西藏拉洛水利樞紐瀝青混凝土心墻壩料源規劃及酸性骨料改性方法

朱學賢，楊 波，牛運華，姚勇強

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

瀝青混凝土心墻堆石壩具有眾多優點：① 瀝青混凝土心墻位于壩體過渡料之間，與外界接觸面積小，受到外界自然條件的影響小；② 瀝青混凝土具有良好流動性，利于其提升壩體變形適應能力和抗震能力；③ 瀝青混凝土孔隙率小、防滲性能突出；④ 瀝青混凝土心墻堆石壩施工干擾小、建設速度快[1]。20世紀70年代，中國也開始修建瀝青混凝土防滲體土石壩。

在瀝青混凝土心墻堆石壩施工組織設計過程中，料源選擇與規劃是一項重要環節[2]。一般而言，一個水利水電工程的基礎建筑材料費用占工程所有費用75%左右[3]。對于堆石壩而言，壩殼填筑料、過渡料和塊石料等用量通常都較大，因此大壩的造價在很大程度上取決于這些填筑料的成本，而填筑料的成本又取決于料場的選擇及相應的采、運、加工等施工方案，若料源選擇與規劃得當，對經濟效益影響十分顯著。同時，瀝青混凝土骨料的質量影響著瀝青混凝土心墻的抗滲性、耐久性及適應變形能力，做好瀝青混凝土心墻骨料的料源選擇，對確保大壩的質量有著至關重要的作用。料源選擇與規劃受到多種條件的制約[4]，例如料場的地理位置、開采與運輸條件，料源的級配、儲量、質量，以及料場開采所使用的機械與設備、供應強度要求等，又要滿足骨料經濟合理的要求。因此，料源選擇與規劃方案的設計往往需要進行大量的分析、對比和計算工作。料源選擇與規劃也是個貫穿施工期的動態優化調整過程[5]。瀝青混凝土心墻壩的施工工期較長，施工過程中各期對骨料的需求量、級配和質量要求也不盡相同；此外，料場在開采過程中可能受到某些因素制約，從而需對料源重新進行選擇和規劃。

綜上所述，瀝青混凝土心墻壩的料源選擇與規劃受料場自身條件和施工過程中各種因素的影響，不是單純的數量平衡問題，宜采用系統分析的方法，利用系統要素之間的關系建立料場規劃的模型，還需要隨施工過程中的變化，對模型不斷進行優化調整，使整個工程的造價最低、質量最優[6]。

21世紀，西藏自治區水利水電事業進入了快速發展階段，受地形、地質和天然建筑材料條件影響，瀝青混凝土心墻壩已成為當地土石壩設計的常規壩型[7]。西藏拉洛水利樞紐工程[8]的大壩也采用瀝青混凝土心墻壩，是目前西藏海拔最高的瀝青混凝土心墻壩。本文以西藏拉洛水利樞紐工程為例，對料源選擇與規劃、瀝青混凝土酸性骨料改良方法進行研究。

1 拉洛水利樞紐工程概況

拉洛水利樞紐工程位于西藏自治區日喀則市西部、雅魯藏布江以南薩迦縣，是雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲干流上的控制性工程。拉洛水庫總庫容2.917億m3，配套灌區設計灌溉面積45.39萬畝(3.026萬hm2)，為Ⅱ等大(2) 型水利工程。工程主要任務為灌溉，兼顧供水、發電和防洪，并促進區域生態環境改善。樞紐工程包括瀝青混凝土心墻壩、泄洪發電隧洞、溢洪道、拉洛水電站、魚道、引水發電系統等。瀝青混凝土心墻壩頂面高程4 305.00 m，大壩壩高61.50 m，壩軸線長418.00 m，壩頂寬7 m。大壩上游土石圍堰與大壩相結合，堰頂高程 4 279.0 m，最大堰體高度約 22 m，堰頂寬6 m；下游土石圍堰堰頂高程4 260.5 m，最大堰體高度4.5 m，堰頂寬8 m。圍堰基礎均采用混凝土防滲墻防滲。大壩工程砂礫石開挖量為11.00萬m3，石方開挖量為8.74萬m3，大壩總填筑量180.06萬m3。拉洛水利樞紐工程瀝青混凝土心墻壩典型斷面見圖1。

