沥青混凝土心墙坝的风险监控与设计

刘世煌,郑　琳

(1.水利部水电水利规划设计总院，北京　100120；2.中国电建集团水电水利规划设计总院，北京　100120)



沥青混凝土心墙坝的风险监控与设计

刘世煌1,郑琳2

(1.水利部水电水利规划设计总院，北京100120；2.中国电建集团水电水利规划设计总院，北京100120)

摘要：讨论了沥青混凝土心墙坝中沥青心墙的原材料、碾压质量及工作性态的质量监控体系及其所存在的问题，同时也讨论了相关的设计工作。

关键词：沥青混凝土心墙坝；风险监控；监控体系；监控指标

隨着茅坪溪碾压式沥青混凝土心墙坝的建成，在中国西部严寒强震频发地区的深覆盖层上相继建成冶勒、黄金坪、下板地、龙石头、旁多等100 m级高度的碾压式沥青混凝土心墙坝，这不仅使中国碾压沥青混凝土心墙坝的建设提高到一个更高的水平上，同时也因结构抗震及深覆盖上的构造处理等，给工程增添一些新的风险，同时也向我们提出了完善现有风险监控系统及相应监控指标的要求。

为适应中国沥青混凝土心墙坝发展，水电和水利系统分别于2009年和2010年颁布了DL/T5411-2009和SL501-2010《土石坝沥青混凝土面坝和心墙设计规范》[1-2]。为了防范可能存在的洪水漫坝风险、坝体渗流破坏风险、坝坡失稳破坏等风险，及其由此而引起溃坝破坏，设计规范规定了相应的对策措施，初步建立了安全监控体系并提出了相应的监控指标，但由于中国100 m级高碾压式沥青混凝土心墙坝建设实践尚不丰富，设计规范不可能涵盖所有可能的风险，强震频发地区深厚覆盖层又给100 m级高碾压式沥青混凝土心墙坝带来了许多新的问题。为了确保工程安全，宜在现有规范基础上，针对实际可能发生的风险，以风险辨识为基础，以风险监控为手段，完善风险监控体系，进一步提高工程的本质安全性[3]。

表1　中国100 m级及渗水碾压式沥青混凝土心墙坝表

1防止洪水漫坝的安全监控系统

沥青混凝土坝的坝体填筑料均为可冲蚀材料，一旦洪水漫坝，沥青混凝土心墙坝即可能发生灾难性溃坝事件，给下游人民生命财产带来重大损失。实践证明洪水漫坝是土石坝发生概率最高的危险因素。

为了防止沥青混凝土心墙坝洪水漫坝，设计规范明确提出了不同类型不同级别水工建筑物的相应设计洪水和校核洪水标准，规定了正常和非正常设计工况下不同水位的荷载组合，提出了严格的泄洪要求，还规定了不同类型不同级别建筑物坝顶的安全超高，建立了一整套防止洪水漫坝的安全监控体系，但由于洪水本身的不确定性，外延小概率洪水所带来的风险，特别是梯级大坝连溃、地震滑坡涌浪组合、强烈余震中水库应急放空时不稳定渗流、大体积漂浮物及闸门失控等对泄洪安全的影响，沥青混凝土心墙坝仍然存在着洪水漫坝和溃坝的风险。

为了防止沥青混凝土心墙坝洪水漫坝，针对严寒强震频发地区深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝特点，除按规范要求进行洪水、泄洪能力及坝顶高程复核外，还要考虑历史洪水及严寒地区冰川、融雪与降雨的组合型洪水对洪水计算成果的影响，完善水情测报系统、梯级联合防洪调度，配备独立备用电源，提高闸门及启闭机等设备抗震性能，编制防止洪水漫坝应急预案。

