沥青心墙混凝土坝一二期接头型式研究与运用

张俊涛，朱田胜

（西藏旁多水利枢纽管理局，850000，拉萨）

一、工程概况

旁多水利枢纽工程位于西藏自治区林周县旁多乡下游1.5km处的拉萨河干流上，为拉萨河中段梯级开发之首，是西藏自治区“十五”期间重点水利工程项目，工程任务以灌溉、发电为主，兼顾防洪和供水。

枢纽由大坝、泄洪洞、泄洪兼导流洞、引水系统、发电厂房、灌溉输水洞等组成。工程规模为大（1）型，工程等别为Ⅰ等，大坝为1级建筑物。水库总库容12.3亿m3，设计正常蓄水位4 095 m，洪水位4 096 m，校核洪水位4 098.7 m，本工程地震基本烈度为Ⅷ度，大坝地震设计烈度采用Ⅸ度。

大坝为碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝顶高程为4 100 m，最大坝高72.30 m，坝顶长为1 052 m。沥青混凝土心墙中心线位于坝轴线上游3 m处，心墙顶高程4 098.7 m。沥青混凝土心墙采用变厚度设计，4 078 m高程以上心墙厚度0.7 m，4 078～4 053 m高程之间心墙厚度0.85 m，4 053 m高程以下心墙厚度1 m，底部3 m高范围沥青混凝土心墙厚度由1m扩大到2.2 m，两岸沥青混凝土心墙与岸坡基座、一二期沥青混凝土心墙之间采用扩大端头型式连接。沥青混凝土心墙与基础混凝土防渗墙采用混凝土基座连接，在基座的下游侧设置灌浆廊道。沥青心墙两侧设4 m厚的砂砾石过渡料。

坝体填筑分两期施工，一期施工左岸滩地，二期施工右岸河床。一、二期沥青心墙接头设计采用扩大接头型式，纵向1∶3斜坡。实际施工过程中高程4 046 m以上一期沥青心墙未能预留扩大接头，扩大接头无法实现。

二、接头方案拟定

图1 拟定接头示意图

经综合考虑，初步拟定采用包裹式接头型式。考虑旁多工程覆盖层深，地震设计烈度高，地处高海拔地区，一期与二期心墙之间、心墙与过渡料之间、分期施工及蓄水后心墙变形及应力条件复杂。为验证包裹式接头型式的合理性，选择合理沥青砂浆配合比和砂浆厚度等参数，保证接头具有良好的适应变形能力、抗渗性能、抗震性能等，需开展包裹式接头型式专项研究。

初步拟定试验及计算方案为包裹搭接水平长度3 m，沥青砂浆过渡层厚10 cm，两侧包裹混凝土厚度50 cm，最终沥青砂浆厚度、沥青砂浆配合比、二期包裹水平长度、二期包裹两侧心墙宽度等参数通过试验确定，具体结构见图1。

三、接头试验

1.试验过程

为了论证包裹式接头型式的技术可行性，选择合理的材料和结构设计参数，提出施工指导意见，开展沥青砂浆性能与黏接厚度及接合处整体性能试验。针对材料性能和工艺开展专项试验研究，包括：沥青砂浆材料试验、沥青砂浆厚度与沥青混凝土接合处整体性能试验、接头型式工艺性试验。

针对此次各项试验内容，试验使用的主要仪器设备如下：LSZ—300A微机控制沥青混凝土三轴试验系统、WDW—20E微机控制电子式万能试验机、沥青混凝土电动脱模器、DF—4/—5型电脑沥青针入度测定仪、DF—10（11）型多功能电脑全自动软化点测定仪、SY—2B型低温双数显沥青延伸度仪、82型沥青旋转膜烘箱、HWY—30恒温水浴、沥青混合料拌和机、沥青混合料标准筛、电子天平（感量 1 mg）、电子天平（感量 0.01 g）等。

2.试验结论与建议

经过各项试验研究，得出如下结论和建议：

①根据室内试验和现场模拟试验结果，采用8 cm或10 cm作为砂浆过渡层施工厚度都能够达到很好的黏结、缓冲和防渗作用，且力学性能和适应变形能力差别不大，考虑到经济因素，选择8 cm作为推荐施工厚度。

②沥青砂浆具有良好柔性和抗渗性能，可以较好地适应沥青混凝土心墙整体变形，将分期施工沥青混凝土心墙链接为一个完整的防渗体系，但其材料弹性模量较小，建议施工过程严格控制砂砾石过渡料压实度和二期浇沥青混凝土孔隙率，保证对沥青砂浆形成刚性约束，限制材料可能产生的变形。

四、接头有限元计算分析

1.计算内容

模拟沥青混凝土心墙坝的分期施工过程，根据试验数据选择合理计算参数，分析不同工况、不同部位的应力应变情况。

选取一、二期沥青心墙接头高程4 046 m处为典型剖面进行应力应变计算，计算剖面桩号0+661.45 m。

计算方案：静力计算和动力计算。动力计算采用拟静力法，模拟正常运行期遭遇9级地震的情况。

计算工况：静力计算按照旁多心墙坝分期施工的填筑顺序，自底向上模拟施工填筑的过程。填筑完成后模拟两级蓄水的过程。动力计算模拟稳定渗流时的正常运行期间遭遇9级地震的情况。计算方案及工况见表1。

