瀝青混凝土心墻壩的風險監控與設計

劉世煌,鄭　琳

(1.水利部水電水利規劃設計總院，北京　100120；2.中國電建集團水電水利規劃設計總院，北京　100120)

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瀝青混凝土心墻壩的風險監控與設計

劉世煌1,鄭琳2

(1.水利部水電水利規劃設計總院，北京100120；2.中國電建集團水電水利規劃設計總院，北京100120)

摘要：討論了瀝青混凝土心墻壩中瀝青心墻的原材料、碾壓質量及工作性態的質量監控體系及其所存在的問題，同時也討論了相關的設計工作。

關鍵詞：瀝青混凝土心墻壩；風險監控；監控體系；監控指標

隨著茅坪溪碾壓式瀝青混凝土心墻壩的建成，在中國西部嚴寒強震頻發地區的深覆蓋層上相繼建成冶勒、黃金坪、下板地、龍石頭、旁多等100 m級高度的碾壓式瀝青混凝土心墻壩，這不僅使中國碾壓瀝青混凝土心墻壩的建設提高到一個更高的水平上，同時也因結構抗震及深覆蓋上的構造處理等，給工程增添一些新的風險，同時也向我們提出了完善現有風險監控系統及相應監控指標的要求。

為適應中國瀝青混凝土心墻壩發展，水電和水利系統分別于2009年和2010年頒布了DL/T5411-2009和SL501-2010《土石壩瀝青混凝土面壩和心墻設計規范》[1-2]。為了防范可能存在的洪水漫壩風險、壩體滲流破壞風險、壩坡失穩破壞等風險，及其由此而引起潰壩破壞，設計規范規定了相應的對策措施，初步建立了安全監控體系并提出了相應的監控指標，但由于中國100 m級高碾壓式瀝青混凝土心墻壩建設實踐尚不豐富，設計規范不可能涵蓋所有可能的風險，強震頻發地區深厚覆蓋層又給100 m級高碾壓式瀝青混凝土心墻壩帶來了許多新的問題。為了確保工程安全，宜在現有規范基礎上，針對實際可能發生的風險，以風險辨識為基礎，以風險監控為手段，完善風險監控體系，進一步提高工程的本質安全性[3]。

表1　中國100 m級及滲水碾壓式瀝青混凝土心墻壩表

1防止洪水漫壩的安全監控系統

瀝青混凝土壩的壩體填筑料均為可沖蝕材料，一旦洪水漫壩，瀝青混凝土心墻壩即可能發生災難性潰壩事件，給下游人民生命財產帶來重大損失。實踐證明洪水漫壩是土石壩發生概率最高的危險因素。

為了防止瀝青混凝土心墻壩洪水漫壩，設計規范明確提出了不同類型不同級別水工建筑物的相應設計洪水和校核洪水標準，規定了正常和非正常設計工況下不同水位的荷載組合，提出了嚴格的泄洪要求，還規定了不同類型不同級別建筑物壩頂的安全超高，建立了一整套防止洪水漫壩的安全監控體系，但由于洪水本身的不確定性，外延小概率洪水所帶來的風險，特別是梯級大壩連潰、地震滑坡涌浪組合、強烈余震中水庫應急放空時不穩定滲流、大體積漂浮物及閘門失控等對泄洪安全的影響，瀝青混凝土心墻壩仍然存在著洪水漫壩和潰壩的風險。

為了防止瀝青混凝土心墻壩洪水漫壩，針對嚴寒強震頻發地區深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩特點，除按規范要求進行洪水、泄洪能力及壩頂高程復核外，還要考慮歷史洪水及嚴寒地區冰川、融雪與降雨的組合型洪水對洪水計算成果的影響，完善水情測報系統、梯級聯合防洪調度，配備獨立備用電源，提高閘門及啟閉機等設備抗震性能，編制防止洪水漫壩應急預案。

