徐純霞

(江蘇省漣水縣漣東灌區(qū)管理所，江蘇 淮安 223400)

水庫作為重要的儲(chǔ)水系統(tǒng)，出現(xiàn)滲漏會(huì)嚴(yán)重影響水庫運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性，水庫振搗式心墻以瀝青、混凝土作為主要原料，通過加熱攪拌后凝固成一種混合型材料，能夠降低水庫的滲透性，通過分層填筑和振動(dòng)壓實(shí)的方式應(yīng)用于水利工程、水庫以及其他水利相關(guān)項(xiàng)目中[1]，其已經(jīng)成為水庫工程施工中不可或缺的材料，而瀝青混凝土用量的最優(yōu)配比對(duì)水庫振搗式心墻施工技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。因此根據(jù)使用物料、操作機(jī)械設(shè)備、水庫基本參數(shù)等條件，研究心墻施工技術(shù)，為水庫施工提供更加安全、高效、便捷以及合理的技術(shù)手段，為縮短工期、加強(qiáng)水庫整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提供更加合理的技術(shù)支持。

1 研究方法

1.1 瀝青混凝土用量最優(yōu)比

水庫施工過程中，瀝青混凝土用量的最優(yōu)配比，直接影響心墻的施工工藝和施工效果，因此預(yù)先確定礦料級(jí)配的基本參數(shù)。骨料最大粒徑，影響水庫振搗式心墻的施工特性和力學(xué)性能，當(dāng)骨料最大粒徑超過最高限值時(shí)，則粗骨料和細(xì)骨料之間容易分離，粗骨料會(huì)隨著振搗碾壓過程而下沉，細(xì)骨料則出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，導(dǎo)致施工表面嚴(yán)重返瀝青；當(dāng)骨料最大粒徑低于最低限值時(shí)，施工表面強(qiáng)度性能下降，可能出現(xiàn)嚴(yán)重變形的現(xiàn)象。因此結(jié)合以往的類似經(jīng)驗(yàn)，選擇瀝青混凝土骨料時(shí)，其最大粒徑為19 mm。然后確定礦料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，要求按照一定的比例選擇粒徑大小不同的礦料組成整體，要求在熱穩(wěn)定容許的條件下，不同粒徑之間的礦料可以形成一個(gè)能夠讓瀝青充分包裹的表面，實(shí)現(xiàn)不同粒徑礦料表面與為瀝青之間的銜接，同時(shí)要求孔隙率能夠達(dá)到最小[2]。因此利用下列式(1)，計(jì)算礦料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配：

(1)

式中：Ti為礦料在篩孔上的總通過率，%；Q為填料用量，%；dmax為允許的填料粒徑最大值，mm；di為篩孔尺寸,mm；p為用料用量之間的級(jí)配指數(shù)。按照上述方法確定瀝青混凝土材料配合比。此時(shí)油石比也就是瀝青用量，成為影響瀝青混凝土材料配合比的唯一因素，該值是瀝青重量與骨料總和的比率，而瀝青含量就是瀝青重量在整個(gè)混合料中的比重，兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算式(2)如下：

(2)

式中：L1、L2分別為瀝青用量和瀝青含量，%；Z、G、H分別為瀝青重量、骨料總重量以及瀝青混合料總重量[3],kg。按礦質(zhì)骨料孔隙率估算油石比，為式(3)：

(3)

式中：ρc為溫度條件為c時(shí)的瀝青相對(duì)密度；φc為同樣的溫度條件下，振搗壓實(shí)的瀝青混合料相對(duì)密度；K0與Kc分別為不同溫度下混合料的孔隙率，%；s為油石比。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，調(diào)整Ti的實(shí)際值，確定瀝青混凝土配合比[4]。

