水庫工程瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)研究

康樸

(河北省水務(wù)中心，石家莊，050408)

0 引言

瀝青混凝土防滲面板作為水庫工程建設(shè)的重要組成部分，對水庫工程的使用性能與壽命具有較大影響[1]。在水庫運行過程中，受到各項自然因素與干擾因素的影響，其瀝青混凝土防滲面板的穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定程度的變化，不利于水庫運行的安全性[2]。通常情況下，瀝青混凝土防滲面板的適應(yīng)變形能力相對較強，面板的密度較高，幾乎不存在漏水現(xiàn)象[3]。然而，水庫工程的長期運行，其瀝青混凝土防滲面板的荷載會發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)水位上升與下降速率的不同，防滲面板的基礎(chǔ)層會發(fā)生變形，導(dǎo)致面板整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降，產(chǎn)生裂縫，引發(fā)水庫工程安全事故[4]。因此，科學(xué)合理的瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)對水庫工程的建設(shè)與發(fā)展至關(guān)重要。當(dāng)前，傳統(tǒng)瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)的研究仍然不夠完善，在提高防滲面板層底防裂應(yīng)力方面存在不足[5]?；诖?，本文以某地區(qū)X水庫工程為例，提出了一種新的防滲面板防裂技術(shù)，提高了面板壩安全性能，為同類工程設(shè)計施工提供參考。

1 水庫工程瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)設(shè)計

1.1 優(yōu)化施工材料配合比

針對水庫工程瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)設(shè)計，本文首先優(yōu)化施工材料的配合比，提高瀝青混凝土防滲面板的使用性能。水泥性能指標如表1所示，各類材料性能指標均能滿足標準要求。

表1 水泥性能指標

粗骨料采用抗沖擊能力較高的瀝青混合料，細集料采用能夠填充孔隙的礦粉，將二者結(jié)合形成瀝青膠漿[6]。根據(jù)水泥砂漿配合比標準，獲取硅酸鹽水泥與中砂配制的強度，強度計算公式為：

fm,0=kf2

(1)

其中，fm,0表示水泥砂漿的配制強度；f2表示水泥砂漿在使用過程中的抗壓強度等級值；k表示瀝青混凝土防滲面板防裂施工水平系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，計算防裂技術(shù)施工過程中，每立方米水泥砂漿的用量，公式為：

Qc=1000(fm,0-β)/(a·fce)

(2)

其中，fce表示水泥砂漿的實際測量強度；a表示硅酸鹽水泥的特征系數(shù)；β表示中砂的特征系數(shù)。接下來，計算防裂技術(shù)施工中，每立方米水泥砂漿摻和料用量情況，公式為：

QD=QA-QC

(3)

其中，QA表示瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)施工中，每立方米情況下，砂漿中水泥摻和料的總量。通過上述計算公式，確定防滲面板防裂技術(shù)施工中，水泥砂漿施工材料的配合比，在此基礎(chǔ)上，不斷調(diào)節(jié)施工材料單位體積內(nèi)的裝填密度值，進而達到控制施工材料強度性能的目標[7]。根據(jù)施工材料的配合比，測定施工材料使用過程中的抗壓強度，為瀝青混凝土防滲面板的防裂技術(shù)施工提供基礎(chǔ)保障。

1.2 設(shè)置防滲面板防裂夾層

在上述施工材料配合比優(yōu)化完畢后，根據(jù)防滲面板防裂技術(shù)的相關(guān)施工要求，設(shè)置防滲面板的防裂夾層，提高防滲面板的抗裂應(yīng)力。將水庫工程施工人員劃分為兩組，一組人員負責(zé)清理瀝青混凝土防滲面板中的多余雜質(zhì)；另一組人員需要通過噴砂設(shè)備清除防滲面板表面的浮漿[8]。兩組施工人員的處理過程，如圖1、圖2所示。

圖1 防滲面板清理

圖2 水庫工程噴砂打毛工序

圖1、圖2所示為兩組施工人員的施工過程。接下來，利用粘層油噴灑設(shè)備，將粘層油均勻噴灑在防滲面板上。噴灑過程中，嚴格控制粘層油的噴灑量，設(shè)定每次噴灑的長度不超過100m，控制粘層油的厚度，避免出現(xiàn)厚度過大導(dǎo)致的層間滑移。在粘層油噴灑結(jié)束后，利用紅外溫度槍，實際測量粘層油與瀝青混凝土面板之間的溫度，如圖3所示。

圖3 粘層油噴灑溫度實測

通過紅外溫度槍，分別測量瀝青混凝土防滲面板噴灑粘層油后，各個部位的溫度變化，并實時記錄。在粘層油溫度較高的位置，鋪設(shè)聚酯玻纖布，降低粘層油溫度的同時，作為防滲面板的防反層，在不同荷載的作用下，實時記錄瀝青混合料層與混凝土混合料層的結(jié)構(gòu)變化。采用優(yōu)質(zhì)改性熱瀝青，在粘層油表面形成一層瀝青膜，提高防滲面板的防滲性能。綜合考慮水庫工程瀝青混凝土防滲面板運行的實際情況與具體的特征，本文采用型號為SMA-13的玻纖格柵作為防裂夾層，利用鼓風(fēng)機、鐵碾子與玻纖格柵鋪設(shè)設(shè)備，將玻纖格柵布設(shè)在瀝青混合料層中。在鋪設(shè)玻纖格柵時，結(jié)合攤鋪架的鋪設(shè)作用，設(shè)置瀝青混凝土防滲面板接縫兩側(cè)的寬度大于1m，將玻纖格柵進行裁剪，裁剪為20m一段的形式，將玻纖格柵鋪設(shè)在瀝青膜表面，鋪設(shè)過程如圖4所示。

