百米級碾壓式瀝青混凝土心墻壩關(guān)鍵技術(shù)探討

張合作，羅光其，程瑞林

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

瀝青混凝土心墻堆石壩是一種新型的土石壩壩型，其防滲結(jié)構(gòu)采用瀝青混凝土，具有良好的防滲性能、較好的變形適應(yīng)能力且結(jié)構(gòu)簡單、工程量小、施工速度快，在水利水電工程中逐漸被廣泛采用。據(jù)已有資料統(tǒng)計，世界上第一座碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩于1961年～1962年在德國建成，隨后加拿大、芬蘭、挪威和巴西等國家也開始修建瀝青混凝土心墻堆石壩。國內(nèi)引進(jìn)該技術(shù)修建的第一座碾壓瀝青混凝土堆石壩為甘肅黨河壩(1974年，壩高59 m)，之后隨著設(shè)計、施工經(jīng)驗的積累和施工設(shè)備的發(fā)展，先后筑成了茅坪溪(2003年，壩高104 m)、冶勒(2005年，壩高126 m)兩座百米級瀝青混凝土心墻堆石壩。進(jìn)入21世紀(jì)后，先后建成了新疆呼圖壁石門水電站(2013年，壩高106 m)、阿拉溝水庫(2015年，壩高105.26 m)、五一水庫(2016年，壩高102.5 m)和金沙江碩曲河去學(xué)水電站(2017年，壩高164.2 m，其中心墻高132 m)4座百米級以上碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，其中去學(xué)壩為國內(nèi)外同類型已建最高壩。

隨著該壩型在國內(nèi)的大量建設(shè)，其有關(guān)的設(shè)計和施工規(guī)范、計算分析、試驗研究和施工機(jī)具研制等也在工程建設(shè)中得到完善和發(fā)展，為該壩型安全評價和朝更高壩建設(shè)奠定了實踐基礎(chǔ)，但至今該壩型同所有堆石壩一樣受制于土工試驗縮尺效應(yīng)、計算本構(gòu)模型等發(fā)展制約，仍停留在半經(jīng)驗半理論階段，大多是通過工程類比進(jìn)行研究和建設(shè)的。同時，現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范主要是依據(jù)早期中低壩的建設(shè)經(jīng)驗編制的，而對于百米級壩、高寒、復(fù)雜地形地質(zhì)等特殊條件下的筑壩技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)和理論分析相對較少，同時在規(guī)范中給出的瀝青混凝土性能指標(biāo)尚不能直接用于大壩設(shè)計定量評價，僅能作為橫向比較，在施工技術(shù)水平及質(zhì)量安全控制方面也不夠完善。

針對以上制約百米級瀝青混凝土心墻壩發(fā)展的因素，本文依托新疆呼圖壁石門壩，針對主要文獻(xiàn)分析和記錄中[1-3]提出的影響瀝青混凝土心墻安全的骨料、配合比、水力劈裂和抗震能力、施工質(zhì)量控制等普遍問題，從瀝青心墻骨料、配合比設(shè)計和施工中的質(zhì)量控制三方面探討百米級瀝青混凝土心墻壩關(guān)鍵技術(shù)，提煉總結(jié)其中的關(guān)鍵參數(shù)和措施，為該壩型朝更高壩建設(shè)提供支撐。

1 依托工程特點

呼圖壁石門瀝青混凝土心墻砂礫石壩，壩頂高程1 243.0 m，最大壩高106.0 m，上游壩坡1∶2.2，下游綜合壩坡1∶2.0。瀝青混凝土心墻最大高度94.5 m，最大厚度1.20 m。具有以下特點：

(1)氣候寒冷干燥、蒸發(fā)量大，對瀝青混凝土心墻溫度控制要求高。工程所在地區(qū)屬寒冷干燥地區(qū)，多年平均氣溫6.4 ℃，多年月平均氣溫最高為20.7 ℃，最低為-10 ℃。多年平均降水量408.0 mm，多年平均蒸發(fā)量888.2 mm。