2防渗体的安全监控系统与监控指标

深覆盖层地基上沥青混凝土心墙坝的防渗体包括：沥青混凝土心墙、河床部位混凝土防渗墙，岸坡及河床底部基岩中的防渗帷幕。

沥青混凝土是非散粒材料，本身不会发生渗流破坏，但沥青混凝土心墙及其接头部位的开裂，渗漏水仍可导致坝体渗流破坏甚至溃坝，实践证明渗流破坏是土石坝中发生概率较高的危险因素。

2.1沥青混凝土心墙的安全监控系统和监控指标

沥青混凝土心墙是影响沥青混凝土心墙坝安全的关键部件。沥青混凝土心墙的工作性态直接关系到沥青混凝土心墙坝的安全，因此规范对于沥青混凝土心墙的工作性态极为关注，并力图建立起一套严格的监控系统和完整的监控指标[4-5]。这个系统包括：原材料监控系统、沥青混凝土施工质量监控系统、沥青混凝土心墙工作性态监控系统，以及相应的监控指标。

(1) 沥青混凝土原材料质量监控系统及监控指标

鉴于中国尚未颁布水工沥青国家标准，设计规范对道路石油沥青技术要求进行取舍，并根据DL/T5362水工沥青混凝土试验规程及工程结构性能、当地气温、运用条件和施工要求等，对碾压式沥青混凝土中石油沥青的感温性、耐久性、针入度、软化点、延度、溶解度、脆点、含腊量、闪点、密度及薄膜烘箱后性能变化等，提出了相应控制指标。

另外规范还对碱性粗骨料、人工细骨料和填料质地、加热后性质变化、表观密度、耐久性、吸水率、有机质及含泥量、针片状颗粒含量、强度、与沥青黏附性、亲水性、细度、粒径等提出监控指标，实践证明这些监控措施是有效的。

(2) 沥青混凝土施工质量监控体系及监控指标

与普通混凝土的强度、抗冻、抗渗要求一样，规范要求碾压式沥青混凝土心墙的孔隙率不大于3%，渗透系数不大于1×10-8cm/s，水稳定系数不小于0.9，沥青含量6.0%～7.5%，粗骨料最大粒径小于19 mm，并根据工程应用条件和应力要求，提出有关变形和力学指标。

根据沥青混凝土室内三轴试验成果及邓肯-张非线性E～μ模型及双曲服面弹塑性模型计算成果，茅坪溪大坝发现在上述模型参数中，模量数K是对心墙应力最敏感的因素：

K=400级，心墙竖向应力大于同高程库水压力，心墙不会水力劈裂;

K=300级，心墙竖向应力大部分大于同高程库水压力，考虑抗拉强度，可能不裂;

K=200级，心墙竖向应力小于同高程库水压力，考虑抗拉强度，可能水力劈裂。

为防止蓄水后沥青混凝土心墙水力劈裂，对茅坪溪大坝提出沥青混凝土模量数K=400～800、下板地大坝要求K≥400，并以此作为沥青混凝土心墙质量监控指标，但是茅坪溪大坝碾压仓面取样的试验成果表明，一期沥青混凝土心墙的实际模量平均K=167.6，二期平均为135.7；现场钻孔取芯样测得最大K=266.4，最小84.1；利用坝体实测变位反演沥青混凝土心墙模量K=334～342，即实际碾压混凝土心墙模量数远低于设计要求[6-7]。

仔细分析发现，大量沥青混凝土三轴试验所得到的非线性参数中，K值并不稳定，缺乏规律性。K值与沥青混凝土黏弹塑性质、沥青等原材料及配合比、试件成型和脱模、加荷前的固结蠕变时间、试验围压、加荷速率、试验温度等有关，而在同一配比材料中，既使相同取样方法和试验条件下，仍会出现很大差距，这不仅说明，模量数K可能不宜作为沥青混凝土心墙质量的评判标准，也要求人们研究更适合沥青混凝土心墙工作特性的计算模型和相应的控制参数。