2防滲體的安全監控系統與監控指標

深覆蓋層地基上瀝青混凝土心墻壩的防滲體包括：瀝青混凝土心墻、河床部位混凝土防滲墻，岸坡及河床底部基巖中的防滲帷幕。

瀝青混凝土是非散粒材料，本身不會發生滲流破壞，但瀝青混凝土心墻及其接頭部位的開裂，滲漏水仍可導致壩體滲流破壞甚至潰壩，實踐證明滲流破壞是土石壩中發生概率較高的危險因素。

2.1瀝青混凝土心墻的安全監控系統和監控指標

瀝青混凝土心墻是影響瀝青混凝土心墻壩安全的關鍵部件。瀝青混凝土心墻的工作性態直接關系到瀝青混凝土心墻壩的安全，因此規范對于瀝青混凝土心墻的工作性態極為關注，并力圖建立起一套嚴格的監控系統和完整的監控指標[4-5]。這個系統包括：原材料監控系統、瀝青混凝土施工質量監控系統、瀝青混凝土心墻工作性態監控系統，以及相應的監控指標。

(1) 瀝青混凝土原材料質量監控系統及監控指標

鑒于中國尚未頒布水工瀝青國家標準，設計規范對道路石油瀝青技術要求進行取舍，并根據DL/T5362水工瀝青混凝土試驗規程及工程結構性能、當地氣溫、運用條件和施工要求等，對碾壓式瀝青混凝土中石油瀝青的感溫性、耐久性、針入度、軟化點、延度、溶解度、脆點、含臘量、閃點、密度及薄膜烘箱后性能變化等，提出了相應控制指標。

另外規范還對堿性粗骨料、人工細骨料和填料質地、加熱后性質變化、表觀密度、耐久性、吸水率、有機質及含泥量、針片狀顆粒含量、強度、與瀝青黏附性、親水性、細度、粒徑等提出監控指標，實踐證明這些監控措施是有效的。

(2) 瀝青混凝土施工質量監控體系及監控指標

與普通混凝土的強度、抗凍、抗滲要求一樣，規范要求碾壓式瀝青混凝土心墻的孔隙率不大于3%，滲透系數不大于1×10-8cm/s，水穩定系數不小于0.9，瀝青含量6.0%～7.5%，粗骨料最大粒徑小于19 mm，并根據工程應用條件和應力要求，提出有關變形和力學指標。

根據瀝青混凝土室內三軸試驗成果及鄧肯-張非線性E～μ模型及雙曲服面彈塑性模型計算成果，茅坪溪大壩發現在上述模型參數中，模量數K是對心墻應力最敏感的因素：

K=400級，心墻豎向應力大于同高程庫水壓力，心墻不會水力劈裂;

K=300級，心墻豎向應力大部分大于同高程庫水壓力，考慮抗拉強度，可能不裂;

K=200級，心墻豎向應力小于同高程庫水壓力，考慮抗拉強度，可能水力劈裂。

為防止蓄水后瀝青混凝土心墻水力劈裂，對茅坪溪大壩提出瀝青混凝土模量數K=400～800、下板地大壩要求K≥400，并以此作為瀝青混凝土心墻質量監控指標，但是茅坪溪大壩碾壓倉面取樣的試驗成果表明，一期瀝青混凝土心墻的實際模量平均K=167.6，二期平均為135.7；現場鉆孔取芯樣測得最大K=266.4，最小84.1；利用壩體實測變位反演瀝青混凝土心墻模量K=334～342，即實際碾壓混凝土心墻模量數遠低于設計要求[6-7]。

仔細分析發現，大量瀝青混凝土三軸試驗所得到的非線性參數中，K值并不穩定，缺乏規律性。K值與瀝青混凝土黏彈塑性質、瀝青等原材料及配合比、試件成型和脫模、加荷前的固結蠕變時間、試驗圍壓、加荷速率、試驗溫度等有關，而在同一配比材料中，既使相同取樣方法和試驗條件下，仍會出現很大差距，這不僅說明，模量數K可能不宜作為瀝青混凝土心墻質量的評判標準，也要求人們研究更適合瀝青混凝土心墻工作特性的計算模型和相應的控制參數。