(2)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，對心墻結(jié)構(gòu)和瀝青混凝土配合比設(shè)計要求高。壩址區(qū)地形屬于典型的不對稱河谷。壩址河谷斷面呈 “V”形，寬高比為1∶3，左岸1 180 m高程以下邊坡坡面約50°，以上為陡崖峭壁；右岸1 250 m高程以下邊坡坡面約40°，以上為陡崖峭壁。大壩的地基巖體主要為齊古組紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖等。

(3)溫度控制環(huán)節(jié)多，過程控制要求高。瀝青混凝土是一種新型的建筑材料，其防滲和柔性與溫度狀態(tài)有著極大的相關(guān)性，根據(jù)已有試驗研究和工程實踐，在正常攤鋪溫度130～160 ℃情況下，瀝青的黏度較低，混合料是相當(dāng)柔軟和可塑的，并易于壓實。當(dāng)溫度超過180 ℃會加速瀝青老化，降低耐久性；而原材料加熱溫度過低，又會導(dǎo)致瀝青難以壓實，影響瀝青混凝土的質(zhì)量。

(4)施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)高。瀝青混凝土心墻厚度僅0.6～1.2 m，如果存在裂縫，將大大降低其防滲性能，同時心墻軸線偏移也會削弱心墻有效防滲斷面。而根據(jù)已有材料試驗和工程建設(shè)經(jīng)驗，瀝青混凝土是一種對溫度較為敏感的材料，力學(xué)性能不僅和原材料特性、瀝青混凝土配合比有密切關(guān)系，還取決于溫度變化、施工質(zhì)量控制等因素。因此，心墻的施工質(zhì)量控制是工程的重點和核心。

(5)施工制約因素多、干擾大。壩址區(qū)冬季氣溫低且持續(xù)時間長，每年11月下旬到次年3月中旬均因環(huán)境氣溫過低，心墻均無法施工。

2 依托工程心墻關(guān)鍵技術(shù)研究

針對以上工程特點和碾壓式瀝青混凝土關(guān)鍵技術(shù)控制要求，本工程主要從以下方面進(jìn)行了重點研究，以合理量化心墻主要控制和評價指標(biāo)。

2.1 配合比試驗研究

影響瀝青混凝土性能的因素主要包括原材料性能、礦料級配、填料用量和油石比等?？紤]到本工程壩高106 m，初選了12種礦料級配、填料用量、級配指數(shù)組合進(jìn)行瀝青混凝土配合比試驗，研究油石比、填料用量和級配指數(shù)對配合比的影響。

2.1.1 油石比對瀝青混凝土性能的影響研究

油石比對瀝青混凝土性能的影響見圖1。從圖1可以看出，在級配指數(shù)0.4，填料用量12%、14%的情況下，油石比從6.3%增加至7.2%，瀝青混凝土的孔隙率逐漸變小，劈裂強(qiáng)度隨著油石比增大呈減小趨勢，劈裂位移隨著油石比增大而增大。考慮到瀝青混凝土變形及防滲要求，根據(jù)試驗結(jié)果，本工程配合比選用的油石比為6.6%、6.9%均能滿足工程要求。

圖1 油石比對瀝青混凝土性能的影響

表1 石門瀝青心墻壩瀝青混凝土設(shè)計配合比 %

注：級配指數(shù)0.4。

2.1.2 填料用量對瀝青混凝土性能的影響研究

填料對瀝青混凝土性能的影響見圖2。從圖2可以看出，在級配指數(shù)0.4和油石比分別取6.3%、6.6%、6.9%、 7.2%，填料用量從12%變化到16%時，孔隙率隨填料用量的增大有減小趨勢。填料用量越大劈裂強(qiáng)度越小，但其變化幅度較小。劈裂位移有明顯變化，其總的變化規(guī)律為填料用量越大劈裂位移越大?？紤]到瀝青混凝土的強(qiáng)度、變形性能及防滲性能的要求，根據(jù)本次試驗，當(dāng)油石比為6.6%、填料用量12%和油石比為6.9%、填料用量為14%均能較好滿足工程要求。