基于上述情况，设计规范不再把K作为沥青混凝土心墙的质量监控指标，舍弃原有马歇尔稳定度及马歄尔流值指标，按照工程运用条件及应力要求，以沥青混凝土抗弯强度和相对应的应变为控制指标，提出沥青混凝土弯曲强度σ≥400 kPa，相应材料弯曲应变值应≥1%，并以此作为控制沥青混凝土的质量指标。

表2　碾压式沥青混凝土心墙沥青混凝土技术要求表

苏洼龙沥青混凝土心墙力学试验成果说明：上述控制指标是可行的，是偏于安全的。

表3　苏洼龙心墙沥青混凝土力学试验成果表

(3) 沥青混凝土心墙工作性态的监控系统与监控指标

1) 拱效应

茅坪溪、冶勒等工程实测资料表明：心墙实测压应力小于自重应力，心墙沉降变形率大于两侧过渡料沉降变形率，心墙与两侧过渡间已分别产生46 mm和55.26 mm错位，即由于两侧过渡料的约朿，施工期沥青混凝土心墙已产生了较明显拱效应；而在陡峻河谷中，受两岸基岩垂直河流方向的约朿，心墙的拱效应可能更加明显[8]。

图1茅坪溪105 m高程处心墙与过渡层间的相对变位图

2) 沥青混凝土心墙的水力劈裂

文献[1]明确写到：沥青混凝土孔隙率小，孔隙封闭且不连通，又无孔隙水的存在，抗渗比降很大，沥青混凝土虽有拱效应存在，但一般不会出现拉应力，沥青混凝土心墙水力劈裂可不考虑。

笔者认为：冶勒沥青混凝土心墙34只单向应变片中，蓄水后30只实测应变为压应变，但有4只应变片为拉应变，最大拉应变为1 129 με，这说明沥青混凝土心墙仍有可能产生拉应力，考虑到沥青混凝土本身的抗拉抗弯强度，以及大竹河、马家沟等沥青混凝土心墙坝曾出现过的较严重渗漏现象，从安全计，宜慎重对待[9-10]。

表4　曾漏水的沥青混凝土心墙坝表

3) 沥青混凝土心墙应变监控

为监测沥青混凝土心墙工作性态，理想的办法是实测心墙应变，并由此计算墙体应力。

根据室内试验，冶勒和茅坪溪大坝控制沥青混凝土应变≤10 000 με。

由干沥青混凝土心墙比较单薄，浇筑及碾压时温度较高，无法像普通混凝土结构那样埋设应变计组，冶勒只能在心墙5个剖面的上下游面上，每5 m垂直向布设1只应变片，并用锚固板将应变片固定在心墙上下游壁上，应变片距心墙侧面尚有5～10 cm距离，实际埋设于过渡层中。

冶勒大坝实测最大拉应变1 129 με，实测最大压应变为75 050 με，其中蓄水后平均应变增加8 000～12 000 με，且下游侧应变增量大于上游测应变增量。

茅坪溪大坝沥青混凝土心墙底部和上部实测压应变为10 000 με，但101～116 m高程处实测为54 000～59 000 με，实测结果早超过设计提出10 000 με的控制指标，甚至超出了沥青混凝土强度所对应的应变值，上述两工程实践说明：利用心墙实测应变来反映心墙工作性态遇到了困难。

仔细分析认为，可能与应变片埋设方法有关。由于种种原因，应变片只能通过锚固板固定在心墙上下游壁面上，与心墙壁有一定距离，实际埋设于过渡料中，又未加隔离保护，虽然可通锚固板测到心墙变形，但已受到过渡料影响，不能真实反映沥青混凝土心墙的工作性态，这种状况必须改变，而且可以改变，通过监测心墙应变依然能成为监控沥青混凝土工作性态的方法之一。

