瀝青混凝土心墻在水庫大壩防滲中的應用

盧 曉 鵬

(云南省水利水電科學研究院，昆明 650228)

用填筑于壩體中的滲透系數較低的材料防滲的土石壩，心墻材料可以用黏土、瀝青混凝土等。大壩由心墻或斜心墻防滲，上下游壩殼支撐心墻保持壩體穩定，下游壩址設排水以排除壩體、壩基滲水,并可保護下游壩腳不受沖刷。已建成的大部分水庫大壩多采用黏土心墻防滲，施工方便，施工受季節影響相對較小，當壩址附近有大量透水沙礫料、風化壩殼料和黏性土料, 可采用黏土心墻防滲。當壩址附近黏土料缺乏、風化壩殼料儲量質量滿足大壩工程要求，可采用瀝青混凝土心墻防滲，解決防滲土料缺乏地區的筑壩難題。瀝青混凝土心墻延展性好，適應變性能力強，對基礎要求不高，抗滲能力強[1,2]。

依托中葉水庫大壩工程建設應用實踐，重點對大壩工程地質條件、大壩瀝青混凝土心墻布置、瀝青混凝土心墻施工工藝及主要技術參數、防滲效果等進行研究。大壩采用瀝青混凝土心墻技術時需根據工程的要求，地質條件和選用相應的施工方法和工藝。瀝青混凝土心墻在工程中的應用，解決了工程區土料缺乏問題，使大壩防滲系統安全可靠，工期得到保證，可供類似工程運用參考。

1 水庫工程特性

中葉水庫位于墨江縣團田鎮境內，新撫江一級支流綠葉河上游，距墨江縣城143 km，水庫樞紐由瀝青混凝土心墻風化料壩、溢洪道、泄洪輸水導流隧洞以及輸水隧洞組成。水庫總庫容1 078 萬m3，最大壩高75.40 m，壩頂高程1 553.40 m；溢洪道布置在右岸，泄洪輸水導流隧洞布置在大壩左岸。工程等別屬Ⅲ等，工程規模為中型工程，由于大壩壩高大于70 m，屬高壩，大壩建筑物級別提高一級，采用二級，溢洪道及輸水隧洞為三級建筑物，次要建筑物和導流建筑物均為四級建筑物。主要建筑物大壩及引、泄水建筑物的設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為1 000 年一遇。

中葉水庫為以農村人畜生活供水以及農田灌溉供水為主要任務的水源工程。水庫灌溉面積0.175 萬hm2，并可為灌區內農村居民0.53萬人、大小畜禽共5.76 萬頭提供飲用水。

2 大壩工程地質及評價

2.1 壩址區工程地質

壩址兩岸地形坡度27°～45°，大壩兩岸和河床被第四系殘坡積層和沖洪積層覆蓋，兩岸第四系殘、坡積砂質黏土夾碎塊石厚1.50～5.60 m，河床內為厚1～3.80 m的沖、洪積層粉質黏土、粉土夾砂卵礫石；下伏基巖巖性為凝灰巖夾紫紅、灰綠色泥質巖，為軟巖。

壩基為軟質巖類，壩址基本壩型選定為土石壩。經對壩址附近各種天然筑壩土石料的勘察和土工試驗工作，區內防滲土料分布較少，料場分散，施工質量控制難度較大，開采、運輸條件較差。

2.2 工程地質評價

大壩左右岸坡和上游區大壩壩基置于強風化巖體上，局部弱風化，防滲心墻基礎以及下游排水區的基礎已開挖至弱風化凝灰巖和砂巖之上，壩基強度、壓縮變形性滿足要求，壩基抗滑穩定性較好。壩基開挖局部存在破碎帶，風化深槽，施工做深挖處理；斷層破碎帶開挖處理后采用混凝土回填。

壩址基巖為淺灰色石英砂巖和灰褐色凝灰巖，淺部巖體節理裂隙發育，巖體透水性相對較大，大壩壩基存在滲漏問題。壩基岸坡、河床段開挖截水槽進行防滲，河床、壩肩段采用帷幕灌漿防滲。壩基、壩肩帷幕灌漿按防滲邊界范圍和設計孔排距要求施工，壩基采用帷幕灌漿防滲處理，減少了壩基及繞壩滲漏量[3,4]。

