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        天荒坪抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板防滲層老化試驗(yàn)研究

        2018-01-15 17:10:40周俊杰趙毅鋒王亮春
        水電與抽水蓄能 2017年6期
        關(guān)鍵詞:個(gè)區(qū)下層面板

        周俊杰,趙毅鋒,王亮春,田 偉

        (華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司,浙江省安吉縣 313302)

        1 前言

        天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn),電站裝機(jī)容量為1800MW。電站上水庫利用天然洼地挖填而成,四周布置“一主四副”五座土石壩,全庫盆采用瀝青混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)。瀝青混凝土面板為簡式結(jié)構(gòu),由瀝青瑪蹄脂封閉層、防滲層、整平膠結(jié)層組成。

        上水庫開挖和填筑工程由中國水利水電第五工程局有限公司承建,瀝青混凝土防滲面板工程系國際標(biāo),由德國特拉堡公司(Strabag)承建。為我國20世紀(jì)末引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)建造的第一座全庫盆瀝青混凝土面板堆石壩,對我國后續(xù)瀝青混凝土防護(hù)工程的設(shè)計(jì)、施工等提供了寶貴的工程價(jià)值。為探索瀝青混凝土的老化情況,開展了本文的研究工作。

        2 小梁彎曲試驗(yàn)

        2.1 試驗(yàn)方法和條件

        對切割的彎曲試件測定密度,計(jì)算孔隙率。將試件在溫度5℃條件下恒溫不少于4h,將試驗(yàn)機(jī)置于恒溫室中,通過調(diào)頻電源可進(jìn)行無級調(diào)速,控制位移速率,利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集荷載和位移。

        施工期間開展的防滲層芯樣小梁彎曲試驗(yàn)時(shí),芯樣彎曲試件尺寸為250mm×35mm×30mm,支點(diǎn)中心距為200mm,小梁跨中位移速率0.5mm/min??缰袕澢鷳?yīng)變率為:6×35×0.5/(200×200)×100%=0.263%/min=4.4×10-5/s。為了便于性能對比,本次小梁彎曲的試驗(yàn)溫度和彎曲應(yīng)變率與施工期保持一致。由于本次芯樣彎曲試件尺寸為240mm×40mm×35mm,支點(diǎn)中心距為195mm,則小梁跨中位移速率應(yīng)設(shè)定為:0.00263×195×195/(6×40)=0.42mm/min。

        2.2 試驗(yàn)成果

        在溫度5℃條件下,對18個(gè)瀝青混凝土彎曲試件的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

        2.3 試驗(yàn)成果對比分析

        2.3.1 彎曲強(qiáng)度

        從三個(gè)區(qū)防滲層上下層彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)成果比較圖1可看出,3個(gè)區(qū)防滲層上下層經(jīng)18年運(yùn)行后的彎曲強(qiáng)度相對變化比較有規(guī)律,從常年水下區(qū)到水位波動區(qū)及常年裸露區(qū)強(qiáng)度呈現(xiàn)硬化趨勢。就同區(qū)上下層比較而言,常年裸露區(qū)及水位波動區(qū)防滲層上層均比下層彎曲強(qiáng)度有所提高,而常年水下區(qū)防滲層上層比下層彎曲強(qiáng)度卻略有降低。

        表1 小梁彎曲試驗(yàn)成果Tab.1 Dates of bending test

        2.3.2 彎曲應(yīng)變

        從最大彎曲強(qiáng)度對應(yīng)的彎曲應(yīng)變比較圖2可看出,3個(gè)區(qū)防滲層上下層經(jīng)18年后的彎曲應(yīng)變盡管有個(gè)別試件數(shù)據(jù)有些離散,但總的應(yīng)變相對變化比較有規(guī)律。從常年水下區(qū)到水位波動區(qū)及常年裸露區(qū)應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢。各區(qū)防滲層上下層彎曲應(yīng)變相對變化不甚明顯。

        圖1 3個(gè)區(qū)防滲層上下層彎曲強(qiáng)度比較(5℃)Fig.1 Comparison of bending strength of the upper and lower layers in 3 zones at different height(5℃)

        圖2 3個(gè)區(qū)防滲層上下層彎曲應(yīng)變比較(5℃)Fig.2 Comparison of bending strain of the upper and lower layers in 3 zones at different height(5℃)

