基于沥青用量最优比的水库振捣式心墙施工技术研究

徐纯霞

(江苏省涟水县涟东灌区管理所，江苏 淮安 223400)

水库作为重要的储水系统，出现渗漏会严重影响水库运行的稳定性、安全性，水库振捣式心墙以沥青、混凝土作为主要原料，通过加热搅拌后凝固成一种混合型材料，能够降低水库的渗透性，通过分层填筑和振动压实的方式应用于水利工程、水库以及其他水利相关项目中[1]，其已经成为水库工程施工中不可或缺的材料，而沥青混凝土用量的最优配比对水库振捣式心墙施工技术的应用具有重要意义。因此根据使用物料、操作机械设备、水库基本参数等条件，研究心墙施工技术，为水库施工提供更加安全、高效、便捷以及合理的技术手段，为缩短工期、加强水库整体结构的稳定性，提供更加合理的技术支持。

1 研究方法

1.1 沥青混凝土用量最优比

水库施工过程中，沥青混凝土用量的最优配比，直接影响心墙的施工工艺和施工效果，因此预先确定矿料级配的基本参数。骨料最大粒径，影响水库振捣式心墙的施工特性和力学性能，当骨料最大粒径超过最高限值时，则粗骨料和细骨料之间容易分离，粗骨料会随着振捣碾压过程而下沉，细骨料则出现上浮现象，导致施工表面严重返沥青；当骨料最大粒径低于最低限值时，施工表面强度性能下降，可能出现严重变形的现象。因此结合以往的类似经验，选择沥青混凝土骨料时，其最大粒径为19 mm。然后确定矿料标准级配，要求按照一定的比例选择粒径大小不同的矿料组成整体，要求在热稳定容许的条件下，不同粒径之间的矿料可以形成一个能够让沥青充分包裹的表面，实现不同粒径矿料表面与为沥青之间的衔接，同时要求孔隙率能够达到最小[2]。因此利用下列式(1)，计算矿料标准级配：

(1)

式中：Ti为矿料在筛孔上的总通过率，%；Q为填料用量，%；dmax为允许的填料粒径最大值，mm；di为筛孔尺寸,mm；p为用料用量之间的级配指数。按照上述方法确定沥青混凝土材料配合比。此时油石比也就是沥青用量，成为影响沥青混凝土材料配合比的唯一因素，该值是沥青重量与骨料总和的比率，而沥青含量就是沥青重量在整个混合料中的比重，两个参数的计算式(2)如下：

(2)

式中：L1、L2分别为沥青用量和沥青含量，%；Z、G、H分别为沥青重量、骨料总重量以及沥青混合料总重量[3],kg。按矿质骨料孔隙率估算油石比，为式(3)：

(3)

式中：ρc为温度条件为c时的沥青相对密度；φc为同样的温度条件下，振捣压实的沥青混合料相对密度；K0与Kc分别为不同温度下混合料的孔隙率，%；s为油石比。根据上述计算结果，调整Ti的实际值，确定沥青混凝土配合比[4]。

1.2 摊铺与振捣碾压水库振捣式心墙

根据水库振捣式心墙的设计要求，对混凝土骨料进行摊铺、碾压等施工工艺，建立完整的水库振捣式心墙。在摊铺开始之前，打扫层面后用激光标出心墙轴线，同时用细金属丝固定轴线轨迹。按照上一节的方法获取沥青混凝土配合比，制备填筑骨料摊平沥青混凝土[5-6]。由于沥青混凝土温度控制较为困难，因此不要紧贴岸坡进行铺设工作，距离岸坡2～3 cm处开始摊铺，待材料温度稳定到上述温度条件之内时，再摊铺岸坡处，并压平心墙和过渡层。需要注意的是，摊铺的心墙两侧要略高出心墙1～2 cm，防止施工表面出现积水。然后以静碾压的方式压实沥青混凝土，形成基本形态后令设备与人工均停止静碾压工作，将沥青混凝土静置20～30 min，然后再次以振捣的方式对沥青混凝土进行动碾压，最后再次将沥青混凝土混合料收仓静碾。需要注意的是，在第二阶段碾压施工过程中，振动碾以1.0～1.5 t的振动碾，压实沥青混凝土，以2.0～2.5 t的振动碾，压实过渡层。在碾压过程要对碾压轮连续洒水，当沥青混凝土表面出现返油时则证明夯实。当振捣碾压过程中，振动碾上黏附的材料导致“陷碾”现象发生时，则将出现“陷碾”问题处的沥青混合料全部清除，然后回填新的混合料进行碾压。第三阶段处理水库振捣式心墙接缝与层面。清理干净已压实的心墙施工表面，出现污面的地方可以加热铲除，然后向上继续铺筑沥青混凝土混合料，在继续铺筑水库振捣式心墙的施工过程中，采用全线平起填筑碾压，减少横向接缝的出现，并在心墙的接坡部位，按照1∶3的坡度进行分块衔接，在烘烤和振捣过程中，同样要求衔接处返油才能停止。此阶段要求上下层之间，按照大约2 cm 左右的距离相互错开，并铲除未压实的横缝。至此实现对水库振捣式心墙的振捣式摊铺与压实[7]。

1.3 连接心墙、水库以及混凝土建筑物

振捣式摊铺与压实后的心墙，将水库振捣式心墙与水库相连。当水库大坝的坝基为岩基时，纸浆将沥青混凝土底板与岩基相接，要求低坝下的沥青混凝土底板厚度为0.6～1.0 m，中等和高坝下的沥青混凝土底板厚度为1.0～1.5 m。同时底板也是基岩的盖板，因此不能小于5 m[8]。图1为心墙与坝基的连接示意图。