1.2 攤鋪與振搗碾壓水庫振搗式心墻

根據(jù)水庫振搗式心墻的設(shè)計(jì)要求，對(duì)混凝土骨料進(jìn)行攤鋪、碾壓等施工工藝，建立完整的水庫振搗式心墻。在攤鋪開始之前，打掃層面后用激光標(biāo)出心墻軸線，同時(shí)用細(xì)金屬絲固定軸線軌跡。按照上一節(jié)的方法獲取瀝青混凝土配合比，制備填筑骨料攤平瀝青混凝土[5-6]。由于瀝青混凝土溫度控制較為困難，因此不要緊貼岸坡進(jìn)行鋪設(shè)工作，距離岸坡2～3 cm處開始攤鋪，待材料溫度穩(wěn)定到上述溫度條件之內(nèi)時(shí)，再攤鋪岸坡處，并壓平心墻和過渡層。需要注意的是，攤鋪的心墻兩側(cè)要略高出心墻1～2 cm，防止施工表面出現(xiàn)積水。然后以靜碾壓的方式壓實(shí)瀝青混凝土，形成基本形態(tài)后令設(shè)備與人工均停止靜碾壓工作，將瀝青混凝土靜置20～30 min，然后再次以振搗的方式對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行動(dòng)碾壓，最后再次將瀝青混凝土混合料收倉靜碾。需要注意的是，在第二階段碾壓施工過程中，振動(dòng)碾以1.0～1.5 t的振動(dòng)碾，壓實(shí)瀝青混凝土，以2.0～2.5 t的振動(dòng)碾，壓實(shí)過渡層。在碾壓過程要對(duì)碾壓輪連續(xù)灑水，當(dāng)瀝青混凝土表面出現(xiàn)返油時(shí)則證明夯實(shí)。當(dāng)振搗碾壓過程中，振動(dòng)碾上黏附的材料導(dǎo)致“陷碾”現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，則將出現(xiàn)“陷碾”問題處的瀝青混合料全部清除，然后回填新的混合料進(jìn)行碾壓。第三階段處理水庫振搗式心墻接縫與層面。清理干凈已壓實(shí)的心墻施工表面，出現(xiàn)污面的地方可以加熱鏟除，然后向上繼續(xù)鋪筑瀝青混凝土混合料，在繼續(xù)鋪筑水庫振搗式心墻的施工過程中，采用全線平起填筑碾壓，減少橫向接縫的出現(xiàn)，并在心墻的接坡部位，按照1∶3的坡度進(jìn)行分塊銜接，在烘烤和振搗過程中，同樣要求銜接處返油才能停止。此階段要求上下層之間，按照大約2 cm 左右的距離相互錯(cuò)開，并鏟除未壓實(shí)的橫縫。至此實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫振搗式心墻的振搗式攤鋪與壓實(shí)[7]。

1.3 連接心墻、水庫以及混凝土建筑物

振搗式攤鋪與壓實(shí)后的心墻，將水庫振搗式心墻與水庫相連。當(dāng)水庫大壩的壩基為巖基時(shí)，紙漿將瀝青混凝土底板與巖基相接，要求低壩下的瀝青混凝土底板厚度為0.6～1.0 m，中等和高壩下的瀝青混凝土底板厚度為1.0～1.5 m。同時(shí)底板也是基巖的蓋板，因此不能小于5 m[8]。圖1為心墻與壩基的連接示意圖。

圖1 心墻與水庫連接效果

當(dāng)水庫采取深厚覆蓋層的設(shè)計(jì)形式時(shí)，采用圖2所示的形式，處理混凝土防滲墻的滲透問題。

圖2 心墻與混凝土防滲層連接效果

將瀝青混凝土與底板之間連接，同時(shí)將接頭寬度擴(kuò)大，還要鋪設(shè)柔性防滲層。水庫施工過程中，土石壩往往與電站廠房、溢洪道等建筑物相連，因此需要嚴(yán)格把控瀝青混凝土與這些混凝土建筑物的連接方式。當(dāng)水庫處于蓄水初期時(shí)，上游堤壩出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，此時(shí)的壩體會(huì)存在向上游移動(dòng)的情況[9]。但混凝土建筑物是不會(huì)移動(dòng)的，因此心墻與建筑物之間分離，象山電站就曾出現(xiàn)過這種現(xiàn)象。因此根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，以圖3的形式連接心墻和建筑物。

圖3 心墻與混凝土建筑物連接效果

此次施工將坡面做成豎向斜面，同時(shí)擴(kuò)大心墻的連接端頭寬度，通過增加心墻的豎向壓力和接觸面的抗剪能力，加強(qiáng)兩個(gè)結(jié)合面之間的銜接性能。至此完成了水庫振搗式心墻施工[10]。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 抗震效果評(píng)價(jià)

設(shè)置瀝青混凝土中的瀝青用量，為9%、10%和11%，應(yīng)用此次研究的施工技術(shù)，建立水庫振搗式心墻，并分析水庫振搗式心墻的永久變形程度。圖4為瀝青用量為9%時(shí)，心墻的永久變形等值線圖。

圖4 心墻不同方向上的永久變形(單位：cm)

