北美興建的首座瀝青心墻壩

[挪威] H.薩克加德 等

魁北克水電局修建的大部分壩都是堆石壩,以冰磧土作防滲心墻的填料。但是,目前正在評價和設計的新工程所在地區缺少良好的土質心墻材料,因此魁北克水電局打算對這些工程的其他設計方案進行評價,并在作出新壩設計決策之前進行一項足尺試驗工程。

詹姆斯灣能源公司(詹姆斯灣能源公司)是魁北克水電局完全擁有的子公司,參加過開發伊斯特梅恩 1A工程、薩爾塞勒電站和魯珀特引水工程,已有多年的工程施工經驗。為了進行足尺試驗,已決定將該地區在建壩中的一座壩重新設計成一座具有中央瀝青心墻的堆石壩。在歐洲和其他國家已建成多座此類壩,但在北美洲,迄今還沒有建造過。

挪威巖土工程學院和科洛維德克公司受魁北克水電局委托,參與了該壩的設計和規范的制定。需要做大量工作把歐洲的通用規范和質量要求轉化成加拿大的標準。

魁北克北部的冬季氣候嚴寒,最低溫度 -50°,因此值得關注的問題是溫度拉應力可能導致心墻開裂。在這樣的氣候條件下,溫度裂縫是公路和機場的常見問題。幸運的是,有關這種現象的科研報告有很多,其中大部分出自加拿大。由于大壩心墻受到大壩填方的保護,因此溫度梯度平緩。相比厚護面,薄護面更容易產生裂縫。在這方面,約0.5 m的厚度即被認為是很厚的。因此,加拿大魁北克的標準瀝青(P G 52-34)被認為適合該工程;這種瀝青的灌入度為 180～220(A S T MD 5-73)。

2007年,完成了規范的制定,同年底,詹姆斯灣能源公司與科洛維德克公司就施工合同進行了協商。為了從有關當局獲得必需的各種施工許可證,科洛維德克公司成立了加拿大子公司,即科洛維德克魁伯克公司。科洛維德克公司還與當地的內米斯凱 1號壩的瀝青承包商 P a v e x儀器公司簽訂了合作與分包合同。

2007年底開始在施工現場進行骨料生產,并在挪威奧斯陸的科洛維德克實驗室進行了瀝青配合比設計,在 P a v e x儀器公司的實驗室,按加拿大規范進行了骨料和瀝青標準試驗。

圖 1為該壩的橫斷面。由于大壩最大壩高僅為15 m,因此心墻厚度為 0.4m即可滿足要求。其下游側也有高水位。壩頂高程約為 300 m,壩頂長 336 m。

圖 1 大壩橫斷面

基巖條件一般極好,在清除覆蓋層后做了一個3.9 m寬的混凝土底座,并分成3排進行了灌漿。除2B區外,其他所有填筑區均按標準的詹姆斯灣能源公司規范用軋石和爆破石料進行施工。2B過渡區原打算采用 0～80mm粒徑已經加工好的礫石,但在施工期間改用了 0～80mm粒徑的破碎石料。

1 瀝青配合比設計

瀝青骨料用 10～100mm粒徑的當地礫石加工成 3種規格的骨料:0～5mm,5～10mm,10～20mm。骨料一般都是優質的,取洛杉磯值為 20～25,吸水性中等。

規范包括通過試驗和按照加拿大魁北克運輸部標準的要求確定骨料和瀝青之間的粘結力。試驗結果表明,可能需要一種粘結劑。所有常規粘接試驗,包括加拿大所做試驗,其目的都是研究敞開式護面層內瀝青和骨料之間的粘結力,在這種情況下,水和空氣容易透入護面層中。在挪威進行的新試驗和王博士的博士論文均證明 ,粘結劑不能改善用于作瀝青混凝土心墻的那種稠密瀝青的物理特性,因為空氣和水不能透入到稠密瀝青中。此外,王博士還指出:按德州弗騰試驗(A S T MD 3625-2000)或其他類似試驗證實的對瀝青的粘結性能指標值較差的骨料,可用于致密瀝青混凝土心墻的施工,不會對瀝青心墻的性能產生不利影響。為此,決定在為內米斯凱 1號壩生產瀝青時不使用粘結劑。

魁北克水電局優先考慮的主要問題之一是瀝青心墻的施工速度。最好每天至少鋪筑 3層或更多(每層壓實厚度22.5 cm),因此,特別強調要生產易于壓實的瀝青混合料。通過按富勒氏級配曲線選用骨料的級配達到了此目的,這種級配曲線的填料所占百分比(13%)和瀝青含量(占總重量的7.3%)比常用的高。必須指出的是,當確定瀝青含量時,還必須考慮到這樣一個事實,在拌和過程中,瀝青含量存在某些偏差。這個偏差隨瀝青攪拌站的配料控制精度而有所不同,通常估計為 ±0.3%。