圖2 填料對瀝青混凝土性能的影響

2.1.3 級配指數(shù)對瀝青混凝土性能的影響研究

級配指數(shù)對瀝青混凝土性能的影響見圖3。從圖3可以看出，級配指數(shù)從0.36到0.42，瀝青混凝土的密度和孔隙率變化不大，且級配指數(shù)在0.38和0.40時對應(yīng)的孔隙率比較小，劈裂強(qiáng)度變化不大，且隨級配指數(shù)的增大而呈增大的趨勢。而劈裂位移隨著級配指數(shù)增大逐漸減小。綜合考慮對瀝青混凝土的強(qiáng)度、變形及防滲性能的要求，建議選用級配指數(shù)為0.40。

圖3 級配指數(shù)對瀝青混凝土性能的影響

2.1.4 試驗結(jié)果

根據(jù)以上瀝青混凝土性能試驗研究，本工程推薦的瀝青混凝土配合比見表1。

2.2 心墻與基礎(chǔ)和剛性建筑物連接

(1)心墻與河床巖基的連接。瀝青混凝土心墻在河床段通過混凝土基座與基巖連接，為延長接觸面滲徑、改善心墻局部應(yīng)力狀態(tài)，將接觸面的心墻厚度逐漸增加至2.5 m，同時要求在心墻和混凝土基座上游面表層涂刷2.0 cm厚瀝青瑪蹄脂，提高防滲和修復(fù)性能。

(2)心墻與岸坡巖基連接。岸坡段心墻同樣通過設(shè)置混凝土基座與基巖連接，心墻和混凝土基礎(chǔ)面采用擴(kuò)大斷面的形式，其余連接和防滲處理同河床段。針對左岸1 190 m高程以上陡邊坡，受制于地形條件限制不能開挖成緩于1∶0.25的坡度，故采取回填混凝土修坡，保證混凝土基座坡面不陡于1∶0.25，其余較緩部位直接在開挖面上澆筑基座混凝土。

2.3 施工縫及層面處理

(1)施工縫處理。瀝青混凝土心墻斷面相對較薄，因此橫向施工連接縫，無論處理多好，都將是一個薄弱環(huán)節(jié)，但又不能完全避免，因此要求盡量減少橫向施工縫。而對于出現(xiàn)的橫縫則要求結(jié)合面做成1∶3～1∶4的斜坡，以利于層間牢固黏結(jié)，橫縫處涂抹熱瀝青并應(yīng)重疊碾壓30～50 cm，并夯至表面“返油”為止。同時控制上下層橫縫錯開距離不得小于2 m。

(2)層面處理。因故停工時間較短、較臟的瀝青混凝土層面，應(yīng)對層面的水珠、砂粒和塵土采用高壓風(fēng)風(fēng)干，時間較長的還應(yīng)配以高壓水沖洗，特別嚴(yán)重的可視情況采用紅外線加熱后鏟除；兩岸坡接頭部位因為采用人工攤鋪，以要求采用1 t振動夯配合重錘人工夯實至“返油”；鉆孔取芯的部位要隨取隨蓋，保持孔內(nèi)潔凈并及時回填，回填時，先將鉆孔擦干，然后用噴燈將孔壁烘干加熱到70 ℃后再分層人工回填，并保證回填高度略高于心墻表面2 cm。

2.4 施工安全控制

2.4.1 現(xiàn)場試驗

該工程瀝青混凝土心墻鋪筑采用攤鋪機(jī)施工，岸坡段采用立模施工，人工攤鋪。采用2.5 t振動碾碾壓，邊角部位采用手扶振動碾碾壓，輔以人工夯實。瀝青混凝土混合料由攤鋪機(jī)自帶的紅外線加熱器加熱，攤鋪機(jī)加熱不到的地方，用紅外線加熱器加熱至70 ℃。

心墻施工前，首先對過渡料和瀝青混凝土不同攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)、溫度控制等進(jìn)行現(xiàn)場碾壓和控制試驗，經(jīng)現(xiàn)場取樣成型檢測后，結(jié)合本工程停工時間長、有效施工時間短的特點，在確保不突破現(xiàn)有施工技術(shù)的條件下，推薦過渡料攤鋪厚度32 cm，瀝青混凝土攤鋪厚度30 cm，瀝青混凝土初碾溫度范圍為110～130 ℃?，F(xiàn)場試驗確定的瀝青混凝土施工配合比見表2。