表1 计算方案及工况

表2 推荐沥青砂浆配合比参数

2.计算方法

计算采用二维非线性有限元计算方法。坝体堆石、基岩、过渡层和沥青混凝土均采用Duncan—Chang E—B模型，混凝土基座、廊道衬砌和防渗墙采用理想弹塑性模型。计算考虑了材料杨氏模量、体积模量、抗剪强度的非线性特性，以及两种材料接触面上剪应力与相对变位的非线性特性，还考虑了加卸荷过程中材料的非线性弹塑特性。

3.综合分析

①目前高程4 046 m以下坝体变形已基本完成。新填筑的高程4 046 m以上坝体完工期沉降值为40.6 cm。

②蓄水后上游坝体由于上浮力作用沉降减小，最大沉降点移向下游。完工期上下游水平位移基本对称，蓄水后向下游位移增大。位移结果符合心墙坝的变形规律。

③基础为深厚砂砾石覆盖层，k值偏低，因此水平方向位移最大值位于基础中；基础沉降值较大，坝体最大沉降位于坝底。

④心墙接头处有0.029 MPa拉应力，继续填筑后消失。

五、方案设计

1.技术可行性

根据试验结果，包裹式接头型式中沥青砂浆能较好结合一、二期沥青混凝土，具有一定的变形适应能力和抗渗性能。根据有限元计算分析结果，接头型式的改变对坝体整体应力变形情况无改变，仅对接头部位心墙应力变形产生影响。在静力工况下心墙接头仅在施工期局部时段产生0.029 MPa拉应力，随着坝体填筑拉应力消失。根据试验和计算分析结果，采用包裹式接头技术上是可行的。

2.沥青砂浆厚度确定

根据接头试验结果，包裹式接头上下游侧面沥青砂浆厚度与接头力学性能和抗渗性能存在如下规律：

（1）接头处密实性能

随着沥青砂浆厚度的增加，其孔隙率逐渐减小。当沥青砂浆厚度增加至8 cm后，孔隙率趋于稳定。这是由于沥青砂浆厚度增加，易于沥青砂浆流淌，填充密实。

（2）接头处抗渗性能

采用逐级增加水压的方式测试渗漏情况。接头处抗渗性能试验测试结果均不渗漏。

（3）接头处剪切性能

接头处剪切强度值最大为1.31 MPa，最小为1.08 MPa。接头处剪切强度与接合面粗糙程度、表面骨料形态等有关，沥青砂浆过渡层与沥青接合效果较好。

（4）接头处拉伸性能

随着沥青砂浆厚度的增加，其抗拉强度并未出现明显变化，当沥青砂浆过渡层厚度达到8 cm后，拉伸试验各项性能指标趋于稳定。

（5）接头处弯曲性能

随着沥青砂浆厚度的增加，其抗弯强度并未出现明显变化，当沥青砂浆过渡层厚度达到8 cm后，其他弯曲性能指标趋于稳定，故沥青砂浆厚度取8 cm。

3.包裹式接头结构设计

（1）结构布置

包裹式接头型式中，包裹搭接水平长度3 m，两侧包裹混凝土厚度0.52 m，在一期心墙上下游侧面设8 cm厚沥青砂浆过渡层，以改善竖直面新老混凝土接合面的性能。从高程4 046 m开始，每10 m高设一组两向测缝计和渗压计，以观测接头部位变形和渗漏情况。

二期心墙沥青混凝土仍采用原设计材料和配合比，沥青砂浆原材料可利用工程现有沥青混凝土原材料，细骨料可采用成品料适当调整级配，建议配比见表2，并根据现场生产性试验最终确定。

（2）技术要求

①一期沥青混凝土心墙端头及上下游侧面表部不密实沥青混凝土应予凿除，露出新鲜、密实沥青混凝土面，凿除面平整度差不大于1 cm，同时保证一期心墙厚度不小于原设计厚度。二期心墙铺筑前接触面按规范要求进行加热处理。

②一期沥青混凝土心墙上下游侧面沥青砂浆应采取立模铺筑措施，以保证砂浆结构尺寸，接头部位沥青铺筑厚度与二期沥青心墙铺层厚度一致。

③考虑包裹接头部位一期心墙已经施工完成，碾压设备无法靠近一期心墙，靠近接合面局部可采用夯实方法。同时上下游侧面为竖直接合面，只能靠侧向挤压作用和混合料的流动性使接合面衔接紧密，故施工过程中应严格控制沥青砂浆及混合料的入仓温度，选择适当的碾压或夯实参数，同时避免上层施工对下层已施工完接合面的干扰。对接合面采区针对性的质量控制和检测措施。施工单位应根据现场试验情况选择合适的施工方法。