        3個(gè)區(qū)彎曲強(qiáng)度和應(yīng)變比較可看出,瀝青混凝土面板防滲層的硬化老化符合面板運(yùn)行條件。處在常年裸露區(qū)的面板因受陽光、溫度、空氣等影響最大,面板老化程度也最嚴(yán)重,強(qiáng)度比常年水下區(qū)提高21%,應(yīng)變降低26%;水位波動區(qū)的面板老化程度次之,強(qiáng)度比常年水下區(qū)提高6%,應(yīng)變降低17%。各區(qū)面板防滲層上下層的彎曲強(qiáng)度和應(yīng)變變化不明顯。

        2.4 與施工期試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

        1997年8月,特拉堡公司(Strabag)委托西安理工大學(xué)防滲研究所進(jìn)行防滲層瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)。其中在5℃條件下7個(gè)試件的彎曲強(qiáng)度平均值為2.385MPa,彎曲應(yīng)變平均值為3.738%。

        瀝青混凝土面板運(yùn)行18年后,3個(gè)區(qū)上下層的彎曲強(qiáng)度和應(yīng)變與施工時(shí)的比較見表2??煽闯觯瑸r青混凝土面板防滲層經(jīng)18年運(yùn)行后,各區(qū)都有不同程度的老化。常年裸露區(qū)彎曲強(qiáng)度提高22%,彎曲應(yīng)變降低36%;水位波動區(qū)強(qiáng)度提高7%,應(yīng)變降低28%;常年水下區(qū)強(qiáng)度幾乎無變化,應(yīng)變降低12%。應(yīng)變的降低程度比強(qiáng)度的提高大,這可能與面板在18年的運(yùn)行過程中已經(jīng)產(chǎn)生了殘余應(yīng)變有關(guān)。

        3 小梁拉伸試驗(yàn)

        3.1 試樣方法和條件

        對切割的拉伸試件測定密度,計(jì)算孔隙率。將切割好的試件兩頭用高強(qiáng)度黏結(jié)劑粘在夾頭上,穩(wěn)定24h凝固。將試件分3組分別在溫度5、20℃水浴中恒溫不少于4h。

        施工期在進(jìn)行天荒坪瀝青混凝土面板防滲層芯樣軸拉試驗(yàn)時(shí),芯樣試件尺寸為125mm×40mm×40mm,拉伸速率0.5mm/min。為了便于性能對比,本次拉伸試驗(yàn)試件尺寸、拉伸速率和溫度均與1997年的保持一致。瀝青混凝土拉伸試驗(yàn)在瀝青混凝土專用試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,通過調(diào)頻電源可以無級調(diào)速,以控制拉伸速率。將試驗(yàn)機(jī)置于恒溫室中,利用計(jì)算機(jī)采集控制系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        表2 防滲層運(yùn)行18年后的彎曲性能與施工時(shí)的性能比較Tab.2 Comparison of the bending properties of the anti-seepage layer before and after 18 years operation

        3.2 試驗(yàn)成果

        在溫度5、20℃條件下,試件的試驗(yàn)結(jié)果分別見表3、表4。

        表3 5℃條件下拉伸試驗(yàn)成果Tab.3 Tensile test results at 5℃

        表4 20℃條件拉伸試驗(yàn)成果Tab.4 Tensile test results at 20℃

        3.3 試驗(yàn)成果對比分析

        3.3.1 拉伸強(qiáng)度

        兩種溫度條件下,3個(gè)區(qū)瀝青混凝土面板防滲層上下層拉伸強(qiáng)度比較分別見圖3和圖4。可看出,盡管20℃下的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較離散,3個(gè)區(qū)防滲層上下層經(jīng)18年后的拉伸強(qiáng)度相對變化比較有規(guī)律,從常年水下區(qū)到水位波動區(qū)及常年裸露區(qū)強(qiáng)度呈現(xiàn)硬化趨勢,上下層拉伸強(qiáng)度沒有明顯變化。

        3.3.2 拉伸應(yīng)變

        兩種溫度條件下,3個(gè)區(qū)瀝青混凝土面板防滲層上下層拉伸應(yīng)變比較分別見圖5和圖6??煽闯?,試驗(yàn)溫度為12℃時(shí),3個(gè)區(qū)防滲層上層數(shù)據(jù)比較離散,3個(gè)區(qū)應(yīng)變比較略有變化;而防滲層下層數(shù)據(jù)離散很小,3個(gè)區(qū)應(yīng)變比較幾乎無變化。試驗(yàn)溫度為20℃時(shí),3個(gè)區(qū)防滲層拉伸應(yīng)變數(shù)據(jù)略有離散,應(yīng)變相對變化比較有規(guī)律。從常年水下區(qū)到水位波動區(qū)及常年裸露區(qū)應(yīng)變略呈減小趨勢。