基于上述情況，設計規范不再把K作為瀝青混凝土心墻的質量監控指標，舍棄原有馬歇爾穩定度及馬歄爾流值指標，按照工程運用條件及應力要求，以瀝青混凝土抗彎強度和相對應的應變為控制指標，提出瀝青混凝土彎曲強度σ≥400 kPa，相應材料彎曲應變值應≥1%，并以此作為控制瀝青混凝土的質量指標。

表2　碾壓式瀝青混凝土心墻瀝青混凝土技術要求表

蘇洼龍瀝青混凝土心墻力學試驗成果說明：上述控制指標是可行的，是偏于安全的。

表3　蘇洼龍心墻瀝青混凝土力學試驗成果表

(3) 瀝青混凝土心墻工作性態的監控系統與監控指標

1) 拱效應

茅坪溪、冶勒等工程實測資料表明：心墻實測壓應力小于自重應力，心墻沉降變形率大于兩側過渡料沉降變形率，心墻與兩側過渡間已分別產生46 mm和55.26 mm錯位，即由于兩側過渡料的約朿，施工期瀝青混凝土心墻已產生了較明顯拱效應；而在陡峻河谷中，受兩岸基巖垂直河流方向的約朿，心墻的拱效應可能更加明顯[8]。

圖1茅坪溪105 m高程處心墻與過渡層間的相對變位圖

2) 瀝青混凝土心墻的水力劈裂

文獻[1]明確寫到：瀝青混凝土孔隙率小，孔隙封閉且不連通，又無孔隙水的存在，抗滲比降很大，瀝青混凝土雖有拱效應存在，但一般不會出現拉應力，瀝青混凝土心墻水力劈裂可不考慮。

筆者認為：冶勒瀝青混凝土心墻34只單向應變片中，蓄水后30只實測應變為壓應變，但有4只應變片為拉應變，最大拉應變為1 129 με，這說明瀝青混凝土心墻仍有可能產生拉應力，考慮到瀝青混凝土本身的抗拉抗彎強度，以及大竹河、馬家溝等瀝青混凝土心墻壩曾出現過的較嚴重滲漏現象，從安全計，宜慎重對待[9-10]。

表4　曾漏水的瀝青混凝土心墻壩表

3) 瀝青混凝土心墻應變監控

為監測瀝青混凝土心墻工作性態，理想的辦法是實測心墻應變，并由此計算墻體應力。

根據室內試驗，冶勒和茅坪溪大壩控制瀝青混凝土應變≤10 000 με。

由干瀝青混凝土心墻比較單薄，澆筑及碾壓時溫度較高，無法像普通混凝土結構那樣埋設應變計組，冶勒只能在心墻5個剖面的上下游面上，每5 m垂直向布設1只應變片，并用錨固板將應變片固定在心墻上下游壁上，應變片距心墻側面尚有5～10 cm距離，實際埋設于過渡層中。

冶勒大壩實測最大拉應變1 129 με，實測最大壓應變為75 050 με，其中蓄水后平均應變增加8 000～12 000 με，且下游側應變增量大于上游測應變增量。

茅坪溪大壩瀝青混凝土心墻底部和上部實測壓應變為10 000 με，但101～116 m高程處實測為54 000～59 000 με，實測結果早超過設計提出10 000 με的控制指標，甚至超出了瀝青混凝土強度所對應的應變值，上述兩工程實踐說明：利用心墻實測應變來反映心墻工作性態遇到了困難。

仔細分析認為，可能與應變片埋設方法有關。由于種種原因，應變片只能通過錨固板固定在心墻上下游壁面上，與心墻壁有一定距離，實際埋設于過渡料中，又未加隔離保護，雖然可通錨固板測到心墻變形，但已受到過渡料影響，不能真實反映瀝青混凝土心墻的工作性態，這種狀況必須改變，而且可以改變，通過監測心墻應變依然能成為監控瀝青混凝土工作性態的方法之一。