图2　冶勒水电站0+220 m断面心墙实测垂直向拉应变图

图3　冶勒水电站0+220 m断面心墙SX22测点应变过程线图

4) 沥青混凝土心墙坝渗流量和渗压监控

虽然心墙变形和坝体坝基渗压也可以分析心墙的工作性态，但实践证明坝体渗漏量监测，是反映沥青混凝土心墙坝工作性态的最有效最直观的办法。

深覆盖层上建筑坝后量水堰费用较大，比较困难，但坝后量水堰的作用是坝内和坝基渗压等监测手段所无法替代的；在条件许可时，利用下游围堰修筑坝后量水堰，虽只能测量到渗漏量的相对变化量，但正是这个渗漏量的变化，反映了心墙工作性态的变化。

笔者通过对40多座土石坝渗漏量与工作状况资料的统计分析，认为大坝渗漏量与坝体防渗体面积有关，在不发生渗流破坏的前提下，坝体渗漏量可按下述标准控制[11-12]。

表5　沥青混凝土心墙坝坝体渗漏量控制指标表

茅坪溪大坝坝后渗水总量27 L/s，合计每万平方米心墙渗漏量2.5 L/s，冶勒水库2005年蓄水，2007年11月15日库水位2 650.45 m时(正常高水位2 650 m)，渗漏量336.76 L/s，其中单孔涌水量最大达10 L/s以上，且排水沟内出现浑水，携出泥、沙和小石等，虽然渗漏水主要来源于右岸绕坝渗漏，但折合每万平方米心墙渗漏量为119.95 L/s，为特大渗漏，且已发生轻微渗流破坏现象，采取补强灌浆后，渗漏量已基本达到可以接受程度，仍在加强监测。

2.2沥青混凝土心墙坝混凝土防渗墙与防渗帷幕监控系统和监控指标深覆盖层上沥青混凝土心墙坝的坝基

防渗措施，常为覆盖层中的混凝土防渗墙及基岩中防渗帷幕[13-14]。在自重及水和地震等荷载作用下，沥青混凝土心墙坝的坝基混凝土防渗墙受力比较复杂。苏洼龙防渗墙厚1.2 m，深66 m，采用C35、W10混凝土，防渗墙与混凝土基座采用刚性联接，三维有限元计算成果表明，正常水位工况下竣工期和蓄水后防渗墙向下游变位分别为5.2 cm和23 cm，中间部位墙体垂直向完全受压，两侧局部受拉，最大压应力38.5 MPa，最大拉应力2.18 MPa，计算结果均超过混凝土强度，存在下部压碎上部拉坏的可能。鉴于防渗墙的真实变位很难测量，应力监测点数量有限，因此需要进一步完善沥青混凝土心墙坝防渗系统的监测手段，实测幕前幕后的渗压差，实测坝基内渗流比降，创造条件实施坝后渗流量监测。

2.3沥青混凝土心墙坝各防渗体接头部位的监控系统与监控指标

沥青混凝土心墙坝各防渗体间接头部位包括：沥青混凝土心墙与混凝土基座接头、河床部位混凝土基座与混凝土防渗墙接头、防渗墙与两岸及河床底部基岩中防渗帷幕接头、防渗体系与其他建筑物接头。

实践证明，深覆盖层上坝体各防渗体接头部位是防渗体系中最薄弱环节，特别是陡峻河谷灌浆检查廊道与两岸坡基岩接头部位，这里既是沥青混凝土心墙与混凝土基座的接头部位，又是灌浆检查廊道与混凝土防渗墙接头部位，还是防渗墙与两岸及河床底部基岩中防渗帷幕接头部位，更是深厚覆盖层与坚硬基岩接头部位，虽然混凝土防渗墙对心墙的垂直变位有顶托作用，但是蓄水后基岩与覆盖层间不均匀变形，仍是接头断裂及渗漏的主要原因。

