瀝青混凝土面板與土工膜防滲連接方式研究

摘要：江蘇句容抽水蓄能電站上水庫采用庫周瀝青混凝土+庫底土工膜相結(jié)合的防滲措施，這兩種防滲措施在抽蓄電站中尚屬首次結(jié)合運用，其中土工膜和瀝青混凝土之間連接接頭的設(shè)計及施工難度較高，尚無成果經(jīng)驗借鑒。為此，采用三維有限元計算和模型試驗相結(jié)合的方法，研究了適應(yīng)高壩以及回填庫盆大變形條件的庫周瀝青混凝土面板+庫底土工膜的3種接頭連接型式。研究結(jié)果表明：在瀝青混凝土面板底部設(shè)置與土工膜的混凝土連接板的方案較優(yōu)；

同時，針對土工膜與瀝青混凝土面板直接錨固的方案，若能驗證錨固用環(huán)境砂漿與瀝青混凝土的長期運行可靠性，仍不失為一種創(chuàng)新性方案。

關(guān) 鍵 詞：瀝青混凝土面板堆石壩； 土工膜； 庫盆； 應(yīng)力變形； 有限元分析； 句容抽水蓄能電站

中圖法分類號： TV743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.11.009

0 引 言

為了實施可再生能源替代，實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，近年來抽水蓄能電站得到快速發(fā)展，到2030年，抽水蓄能電站裝機容量將達(dá)1.2億kW^［1-2］。隨著抽水蓄能電站的蓬勃發(fā)展，水庫防滲技術(shù)也取得了一定進(jìn)展，其防滲型式主要包括鋼筋混凝土、瀝青混凝土、黏土鋪蓋、土工膜等，其中瀝青混凝土和土工膜因其優(yōu)異的防滲性能而廣泛應(yīng)用于土石壩防滲結(jié)構(gòu)^［3-6］。美國拉丁頓（Ludington）^［7］抽水蓄能電站庫底黏土鋪蓋+庫周瀝青混凝土面板相結(jié)合的全庫盆防滲方案，是較早采用綜合防滲的工程之一;日本沖繩（Okinawa）^［8］海水蓄能電廠土工膜防滲系統(tǒng)，其土工膜防滲效果較好，有效緩解了海水腐蝕、微生物附著等技術(shù)問題。

中國土石壩采用瀝青混凝土作防滲結(jié)構(gòu)起步于20世紀(jì)70年代初，目前大多應(yīng)用于抽水蓄能電站水庫的防滲面板和心墻^［9］。采用瀝青混凝土面板的工程主要有張河灣、西龍池、寶泉、呼和浩特、天荒坪^［10-11］等，其中已建成國內(nèi)最高的西龍池下庫壩，蓄水后庫盆基礎(chǔ)不均勻變形較為明顯^［12］；泰安上水庫由于其地形條件復(fù)雜，庫盆回填區(qū)易產(chǎn)生較大的不均勻沉降，因而采用適應(yīng)變形能力強的土工膜防滲^［13］，是國內(nèi)第一個成功使用土工膜防滲的大型水電工程，隨后，江蘇溧陽、江西洪屏等抽水蓄能電站均在庫底大規(guī)模采用土工膜防滲。

句容抽水蓄能電站位于江蘇省句容市境內(nèi)，上水庫主壩最大壩高182.3 m，壩頂高程272.4 m，上游坡比1∶1.7，庫盆采用半挖半填布置，庫底高程237.0 m，最大回填深度達(dá)120 m，總填筑方量1 100多萬m3，采用庫周瀝青混凝土+庫底土工膜的全庫盆防滲方案^［14］。它是世界上已建、在建最高的瀝青混凝土面板壩，也是規(guī)模最大的庫盆填筑工程及最高的抽水蓄能電站大壩。上水庫庫壩基礎(chǔ)地質(zhì)條件及填筑料巖性復(fù)雜，可靠的變形控制和防滲結(jié)構(gòu)是工程關(guān)鍵技術(shù)問題^［15-16］。由于類似工程庫盆滲漏主要來源于土工膜與周邊結(jié)構(gòu)的錨固處^［17］，對于壩高及回填深度最大的句容上水庫，研究適應(yīng)更大變形的瀝青混凝土面板+庫底土工膜的接頭連接型式，對防止庫壩滲漏、保證大壩運行安全十分重要。

