广西天力建设工程有限公司
摘要：在水库大坝的建设过程当中，沥青混凝土心墙因为抗渗能力比传统墙体材质高出很多，适应变形能力也很好，还可以和大坝主体同步施工，加快水库大坝施工的效率，成为了目前我国水库大坝建设过程中最常使用的重要坝型之一。本文主要分析沥青混凝土心墙的技术特性、应用优点和施工方法，并且通过工程实例来进行分析，所采用的分析方法可为类似工程提供必要的技术参考。
关键词：水库；大坝；防渗加固；沥青；位移；分析
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
某水库位于县城西北，坝址位于某镇河西村 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，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%。
表 1 各种标号沥青基本参数
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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σ max、应变 ε、变形模量 E 计算公式如下。
σ max＝3PL/2bh2（1）
ε＝6fh/L2 （2）
E＝σ max/ε （3）
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。
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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。
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。
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。
表 2 不同心墙厚度渗流计算结果
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图 2 0.3 m 心墙渗流计算简图
4 结束语
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。
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