圖1 拉洛水利樞紐工程瀝青混凝土心墻壩典型斷面(單位：cm)Fig 1 Typical profile of asphalt concrete core dam of Laluo Hydro Project

2 料源選擇與規劃

料源選擇與規劃就是將滿足工程質量要求的工程開挖利用料、料場開采料合理地用于各個建筑物。料源質量是料源選擇中首要考慮的問題，如一般混凝土骨料應避免采用含堿活性的原料，瀝青混凝土粗骨料則宜采用堿性破碎巖石的碎石[9]，混凝土骨料對表觀密度、堆積密度、孔隙率、云母含量等指標有相應要求等。隨著技術的發展，料源某些指標不滿足標準時，可通過適當加工處理和添加外加劑的方式來進行改善，經過試驗驗證滿足設計要求后也可用于工程中。例如，天然砂礫石料場級配偏粗或偏細，可通過破碎和制砂，或補充碎石進行調整；對于酸性瀝青混凝土粗骨料，可通過添加抗剝落劑的方式來改善其性能[10]。

除質量指標外，料源選擇與規劃是否合理的另一個判斷標準是開采、運輸和加工等綜合費用最少[11]。料場開采費用與開采方式有關，一般天然砂礫石料場要小于石料場，并隨料場開采規模的擴大而降低。料源加工費用包括篩洗、破碎與分級等，與所用的加工工藝有關，對同一料場，其加工費用差別不大。運輸費用與運輸方式、運距和道路建設維護費等有關。由于天然砂礫石料場的砂石生產系統及混凝土系統工藝流程簡單，水泥需用量最低，綜合費用也低，在儲量豐富、剝采比較小、級配和開采條件較好時，優先作為料源。

料源選擇與規劃貫穿工程設計及施工整個過程，前期料源的合理選擇與規劃保證了工程使用材料的質量、分布合理且料源充足，而施工過程中隨外部條件變化而進行的動態調整，則能夠保證工程順利推進。拉洛水利樞紐瀝青混凝土心墻壩中，填筑料按性質和功能分為壩殼料、反濾料、過渡料等填筑料和混凝土骨料，其料源地分布于不同的料場，在不同的施工時段，通過不同的道路系統，將各料源由料場運往相應填筑區。因為影響費用的各種因素之間存在著明顯的線性關系，料源選擇和規劃一般都采用線性規劃方法[12]。線性規劃是系統規劃技術中發展最成熟、用途最廣泛的一個分支，被廣泛應用于解決水利工程施工系統中的生產組織、運輸、庫存和混凝土砂石料料場規劃等問題。

3 瀝青混凝土心墻骨料變更規劃設計

3.1 原料源規劃

瀝青混凝土粗骨料宜采用堿性骨料，對表觀密度、針片狀顆粒含量、水穩定等級、有機質及泥土含量等指標有嚴格的要求。在拉洛水利樞紐工程設計階段，詳查了雪日巴塘和塔曲2個砂礫石料場，以及卡窮朗和卡吉朗2個石料場。根據地質勘察成果，當地天然卵礫石料成分復雜，與瀝青黏附性較差，不宜作為瀝青混凝土骨料；卡吉郎溝玄武巖和吉定鎮察嘎村日喀則水泥廠灰巖料場的料源均滿足瀝青混凝土骨料質量要求。拉洛水利樞紐工程需瀝青混凝土骨料量較少，僅2.17萬m3，若在卡吉郎溝自采加工，需征地、修筑施工道路等，成本相對較高；吉定鎮察嘎村附近灰巖儲量豐富，已作為日喀則水泥廠原料進行開采。從骨料質量、綜合成本等因素考慮，選擇購買灰巖毛料加工瀝青混凝土骨料。