為此，本文采用庫壩彈塑性有限元分析和模型試驗相結(jié)合的方法，研究合理的接頭型式。

1 瀝青混凝土面板與庫盆土工膜連接型式

庫壩典型剖面如圖1所示。對于瀝青混凝土面板與土工膜的連接，研究以下3種連接方式：① 在土工膜與瀝青混凝土面板之間設(shè)置混凝土連接板，并將連接板布置在瀝青混凝土面板底部（方案1）；② 在土工膜與瀝青混凝土面板之間設(shè)置混凝土連接板，并將連接板布置在瀝青混凝土面板頂部（方案2）；③ 取消連接板，采用在瀝青混凝土面板上打孔，回填環(huán)氧砂漿種植螺桿，直接將土工膜錨固在瀝青混凝土面板上（方案3）。詳細(xì)型式如圖2所示。

2 瀝青混凝土面板與土工膜連接的有限元分析

2.1 庫壩接頭計算網(wǎng)格剖分與填筑蓄水過程模擬

對瀝青混凝土面板與土工膜的3種連接方式進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，結(jié)果如圖3所示。方案1共剖分單元數(shù)4 693，節(jié)點數(shù)9 656；方案2共剖分單元數(shù)4 690，節(jié)點數(shù)9 676；方案3共剖分單元數(shù)4 686，節(jié)點數(shù)9 688。

考慮到壩體施工分層碾壓填筑，荷載采用逐級施加的方式，根據(jù)設(shè)計提供的大壩填筑施工程序以及水庫蓄水位變化過程，共分38級模擬大壩填筑蓄水加載過程。

2.2 庫壩料本構(gòu)模型與計算參數(shù)

計算采用面板堆石壩設(shè)計規(guī)范推薦的統(tǒng)一廣義塑性模型^［18］。根據(jù)壩料室內(nèi)三軸試驗結(jié)果，整理模型參數(shù)，見表1。

庫壩料的流變過程伴隨著大壩應(yīng)力的變化，采用增量流變模型^［19］考慮應(yīng)力路徑或應(yīng)力歷史對堆石流變的影響，模型計算參數(shù)見表2。

在有限元計算中，對于埋設(shè)在庫盆的土工膜設(shè)置為沿庫盆底部平面的一組既不能承受彎矩，也不能承受壓力的柔性平面單元。根據(jù)復(fù)合土工膜的拉伸試驗曲線，經(jīng)向拉伸應(yīng)變在0～50%之間變化，拉力與應(yīng)變接近線彈性關(guān)系；緯向拉伸應(yīng)變在0～80%之間變化，拉力與應(yīng)變接近線彈性關(guān)系。

該工程混凝土連接板及土工膜采用線彈性模型進(jìn)行計算，連接板采用C25混凝土，土工膜模型計算參數(shù)見表3。

2.3 計算方案與成果分析

2.3.1 3種連接方案的應(yīng)力變形計算與分析

計算時瀝青混凝土采用4 ℃的參數(shù)。3種方案堆石體的位移應(yīng)力幾乎相同，說明不同連接方案對堆石體計算結(jié)果基本沒有影響。方案3滿蓄時堆石體的位移與應(yīng)力的大小及分布如圖4所示。

滿蓄時，向下游的水平位移最大值29.1 cm，位于下游堆石區(qū)170.0 m高程附近；豎向位移最大值為162.3 cm，位于水庫回填區(qū)190.7 m高程附近；大主應(yīng)力的極值為3.36 MPa，位于壩體主堆石區(qū)底部；小主應(yīng)力極值為1.54 MPa，位于壩體主堆石區(qū)底部。

竣工期，面板的撓度僅由自重引起，其量值較小。水庫蓄水后，面板底部區(qū)域數(shù)值較大，方案1最大值為28.0 cm，方案2最大值為26.8 cm，方案3最大值為26.9 cm，均出現(xiàn)在237.0 m高程處，方向指向壩內(nèi)（圖5）。

竣工期，面板大主應(yīng)力和小主應(yīng)力均很小。蓄水后，面板受到水荷載的作用，其大部分地方表現(xiàn)為受壓狀態(tài)（圖6～7）。面板底部大主應(yīng)力相對較大，方案1最大壓應(yīng)力為0.39 MPa，方案2為0.32 MPa，方案3為0.44 MPa，均出現(xiàn)在面板底部237.2 m高程附近；在面板中上部存在局部拉應(yīng)力區(qū)，3個方案拉應(yīng)力最大值均小于0.02 MPa，均位于面板頂部。

