试验在不同温度(选定的试验温度分别为5℃、10℃和20℃)下以阶梯加载蠕变方式进行，以达到相对稳定的应力应变状态。

3.1 约束下的模型试验结果

该试验旨在研究沥青试件在约束条件下室内的高水压。在试验过程中，通过固定可调螺钉来限制沥青试样顶部的垂直位移。初步阶段，室内水压以0.3～0.6 MPa/d的速度逐步升高，接近沥青试件可能破裂时，室内水压以0.1 MPa/d的速度升高(测试结果如图2所示)。

图2 沥青试件破裂前约束条件下，室内水压与时间的关系

试验结果表明，在沥青试件断裂的约束条件下，5℃时的水压为3.1 MPa，10℃时的水压为1.2 MPa，20℃时的水压为0.7 MPa，低温条件对应于高压条件。

3.2 模型压缩试验结果

该试验旨在研究高水压下沥青试件在室内承受的低压应力。将试验模型放入压缩试验机中，在10℃下进行试验，共进行了2个试验模型。

对于第1个试验模型，垂直力P在2 h内逐渐增加，沥青试件上的平均垂直压应力为1.55 MPa，应注意的是，在试验过程中松开了位移可调螺钉，以使垂直力P作用在试样顶部。然后，在2.0 h内，室内水压逐渐升高至2.5 MPa，同时增大压力P以补偿室内的水升力，使试件中部的空心沥青混凝土保持1.55 MPa的恒定平均垂直压应力。压力P由以下方程式计算：

P=1 000[1.55(S-Sc)+σwSc]

(1)

2 h后，由于沥青混凝土的徐变效应，基础钢筋之间的压缩应变从0.8%增加到0.9%(加载过程如图3所示)。然后，将1.55 MPa的压应力降低，保持室内2.5 MPa的恒定水压，直到观察到渗漏为止。试验结果表明，试件的断裂条件为：垂直压应力降低至0.2 MPa，由0.9%恢复到0.6%。

图3 室内水压为2.5 MPa时压应力及压缩应变随时间变化

同样，对于第2个试验模型，将1.55 MPa的压应力减小，使试验箱中的水压保持在3.5 MPa，直到观察到泄漏为止。试验结果表明，试件断裂的条件为：垂直压应力降低至0.6 MPa，由此得到的基筋之间的垂直压应变为0.8%(如图4所示)。

图4 室内水压为3.5 MPa时压应力及压缩应变随时间变化

4 结果讨论

通过模型试验，研究了大坝防渗体沥青混凝土水力劈裂的不同条件。对不同条件下的试验结果进行了验证，得出了一般结论。压缩模型试验表明，试验室水压为2.5 MPa时，试件中部空心沥青混凝土的平均垂直压应力为0.2 MPa，试件破裂水压为3.5 MPa时，平均垂直压应力为0.6 MPa。

试样破裂时的应力条件：

σw=2.5σa+2.0

(2)

式中σw为沥青混凝土室内水压，MPa；σa为沥青试件中部空心沥青混凝土的平均垂直压应力，MPa。

应注意，沥青心墙沿坝轴线方向的水平挠度很小，由于沥青混凝土具有显著的应力松弛特性，因此，狭窄河谷中陡峭桥台引起的所谓“拱效应”在沥青心墙上可以忽略不计。然而，对于公式(2)压缩应力条件下的模型试验，沥青试样内壁的计算环向拉伸应变相对较大。如果沥青试件内壁的环向拉伸应变不太大，则式(2)的应力状态将不成立。在高达7.5 MPa或11.5 MPa的水压力下，如果沥青混凝土工作面没有拉伸应变，则不会出现漏水现象。试验结果表明，即使是厚度仅为2 cm、水压为1.0 MPa的沥青混凝土薄片，在薄片表面也没有漏水现象。因此，对于土石坝沥青心墙而言，在拉伸、约束和压缩作用下的沥青试件破裂条件在现实中是极不可能的。

土石坝防渗心墙沥青混凝土由细集料、填料和沥青组成。空隙率小于3%的沥青混凝土中沥青的粘度很高，几乎没有水进入空隙率小于3%的防渗体并产生孔隙压力的入口。在模型试验中，沥青试件的破裂实际上是由不同条件下的大拉伸应变引起的破裂引起的，而不是所谓的“水力破裂”。沥青混凝土开裂时的拉伸应变很大，比土芯中使用的压实土材料的相应开裂应变大1～2个数量级。沥青心墙设计灵活，能够适应路堤填料的变形，在施工、蓄水和运行期间不会开裂。因此，在正常情况下，对于用作土石坝防渗心墙的沥青混凝土，可不包括所谓的“水力劈裂”。