茅坪溪大坝沥青混凝土心墙下面坝体灌浆廊道工作缝漏水，单孔最大漏水约1 L/s，廊道总渗水约4～6 L/s，渗水点除白色析出物外还有黑色黏滑有机析出物。

图4为2013年9月茅坪溪大坝沥青混凝土心墙底部廊道沉陷缝漏水及黑色析出物。

图4沥青混凝土心墙底部廊道沉陷缝漏水及黑色析出物图

正由于上述接头部位是沥青混凝土心墙坝防渗的关键部位，设计上应综合受力和施工等因素，提高接头部位覆盖层刚度，优选接头部位结构型式，优选止水规格，努力减少基岩与覆盖层间水平向和垂直向不均匀变形，与此相应，也应完善相应变位、渗流、应力监控系统。参照同类工程经验及本工程计算成果，建立相应监控指标。

3强震频发地区深覆盖层上沥青混凝土心墙坝坝坡稳定监控系统

当今中国沥青混凝土心墙坝正向西部严寒强震频发地区发展，并且常遇到深覆盖层问题，除了严寒地区沥青混凝土施工技术和施工缝结合问题、以及上述防洪水漫坝和心墙工作性态问题外，突出的问题还有强震频发地区坝坡稳定及结构抗震。

(1) 当今的大坝抗震及边坡稳定风险监控体系与风险监控指标是可行的。

(2) 强震频发地区深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝的结构抗震，宜考虑中国西部地区地震及覆盖层结构特点。

1) 中国西部地区强震频发、强烈余震累进破坏；强震期滑坡、泥石流频发、多起堰塞湖叠生，地震次生灾害严重；覆盖层结构及组成复杂，常常伴有可液化土，存在着架空现象，深厚覆盖层地震反应影响较大。

2) 当前地震预测预报水平与工程要求尚有一定差距，以一次强震为计算荷载，未考虑强震频发，主～主型震型及频发强烈余震的累进破坏，地震工况中未考虑近坝区滑坡涌浪与应急放空时不稳定渗流组合影响，未考虑地震与冰荷载的组合等，可能不符合中国西部地区地震特点，再加上地震动输入和材料抗震性能的研究薄弱，因此强震频发地区深覆盖层上沥青混凝土心墙坝的抗震安全监控指标宜留有一定余度，或按抗震规范规定提高1度设防。

4结语

(1) 碾压式沥青混凝土心墙坝在中国是一种较新的坝型，现正向西部严寒强震频发地区发展，许多大坝还遇到深覆盖层问题。由于中国100 m级碾压式沥青混凝土心墙坝实践经验尚不丰富，完善沥青混凝土心墙的工作性态安全监控体系和监控指标，是适应沥青混凝土心墙坝发展的需要。

(2) 根据茅坪溪、冶勒等工程实践，宜改进以沥青混凝土模量数为主的安全监控体系；改进沥青混凝土心墙应变监测办法；加强坝后渗漏量监测，完善渗漏量监控指标；优化沥青混凝土心墙坝防渗体接头的结构设计；完善相应监控手段及监控指标；强震频发地区沥青混凝土心墙坝应适应中国西部地区地震及覆盖层特点，安全监控指标宜留有一定余度。

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Risk Monitoring and Design of Dam with Asphalt Concrete Core

LIU Shihuang1, ZHENG Lin2

(1. Water Resources and Hydropower Planning and Design General Institute, Beijing100120,China;2. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing100120,China)

Abstract:Raw materials, compaction quality, quality control system and issues of operating pattern of the asphalt core of the dam with the asphalt core are discussed in the paper. Meanwhile, relevant design is also discussed.

Key words:dam with asphalt concrete core; risk monitoring; monitoring system; monitoring index

中图分类号：TV641.41

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.001

作者简介：刘世煌(1941- )，男，江苏省南京市人，教授级高工，从事水利水电工程勘测、设计、科研、设计审查、咨询、安全鉴定、安全评价等工作.

收稿日期：2015-08-02

文章编号：1006—2610(2016)02—0001—05