竣工期土工膜順河向拉應(yīng)變均小于0.02%；滿蓄時土工膜最大順河向拉應(yīng)變出現(xiàn)在庫盆中部，3種方案下最大拉應(yīng)變均為1.02%。將3種連接方案在竣工期、滿蓄時面板和土工膜的變形與應(yīng)力的極值整理于表4。

根據(jù)TPO土工膜物理性能指標(biāo)，該工程土工膜拉伸屈服伸長率（縱橫向）≥25%，土工膜拉伸屈服強度（縱橫向）≥4.0 N/mm，此時土工膜工作狀態(tài)是安全的，3種連接方案均滿足要求。其中，取消連接板后土工膜應(yīng)變有所增大，分析原因是土工膜鋪設(shè)前，土工膜下部連接板或者瀝青混凝土面板在上一級荷載作用下已經(jīng)累積了部分變形；由于土工膜和下部防滲結(jié)構(gòu)模量差異，導(dǎo)致土工膜與下部防滲結(jié)構(gòu)可能存在錯動現(xiàn)象。

分析認(rèn)為，面板最大拉應(yīng)力值小于瀝青混凝土的抗拉強度，工作狀態(tài)是安全的，3種連接方案均滿足要求。

2.3.2 庫底土工膜下部填筑料不同厚度敏感性分析

針對取消連接板的方案3，同時對庫底土工膜下

部庫盆料采用下游堆石料部分置換方案進(jìn)行敏感性分析，主要考慮土工膜下部自上而下依次填筑0.6 m厚墊層料，1.6 m厚過渡料，以及分別用0，8，12 m厚下游堆石料替代庫盆回填料，進(jìn)行庫底沉降變形、土工膜變形等敏感性分析。計算結(jié)果列于表5。

由表5可知，土工膜下部庫盆料置換后，竣工期和滿蓄時的壩體應(yīng)力變形變化率均小于2.1%。

3 庫壩防滲結(jié)構(gòu)不同連接方式試驗驗證

對上述3種方案的接頭型式進(jìn)行模型試驗，進(jìn)一步驗證接頭的可靠性。試驗中根據(jù)接頭方案分別制作整體連接板結(jié)構(gòu)模型。試驗中，在最高壓力0.4 MPa水壓下，讓連接板接頭結(jié)構(gòu)發(fā)生一定距離相對滑移，驗證接頭止水結(jié)構(gòu)的整體防滲性能。

3.1 方案1模型

1號模型混凝土連接板坐落在瀝青混凝土面板的下部，止水結(jié)構(gòu)采用SR柔性防滲封閉單錨固-粘接封閉固定型式。土工膜在混凝土連接板上進(jìn)行機械錨固封閉這一型式，已在泰安、溧陽等工程中應(yīng)用并得到成功驗證，因此本方案主要針對塑性止水鼓包粘接封閉結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驗證。1號模型整體試驗示意見圖8。

3.2 方案2模型

2號模型混凝土連接板坐落在瀝青混凝土面板的上部，止水結(jié)構(gòu)采用SR柔性防滲封閉的雙錨固封閉結(jié)構(gòu)。該方案主要針對在瀝青混凝土上直接機械錨固這一錨固型式進(jìn)行細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計及驗證。2號模型整體試驗示意見圖9。

3.3 方案3模型

3號模型取消混凝土連接板，在瀝青混凝土面板上直接進(jìn)行錨固封閉，在瀝青混凝土間孔種植螺桿錨固連接土工膜。該方案對整體模型進(jìn)行防滲試驗，考察結(jié)構(gòu)的防滲性能及滑移破壞極限，驗證防滲性及可靠性。3號模型整體試驗示意見圖10。

3種方案的滑移試驗結(jié)果見表6。由整體仿真模型試驗結(jié)果分析可得，3種土工膜-瀝青混凝土連接頭防滲結(jié)構(gòu)在靜態(tài)環(huán)境下均能滿足0.4 MPa最高運行水頭的防滲要求。其中2號方案模型連接板坐落在瀝青混凝土面板上部，在結(jié)構(gòu)動態(tài)加載水壓的工況下，上部剛性更大的連接板與下部瀝青混凝土面板變形不協(xié)調(diào)，可靠性相對較差；1號、3號方案模型結(jié)構(gòu)在土工膜滑移變形過程中，SR柔性封閉防滲體系基本不受大的影響，防滲效果和可靠性更具保障性。