图1 心墙与水库连接效果

当水库采取深厚覆盖层的设计形式时，采用图2所示的形式，处理混凝土防渗墙的渗透问题。

图2 心墙与混凝土防渗层连接效果

将沥青混凝土与底板之间连接，同时将接头宽度扩大，还要铺设柔性防渗层。水库施工过程中，土石坝往往与电站厂房、溢洪道等建筑物相连，因此需要严格把控沥青混凝土与这些混凝土建筑物的连接方式。当水库处于蓄水初期时，上游堤坝出现沉降现象，此时的坝体会存在向上游移动的情况[9]。但混凝土建筑物是不会移动的，因此心墙与建筑物之间分离，象山电站就曾出现过这种现象。因此根据以往经验，以图3的形式连接心墙和建筑物。

图3 心墙与混凝土建筑物连接效果

此次施工将坡面做成竖向斜面，同时扩大心墙的连接端头宽度，通过增加心墙的竖向压力和接触面的抗剪能力，加强两个结合面之间的衔接性能。至此完成了水库振捣式心墙施工[10]。

2 试验与分析

2.1 抗震效果评价

设置沥青混凝土中的沥青用量，为9%、10%和11%，应用此次研究的施工技术，建立水库振捣式心墙，并分析水库振捣式心墙的永久变形程度。图4为沥青用量为9%时，心墙的永久变形等值线图。

图4 心墙不同方向上的永久变形(单位：cm)

根据图4所示的测试结果可知，在仿真测试环境中模拟地震荷载，在该条件的作用下，得到三个方向上的永久变形等值线图。综合观察上图中的数值，在上述仿真测试条件作用下，水库振捣式心墙坝顶永久变形最显著。根据图4(a)得出心墙顺河向的最大永久变形位置，为向上游4.9 cm、向下游5.4 cm处，出现在坝顶偏下游的心墙附近；根据图4(b)可知，水库振捣式心墙均向河床中部变形，向左岸方向的最大值为5.2 cm，向右岸方向的最大值为5.1 m；而根据图4(c)可知，随着坝高的增加，竖向变形程度不断加深，最大永久位移达到了16.8 cm，占坝高的0.25%左右。设置沥青用量为9%、10%和11%，分别将此三种情况下的沥青混凝土混合材料作为测试对象，以同样的等值线图分析上述条件下，心墙的永久变形程度。统计三组测试方案下，水库振捣式心墙永久变形的极大值，如表1所示。

根据表1中的测试结果可知，当沥青用量设置为10%，此次施工技术应用下，水库振捣式心墙具有更好的抗震效果。

2.2 结合面性能测试

2.2.1 试样制备

通过上一阶段的仿真测试，验证了此次研究的心墙施工技术，有可应用的效果，因此将该施工技术应用到现场实验环境中，以更加真实的效果，检验施工技术的可靠程度。制备水库振捣式心墙模型，按照沥青混凝土配合比制备试样，筛选混凝土骨料，向其中添加10%的沥青，利用搅拌锅进行搅拌，得到长方形的水库振捣式心墙试样。

表1 三组测试方案下的永久变形极大值对比

2.2.2 试样劈裂程度测试

然后钻取-80 ℃、-30 ℃、20 ℃、50 ℃、70 ℃、100 ℃以及150 ℃下的试样的芯样。图5为不同结合面温度下，试样的劈裂程度实拍图。

图5 不同结合面温度的试样劈裂程度

根据图5所获测试结果可知，当结合面温度为-80 ℃、100 ℃以及150 ℃时，试件结合面出现了非常明显的裂纹，切裂纹较为整齐；当结合面温度为-30 ℃时，试件结合面有较为细小的裂纹；而20 ℃、50 ℃、70 ℃测试条件下，试件结合面处没有出现细微裂纹。综合上述测试结果可知，此次提出的施工技术，能够满足-30～100 ℃之间的温度。为了进一步得出测试结果，将此阶段的测试数据以表格的形式导出，然后统计各项参数的平均值，如表2所示。

根据表2中的测试结果可知，在此次研究的施工技术应用下，水库振捣式心墙具有更好的低温和高温适应性，能够降低心墙的劈裂程度。

表2 各结合面温度试件劈裂程度测试结果

2.2.3 试样拉伸效果测试

利用传感器用计算机采集实验测试过程中，试样的力和变形，根据试件面积和长度，计算试样的抗拉强度和拉应变，图6为拉伸测试过程。

图6 万能试验机测试过程

同样参照劈裂程度测试条件，设置实验测试温度值，分别为-80 ℃、-30 ℃、20 ℃、50 ℃、70 ℃、100 ℃以及150 ℃。计算不同结合面温度下，试样的拉伸程度测试参数平均值，表3为不同结合面温度下，试样的拉伸试验测试结果汇总表。

表3 各结合面温度试件拉伸程度测试结果

根据表3中的测试结果可知，尽管在极度严寒或极度高温下，水库振捣式心墙试样的抗拉强度、抗拉强度对应的拉应变，不如20 ℃、50 ℃、70 ℃ 条件下的试样，但同样有较为接近预期的抗拉伸效果。可见此次研究的施工技术，满足研究要求。

3 结 语

通过大量试验论证，证实了此次研究的基于沥青用量最优比的水库振捣式心墙施工技术，可以应用到具体工作中。但此次研究还存在不足之处，今后的研究工作还要对混合料的配置比进行详细说明，把所需的仪器以及其他试剂，都进行全面介绍。