水工建筑物防渗系统沥青混凝土性能研究

'水工建筑物防渗系统沥青混凝土性能研究席爽(新疆喀什叶尔羌河勘测设计院新疆莎车844700)摘要沥青混凝土是水工建筑物防渗系统的主要用料，尤其广泛应用于土石坝心墙材料。随着坝高的不断增加，心墙的安全稳定性至关重要，因此研究水工建筑物沥青混凝土力学性能迫在眉睫。通过分析沥青混凝土心墙防渗材料的特点和国内外研究现状，首先对沥青混凝土的制备要求和配比设计进行探讨。随后基于三轴试验，对沥青混凝土心墙进行研究，得出击实成型、静压成型实验结果，以及加载速率对沥青混凝土力学性能的影响，希望为今后水工建筑物沥青混凝土的配比和制备提供理论依据。关键词土石坝；沥青混凝土；力学性能；心墙中图分类号：TV431文献标识码：A1引言此研究低温条件下的力学性能很有意义；制范围必须依据当地的施工气候进行调整，虽然三轴试验成果较多，但是对于加载速并通过生产试验舌才能开始制备。研究表明，1929年，美国索推理大坝首次应用沥率和成型方法对力学性能影响的研究结果骨料的加热温度一般在160~C～200℃，沥青青混凝土防渗材料；1937年，阿尔及利亚修还不多见。本文基于三轴试验，对沥青混的加热温度一般在140℃～180℃。为了防止筑的EL．Ghrib大坝将沥青混凝土面板作为凝土心墙进行研究，得出击实成型、静压成沥青混凝土材料在高温下老化，因此必须严防渗结构；1949年，葡萄牙修筑的Valede型实验结果，以及加载速率对沥青混凝土格控制拌合时间。沥青}昆凝土级配是整个环Caio大坝首次将沥青混凝土心墙作为附加力学性能的影响。节中最重要的部分，按照级配组成和结构又防渗体_lJ。我国的第一座沥青混凝土心墙防可分为：密级配、间断级配、开级配，水工沥青渗大坝是1973年建成的吉林白河大坝，其1水工沥青混凝土配比设计混凝土级配曲线见图1。心墙高度为24．5m，心墙厚度为0．15m。沥研究表明，密级配的细骨料成分较多，青混凝土是水工建筑物防渗系统的主要用沥青混凝土一般是在高温下经密实碾配以适当的沥青就能形成悬浮型混料，此料，尤其广泛应用于土石坝心墙材料。水工压并冷却后形成的，其主要包括：沥青结构、种级配结构广泛应用于水工沥青混凝土防沥青混凝土与公路沥青混凝土的不同之处矿质骨架、沥青矿粉等成分。沥青是一种高渗层。尽管连续级配孔隙率小于3％，但是在于：公路材料配比中粗骨料多些，其孔隙分子碳氢化合物及其衍生物组成的混合物，由于其粗骨料成分很少，不易形成骨架，因率一般在5％～10％；水工材料位于坝体内常温下为黑色固体或半固体，具有良好的粘此不适用于防渗层材料。部，配比设计中沥青和细骨料的用量多些，性、塑性、抗腐蚀性。矿质骨架又包括粗骨对于水工沥青混凝土的抗渗透性能优其孔隙率一般小于3％。通过分析防渗材料料、细骨料、填料，通常粗骨料的粒径大于劣，一般用渗透系数进行衡量。配比设计特点和国内外研究现状，得出沥青混凝土2．5mm，细骨料粒径在0．075mm一2．5mm之中，将孔隙率设置在3％以内，就能保证抗作为土石坝心墙防渗材料有以下优点12-31：间，填料的粒径一般小于0．075mm。渗性能。孔隙率与矿料级配公式有关，本文(1)水工沥青混凝土的渗透系数一般水工沥青混凝土是制备比公路沥青混凝实验采取的级配公式为：小于10em／s，具有良好的防渗漏新能；土更为严格，对矿料级配、称重精度、拌合温(2)此材料可随坝体变形，抗拉、抗压度、均匀性等均有严格规定。各环节的温度控P_(一Pn)器(1]应变比值最大可达5％，变形性能良好；1∞(3)能与坝体很好的结合，大坝整体性90良好；鲫芝(4)在地震波等载荷的冲击下，有很好篓"0的抗剪强度，抗疲劳能力较高；器60{醛(5)粘塑性和粘结性很好，不易出现裂¨-H5o缝，在自重和压力作用下，裂缝还有自我修爨帅复的能力。嚣3o‘随着坝高的不断增加，心墙的安全稳∞定性至关重要，因此研究水工建筑物沥青l0混凝土力学性能迫在眉睫。从国内外研究O、颢d^m10100C进展来看，5．0℃左右的沥青混凝土三轴试验还较少，但新疆阿克苏地区温度较低，因图1水工沥青混凝土级配曲线C 其中：P．为通过筛孔d。的百分数，％；r为2．47g／cm，实验温度控制值为4．8℃，围压为试件的应力一应变曲线史为陡峭，峰值史大。级配指数；D～为矿料最大粒径，mm；d为筛孔0．1MPa、0．4klPa、0．