3.2 變更緣由

當拉洛水利樞紐大壩瀝青混凝土心墻完成49.8%時，合同約定的堿性骨料采購點日喀則高新雪蓮水泥廠礦山開采范圍處于黑頸鶴保護核心區域，被明令禁采，導致后續工程所需的3.3萬t骨料無法供應，需對后續所需骨料重新規劃[13]。因此進一步擴大堿性骨料的調查范圍，盡可能選擇適宜的堿性骨料料場；在周邊堿性爆破料場不具有經濟性的條件下，補充酸性全破碎砂礫石骨料的礦物成分和化學成分分析，研究其作為瀝青混凝土心墻骨料的可行性。

3.3 變更方案分析比較

對拉洛水利樞紐工程區附近可能作為瀝青混凝土骨料的料源重新進行了調查、試驗工作，完成了10組砂礫石取樣，并進行了相關適宜性試驗。根據勘察成果，工程區堿性骨料(灰巖)在庫區分布零星，交通不便，多為薄夾層或透鏡體分布，不具規模開采價值；重點對工程區附近有中性骨料的卡吉朗玄武巖料場和酸性骨料的卡玉砂礫石料場進行研究[14]。

卡吉朗石料場在初設階段已做過勘察工作，因此僅針對是否滿足瀝青混凝土骨料要求做進一步試驗。根據巖石化學成分分析試驗，根據堿度模數M的計算公式M=(CaO+MgO+FeO)/SiO2，計算出堿度模數為0.89，屬于中性巖石；根據巖石物理力學性質試驗成果，原材料質量滿足瀝青混凝土骨料的質量要求。

表1 卡玉砂礫石料場破碎砂礫石用作瀝青混凝土粗骨料質量評價Tab.1 Quality evaluation for sandy gravel used as coarse aggregate of asphalt concrete in Kayu gravel quarry

表2 卡玉砂礫石料場破碎砂礫石用作瀝青混凝土細骨料質量評價Tab.2 Quality evaluation for sandy gravel used as fine aggregate of asphalt concrete in Kayu gravel quarry

從質量方面比較，卡吉朗玄武巖料作為瀝青混凝土骨料優于卡玉砂礫石料場，卡玉砂礫石料場破碎礫石料用作瀝青混凝土骨料需采取相應處理措施。從開采條件看，卡玉砂礫石料場采用挖掘機直接開采，其成本較鉆爆法開挖的卡吉朗石料場低。此外，由于當地火工材料供應存在一定問題，卡吉朗石料場難以保證連續開采，供料保障率低。從運輸條件看，卡玉砂礫石料場現已有道路，運距約13 km；卡吉朗石料場運距約14 km，需要新修2 km道路。綜上分析，卡玉砂礫石料場除粗骨料與瀝青的粘附性指標不符合規范要求外，開采、運輸條件和費用均優于卡吉朗石料場。因此，卡玉砂礫石料場酸性砂礫石粗骨料通過改良后，與瀝青的黏附性能否滿足設計要求成為瀝青混凝土骨料料源選擇的關鍵問題。卡吉朗石料場和卡玉砂礫石料場分析對比見表3。

表3 卡吉朗石料場和卡玉砂礫石料場分析對比Tab.3 Analysis and comparison for Kajilang gravel quarry and Kayu gravel quarry

4 卡玉砂礫石料場酸性礫石破碎骨料改良

堿性骨料與瀝青具有良好的化學吸附作用，與瀝青的黏結力較好，能保證瀝青混凝土的水穩定等級，現有的設計規范推薦采用堿性骨料。酸性骨料與瀝青的黏附性能較差，在水的長期浸泡作用下，包裹在骨料表面的瀝青逐漸會被水置換而使骨料裸露出來，從而會使瀝青混凝土的自身結構遭到破壞，影響瀝青混凝土的強度及抵抗外力變形的能力[15]。