使用水泥和軋碎骨料作填料在奧斯陸進行了試驗。結果證明,兩種填料的效果相同。出于經濟原因,后來采用了骨料填料。

滲透試驗在試驗室制作的 2個 M a r s h a l l試樣上進行,試樣瀝青含量 7%。這種心墻試樣即使經過12 h的 1MPa水壓試驗仍能保證完全不滲水。

瀝青配合比設計三軸試驗在挪威巖土工程學院進行。試驗溫度為 5℃ ,維持恒定側向應力0.5MPa,應變速率為每小時2.3%。應力-應變曲線表明,延展性達到較大軸向應變,在剪切試驗期間只有小量的膨脹。

2 試驗段

2008年 7月初,在現場進行了試驗段施工。第1試驗段包括在混凝土底座上鋪瀝青瑪脂和一層機械攤鋪層,厚度為22.5 cm(壓實后)。第 2試驗段包括 1 d(9 h)內鋪筑 4層,每層厚22.5 cm(壓實后)。

次日進行第 2試驗段施工,包括鋪筑 4層,每層壓實后厚度約 30 cm。

這 2個試驗段的層厚比預期的稍薄。主要是由于心墻的寬度(即厚度——譯注)只有 40 cm。若采用稍寬的心墻,很容易使層厚增加。為了便于大壩施工而選擇22.5 cm的層厚,以便與其他壩區的標準填筑層厚相適應。

恰當地確定了瀝青滲透率與孔隙率之間的關系。孔隙率為 3%的芯樣的滲透率約為 10-11cm/s。目前,普遍認為瀝青心墻在鋪筑和壓實后的孔隙率應低于 3%,并且應根據瀝青心墻鉆孔芯樣孔隙率的測量結果進行日施工質量控制。

3 第 1試驗段的取樣結果

總共鉆取芯樣 6個,取樣深度約 45 cm。有的芯樣在取樣時還鉆穿了第 1層,并鉆到了混凝土底座中,目的是為了測試瀝青/瑪脂與混凝土的粘結力。粘結力在魁北克的一個單獨的實驗室進行試驗。試驗結果令人滿意。

將芯樣的每端截斷 4 cm后,6個芯樣各分成 5～6節(圓盤),并按 A～F的順序,對這些圓盤進行編號,A為芯樣的上節,見表 1。

表1 第 1試驗段實測的孔隙率 %

所有的圓盤試件的孔隙率都不大于通則規定的最大值 3%,每個芯樣的平均孔隙率均低于2.5%。

4 第 2試驗段的取樣結果

第 2試驗段總共鉆取和分析芯樣 5個,取樣的分析方法與第 1試驗段相似,結果見表 2。

表2 第 2試驗段實測孔隙率 %

所有的圓盤試件的孔隙率都不超過通則規定最大值 3%,每個芯樣的平均孔隙率均低于2.5%。

2個試驗段鋪筑的瀝青心墻試驗均證明,其孔隙率平均值都低于3%,可以認為是不滲透的。鋪筑層厚22.5 cm(壓實后)的第 1試驗段與層厚增加到約為 30 cm(壓實后)的第 2試驗段之間的平均孔隙率的測量結果沒有差別,這 2次試驗也證明每天鋪筑 4層并不困難。

對瀝青各項指標的分析表明,由瀝青廠生產的瀝青的測量結果和實驗室制備的瀝青配比設計之間的差別可以忽略,因此,決定在下一步大壩施工中維持此配合比的設計。

5 現場施工

在施工現場附近建了一座小型瀝青拌和廠以及實驗室。瀝青由裝有專門筒倉的裝載機運至施工現場,過渡區材料用自動卸料車從附近的貯料堆運送。詹姆斯灣能源公司也參加了獨立實驗室的工作,以便對所鋪筑的所有瀝青進行補充分析,并編寫逐日施工報告。用這種方式,每天都要對所有質量要求進行雙重檢查。

科洛維德克公司負責瀝青心墻和過渡區的鋪筑,而魁北克水電局負責設備調配和所有壩區的壓實。

在試驗段的報告得到批準后,2008年 7月 21日開始,進行大壩瀝青瑪脂施工。壩基縱剖面有幾個深坑,在用機械對整個大壩長度進行鋪筑前,需要由人工鋪瀝青將其填平 。

施工進行 1～2周后,鉆取了芯樣,并現場測試孔隙率,然后在施工完成 1月后,再次鉆取芯樣和進行測試。對生產的瀝青,每天對實驗室制作的馬歇爾試樣測試 1～3次,以控制組分、瀝青含量和壓實效果。只有在前一天的檢查結果符合要求之后,才允許進行第 2天的瀝青鋪筑。所有施工于 2008年9月 7日完成,在施工 7周后,已鋪筑了 54層,相當于將心墻鋪到了12.1 m高。

內米斯凱 1號壩瀝青心墻工程成功建成,比原計劃提前完工。除了由承包商進行常規質量控制外,魁北克水電局和詹姆斯灣能源公司對瀝青心墻鋪筑技術進行了不斷監督和評估。