3 大壩壩體防滲

3.1 大壩壩體防滲方案選擇

設計選擇黏土心墻風化料壩、混凝土面板堆石壩和瀝青混凝土心墻風化料壩進行比較。在壩址9 km的范圍內調查了防滲土料場，儲量、質量均不能滿足防滲料的要求，且料場占地范圍面積較大，補償費用較高；混凝土面板壩趾板開挖至弱風化基巖，開挖深度較大，邊坡易失穩，防滲處理工程量大，主堆石料弱風化砂巖料開采難度大；瀝青心墻風化料壩壩基要求相對低，可充分利用料場中的強、弱風化砂巖及弱風化泥質巖。根據壩址區工程地質條件和天然建筑材料特點，工程選定瀝青混凝土心墻風化料壩壩型。

瀝青混凝土心墻壩目前國內已有完建工程多座，較好地解決了防滲土料缺乏地區的筑壩難題。瀝青混凝土心墻呈現黏彈塑性，延展性好，適應變性能力強，對地基要求不高，具有較好的耐久性及自愈能力，抗滲能力強[5]。

3.2 大壩壩體防滲心墻布置

3.2.1 心墻布置

大壩壩體分區由上游至下游依次為上游填筑區、過渡層、瀝青混凝土心墻、過渡層、下游填筑區、排水棱體組成[6,7]。瀝青混凝土心墻防滲體頂高程1 553.00 m，頂部厚度0.6 m，在高程1 523.00 m以下心墻厚度0.8 m，在高程1 518.00 m以下心墻厚度1.0 m。在心墻防滲體上、下游均設有垂直過渡層，過渡層由級配碎石組成，過渡層厚度隨心墻厚度在3.0～3.2 m 間變化。心墻底部設C20混凝土基座，厚2.0 m。

3.2.2 心墻設計

(1)心墻尺寸。工程采用垂直心墻，瀝青混凝土心墻頂高程1 553.00 m ，最低墻底高程1 480.00 m。心墻頂寬0.6 m，在高程1 523.00 m以下心墻厚度0.8 m，在高程1 518.00 m以下心墻厚度1.0 m。

(2)瀝青混凝土原材料。瀝青混凝土粗、細骨料取自鎮沅縣者東鎮馬家園石灰巖料場，細骨料為人工砂，礦粉水泥質量滿足規范對礦粉的要求。瀝青采用克拉瑪依水工70號瀝青。根據瀝青混凝土實驗成果選用瀝青混凝土配合比。

(3)設計參數及技術指標。大壩壩型為瀝青混凝土心墻風化料壩，瀝青混凝土心墻與過渡層、壩殼填筑應盡量平起平壓，均衡施工，以保證壓實質量。碾壓式瀝青混凝土心墻的瀝青混凝土，孔隙率應不大于3%；滲透系數應不大于1x10-8cm/s；水穩定系數應不小于0.9；瀝青含量為 6.0%～7.5%，粗骨料最大粒徑19 mm。

中葉水庫大壩壩體典型剖面見圖1。

圖1 瀝青混凝土心墻風化料壩典型剖面(單位：m)Fig.1 Typical profile material dam with asphalt concrete core

3.3 大壩心墻基礎處理

瀝青混凝土心墻基礎坐落在較完整基巖上，心墻和過渡層基礎宜與堅硬、不沖蝕和可灌漿的巖石連接。河床壩基風化較淺，在壩0+101.75～0+133.52 范圍內的河床段，壩基開挖高程為1 478.00 m，心墻基礎底寬8 m；左岸開挖分兩段邊坡開挖，開挖坡比自下而上分別為1∶1.3、1∶1；右岸壩基強風化層較薄，平均開挖深度8 m，右岸開挖也分兩段邊坡開挖，開挖坡比自下而上分別為1∶1.36、1∶1.3。除按設計開挖線進行開挖外，還應清除其表面松動石塊、凹處積土和突出的巖石。開挖完畢后，對出現斷層及節理裂隙發育的位置開挖清理，并采用混凝土回填；對于易風化的泥質巖，清基后不能及時澆筑混凝土基礎，應及時澆筑15 cm厚墊層混凝土[8]。

