水库大坝沥青混凝土心墙防渗效果分析

徐建军

（临沂市水利工程处，山东 临沂 276000）

在水库大坝防渗加固中，沥青混凝土心墙具有施工简单、防渗效果好、成本低廉等优点，特别适合中小型水库大坝的防渗加固。

1 工程概况

河西水库位于山东日照市五莲县城西北，坝址位于汪湖镇河西村1.0 km处，控制流域面积45 km2，现状总库容1 988万m3，是潍河支流燕河上游的一座以防洪为主，结合农田灌溉、淡水养殖等综合利用的中型水库。河西水库大坝为一座土石坝，坝顶高程119.20 m，坝顶净宽6.5 m。2013年6月，日照市水利局通过招标确定采用沥青混凝土心墙技术对河西水库大坝进行防渗加固处理。

2 沥青标号试验分析

原材料规格设计是沥青混凝土防渗心墙的基础性工作，其中沥青标号和各材料配合比是最重要的两个指标。在此，结合其他项目的成功经验，对河西水库大坝心墙进行设计分析。

2.1 试验设计

本项目设计对 50#、70#、90#、110#、160#五种沥青进行试验对比，各沥青的基本参数见表1所示。参照其他工程经验，本项目确定所用骨料为石灰岩破碎料（粒径4.75 mm以下占44%；4.75-13.2占20%；13.2-19占25.5%），填料为石灰岩矿粉（粒径小于0.075 mm），级配指数为0.41，矿粉含量设计为11%，油石比6.8%[1]。

表1各种标号沥青基本参数

试验利用弯曲试验机进行，采用两端简支梁结构，中间集中加载，速率设计为1.65 mm/min。试件尺寸设计为长×宽×高：220 mm×35 mm×40 mm，其最大弯曲强度σmax、应变ε、变形模量E计算公式如下[2]。

式中：P为施加的载荷；L为梁跨距，200 mm；b为试件宽度；h为试件高度；f为挠度。

2.2 试验结果分析

为保证试验结果的准确性，本试验要求每种试件至少准备5个。最终试验结果如图1所示，由图1可知：1）随着沥青标号的升高，当试件产生相同的弯曲应变时，所需要的弯曲应力逐渐降低，即标号越高，沥青变形能力越强；2）通过应力-应变曲线同其他标号沥青相比，可知50#沥青的抗弯强度和变形模量远大于其他型号沥青；3）50#沥青最大弯曲应变约6%，不适合做心墙材料，160#沥青最大弯曲应变达到超过10%，因此本项目确定选取160#沥青作为心墙材料，不仅可以适应坝体变形，而且能够有效防止沥青老化[3]。

图1不同标号沥青混凝土应力-应变曲线

3 心墙厚度模拟分析

3.1 不同心墙厚度对坝体位移影响模拟分析

沥青混凝土心墙厚度直接关系到工程成本、工期、防渗效果等核心问题，在此利用“三维有限元数值模拟技术”对心墙厚度分别为0.3 m、0.4 m、0.5 m的不同工况下的坝体水平和垂直位移情况进行分析[4]。

1）水平位移等值线分析。不同厚度心墙情况下坝体水平位移模拟结果图可以得到以下结论：①受上游水压作用，坝体从上游坝坡坡脚至下游坝坡坡脚，水平位移值不断增大；②当心墙厚度分别为0.3 m和0.4 m时，坝体水平最大位移均发生在下游坝坡位置处，位移值分别为5.59 cm和5.57 cm；③当心墙厚度为0.5 m时，坝体最大水平位移发生在下游坝趾处，位移值为8.27 cm。综合分析：随着心墙厚度增大，坝体水平位移值也在增加，对坝体防渗不利。

2）垂直位移等值线分析。不同厚度心墙情况下坝体垂直位移等值线模拟结果图可以得到以下结论：①坝体最大垂直下降位置均位于坝顶，最小位置均位于下游坝趾位置；②当心墙分别为0.3 m、0.4 m、0.5 m时，最大垂直沉降量分别为11.81 cm、11.81 cm、11.84 cm，符合中低级均质坝的沉降规律。综合分析，心墙厚度不同对坝体垂直沉降量无明显影响[5]。

3.2 不同心墙厚度对坝体防渗效果影响分析

为分析不同心墙厚度对坝体防渗效果的影响，采用图2所示的渗流简图进行理论计算，主要依据参考达西定律，在此不再详述，计算结果见表2。由数据可知：1）不同心墙厚度下单宽渗流量差别很小，均在一个数量级，防渗效果均良好；2）从年总渗流量分析，0.4 m心墙比0.5 m心墙多10%，并没有产生较大影响[6]。

表2不同心墙厚度渗流计算结果

图2 0.3 m心墙渗流计算简图

4 结语

根据本文分析可知：1）使用标号越高沥青的混凝土其适应变形能力越强，因此本项目设计采用160#沥青；2）不同心墙厚度对河西水库大坝水平位移影响较明显，心墙厚度越大，坝体水平位移越大，但对坝体垂直沉降没有明显影响；3）相对来说防渗墙厚度越大防渗效果越好，但无论哪种心墙厚度其防渗效果均满足使用要求。综合施工、成本、效果等因素，河西水库大坝防渗加固项目最终确定防渗墙厚度为40 cm。