圖2　冶勒水電站0+220 m斷面心墻實測垂直向拉應變圖

圖3　冶勒水電站0+220 m斷面心墻SX22測點應變過程線圖

4) 瀝青混凝土心墻壩滲流量和滲壓監控

雖然心墻變形和壩體壩基滲壓也可以分析心墻的工作性態，但實踐證明壩體滲漏量監測，是反映瀝青混凝土心墻壩工作性態的最有效最直觀的辦法。

深覆蓋層上建筑壩后量水堰費用較大，比較困難，但壩后量水堰的作用是壩內和壩基滲壓等監測手段所無法替代的；在條件許可時，利用下游圍堰修筑壩后量水堰，雖只能測量到滲漏量的相對變化量，但正是這個滲漏量的變化，反映了心墻工作性態的變化。

筆者通過對40多座土石壩滲漏量與工作狀況資料的統計分析，認為大壩滲漏量與壩體防滲體面積有關，在不發生滲流破壞的前提下，壩體滲漏量可按下述標準控制[11-12]。

表5　瀝青混凝土心墻壩壩體滲漏量控制指標表

茅坪溪大壩壩后滲水總量27 L/s，合計每萬平方米心墻滲漏量2.5 L/s，冶勒水庫2005年蓄水，2007年11月15日庫水位2 650.45 m時(正常高水位2 650 m)，滲漏量336.76 L/s，其中單孔涌水量最大達10 L/s以上，且排水溝內出現渾水，攜出泥、沙和小石等，雖然滲漏水主要來源于右岸繞壩滲漏，但折合每萬平方米心墻滲漏量為119.95 L/s，為特大滲漏，且已發生輕微滲流破壞現象，采取補強灌漿后，滲漏量已基本達到可以接受程度，仍在加強監測。

2.2瀝青混凝土心墻壩混凝土防滲墻與防滲帷幕監控系統和監控指標深覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩的壩基

防滲措施，常為覆蓋層中的混凝土防滲墻及基巖中防滲帷幕[13-14]。在自重及水和地震等荷載作用下，瀝青混凝土心墻壩的壩基混凝土防滲墻受力比較復雜。蘇洼龍防滲墻厚1.2 m，深66 m，采用C35、W10混凝土，防滲墻與混凝土基座采用剛性聯接，三維有限元計算成果表明，正常水位工況下竣工期和蓄水后防滲墻向下游變位分別為5.2 cm和23 cm，中間部位墻體垂直向完全受壓，兩側局部受拉，最大壓應力38.5 MPa，最大拉應力2.18 MPa，計算結果均超過混凝土強度，存在下部壓碎上部拉壞的可能。鑒于防滲墻的真實變位很難測量，應力監測點數量有限，因此需要進一步完善瀝青混凝土心墻壩防滲系統的監測手段，實測幕前幕后的滲壓差，實測壩基內滲流比降，創造條件實施壩后滲流量監測。

2.3瀝青混凝土心墻壩各防滲體接頭部位的監控系統與監控指標

瀝青混凝土心墻壩各防滲體間接頭部位包括：瀝青混凝土心墻與混凝土基座接頭、河床部位混凝土基座與混凝土防滲墻接頭、防滲墻與兩岸及河床底部基巖中防滲帷幕接頭、防滲體系與其他建筑物接頭。

實踐證明，深覆蓋層上壩體各防滲體接頭部位是防滲體系中最薄弱環節，特別是陡峻河谷灌漿檢查廊道與兩岸坡基巖接頭部位，這里既是瀝青混凝土心墻與混凝土基座的接頭部位，又是灌漿檢查廊道與混凝土防滲墻接頭部位，還是防滲墻與兩岸及河床底部基巖中防滲帷幕接頭部位，更是深厚覆蓋層與堅硬基巖接頭部位，雖然混凝土防滲墻對心墻的垂直變位有頂托作用，但是蓄水后基巖與覆蓋層間不均勻變形，仍是接頭斷裂及滲漏的主要原因。