        圖3 3個(gè)區(qū)防滲層上下層拉伸強(qiáng)度比較(5℃)Fig.3 Comparison of the tensile strength of the upper and lower layers in 3 zones at different height(5℃)

        圖4 3個(gè)區(qū)防滲層上下層拉伸強(qiáng)度比較(20℃)Fig.4 Comparison of the tensile strength of the upper and lower layers in 3 zones at different height(20℃)

        3.4 與施工期試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

        1997年施工期,5℃條件下6個(gè)試件的平均拉伸強(qiáng)度為1.155 MPa,拉伸應(yīng)變?yōu)?.311%;20℃條件下平均拉伸強(qiáng)度為0.233 MPa,拉伸應(yīng)變?yōu)?.228%。瀝青混凝土面板運(yùn)行18年后,3個(gè)區(qū)上下層的拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變與上述值比較見表5。

        圖5 3個(gè)區(qū)防滲層上下層拉伸應(yīng)變比較(5℃)Fig.5 Comparison of the tensile strain of the upper and lower layers in 3 zones at different height(5℃)

        圖6 3個(gè)區(qū)防滲層上下層拉伸應(yīng)變比較(20℃)Fig.6 Comparison of the tensile strain of the upper and lower layers in 3 zones at different height(20℃)

        表5 防滲層運(yùn)行18年后的拉伸性能與施工時(shí)的比較Tab.5 Comparison of the tensile properties of the anti-seepage layer before and after 18 years operation

        從表5可看出,瀝青混凝土面板防滲層經(jīng)18年運(yùn)行后,在5℃條件下,各區(qū)拉伸強(qiáng)度都有較大程度增加,常年裸露區(qū)強(qiáng)度提高80%、水位變動區(qū)增加71%、常年水下區(qū)增加52%;而各區(qū)拉伸應(yīng)變反常增加,可能與試件數(shù)量少、試件存在差異性有關(guān)。在20℃條件下,各區(qū)拉伸強(qiáng)度都有較大程度增加,常年裸露區(qū)強(qiáng)度提高93%、水位變動區(qū)增加76%、常年水下區(qū)增加37%;各區(qū)拉伸應(yīng)變都有不同程度的降低,常年裸露區(qū)降低23%、水位變動區(qū)降低6%、常年水下區(qū)降低14%。

        4 瀝青混凝土防滲層老化力學(xué)性能預(yù)測

        按室內(nèi)加熱加速老化方法,將加熱老化時(shí)間分別設(shè)定為3.5h(相當(dāng)于施工過程)、15.25h(相當(dāng)于面板運(yùn)行14年)、28.7h(相當(dāng)于面板運(yùn)行30年)、45.5h(相當(dāng)于面板運(yùn)行50年)的4組瀝青混合料制備瀝青混凝土小梁彎曲試件,試件尺寸為240mm×40mm×35mm,每組6個(gè)試件。小梁彎曲試驗(yàn)條件與前述試驗(yàn)條件相同,即試驗(yàn)溫度5℃,中點(diǎn)位移速率0.42mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

        圖7 瀝青混合料經(jīng)不同加熱老化時(shí)間(運(yùn)用年限)后的彎曲應(yīng)力應(yīng)變Fig.7 Changing process of bending stress and strain of the asphalt concrete when heating(simulating aging process)

        從圖7可看出,瀝青混凝土彎曲強(qiáng)度隨著瀝青混合料加熱老化時(shí)間(面板運(yùn)行年限)增大而增大,彎曲應(yīng)變隨著瀝青混合料加熱老化時(shí)間(面板運(yùn)行年限)增大而減小。彎曲性能從瀝青混合料加熱老化時(shí)間3.5h(相當(dāng)于施工過程)到15.25h(相當(dāng)于面板運(yùn)行14年)變化較快,彎曲強(qiáng)度從2.5MPa上升到3.34MPa,而彎曲應(yīng)變由3.1%下降到2.0%。隨后彎曲性能變化緩慢,從瀝青混合料加熱老化時(shí)間15.25h到28.7h和45.5h,彎曲強(qiáng)度從3.34MPa上升到3.51MPa和4.0MPa,而彎曲應(yīng)變2.0%下降到1.70%和1.50%。按此規(guī)律,即使瀝青混合料加熱老化87.3h(面板運(yùn)行100年),瀝青混凝土仍有1.3%彎曲應(yīng)變。