為了驗證方案3連接方式的合理性，開展了土工膜可滑移接頭在瀝青混凝土上間孔錨固安裝、安裝加水壓鐵桶周邊防滲、帶水壓土工膜拉伸滑移模擬操作等試驗，如圖11所示。土工膜在瀝青混凝土上用彈性環(huán)氧砂漿間孔種植螺桿的錨固連接參數(shù)如下：孔徑8 cm、孔深10 cm、螺桿直徑14 mm；一道錨固孔間距為50 cm，采用不銹鋼角鋼壓固；二道錨固孔間距為1 m，采用不銹鋼扁鐵壓固。試驗表明，方案3防滲效果較好，土工膜拉伸滑移、錨固抗拉拔和緊固力等均能滿足要求。

分析3種方案的整體結(jié)構(gòu)可知：1號方案和2號方案中均采用混凝土連接板搭配瀝青混凝土面板的接頭形式，其中1號方案采用錨固連接方式在實際工程中運用較多，連接結(jié)構(gòu)可靠；2號方案雙錨固型式保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和方式性能，但由于混凝土連接板坐落在瀝青混凝土面板上，較難同步變形，結(jié)構(gòu)可靠性相對較差；3號方案通過試驗驗證了去除混凝土連接板的可行性，很大程度上提高了施工便利性，同時混凝土連接板的去除具有較高的經(jīng)濟性，但環(huán)氧砂漿與瀝青混凝土長期運行是否會存在應(yīng)力松弛暫未開展研究，長期運行可靠性尚未得到論證。

因此，從防滲效果、防滲可靠性、變形適應(yīng)性、施工工序相互干擾性、施工成本工期等方面綜合考慮：1號方案及3號方案優(yōu)于2號方案。

4 結(jié) 論

（1） 針對瀝青混凝土面板與庫盆土工膜之間的3種不同連接方式，分別進(jìn)行細(xì)部分區(qū)建模，通過有限元計算分析得知竣工期、滿蓄時土工膜和面板的應(yīng)力變形均在容許范圍內(nèi)，3種連接方案均能滿足設(shè)計要求。

（2） 針對取消連接板的方案3，對庫底土工膜底部填筑料的厚度進(jìn)行了敏感性分析。分析表明，土工膜下部庫盆料進(jìn)行8 m和12 m置換后，竣工期和滿蓄時的壩體應(yīng)力變形受到的影響較小。

（3） 結(jié)合有限元分析和模型試驗驗證結(jié)果可知，方案1和方案3在理論計算和實際運用上均具有可行性，但由于方案3長期運行過程中，環(huán)氧砂漿與瀝青混凝土之間是否存在應(yīng)力松弛問題暫未驗證，因此推薦采用方案1連接型式。

針對于環(huán)氧砂漿與瀝青混凝土應(yīng)力松弛問題可開展進(jìn)一步的試驗研究，若兩種材料之間的變形對防滲效果影響不大時，采用土工膜與瀝青混凝土面板直接錨固搭接的方案將是具有創(chuàng)新性的，對工程運行安全也更有利。

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（編輯：鄭 毅）

Research on connection joint between asphalt concrete slab and geomembrane：case of Jurong Pumped Storage Power Station in Jiangsu Province

HUANG Wei¹，LEI Xianyang²，LU Xueni³，WANG Yingjun²，ZHU Sheng³，SUN Tanjian²

（1.Large Dam Safety Supervision Center，National Energy Administration，Hangzhou 311122，China； 2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China； 3.Institute of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：

The upper reservoir of Jurong Pumped Storage Power Station adopts the anti-seepage measures of asphalt concrete slab around the reservoir and geomembrane at reservoir bottom.It is the first time that a pumped storage power station uses these two measures comprehensively.The design and construction of connecting joints between the two parts are difficult with no reference.Three types of joint connections between asphalt concrete face slab and geomembrane are studied by combining three-dimensional finite element calculation and model test.The result shows that the scheme of setting concrete connection plate at the bottom of asphalt concrete face slab is recommended.While another scheme of direct anchoring geomembrane and asphalt face slab would be an innovative scheme if long term running stability of anchoring paste and asphalt concrete can be testified.

Key words：

asphalt concrete face rockfill dam； geomembrane； reservoir bottom； stress deformation； FEM analysis； Jurong Pumped Storage Power Station