隆 銳

(廣西壯族自治區(qū)百色水利電力設(shè)計院,廣西 百色 533000)

1 概述

水力劈裂問題是土石壩設(shè)計中的主要問題之一，土芯的孔隙含量通常在10%～20%之間，當(dāng)水庫蓄水時，由于水流過土芯，土芯中產(chǎn)生持續(xù)的靜水壓力，當(dāng)靜水壓力或孔隙水壓力大于巖芯的垂直總應(yīng)力時，可能會出現(xiàn)水力壓裂現(xiàn)象[1-3]。

與土石壩心墻空隙率相比，瀝青心墻空隙率小于3%，瀝青芯中不允許水進入，從而在芯中產(chǎn)生孔隙水壓力的空隙系統(tǒng)，通常設(shè)置20 cm或者40 cm厚的不透水瀝青層來抵御外部水庫水壓。此外，如果瀝青心墻壩位于狹窄的河谷中，且橋臺陡峭，則心墻在縱向上可能存在拱效應(yīng)。瀝青心墻壩地質(zhì)條件非常復(fù)雜，從而引起了業(yè)內(nèi)人士的擔(dān)憂，在這種特殊情況下，如何排除瀝青心墻水力劈裂的影響，是筆者進行以下研究的主要動機。本文主要研究內(nèi)容包括:① 用模型試驗確定瀝青混凝土的水力劈裂條件；② 計算模型試驗結(jié)果中瀝青混凝土的拉伸應(yīng)變；探討了土石壩瀝青心墻水力劈裂的可能性[4-5]。

2 試驗?zāi)Ｐ秃驮嚇又苽?/h2>

圖1為研制的水力劈裂瀝青混凝土模型試驗設(shè)備示意。在圓柱形鋼模中制備了直徑為150 mm、高度為250 mm的瀝青混凝土試件。標(biāo)準(zhǔn)瀝青混凝土配合比設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定，骨料粒徑最大不超過18 mm。瀝青混凝土心墻采用鄧肯-張 E-B 材料本構(gòu)模型，瀝青混凝土心墻的計算參數(shù)見表1所示[6-8]。本研究采用我國某高土石壩瀝青混凝土配合比設(shè)計(見表2所示)。骨料是破碎的石灰石。添加的填料由石灰石粉組成，填料總含量(<0.075 mm)為礦物重量的14%。瀝青等級為B70，瀝青含量為礦物重量的7.0%(占總重量的6.5%)。

圖1 水力壓裂瀝青混凝土模型試驗設(shè)備原理示意

表1 瀝青混凝土計算參數(shù)

表2 研究中使用的瀝青混凝土混合物(礦物重量的百分比)

將干集料、添加的填料和瀝青加熱并混合，然后將溫度約為150℃的熱瀝青混合料連續(xù)3層放置在直徑為150 mm的圓柱形鋼模中。每層的頂部用直徑為98.4 mm、均勻分布的圓形平面錘擊，以模擬堆芯的現(xiàn)場碾壓。瀝青基層壓實高度為70 mm，在基層中心預(yù)先設(shè)置直徑為6 mm的銅管。在鋪設(shè)中間層瀝青混合料之前，在中心臨時固定1根直徑為40 mm的薄圓柱形鋼管，并在鋼管中填充天然砂，在鋼模壁的內(nèi)周長周圍放置1張潤滑紙。將瀝青混合料放入鋼管與鋼模壁之間的空腔后，將鋼管拔出，并將瀝青混合料與天然砂一起壓實，瀝青中間層高度為80 mm，瀝青面層壓實高度為100 mm。

3 約束和壓縮條件下的模型試驗結(jié)果

瀝青混凝土表現(xiàn)出較強的彈塑性，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有時變性和溫度密切相關(guān)。因此，模型試驗在不同溫度(選定的試驗溫度分別為5℃、10℃和20℃)下以階梯加載蠕變方式進行，以達(dá)到相對穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

3.1 約束下的模型試驗結(jié)果

該試驗旨在研究瀝青試件在約束條件下室內(nèi)的高水壓。在試驗過程中，通過固定可調(diào)螺釘來限制瀝青試樣頂部的垂直位移。初步階段，室內(nèi)水壓以0.3～0.6 MPa/d的速度逐步升高，接近瀝青試件可能破裂時，室內(nèi)水壓以0.1 MPa/d的速度升高(測試結(jié)果如圖2所示)。

圖2 瀝青試件破裂前約束條件下，室內(nèi)水壓與時間的關(guān)系

試驗結(jié)果表明，在瀝青試件斷裂的約束條件下，5℃時的水壓為3.1 MPa，10℃時的水壓為1.2 MPa，20℃時的水壓為0.7 MPa，低溫條件對應(yīng)于高壓條件。

3.2 模型壓縮試驗結(jié)果

該試驗旨在研究高水壓下瀝青試件在室內(nèi)承受的低壓應(yīng)力。將試驗?zāi)Ｐ头湃雺嚎s試驗機中，在10℃下進行試驗，共進行了2個試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