        5 結(jié)束語

        石油瀝青主要由油分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組成,其中油分是密度最小的成分。當(dāng)瀝青在日照、熱空氣、浸水、高低溫循環(huán)等外界因素長時(shí)間作用下,瀝青中的輕質(zhì)成分就會揮發(fā),導(dǎo)致瀝青變脆、變硬,嚴(yán)重的會導(dǎo)致瀝青開裂,這就是瀝青老化的基本特征。瀝青混凝土的老化宏觀判斷:瀝青材料失去原有的光澤、強(qiáng)度變高、易碎,對于老化較嚴(yán)重的,會出現(xiàn)網(wǎng)狀的細(xì)小裂縫。

        通過對天荒坪上水庫瀝青混凝土防滲層開展的小梁彎曲及拉伸試驗(yàn),從物理試驗(yàn)方面對瀝青混凝土的老化情況進(jìn)行了初步研究,得出以下結(jié)論:

        (1)瀝青混凝土防滲層的小梁彎曲試驗(yàn)不同分區(qū)呈現(xiàn)不同的老化規(guī)律,常年裸露區(qū)彎曲強(qiáng)度提高幅度最大,彎曲應(yīng)變降低幅度也最大;水位波動區(qū)次之、常年水下區(qū)防滲層的強(qiáng)度與應(yīng)變值較為穩(wěn)定。

        (2)瀝青混凝土防滲層的小梁拉伸試驗(yàn)不同分區(qū)呈現(xiàn)不同的老化規(guī)律,同時(shí)也受溫度影響較為明顯。在相同溫度下,常年裸露區(qū)拉伸強(qiáng)度提高幅度最大,彎曲應(yīng)變降低幅度也最大;水位波動區(qū)次之、常年水下區(qū)防滲層的強(qiáng)度與應(yīng)變值較為穩(wěn)定。這與防滲層的小梁彎曲試驗(yàn)成果變化規(guī)律基本一致。

        (3)試件孔隙率均小于4%,根據(jù)日本沼原水庫瀝青混凝土面板運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),天荒坪抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板仍具有較好的防滲性能。加速老化的力學(xué)性能試驗(yàn)研究結(jié)果表明,即使老化最嚴(yán)重的常年裸露區(qū)防滲層表層0~8mm,仍然具有相當(dāng)長的運(yùn)行壽命。

        (4) 天荒坪抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土經(jīng)過多年的運(yùn)行后,在紫外線、空氣、水分等作用下,防滲層呈現(xiàn)出一定的老化特征,后續(xù)將結(jié)合瀝青混凝土的性能試驗(yàn),進(jìn)一步論證其老化程度及變化過程,為電站的安全運(yùn)行提供參考。

        [1] 天荒坪電站上水庫瀝青混凝土面板的維護(hù)、延長運(yùn)行年限及適宜維修瀝青品種研究[R].西安理工大學(xué).2011.Research on maintenance and service life extending of tianhuangping asphalt concrete and suitable asphalt varieties for maintenance[R].Xi'an University of technology.2011.

        [2] 張懷生.水工瀝青混凝土[M].北京:中國水利水電出版社,2004.ZHANG Huaisheng.Hydraulic asphalt concrete[M].Beijing:China Water Power Press,2004.

        [3] 張春生,姜忠見.天荒坪抽水蓄能電站技術(shù)總結(jié)[M].北京:中國電力出版社.2007.ZHANG Chunsheng,JIANG Zhongjian.Tianhuangping pumped storage power plant technology summary[M].Beijing: China Electric Power Press,2007.

        [4] 朱晟.瀝青混凝土防滲體的力學(xué)特性研究與三峽茅坪溪土石壩安全分析[D].河海大學(xué)博士論文,2000.ZHU Sheng.Study on the mechanical properties of the antiseepage layer of asphalt concrete and safety analysis of Maopingxi earth-rock dam[D].Doctoral thesis of Hohai University,2000.

        [5] 朱秀麗.瀝青混合料老化性能的試驗(yàn)研究[D].吉林:吉林大學(xué),2011.ZHU Xiuli.Experimental study on aging performance of asphalt mixture[D].Jilin: Doctoral thesis of Jilin University,2011.

        [6] 李艷玲,任立鋒,王富玉.SMA13瀝青混合料老化性能研究[J].水利水電工程,2009,7.LI Yanling,REN Lifeng,WANG Fuyu.Studying of performance of SMA13 asphalt mixture aging [J].Water Resources and Hydropower Engineering,2009,7.

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