7MPa、1_0MPa，轴向加载在低温4．8℃，与低围压0．1MPa下，静成型试直径，inIl|。速率为0．24mm／min。试件2采用静压成型，其件达到应力峰值时对应的轴ruJ体应变小于出级配公式确定之后，沥青用量也是影响材试样平均密度为2．45；m，实验温度控制值实成型试件。由此说明，压实机理不同对沥青料渗透性能，为了使沥青混料具有良好的力学为4．8℃，围压为0．1MPa、0．4MPa、0．7MPa、混凝土力学性能有着较大影响。性能，通常按照最大密度孔隙率法确定其用1．0MPa，轴向加载速率为0．24mm／min。图2为随后研究加载速率对三轴试验的影响，本次最。工程上沥青用量B的计算公式为：水工沥青混凝土静压成型与击实成型试件三试验选取击实成型试样，试验温度为48℃，围压沥青用量B=×100％(2)轴实验Er与体应变e，的对比关系。为n1MPa、0．4MPa、0．7MPa、1．0MPa，加载速率为从图2可以看出，相同条件下，静压成型0．048ram／rain、024mm／min、1．21n,dmirJ：种。试由上文分析可知，水工沥青的配比设计就表2沥青试件劈裂实验结果是确定粗骨料、细骨料、填料、沥青的比例。本次实验选取克拉玛依水工70号沥青，其性能配比编号级配指数r油石比B填料用量F劈裂强度劈裂位移孔隙率10．376．2％l2％0．8323．3510．828参数见表l。20．376．7％14％0．8833．1640．797表1拉玛依水工70号沥青性能参数30_377．2％l6％0．8043．1860．624参数名称技术榆测4O．46．7％l2％0．9063．0220．855要求结果I50．47．2％14％0．8233．0830．867针入度(25℃，100g，5s)60~8074．5l60．46．2％l6％0．9043．4830．983软化点48-5548．1；70．437l2％12％0．8433．O050．772延度(5era、min，15℃，／era)>150177．8l80．436．2％14％0．8643．0130．794密度(25℃，／(~~cm3)实测0．988l90．437．2％l6％0．9053．1621．082含蜡量／％≤2．O0-81含水率，％O．o9闪点／℃≥26031O脆点<10-20．8溶解度／％>99．099．99实验中级配指数用r表示，油石比用B表示，填料用量用F表示。实验中r选取0．37、0．4、0．43三种工况；实验中B选取62％、6．7％、7．2％三种工况；实验中F选取l2％、14％、16％兰种工况。将这些工况组合共得出9种配比情况，对这些情况下的沥青试件进行劈裂实验，实验结果列于表2。对实验结果进行分析可知，油石比B对沥青混凝土材料的影响最为重要，对于该材料，油石比取6．7％时效果最好。填料用量F为次要影响因素，取12％时效果最佳。级配指数埘性能影响不大，取O．37时效果最好。2水工沥青混凝土心墙三轴试验影响水lr混凝土力学性能的参数很多，配合比、温度、成型方法、加载速率、冷热循环等都会埘其产生影响。沥青混凝土心墙的静三轴实验在SY一250试验台上进行，试样尺寸为中101×200mm，最大轴向载荷300kN，最大压力1．5MPa，体变彤测量精度0．1ml。试样的制备采用两种方法，静压成型和击实成型。静压成型采用压力试验台制备试样，试验台恒压为10M[Pa，制备时010％I(II】t0I脯2‘间为3分钟。击实成型采用马歇尔击实仪完《c)Oj神MP柚《d}“lm伸囊成，试样分3层进行击实，每层击实120次。试件1采用击实成型，其试样平均密度为图3不同加载速率下的三轴试验结果 新疆某水电站隧洞设计讨论王冬生f新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司新疆石河子832000)摘要本文针对引水式电站隧洞运行方武进行了比较，针对Ⅱ、Ⅲ类围岩隧洞衬砌进行了阐述，隧洞减糙衬砌设计方案可供同行参考。关键词隧洞运行方式；Ⅱ类围岩；隧洞减糙衬砌中图分类号：TV732．3文献标识码：B1工程概况属天山褶皱系，伊犁地块(Ⅲ。)中的拉提隆3．1无压型式开发方案起(Ⅲ24)。那拉提隆起(Ⅲ24)主要是一个北工程由拦河引水渠首、引水渠道、引水东东一南西西向的构造带。该构造带位于隧洞、压力前池、泄水陡坡、钢管、厂房组成。