根據(jù)圖4所示的測(cè)試結(jié)果可知，在仿真測(cè)試環(huán)境中模擬地震荷載，在該條件的作用下，得到三個(gè)方向上的永久變形等值線圖。綜合觀察上圖中的數(shù)值，在上述仿真測(cè)試條件作用下，水庫振搗式心墻壩頂永久變形最顯著。根據(jù)圖4(a)得出心墻順河向的最大永久變形位置，為向上游4.9 cm、向下游5.4 cm處，出現(xiàn)在壩頂偏下游的心墻附近；根據(jù)圖4(b)可知，水庫振搗式心墻均向河床中部變形，向左岸方向的最大值為5.2 cm，向右岸方向的最大值為5.1 m；而根據(jù)圖4(c)可知，隨著壩高的增加，豎向變形程度不斷加深，最大永久位移達(dá)到了16.8 cm，占?jí)胃叩?.25%左右。設(shè)置瀝青用量為9%、10%和11%，分別將此三種情況下的瀝青混凝土混合材料作為測(cè)試對(duì)象，以同樣的等值線圖分析上述條件下，心墻的永久變形程度。統(tǒng)計(jì)三組測(cè)試方案下，水庫振搗式心墻永久變形的極大值，如表1所示。

根據(jù)表1中的測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)瀝青用量設(shè)置為10%，此次施工技術(shù)應(yīng)用下，水庫振搗式心墻具有更好的抗震效果。

2.2 結(jié)合面性能測(cè)試

2.2.1 試樣制備

通過上一階段的仿真測(cè)試，驗(yàn)證了此次研究的心墻施工技術(shù)，有可應(yīng)用的效果，因此將該施工技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，以更加真實(shí)的效果，檢驗(yàn)施工技術(shù)的可靠程度。制備水庫振搗式心墻模型，按照瀝青混凝土配合比制備試樣，篩選混凝土骨料，向其中添加10%的瀝青，利用攪拌鍋進(jìn)行攪拌，得到長方形的水庫振搗式心墻試樣。

表1 三組測(cè)試方案下的永久變形極大值對(duì)比

2.2.2 試樣劈裂程度測(cè)試

然后鉆取-80 ℃、-30 ℃、20 ℃、50 ℃、70 ℃、100 ℃以及150 ℃下的試樣的芯樣。圖5為不同結(jié)合面溫度下，試樣的劈裂程度實(shí)拍圖。

圖5 不同結(jié)合面溫度的試樣劈裂程度

根據(jù)圖5所獲測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)結(jié)合面溫度為-80 ℃、100 ℃以及150 ℃時(shí)，試件結(jié)合面出現(xiàn)了非常明顯的裂紋，切裂紋較為整齊；當(dāng)結(jié)合面溫度為-30 ℃時(shí)，試件結(jié)合面有較為細(xì)小的裂紋；而20 ℃、50 ℃、70 ℃測(cè)試條件下，試件結(jié)合面處沒有出現(xiàn)細(xì)微裂紋。綜合上述測(cè)試結(jié)果可知，此次提出的施工技術(shù)，能夠滿足-30～100 ℃之間的溫度。為了進(jìn)一步得出測(cè)試結(jié)果，將此階段的測(cè)試數(shù)據(jù)以表格的形式導(dǎo)出，然后統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)的平均值，如表2所示。

根據(jù)表2中的測(cè)試結(jié)果可知，在此次研究的施工技術(shù)應(yīng)用下，水庫振搗式心墻具有更好的低溫和高溫適應(yīng)性，能夠降低心墻的劈裂程度。

表2 各結(jié)合面溫度試件劈裂程度測(cè)試結(jié)果

2.2.3 試樣拉伸效果測(cè)試

利用傳感器用計(jì)算機(jī)采集實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，試樣的力和變形，根據(jù)試件面積和長度，計(jì)算試樣的抗拉強(qiáng)度和拉應(yīng)變，圖6為拉伸測(cè)試過程。

圖6 萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試過程

同樣參照劈裂程度測(cè)試條件，設(shè)置實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度值，分別為-80 ℃、-30 ℃、20 ℃、50 ℃、70 ℃、100 ℃以及150 ℃。計(jì)算不同結(jié)合面溫度下，試樣的拉伸程度測(cè)試參數(shù)平均值，表3為不同結(jié)合面溫度下，試樣的拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果匯總表。

表3 各結(jié)合面溫度試件拉伸程度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表3中的測(cè)試結(jié)果可知，盡管在極度嚴(yán)寒或極度高溫下，水庫振搗式心墻試樣的抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)變，不如20 ℃、50 ℃、70 ℃ 條件下的試樣，但同樣有較為接近預(yù)期的抗拉伸效果。可見此次研究的施工技術(shù)，滿足研究要求。

3 結(jié) 語

通過大量試驗(yàn)論證，證實(shí)了此次研究的基于瀝青用量最優(yōu)比的水庫振搗式心墻施工技術(shù)，可以應(yīng)用到具體工作中。但此次研究還存在不足之處，今后的研究工作還要對(duì)混合料的配置比進(jìn)行詳細(xì)說明，把所需的儀器以及其他試劑，都進(jìn)行全面介紹。