為了提高瀝青與酸性骨料的黏附性，目前國內外通常采用在瀝青或瀝青混合料中添加抗剝落劑的方式改良[16]。當前國內使用的聚合物抗剝落劑主要有胺類與非胺類抗剝離劑，其中以胺類居多。但是胺類物質受熱易分解，穩定性相對較差，其抗剝落劑的耐熱性與長期性能備受質疑。非胺基類抗剝落劑的主要成分是一種表面活性劑，其特點是熱穩定性和耐久性較好，抗剝落劑分解溫度高達180 ℃以上。適合于各種石料(堿性或酸性)，化學鍵不易發生破壞，水穩定性能好。

目前對抗剝落劑效果的試驗還沒有非常成熟和公認的方法，通常采用的試驗方法是水煮法，其效果判定受經驗和主觀性的影響大，不易確切判定。因此，除了水煮法外，引入了瀝青混凝土抗壓試驗和瀝青薄膜烘箱老化試驗的組合試驗方案，其中瀝青混凝土抗壓試驗可檢驗瀝青混凝土受水損害時抵抗剝落的能力；瀝青薄膜烘箱老化試驗可評價抗剝落劑的耐熱性能及長期使用效果。該組合試驗方法還可優選抗剝離劑的品種和摻量，試驗的具體步驟如下。① 將酸性天然礫石料沖洗干凈后，破碎、篩分成滿足工程需要級配的粗細骨料。② 準備滿足工程所需的瀝青，主要技術參數指標滿足相關規范中瀝青的技術要求。③ 選取不同品牌的抗剝落劑。④ 采用水煮法，進行粗骨料與瀝青黏附性試驗。具體做法是在瀝青中加入不同品牌、不同摻量的抗剝落劑，按照水煮法進行試驗，分析、對比試驗結果。⑤ 采用抗壓試驗，進行瀝青混凝土水穩定性試驗。具體做法是在固定瀝青混凝土配合比不變的前提下，分別加入不同品牌、不同摻量的抗剝落劑，進行抗壓試驗，計算水穩定系數，分析、對比試驗結果。⑥ 采用瀝青薄膜加熱試驗，研究不同品牌的抗剝落劑對瀝青薄膜烘箱老化試驗的影響。具體做法是在瀝青中加入不同品牌、不同摻量的抗剝落劑，測定薄膜加熱后殘留物的針入度、延度、軟化點、黏度等性質的變化，評定瀝青的耐老化性能，分析、對比試驗結果。⑦ 綜合水煮法、瀝青混凝土抗壓試驗和瀝青薄膜烘箱老化試驗，綜合評價添加抗剝落劑對酸性骨料與瀝青黏附性等的改善效果，優選出抗剝落劑的品種和摻量。

試驗用粗骨料為在卡玉砂礫石料場開采、經沖洗干凈、破碎并篩分后，粒徑在13.2～19.0 mm之間的天然破碎礫石，從骨料的巖相鑒定結果看，天然礫石的原料巖石種類主要是石英巖類。試驗瀝青為工程所用的克拉瑪依70號瀝青；選用了甲、乙、丙3種不同品牌的抗剝落劑進行性能比較。

4.1 粗骨料與瀝青的黏附試驗

在不摻抗剝落劑情況下，天然砂礫石中的酸性骨料與瀝青的黏附性等級為2級。在瀝青中摻入適當的抗剝落劑，在沸水中浸煮3 min后，骨料表面的瀝青膜完全保存，剝離面積百分率小于10%，黏結力等級達到5級或4級，其中品牌丙的抗剝落劑性能最優，達到5級。

4.2 水穩定性試驗

在瀝青混凝土配合比相同的條件下制成2組試件，1組在(20±1) ℃的空氣中進行不少于48 h抗壓試驗，測定其抗壓強度R1；另1組試件在(60±1) ℃水中浸泡48 h后，在設定溫度為(20±1) ℃水中恒溫2 h，進行抗壓試驗，測定其抗壓強度R2。前后2組抗壓強度之比為水穩定系數Kw=R2/R1。水穩定系數值越高，說明瀝青混凝土在遇水條件下，其水穩定性越好，即瀝青混凝土在有水條件下自身物理性能降低較小。