茅坪溪大壩瀝青混凝土心墻下面壩體灌漿廊道工作縫漏水，單孔最大漏水約1 L/s，廊道總滲水約4～6 L/s，滲水點除白色析出物外還有黑色黏滑有機析出物。

圖4為2013年9月茅坪溪大壩瀝青混凝土心墻底部廊道沉陷縫漏水及黑色析出物。

圖4瀝青混凝土心墻底部廊道沉陷縫漏水及黑色析出物圖

正由于上述接頭部位是瀝青混凝土心墻壩防滲的關鍵部位，設計上應綜合受力和施工等因素，提高接頭部位覆蓋層剛度，優選接頭部位結構型式，優選止水規格，努力減少基巖與覆蓋層間水平向和垂直向不均勻變形，與此相應，也應完善相應變位、滲流、應力監控系統。參照同類工程經驗及本工程計算成果，建立相應監控指標。

3強震頻發地區深覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩壩坡穩定監控系統

當今中國瀝青混凝土心墻壩正向西部嚴寒強震頻發地區發展，并且常遇到深覆蓋層問題，除了嚴寒地區瀝青混凝土施工技術和施工縫結合問題、以及上述防洪水漫壩和心墻工作性態問題外，突出的問題還有強震頻發地區壩坡穩定及結構抗震。

(1) 當今的大壩抗震及邊坡穩定風險監控體系與風險監控指標是可行的。

(2) 強震頻發地區深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩的結構抗震，宜考慮中國西部地區地震及覆蓋層結構特點。

1) 中國西部地區強震頻發、強烈余震累進破壞；強震期滑坡、泥石流頻發、多起堰塞湖疊生，地震次生災害嚴重；覆蓋層結構及組成復雜，常常伴有可液化土，存在著架空現象，深厚覆蓋層地震反應影響較大。

2) 當前地震預測預報水平與工程要求尚有一定差距，以一次強震為計算荷載，未考慮強震頻發，主～主型震型及頻發強烈余震的累進破壞，地震工況中未考慮近壩區滑坡涌浪與應急放空時不穩定滲流組合影響，未考慮地震與冰荷載的組合等，可能不符合中國西部地區地震特點，再加上地震動輸入和材料抗震性能的研究薄弱，因此強震頻發地區深覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩的抗震安全監控指標宜留有一定余度，或按抗震規范規定提高1度設防。

4結語

(1) 碾壓式瀝青混凝土心墻壩在中國是一種較新的壩型，現正向西部嚴寒強震頻發地區發展，許多大壩還遇到深覆蓋層問題。由于中國100 m級碾壓式瀝青混凝土心墻壩實踐經驗尚不豐富，完善瀝青混凝土心墻的工作性態安全監控體系和監控指標，是適應瀝青混凝土心墻壩發展的需要。

(2) 根據茅坪溪、冶勒等工程實踐，宜改進以瀝青混凝土模量數為主的安全監控體系；改進瀝青混凝土心墻應變監測辦法；加強壩后滲漏量監測，完善滲漏量監控指標；優化瀝青混凝土心墻壩防滲體接頭的結構設計；完善相應監控手段及監控指標；強震頻發地區瀝青混凝土心墻壩應適應中國西部地區地震及覆蓋層特點，安全監控指標宜留有一定余度。

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Risk Monitoring and Design of Dam with Asphalt Concrete Core

LIU Shihuang1, ZHENG Lin2

(1. Water Resources and Hydropower Planning and Design General Institute, Beijing100120,China;2. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing100120,China)

Abstract:Raw materials, compaction quality, quality control system and issues of operating pattern of the asphalt core of the dam with the asphalt core are discussed in the paper. Meanwhile, relevant design is also discussed.

Key words:dam with asphalt concrete core; risk monitoring; monitoring system; monitoring index

中圖分類號：TV641.41

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.001

作者簡介：劉世煌(1941- )，男，江蘇省南京市人，教授級高工，從事水利水電工程勘測、設計、科研、設計審查、咨詢、安全鑒定、安全評價等工作.

收稿日期：2015-08-02

文章編號：1006—2610(2016)02—0001—05