對于第1個試驗?zāi)Ｐ?，垂直力P在2 h內(nèi)逐漸增加，瀝青試件上的平均垂直壓應(yīng)力為1.55 MPa，應(yīng)注意的是，在試驗過程中松開了位移可調(diào)螺釘，以使垂直力P作用在試樣頂部。然后，在2.0 h內(nèi)，室內(nèi)水壓逐漸升高至2.5 MPa，同時增大壓力P以補償室內(nèi)的水升力，使試件中部的空心瀝青混凝土保持1.55 MPa的恒定平均垂直壓應(yīng)力。壓力P由以下方程式計算：

P=1 000[1.55(S-Sc)+σwSc]

(1)

2 h后，由于瀝青混凝土的徐變效應(yīng)，基礎(chǔ)鋼筋之間的壓縮應(yīng)變從0.8%增加到0.9%(加載過程如圖3所示)。然后，將1.55 MPa的壓應(yīng)力降低，保持室內(nèi)2.5 MPa的恒定水壓，直到觀察到滲漏為止。試驗結(jié)果表明，試件的斷裂條件為：垂直壓應(yīng)力降低至0.2 MPa，由0.9%恢復(fù)到0.6%。

圖3 室內(nèi)水壓為2.5 MPa時壓應(yīng)力及壓縮應(yīng)變隨時間變化

同樣，對于第2個試驗?zāi)Ｐ?，?.55 MPa的壓應(yīng)力減小，使試驗箱中的水壓保持在3.5 MPa，直到觀察到泄漏為止。試驗結(jié)果表明，試件斷裂的條件為：垂直壓應(yīng)力降低至0.6 MPa，由此得到的基筋之間的垂直壓應(yīng)變?yōu)?.8%(如圖4所示)。

圖4 室內(nèi)水壓為3.5 MPa時壓應(yīng)力及壓縮應(yīng)變隨時間變化

4 結(jié)果討論

通過模型試驗，研究了大壩防滲體瀝青混凝土水力劈裂的不同條件。對不同條件下的試驗結(jié)果進行了驗證，得出了一般結(jié)論。壓縮模型試驗表明，試驗室水壓為2.5 MPa時，試件中部空心瀝青混凝土的平均垂直壓應(yīng)力為0.2 MPa，試件破裂水壓為3.5 MPa時，平均垂直壓應(yīng)力為0.6 MPa。

試樣破裂時的應(yīng)力條件：

σw=2.5σa+2.0

(2)

式中σw為瀝青混凝土室內(nèi)水壓，MPa；σa為瀝青試件中部空心瀝青混凝土的平均垂直壓應(yīng)力，MPa。

應(yīng)注意，瀝青心墻沿壩軸線方向的水平撓度很小，由于瀝青混凝土具有顯著的應(yīng)力松弛特性，因此，狹窄河谷中陡峭橋臺引起的所謂“拱效應(yīng)”在瀝青心墻上可以忽略不計。然而，對于公式(2)壓縮應(yīng)力條件下的模型試驗，瀝青試樣內(nèi)壁的計算環(huán)向拉伸應(yīng)變相對較大。如果瀝青試件內(nèi)壁的環(huán)向拉伸應(yīng)變不太大，則式(2)的應(yīng)力狀態(tài)將不成立。在高達(dá)7.5 MPa或11.5 MPa的水壓力下，如果瀝青混凝土工作面沒有拉伸應(yīng)變，則不會出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，即使是厚度僅為2 cm、水壓為1.0 MPa的瀝青混凝土薄片，在薄片表面也沒有漏水現(xiàn)象。因此，對于土石壩瀝青心墻而言，在拉伸、約束和壓縮作用下的瀝青試件破裂條件在現(xiàn)實中是極不可能的。

土石壩防滲心墻瀝青混凝土由細(xì)集料、填料和瀝青組成?？障堵市∮?%的瀝青混凝土中瀝青的粘度很高，幾乎沒有水進入空隙率小于3%的防滲體并產(chǎn)生孔隙壓力的入口。在模型試驗中，瀝青試件的破裂實際上是由不同條件下的大拉伸應(yīng)變引起的破裂引起的，而不是所謂的“水力破裂”。瀝青混凝土開裂時的拉伸應(yīng)變很大，比土芯中使用的壓實土材料的相應(yīng)開裂應(yīng)變大1～2個數(shù)量級。瀝青心墻設(shè)計靈活，能夠適應(yīng)路堤填料的變形，在施工、蓄水和運行期間不會開裂。因此，在正常情況下，對于用作土石壩防滲心墻的瀝青混凝土，可不包括所謂的“水力劈裂”。

5 結(jié)語

為了研究土石壩瀝青混凝土在水壓作用下的開裂情況，建立了土石壩瀝青混凝土防滲心墻圓筒試驗?zāi)Ｐ?。對瀝青混凝土模型進行了拉、約束、壓縮試驗，并應(yīng)用有限元方法對模型試驗結(jié)果進行了分析。討論了土石壩水壓致瀝青心墻開裂的條件，得出以下結(jié)論：

1) 土石壩防滲心墻瀝青混凝土設(shè)計空隙率小于3%，幾乎沒有出入口讓水滲入心墻產(chǎn)生孔隙壓力。因此，對于不透水瀝青心墻，水力劈裂的主要前提條件是不存在的。

2) 對大壩瀝青心墻極端工況對應(yīng)的約束和壓縮條件下瀝青混凝土模型試驗結(jié)果的分析表明，模型試驗中瀝青試件的破裂是由大的拉伸應(yīng)變引起的，而不是所謂的“水力破裂”。