為滿足壩基對強度、防滲、滲透穩定等要求，壩基采取帷幕灌漿和固結灌漿等措施進行加固處理。

4 瀝青混凝土心墻施工

4.1 施工工藝及主要技術參數

(1)心墻采用碾壓式瀝青混凝土心墻，采用堿活性骨料(灰巖粗骨料)。

(2)瀝青混凝土心墻與過渡料、壩殼料填筑平起平壓，均衡施工。

(3)瀝青混凝土填筑前應進行各種原材料級配實驗、瀝青混凝土配合比實驗、力學性能實驗。

(4)瀝青混凝土心墻施工工藝，首先布置瀝青混凝土拌和樓，采用瀝青混凝土施工攤鋪機碾壓，專用機械進行碾壓實驗確定施工參數，瀝青混凝土攤鋪厚度采用0.3 m，碾壓厚度0.27 m左右[9]。

(5)瀝青混凝土孔隙率不大于3%；滲透系數不大于1×10-8cm/s，水穩定系數不小于0.9；瀝青含量為6.5%，粗骨料最大粒徑19 mm[10]。

(6)粗、細骨料，礦粉水泥質量應滿足規范要求，瀝青采用克拉瑪依水工70號。

粗、細骨料取自鎮沅縣者東鎮馬家園石灰巖料場，細骨料為人工砂，礦粉水泥質量滿足規范對礦粉的要求，可用作瀝青混凝土心墻的填料。從經濟性上考慮，用當地的石灰巖巖粉。克拉瑪依水工70號A級瀝青質量較優，且已用于多項實際工程，效果良好，克拉瑪依水工70號瀝青各項指標要求見表1。

表1 克拉瑪依水工70號(SG-70)瀝青質量指標要求Tab.1 Karamay hydraulic 70(SG-70) asphalt quality index requirements

根據瀝青混凝土實驗成果，采用瀝青混凝土配合比，配合比見表2和表3。

表2 瀝青混凝土配合比材料和級配參數Tab.2 Asphalt concrete mix ratio materials and gradation parameters

表3 配合比礦料級配Tab.3 Ore gradation by mix ratio

4.2 瀝青混凝土心墻施工

瀝青混凝土心墻施工首先要布設瀝青混凝土拌和樓，瀝青混凝土施工攤鋪及碾壓采用專業機械，瀝青混凝土心墻進行現場碾壓試驗確定施工參數[11]。

4.2.1 施工程序

測量、放線→進料、卸料→攤鋪→碾壓→質量檢查→單元驗收→結合面處理→下一循環施工。

4.2.2 瀝青混凝土心墻填筑施工

(1)原材料質量控制。選用克拉瑪依70水工瀝青(SG-70)，主要技術指標，針入度60～80，延伸度大于100 cm，軟化點為47～54 ℃。

心墻施工的原材料主要由瀝青、粗細骨料、礦粉組成，粗骨料按粒徑范圍為19～10、10～5、5～2.36 mm三級，細骨料粒徑范圍為2.36～0.075 mm，采用工程區附近登云砂場和馬家園砂石料場人工砂。

(2)瀝青混合料攤鋪試驗。攤鋪試驗目的是對設計配合比進行驗證和調整、取得并確定各種有關施工工藝參數，檢驗、調整、確定瀝青混凝土的施工配合比，檢驗瀝青混凝土拌和系數和攤鋪設備有關性能，試驗選定各種攤鋪碾壓參數。

