百米級碾壓式瀝青混凝土心墻壩關鍵技術探討

張合作，羅光其，程瑞林

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，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，其防滲結構采用瀝青混凝土，具有良好的防滲性能、較好的變形適應能力且結構簡單、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。國內引進該技術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)，之后隨著設計、施工經驗的積累和施工設備的發(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。進入21世紀后，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，其中去學壩為國內外同類型已建最高壩。

隨著該壩型在國內的大量建設，其有關的設計和施工規(guī)范、計算分析、試驗研究和施工機具研制等也在工程建設中得到完善和發(fā)展，為該壩型安全評價和朝更高壩建設奠定了實踐基礎，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、計算本構模型等發(fā)展制約，仍停留在半經驗半理論階段，大多是通過工程類比進行研究和建設的。同時，現(xiàn)有技術規(guī)范主要是依據(jù)早期中低壩的建設經驗編制的，而對于百米級壩、高寒、復雜地形地質等特殊條件下的筑壩技術經驗總結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尚不能直接用于大壩設計定量評價，僅能作為橫向比較，在施工技術水平及質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、施工質量控制等普遍問題，從瀝青心墻骨料、配合比設計和施工中的質量控制三方面探討百米級瀝青混凝土心墻壩關鍵技術，提煉總結其中的關鍵參數(shù)和措施，為該壩型朝更高壩建設提供支撐。

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)地形地質條件復雜，對心墻結構和瀝青混凝土配合比設計要求高。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、粉砂質泥巖、粉砂巖及泥質粉砂巖等。

(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，混合料是相當柔軟和可塑的，并易于壓實。當溫度超過180 ℃會加速瀝青老化，降低耐久性；而原材料加熱溫度過低，又會導致瀝青難以壓實，影響瀝青混凝土的質量。

(4)施工質量控制標準高。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經驗，瀝青混凝土是一種對溫度較為敏感的材料，力學性能不僅和原材料特性、瀝青混凝土配合比有密切關系，還取決于溫度變化、施工質量控制等因素。因此，心墻的施工質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 依托工程心墻關鍵技術研究

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

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。考慮到本工程壩高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。考慮到瀝青混凝土的強度、變形性能及防滲性能的要求，根據(jù)本次試驗，當油石比為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時對應的孔隙率比較小，劈裂強度變化不大，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，提高防滲和修復性能。

(2)心墻與岸坡巖基連接。岸坡段心墻同樣通過設置混凝土基座與基巖連接，心墻和混凝土基礎面采用擴大斷面的形式，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)的橫縫則要求結合面做成1∶3～1∶4的斜坡，以利于層間牢固黏結，橫縫處涂抹熱瀝青并應重疊碾壓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，應對層面的水珠、砂粒和塵土采用高壓風風干，時間較長的還應配以高壓水沖洗，特別嚴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自帶的紅外線加熱器加熱，攤鋪機加熱不到的地方，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)、溫度控制等進行現(xiàn)場碾壓和控制試驗，經現(xiàn)場取樣成型檢測后，結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 ℃。現(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，會導致瀝青混合料難以壓實，影響瀝青混凝土的質量。因此，嚴格控制瀝青混凝土施工溫度是保證瀝青混凝土施工質量的關鍵之一。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

心墻越冬保護就地取材，采用砂礫石過渡料保溫，覆蓋厚度在考慮當?shù)貎鐾辽疃?.7 m的基礎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清理干凈，再對心墻表層進行質量檢查處理。

3 應用評價

(1)質量檢測。瀝青混凝土質量檢測主要是鉆孔取芯后進行密度、孔隙率、抗?jié)B指標、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，進行相關性能試驗。試驗和檢測數(shù)據(jù)表明心墻施工質量控制滿足規(guī)程規(guī)范和設計要求。

(2)應用評價。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 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中關注的關鍵技術進行了量化，主要量化控制指標和施工經驗總結如下：

(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變形的能力，可以根據(jù)壩址地形地質條件運用數(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和安全運行要求。

(2)心墻和基礎連接部位為該壩型防滲連接相對薄弱環(huán)節(jié)，建議設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、嚴寒地區(qū)，只要采取有效的措施，心墻攤鋪層數(shù)可達到3層/d，具有極高的經濟性和結構安全保障性。

(4)試驗研究和質量檢測表明，嚴格控制溫度是保證瀝青混凝土施工質量的關鍵之一，在正常攤鋪溫度130～160 ℃情況下，瀝青的黏度較低，混合料是相當柔軟和可塑的，并易于壓實。當溫度超過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，進而影響瀝青混凝土的質量。