新疆某水电站是一座引水式电站，电站主要建筑物由拦河引水渠首、渠道及隧洞、天山西部，南、北天山之间，北以伊犁盆地拦河引水渠首采用拦河闸式，开敞式结构，北缘断裂(喀什河断裂)为界，南以那拉提压力前池、压力管道、泄水陡坡、电站厂房等由3孔泄洪冲砂闸和2孔引水闸组成。引水断裂为界。引水隧洞走向与主要构造线成组成，渠首采用拦河闸式，引水渠长0．9km，渠道总长0．9km，采用暗渠型式，拱形盖板结大角度相交，无大的断裂构造穿过洞线，地布置在右岸，渠道末端接无压城门洞型隧构。隧洞长3．02kin，采用无压流，城门洞型，层岩性为石炭系下统大哈拉军山组(C。d)洞，长2．992km，前池采用正面引水，左侧溢底宽3m，高4．3m，120。顶拱，Ⅱ、Ⅲ类围岩火山凝灰岩，岩层呈块状，产状N8。E水排沙，压力管为单管三机供水方式，直径采用减糙衬砌设计，Ⅳ类围岩采用了全断面NW65o，岩体较完整强风化厚约25m，2．8m，管长160m，厂房为地面式厂房。设计受力衬砌设计。隧洞出口接压力前池，前池弱风化12m～15m，天然密度2．66m，弱发电流量19．3m3／s，设计发电水头73．86m，采用正向进水侧向排沙的运行方式。泄水陡风化天然状态抗压抢渡55．2MPa，弱风化饱平均年有效发电量为4940万kW·h，装机利坡长120m，出口投入河道；压力钢管布设于和状态抗压强度39．6MPa，隧洞沿线岩性为用小时数为4125h，装机容量12MW。引水隧凝灰岩、灰绿岩、花岗岩，均为中硬岩，主要山坡上，采用地埋钢管，单根，D=2．8m，坡度洞为电站主要建筑物。为Ⅱ、Ⅲ类围岩，部分为Ⅳ类围岩。1：1．3；厂房长51．2m，宽14．09m。3．2有压型式开发方案2地质条件3隧洞型式比较工程主要由拦河引水渠首、引水暗渠、引水隧洞、调压井、压力管道、岔管、支管、厂工程区位于西天山北坡，区内总体地本工程中有压引水与无压引水在施工房组成。拦河引水渠首至隧洞进口处布置与势南高北低，地形南高北低起伏变化较大，技术及地质条件上都是可行的，最终由建无压引水方案基本相同，引水隧洞采用压力海拔l700m～530om。工程区在构造单元上筑投资确定。输水，长3．98km，圆形断面，洞径3．Om，衬砌验结果见图3。青混凝土心墙进行研究，得出击实成型、静压『2]朱晟．沥青混凝土防渗体的力学特性研由图3可以看出，不同围压下的加载成型实验结果，以及加载速率对沥青混凝土究与三峡茅坪溪土石坝安全分析[D]．河海速率三轴试验影响曲线的变化趋势基本一力学性能的影响。研究表明：大学，2006．致。相同围压下，加载速率越大，三轴应力(1)油石比B对沥青混凝土材料的影[3】陈永兴．沥青混凝土心墙堆石坝施工仿值越高，破坏性越强。不同围压下，加载速响最为重要，对于克拉玛依水工7O号沥真理论与应用研究【D】．天津大学，2012．率相同时，三轴应力值增长较慢。此实验说青，油石比取6．7％、填料用量F取12％、级【4]韩艳．沥青混凝土力学模型参数研究及明，加载速率越慢，沥青混凝土材料调整时配指数取0．37时效果最好。沥青心墙堆石坝三维数值分析[D]．西安理间越长，试件越不容易发生体积膨胀。(2)压实机理不同对沥青混凝土力学工大学，2010．性能有着较大影响。静压成型试件的应力一[5】何建新，杨晓征，马晓兰，等．骨科最大粒径3结论应变曲线更为陡峭，峰值更大。对浇注式沥青混凝土力学性能影响研究Ⅱ1l(3)加载速率越慢，沥青混凝土材料水资源与水工程学报，2013，05：88—91．沥青系统的主调整时间越长，试件越不容易发生体积【6]宋日英，李明霞，陈宇．沥青含量对浇筑式要用料，尤其广泛应用于土石坝心墙材料。随膨胀。陕西水利沥青混凝土力学特性的影响ⅡJ．人民长江，着坝高的不断增加，心墙的安全稳定性至关2011，10：83-86．重要。水工沥青混凝土的渗透系数一般小于参考文献【7]饶锡保，程展林，谭凡，等．碾压式沥青混凝lcrn，s，具有良好的防渗漏性能，可随坝体【1】余学明，何顺宾．冶勒水电站沥青混凝土土心墙工程特性研究现状与对策Ⅱ】．长江二变形，抗拉、抗压应变比值最大可达5％，变形心墙堆石坝基础防渗处理设计[q．现代堆科学院院报，2014，10：51—57性能良好。首先对沥青混凝土的制备要求和石坝技术进展：第一届堆石坝国际研讨会(责任编辑：黄灵芝)配比设计进行探讨。随后基于三轴试验，对沥论文集，2009：7．C'