(3)瀝青混合料配合比。工程施工配合比誤差控制：粗骨料±2%，細骨料±2%，填充料±1%，瀝青±0.3%。

根據設計的瀝青混凝土配合比要求，進行現場瀝青混凝土配合比調配，確定施工配合比。

(4)瀝青混合料的拌和配制：骨料初配、烘干，瀝青脫桶、脫水、儲存，瀝青混合料拌制。

(5)瀝青混凝土混合料裝車卸料。瀝青混凝土混合料攤鋪準備工作按施工工藝進行，混合料攤鋪后控制溫度，混合料在140～160 ℃進行碾壓壓實。

(6)瀝青混凝土心墻的碾壓。采用BW80-AD-2振動碾進行碾壓，靜碾2遍，振動碾8遍，再靜碾2遍，碾壓速度1～3 m/min。碾壓后，表面均勻，無氣孔[12]。大壩瀝青混凝土心墻碾壓施工情況見圖2。

圖2 中葉水庫大壩瀝青混凝土心墻碾壓施工Fig.2 Section of seepage-proofing trapezoid canal with compound geomembrane

(7)質量檢驗及質量控制。心墻碾壓完畢后質量檢測方法主要有：現場C200核子密度儀無損檢測密度， ZC-6型充氣儀無損檢測瀝青混凝土的滲透系數，現場取芯檢測和室內瀝青混合料抽取及馬歇爾擊實實驗檢測。現場檢測以無損檢測為主，若發現填筑質量不合格，應取芯進行測試，芯樣測試不合格需對不合格心墻部分進行處理[13]。

5 瀝青混凝土心墻防滲效果

5.1 質量檢查

心墻碾壓完畢后進行質量檢測，檢測主要指標，瀝青混凝土孔隙率小于3%，滲透系數小于1×10-8cm/s。

瀝青混凝土心墻檢測：

(1)瀝青主要檢測針入度、軟化點、密度、含蠟量、溶解度。

(2)瀝青混合料：主要檢測礦料級配、馬歇爾穩定值和流值、實時溫度。

(3)瀝青混凝土施工質量的檢測：鋪筑現場溫度、鋪筑厚度檢測等。

中葉水庫大壩施工階段按技術要求在瀝青心墻取樣試驗分析。

瀝青混凝土混合料檢測60組，容重2.36～2.43 g/cm3，孔隙率0.2%～1.9%，粒徑19～2.36 mm含量53.9%～61.8%、粒徑2.36～0.075 mm含量27.5%～34.7%、粒徑小于0.075 mm含量10.1%～13.3%，油石比6.6%～7.2%；檢測項目指標符合設計要求。

瀝青混凝土芯樣檢測12組，容重2.35～2.43 g/cm3，孔隙率0.5%～2.8%，滲透系數均小于1×10-8cm/s；檢測結果符合設計要求。

5.2 防滲效果

中葉水庫壩體和左右岸邊坡共埋設了23支滲壓計，用于分析瀝青心墻防滲效果和大壩滲流情況。

根據壩體應力變形計算成果及樞紐區地形、地質條件，設置觀測斷面，并且采用相同類型的觀測儀器和布置，以便于分析和比較，同時能夠全面地反映整個壩體的變形情況。中葉水庫大壩目前應力應變監測儀器工作正常，瀝青心墻接縫開合度和錯位較小，瀝青心墻應變較小，未發現異常。

大壩施工完成后進行觀測，瀝青心墻與過渡料接縫最大開合度為26.72 mm，最大錯位為66.56 mm，無異常突變，測值正常。瀝青心墻變形較小，已趨于穩定。

水庫工程完工后，經大壩蓄水安全鑒定，壩體和壩基觀測均未發現異常情況；試蓄水在較高水位時，水庫外壩坡無滲漏現象，大壩防滲效果明顯，大壩擋水建筑物能滿足蓄水運行要求。

6 滲壓計及應力應變儀器埋設與觀測成果分析

針對中葉水庫大壩變形、滲流條件的實際情況，大壩安裝埋設滲壓計及應力應變儀器進行觀測工作。

6.1 滲壓計及應力應變儀器布置及埋設

中葉水庫在大壩橫斷面0+105.00 m設置一個監測主斷面，該斷面內埋設5支滲壓計。在大壩橫斷面0+060.00 m和0+150.00 m設置兩個監測斷面，每個監測橫斷面分別布置4支滲壓計，3個橫斷面共布置13支滲壓計，在大壩左右岸邊坡各布置5支，共10支滲壓計用以監測繞壩滲流。