在固定瀝青混凝土配合比不變的前提下，分別選取不同品牌抗剝離劑進行0，0.2%，0.4%，0.6%四種摻量的對比試驗。試驗結果表明：瀝青混凝土中添加適當的抗剝離劑，均不同程度地提高了瀝青混凝土的水穩定系數至0.90以上，其中品牌丙的抗剝落劑質量最為穩定，達1.02。

4.3 瀝青薄膜烘箱試驗

分別選取不同品牌0，0.4%，0.6%三種摻量的抗剝離劑對克拉瑪依70號瀝青薄膜烘箱老化試驗的影響試驗進行對比。試驗結果表明：瀝青中添加不同品牌的抗剝離劑后，其質量損失、殘留針入度比、延度等性能比未添加抗剝落劑的瀝青性能略降低，但均滿足相關規范要求，其中品牌丙的瀝青抗剝落劑質量較優。

卡玉砂礫石料場酸性礫石破碎骨料改良試驗主要指標見表4。

表4 卡玉砂礫石料場酸性礫石破碎骨料改良試驗主要指標Tab.4 Main indexes of acid gravel crushed aggregate improvement test in Kayu gravel quarry

綜合3個試驗結果表明，通過在瀝青混凝土中添加品牌丙0.4%抗剝離劑(非胺類)，可將砂礫石中的酸性骨料與瀝青的黏附性的2級提高到5級，水穩定系數達1.02，質量損失、殘留針入度比、延度等性能均滿足相關規范要求。

5 料源變更選擇結果

卡玉砂礫石料場在開采、運輸條件和費用方面相對卡吉朗石料場有優勢，通過在瀝青混凝土中添加抗剝離劑(非胺類)，可使酸性骨料與瀝青的黏附性、水穩定性達到設計要求。因此瀝青混凝土骨料料源變更為卡玉砂礫石料場。與初設階段相比，骨料加工由山場料變更為天然料，骨料加工成本減少237萬元，新增外加劑增加29萬元，兩者合計減少208萬元，即變更后降低了工程成本。拉洛水利樞紐大壩瀝青混凝土心墻于2019年9月封頂，大壩于2020年4月順利完工，截至2021年4月已正常運行了2 a。

6 結 論

(1) 料源選擇與規劃時，首先考慮的是料源質量能否滿足設計要求，或是否可通過相應的處理措施使其達到設計要求；其次是開采、運輸和加工等綜合費用最少。料源選擇與規劃貫穿工程設計、施工表整個過程，需隨外部條件變化而進行動態優化調整。

(2) 拉洛水利樞紐大壩瀝青混凝土心墻施工過程中，原堿性骨料采購點因位于黑頸鶴保護核心區域被禁采后，勘察了工程區附近中性骨料的卡吉朗玄武巖料場和酸性骨料的卡玉砂礫石料場。通過料源質量、開采條件、骨料供應保障性、經濟性等方面分析比較，卡玉砂礫石料場除了酸性粗骨料與瀝青的黏附性指標不符合規范要求外，其余條件均較優。

(3) 鑒于傳統的水煮法受經驗和主觀性的影響大、不易確切判定的缺點，引入了瀝青混凝土抗壓試驗和瀝青薄膜烘箱老化試驗的組合驗證方法，能夠全面檢測酸性骨料與瀝青間各種性能。水煮法可檢驗酸性骨料與瀝青的黏附性；瀝青混凝土抗壓試驗可檢驗瀝青混凝土受水損害時抵抗剝落的能力；瀝青薄膜烘箱老化試驗可評價抗剝落劑的耐熱性能及長期使用效果。該組合試驗方法還可優選抗剝離劑的品種和摻量，為酸性骨料在水利工程中的應用提供了技術支持。

(4) 通過在瀝青混凝土中添加某品牌的0.4%抗剝離劑(非胺類)，可將酸性骨料與瀝青的黏附性提高到5級或4級、水穩定系數大于0.90，性能滿足設計要求。因此，拉洛水利樞紐大壩瀝青混凝土骨料料源變更選擇卡玉砂礫石料場，變更后降低工程費用約208萬元。