表2 碾壓試驗推薦瀝青混凝土施工配合比

2.4.2 溫度控制

瀝青混凝土施工工藝與普通水泥混凝土不同，它采用熱施工，在一定溫度條件下進(jìn)行拌和、攤鋪、壓實，如果原材料的溫度過高，超過180 ℃，會加速瀝青老化，降低耐久性；如加熱溫度過低，會導(dǎo)致瀝青混合料難以壓實，影響瀝青混凝土的質(zhì)量。因此，嚴(yán)格控制瀝青混凝土施工溫度是保證瀝青混凝土施工質(zhì)量的關(guān)鍵之一。該工程瀝青混凝土溫度控制見表3。

表3 瀝青混凝土心墻施工溫度控制要求

心墻越冬保護(hù)就地取材，采用砂礫石過渡料保溫，覆蓋厚度在考慮當(dāng)?shù)貎鐾辽疃?.7 m的基礎(chǔ)上向周邊和頂部延伸了0.5 m。待第二年解凍后，先清除表層過渡料，然后對瀝青混凝土表面采用高壓風(fēng)清理干凈，再對心墻表層進(jìn)行質(zhì)量檢查處理。

3 應(yīng)用評價

(1)質(zhì)量檢測。瀝青混凝土質(zhì)量檢測主要是鉆孔取芯后進(jìn)行密度、孔隙率、抗?jié)B指標(biāo)、馬歇爾穩(wěn)定度及流值試驗。總體檢測原則按照心墻每上升2 m，沿心墻軸線方向100～150 m布置鉆取芯樣2組，進(jìn)行相關(guān)性能試驗。試驗和檢測數(shù)據(jù)表明心墻施工質(zhì)量控制滿足規(guī)程規(guī)范和設(shè)計要求。

(2)應(yīng)用評價。工程2013年10月蓄水，滲體漏量小于10 L/s，瀝青心墻上游面最大變形為-16.6 mm、下游為-14.1 mm，最大壓縮應(yīng)變分別為0.011和0.009。心墻與過渡料之間的擠壓量最大值為20.3 mm，兩者之間相對錯動最大值為19.8 mm，心墻整體處于壓縮狀態(tài)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，心墻的上、下游壓縮變形相差較小，比值位于0.7～0.92之間，心墻受力較好、變形較均勻。

4 結(jié) 語

本文通過分析研究壩高106 m的呼圖壁石門瀝青心墻壩，從瀝青混凝土原材料、配合比、心墻與基礎(chǔ)連接、層面處理、施工工藝等方面對百米級碾壓式瀝青混凝土心墻壩建設(shè)中關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了量化，主要量化控制指標(biāo)和施工經(jīng)驗總結(jié)如下：

(1)瀝青混凝土配合比研究表明，瀝青混凝土具有較好的適應(yīng)變形的能力，可以根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件運用數(shù)值分析后，選擇油石比在6.6%～6.9%之間均可滿足工程建設(shè)和安全運行要求。

(2)心墻和基礎(chǔ)連接部位為該壩型防滲連接相對薄弱環(huán)節(jié)，建議設(shè)置一定冗余的防滲形式，如涂刷一定厚度的瀝青瑪蹄脂。

(3)即使在寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)，只要采取有效的措施，心墻攤鋪層數(shù)可達(dá)到3層/d，具有極高的經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)安全保障性。

(4)試驗研究和質(zhì)量檢測表明，嚴(yán)格控制溫度是保證瀝青混凝土施工質(zhì)量的關(guān)鍵之一，在正常攤鋪溫度130～160 ℃情況下，瀝青的黏度較低，混合料是相當(dāng)柔軟和可塑的，并易于壓實。當(dāng)溫度超過180 ℃會加速瀝青老化，降低耐久性；如果原材料的加熱溫度過低，又會使瀝青難以壓實，進(jìn)而影響瀝青混凝土的質(zhì)量。