大壩心墻應變監測用應變計和無應力計進行監測，在壩橫0+060和壩橫0+105斷面心墻內布置16支應變計和9套無應力計。

(1)滲壓計的安裝埋設。鉆孔埋設測壓管，鉆孔直徑110 mm，在孔底填約20 cm厚的反濾料，然后將測壓管逐根對接下孔內；待測壓管全部下入孔內后，在測壓管與孔壁間回填反濾料至設計高程。檢驗合格后，安裝管口保護裝置。

(2)應變計的安裝埋設。應變計埋設于儀器周圍的瀝青混凝土，填筑時去除大于8 cm的骨料，用人工分層搗實；瀝青混凝土振搗后，及時在預定部位造孔埋設；儀器按預定的方向埋設。

無應力計用于測量混凝土的自生體積的形變，埋設時將儀器安裝于配套的無應力桶中并用人工振搗密實。

6.2 觀測成果分析

中葉水庫大壩滲流監測采用GK4500S型振弦式滲壓計，瀝青心墻應變監測采用GK-4200應變計進行監測，基巖位移監測采用振弦式基巖變位計進行監測。

(1)滲壓計觀測成果分析。滲壓計用于分析瀝青心墻防滲效果和繞壩滲流情況，目前大壩在進行蓄水前安全鑒定工作，水庫沒有運行蓄水，待大壩進入蓄水期后按設計及規范要求進行大壩滲流觀測分析。

(2)應力應變儀器觀測成果分析大壩建成至今，應變計最大觀測值為1 340.601 με，其余觀測值多在0到300 με，變化較小；基巖變位計最大觀測值為48.837 mm，其余觀測值多在0到40 mm，變化較小；無應力最大觀測值為555.085 με，其余觀測值多在0到200 με，變化較小。

中葉水庫大壩目前應力應變監測儀器工作正常，瀝青心墻應變較小，未發現異常，大壩基巖位移變化已經穩定，應力應變在正常范圍內。

7 結 論

中葉水庫工程大壩壩體采用瀝青混凝土心墻防滲，較好地解決了防滲土料缺乏地區的筑壩難題。瀝青混凝土心墻呈現黏彈塑性，延展性好，適應變性能力強，對地基要求不高，具有較好的耐久性及自愈能力，抗滲能力高。中葉水庫工程大壩為云南省內首座使用瀝青混凝土心墻防滲技術的大壩[14]。

(1)中葉水庫大壩垂直瀝青混凝土心墻是一種薄壁柔性結構，本身的變形主要取決于心墻在壩體中所受的約束條件，隨壩體一起變形，并且需要的瀝青混凝土方量較少，施工方便，并便于和兩岸的防滲系統相連接，使防滲系統安全可靠。

(2)工程區內防滲土料缺乏，瀝青心墻風化料壩對壩基要求較低，心墻壩基處理工程量小；可充分利用料場中的強、弱風化砂巖及弱風化泥質巖。瀝青混凝土心墻壩較好地解決了防滲土料及高質量堆石料缺乏地區的筑壩難題。

(3)根據設計的瀝青混凝土配合比要求，進行現場瀝青混凝土配合比調配，確定施工配合比。心墻碾壓完畢后進行質量檢測，檢測方法主要有現場C200核子密度儀無損檢測密度，用ZC-6型充氣儀無損檢測瀝青混凝土的滲透系數，現場取芯檢測和室內實驗檢測。檢測主要指標包括瀝青混凝土容重、孔隙率、滲透系數等[15]。

(4)中葉水庫工程大壩壩高75.40 m，土石方填筑119.54 萬m3、瀝青混凝土心墻填筑0.80 萬m3，大壩于2015年1月1日開工，2017年4月9日完成填筑。目前擋水建筑物的形象面貌能滿足蓄水要求，利用軟巖石料進行填筑的瀝青混凝土心墻壩在云南中葉水庫工程中得到應用，并運行良好。

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