宝泉抽水蓄能电站沥青混凝土面板斜坡稳定性研究

刘增宏 郝巨涛

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

一、概 述

沥青混凝土强度和劲度模量随温度的升高而降低。斜坡上的沥青混合料，由于夏天阳光直射，其表面温度可达到70℃以上。河南南谷洞水库沥青混凝土面板运行期的观测资料极限值达到78℃。中国水利水电科学研究院结构材料所为宝泉工程进行配合比试验研究过程中，室外观测资料表明，沥青混凝土面温度达到80℃。在如此高的温度下，沥青软化，粘性减小，沥青在骨料之间起到润滑作用，沥青混凝土抗剪切能力大大减小，骨料之间有相互滑动的趋势。防渗层用的混合料，为了达到渗透性小的要求，沥青用量较多，这就容易引起斜坡流淌。国内外混凝土面板工程都或多或少发生斜坡流淌现象，有的工程斜坡流淌极为严重，以至于不得不翻修，如南谷洞沥青混凝土面板于2004年进行了整体翻修。

二、沥青混合料设计中应考虑的因素

沥青混合料及现场施工状况均影响沥青混凝土的斜坡稳定性。在混合料配合比设计中，应仔细考虑原材料和配合比选择。

用于水电工程的沥青混凝土，应选择稠度高、软化点高、含蜡量低的沥青，针入度级别常为70或90。矿料通常选择碱性碎石，如石灰石、玄武石等，因为其与沥青的粘附性好，抗水剥离性好，具有较高的抗剪切强度。天然砂也可作为细骨料改善施工和易性。

在配合比设计中，应选择合适的沥青含量和矿料级配，除满足规范规定的密度和空隙率要求外，还应通过试验保证沥青混凝土具有斜坡稳定性、柔性、抗裂性。为简化骨料选择，通常可用已故的丁朴荣教授提出的公式确定各筛网孔径di（mm）对应的通过率Pi（%）。

图1 斜坡流淌值与沥青含量及填料用量的关系（级配指数0.3）

图2 斜坡流淌值与沥青含量及填料用量的关系（级配指数0.4）

其中:D-骨料最大粒径，mm；

n-级配指数。

图1、2所示为宝泉工程沥青混凝土配合比参数和斜坡流淌值的关系。

三、斜坡稳定性试验

土石坝沥青混凝土面板和心墙设计准则（SLJ01-88）规定，斜坡流淌值不大于0.8mm。中国的斜坡流淌试验方法是：将正反面各击实35次或20次的马歇尔试件，根据斜坡流淌试验方法（DL/T 5362-2006-9.7）,固定在按设计坡度放置的金属板上，整体置于烘箱内，按设计温度烘烤48小时，测试距试件底部50mm处的流淌值。实际上，常规的沥青混凝土试件在2～4小时内的位移量就能达到最终位移量的80%，并且在12小时内趋于稳定。日本的试验结果见表1，宝泉工程的试验结果见表2。

西方国家，早先采用Asbeck稳定性试验方法评价沥青混凝土斜坡稳定性，后来用马歇尔试件切割成的类半圆柱体试件代替。Asbeck试验方法是，将最小尺寸30cm×30cm×5cm 的沥青混凝土板置于钢制或木制的盒子中，三面填充绝热材料，整个装置按试验要求的坡度摆放，用2～3mm的窄条将底脚（第四边）底部固定。在试件表面的上、中、下部，水平画三条白线，试验过程中不断地测量白线位移量。对于符合要求的沥青混凝土，位移24小时后应停止。该方法强调的是流淌在24小时内停止，对流淌值的大小并没有要求，这和中国标准（SLJ01-88）不同。

表1 日本昭原池防渗层沥青混凝土斜坡流淌试验结果（60℃）

表2 宝泉上水库防渗层沥青混凝土斜坡流淌试验结果（70℃）

法国的试验方法和Asbeck试验方法类似，斜坡流淌试验延续7天，前5天流淌值不计，后2天的斜坡流淌值在0.1mm以内视为合格。其基本思路和Asbeck方法基本一致，主要是追求沥青混凝土的固体性能，尤其是斜坡上沥青混凝土应有的性能。