圖4 玻纖格柵鋪設(shè)過程

圖4所示為水庫工程瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)施工中，玻纖格柵的鋪設(shè)過程。鋪設(shè)后利用鐵碾子反復(fù)壓實，將多余的玻纖格柵裁掉，提高玻纖格柵與瀝青混凝土防滲面板的貼合程度，使防滲面板的防滲功能與防裂功能達到最佳。

1.3 測定防裂夾層粘結(jié)系數(shù)

基于上述瀝青混凝土防滲面板防裂夾層設(shè)置結(jié)束后，結(jié)合防滲面板粘結(jié)性能的原理，測定防裂夾層粘結(jié)系數(shù)，判斷瀝青混凝土防滲面板上下界面的粘結(jié)性能與防滲防裂性能。根據(jù)玻纖格柵與聚酯玻纖布的鋪設(shè)情況，獲取防裂夾層與瀝青混凝土之間的接觸狀況，在干燥狀態(tài)下，計算防滲面板防裂夾層與瀝青混凝土之間的粘結(jié)系數(shù)，公式為：

(4)

其中，k表示防滲面板防裂夾層與瀝青混凝土之間的粘結(jié)系數(shù)；F表示防滲面板受到的豎向力；A表示防滲面板防裂夾層的剪切面積；S表示防滲面板的界面位移；40°表示防滲面板豎向位移的角度分量。通過計算，獲取到防滲面板防裂夾層的粘結(jié)系數(shù)，根據(jù)粘結(jié)系數(shù)的實際結(jié)果，得出瀝青層、混凝土層與防滲面板防裂夾層之間存在的關(guān)系，掌握防滲面板的實際使用性能，判斷防滲面板裂縫的擴展狀況與變化規(guī)律，全方位實現(xiàn)瀝青混凝土防滲面板防裂與防滲的目標。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

為了對本文上述的水庫工程瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)的可行性作出進一步客觀分析，進行了如下文所示的實驗測試。本次實驗選取某地區(qū)X水庫工程作為研究對象，該水庫工程控制流域面積約為236km2，庫容可達2860億m3，水庫大壩由混凝土組成的斜墻土石壩，壩頂長為425m，高度為43.7m，壩坡的斜墻比為1∶2，在水庫迎水面的前趾處設(shè)有深度為60m的瀝青混凝土防滲面板。X水庫工程的建設(shè)時間較長，經(jīng)過多年的運行，瀝青混凝土防滲面板的老化開裂程度較嚴重，在壩基處的防滲墻上，也存在局部裂縫現(xiàn)象，導(dǎo)致水庫大壩的滲漏情況嚴重。X水庫工程壩基裂縫，如圖5所示。

圖5 X水庫工程壩基裂縫示意

將本文設(shè)計的瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)應(yīng)用到X水庫工程中。首先在原始大壩防滲墻前方增設(shè)10m的深懸掛式防滲墻，澆筑厚度為30.5cm的混凝土面板，控制各個防滲面板之間的分縫間距不超過11.5m，在防滲面板與壩基趾板之間布設(shè)間距為1米的周邊縫，生成全新的水庫工程防滲體系。按照水庫工程瀝青混凝土路面施工規(guī)范，設(shè)計防滲面板混合料的配合比。本次實驗選用石灰?guī)r作為防滲面板的集料，石灰?guī)r研磨后的礦粉作為填料，結(jié)合SMA-13級配標準，設(shè)計礦質(zhì)混合料的級配。采用有限元分析方法，根據(jù)水庫工程瀝青混凝土壩基結(jié)構(gòu)，建立壩基結(jié)構(gòu)防裂模型，設(shè)置壩基瀝青混凝土結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，如表1所示。

表1 壩基瀝青混凝土結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表1所示為本次實驗中，水庫工程壩基瀝青混凝土結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，使瀝青混凝土防滲面板的強度得到顯著提高?？刂品罎B面板接縫處傳力桿的傳荷能力，不斷調(diào)節(jié)接縫兩側(cè)的防滲面板彎沉差，實現(xiàn)防滲面板防裂的目標。

2.2 結(jié)果分析

利用有限元分析方法，獲取本文設(shè)計的水庫工程瀝青混凝土防滲面板防裂的效果，采用對比實驗的方式，將本文提出的防滲面板防裂技術(shù)與傳統(tǒng)的防裂技術(shù)進行對比，對比兩種防裂技術(shù)應(yīng)用后，水庫工程瀝青混凝土層底的防裂應(yīng)力變化情況，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種防裂技術(shù)瀝青混凝土層底防裂應(yīng)力對比

根據(jù)圖6的對比結(jié)果可知，在兩種瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)中，本文提出的防裂技術(shù)，其瀝青混凝土層底防裂應(yīng)力隨著瀝青層模量的增加逐漸呈現(xiàn)上升趨勢；且上升速度較傳統(tǒng)防裂技術(shù)相比更加具有優(yōu)勢；傳統(tǒng)防滲面板防裂技術(shù)瀝青混凝土層底防裂應(yīng)力上升速度較緩慢，且在瀝青層模量為2000MPa時防裂應(yīng)力小幅度下降，由此可見，本文設(shè)計的防滲面板防裂技術(shù)的可行性更高。

3 結(jié)語

綜上所述，為了改善傳統(tǒng)水庫工程瀝青混凝土防滲面板防裂技術(shù)中存在的問題與不足，本文在傳統(tǒng)防裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，作出了改進設(shè)計，提出了一種新的防滲面板防滲技術(shù)。通過本文的研究設(shè)計，有效提高了水庫工程瀝青混凝土層底的防裂應(yīng)力，降低了水庫壩基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的概率，為我國水庫工程建設(shè)的安全性與穩(wěn)定性提高了重要保障。