四、宝泉工程不同试验方法结果比较

宝泉上水库，边坡坡比是1:1.7，设计要求试验温度是70℃。为研究上述两种方法的不同，对批次编号为02-045的防渗层混合料，分别采用中国标准（CS）和Asbeck方法（AS）进行试验。精心制备试件，以保证密度和或空隙率具有可比性。CS试件采用马歇尔试件标准击实方法，正反面各击实20次成型,AS试件采用震动夯碾压成型，保证其达到要求的密度，成型温度150℃。试验结果见表3。从中可以看出，虽然两种试件的密度和孔隙率相当，但Asbeck试件斜坡流淌值比中国标准试件斜坡流淌值大。

宝泉工程的设计师和工程师，对已摊铺到斜坡面的沥青混凝土的稳定性有疑虑，所以现场摊铺试验时，要求钻孔取芯（DC）制备10cm直径的芯样进行斜坡流淌试验，并与马歇尔试件的试验结果进行比较。试验结果表明，钻孔取芯试验结果远远大于马歇尔试件试验结果，不能满足不大于0.8mm的要求，见表3、4。

表3 不同试验方法斜坡流淌试验结果比较(混合料批次02-045)

表4 各种试件斜坡流淌试验结果比较

为消除钻孔对芯样的破坏，在已摊铺的面上采用套筒取芯（LC）方法取芯。斜坡摊铺完成后，将一些内径10cm的钢筒置入小坑内，回填沥青混合料，摊铺层和套筒沥青混合料一起碾压。与钻孔取芯（DC）比较，套筒取芯（LC）的的样品虽然孔隙率较大，但斜坡流淌试验结果较小，而且满足规范要求，见表4。这说明钻孔芯样存在潜在的作业破坏。

为进一步证实钻孔对芯样的影响，在已摊铺碾压的沥青混凝土面上钻取直径33cm的芯样（DCL）进行斜坡流淌试验，所用沥青混合料批次编号仍为02-045。大芯样（DCL）和普通芯样（DC）的斜坡流淌试验结果见表3。试验结果表明，试件直径越大，斜坡流淌值越小，进一步表明钻孔对芯样有影响。Asbeck试件和大芯样（DCL）试验结果比较接近。说明Asbeck方法（AS）相对于中国标准方法（AS）更合理。中国标准（SLJ01-88）要求斜坡流淌值不大于0.8mm是缺乏根据的。

图3 大芯样试件及Asbeck平板流淌值测点示意图

大芯样试件及Asbeck平板流淌值测点如图3。

五、结 论

1.试验表明钻孔对芯样的的破坏影响是存在的。普通钻孔取芯试件的斜坡流淌值非常大，不能作为评价沥青混凝土面板斜坡稳定性的依据。

2.Asbeck试件(AS)和大芯样（DCL）试验结果比较接近。根据试验结果，面板实际流淌值可能大于（AS）试件斜坡流淌值，小于（DCL）试件斜坡流淌值。这是因为前者不确定地受铁框制约，后者遭钻孔破坏。因此Asbeck试件（AS）相对于中国标准所用的马歇尔试件（CS）更能给出比较真实的结果。因为马歇尔试件成型过程中更多地受模具约束。

3.虽然受模具不确定的约束，由于较为方便，中国的标准（CS）依然实用。如果沥青混合料配合比选择适当，马歇尔试件（CS）斜坡流淌值可以满足不大于0.8mm的要求。此外，沥青混凝土空隙率如果能够控制在3%以内，面板在运行期间的斜坡稳定通常是有保证的。

[1] 宝泉抽水蓄能电站上水库沥青混凝土配合比及相关技术试验研究,2005.

[2] (日)水工沥青研究会编,王景海、章继光译,水工沥青,1983.

[3] 土石坝沥青混凝土面板和心墙设计准则（SLJ01-88）.

[4] 水工沥青混凝土试验规程(DL/T5362-2006).

[5] Baron W. F. van Asbeck,M.I.C.E..Bitumen in Hydraulic Engineering,Volume II[M].Elsevier Publishing Company,1964.

[6] Erich Schönian. The Shell Bitumen Hydraulic Engineering Handbook[M].Shell International Petroleum Company Ltd.,1999.