北美兴建的首座沥青心墙坝

[挪威] H.萨克加德 等

魁北克水电局修建的大部分坝都是堆石坝,以冰碛土作防渗心墙的填料。但是,目前正在评价和设计的新工程所在地区缺少良好的土质心墙材料,因此魁北克水电局打算对这些工程的其他设计方案进行评价,并在作出新坝设计决策之前进行一项足尺试验工程。

詹姆斯湾能源公司(詹姆斯湾能源公司)是魁北克水电局完全拥有的子公司,参加过开发伊斯特梅恩 1A工程、萨尔塞勒电站和鲁珀特引水工程,已有多年的工程施工经验。为了进行足尺试验,已决定将该地区在建坝中的一座坝重新设计成一座具有中央沥青心墙的堆石坝。在欧洲和其他国家已建成多座此类坝,但在北美洲,迄今还没有建造过。

挪威岩土工程学院和科洛维德克公司受魁北克水电局委托,参与了该坝的设计和规范的制定。需要做大量工作把欧洲的通用规范和质量要求转化成加拿大的标准。

魁北克北部的冬季气候严寒,最低温度 -50°,因此值得关注的问题是温度拉应力可能导致心墙开裂。在这样的气候条件下,温度裂缝是公路和机场的常见问题。幸运的是,有关这种现象的科研报告有很多,其中大部分出自加拿大。由于大坝心墙受到大坝填方的保护,因此温度梯度平缓。相比厚护面,薄护面更容易产生裂缝。在这方面,约0.5 m的厚度即被认为是很厚的。因此,加拿大魁北克的标准沥青(P G 52-34)被认为适合该工程;这种沥青的灌入度为 180～220(A S T MD 5-73)。

2007年,完成了规范的制定,同年底,詹姆斯湾能源公司与科洛维德克公司就施工合同进行了协商。为了从有关当局获得必需的各种施工许可证,科洛维德克公司成立了加拿大子公司,即科洛维德克魁伯克公司。科洛维德克公司还与当地的内米斯凯 1号坝的沥青承包商 P a v e x仪器公司签订了合作与分包合同。

2007年底开始在施工现场进行骨料生产,并在挪威奥斯陆的科洛维德克实验室进行了沥青配合比设计,在 P a v e x仪器公司的实验室,按加拿大规范进行了骨料和沥青标准试验。

图 1为该坝的横断面。由于大坝最大坝高仅为15 m,因此心墙厚度为 0.4m即可满足要求。其下游侧也有高水位。坝顶高程约为 300 m,坝顶长 336 m。

图 1 大坝横断面

基岩条件一般极好,在清除覆盖层后做了一个3.9 m宽的混凝土底座,并分成3排进行了灌浆。除2B区外,其他所有填筑区均按标准的詹姆斯湾能源公司规范用轧石和爆破石料进行施工。2B过渡区原打算采用 0～80mm粒径已经加工好的砾石,但在施工期间改用了 0～80mm粒径的破碎石料。

1 沥青配合比设计

沥青骨料用 10～100mm粒径的当地砾石加工成 3种规格的骨料:0～5mm,5～10mm,10～20mm。骨料一般都是优质的,取洛杉矶值为 20～25,吸水性中等。

规范包括通过试验和按照加拿大魁北克运输部标准的要求确定骨料和沥青之间的粘结力。试验结果表明,可能需要一种粘结剂。所有常规粘接试验,包括加拿大所做试验,其目的都是研究敞开式护面层内沥青和骨料之间的粘结力,在这种情况下,水和空气容易透入护面层中。在挪威进行的新试验和王博士的博士论文均证明 ,粘结剂不能改善用于作沥青混凝土心墙的那种稠密沥青的物理特性,因为空气和水不能透入到稠密沥青中。此外,王博士还指出:按德州弗腾试验(A S T MD 3625-2000)或其他类似试验证实的对沥青的粘结性能指标值较差的骨料,可用于致密沥青混凝土心墙的施工,不会对沥青心墙的性能产生不利影响。为此,决定在为内米斯凯 1号坝生产沥青时不使用粘结剂。

魁北克水电局优先考虑的主要问题之一是沥青心墙的施工速度。最好每天至少铺筑 3层或更多(每层压实厚度22.5 cm),因此,特别强调要生产易于压实的沥青混合料。通过按富勒氏级配曲线选用骨料的级配达到了此目的,这种级配曲线的填料所占百分比(13%)和沥青含量(占总重量的7.3%)比常用的高。必须指出的是,当确定沥青含量时,还必须考虑到这样一个事实,在拌和过程中,沥青含量存在某些偏差。这个偏差随沥青搅拌站的配料控制精度而有所不同,通常估计为 ±0.3%。

使用水泥和轧碎骨料作填料在奥斯陆进行了试验。结果证明,两种填料的效果相同。出于经济原因,后来采用了骨料填料。

渗透试验在试验室制作的 2个 M a r s h a l l试样上进行,试样沥青含量 7%。这种心墙试样即使经过12 h的 1MPa水压试验仍能保证完全不渗水。

沥青配合比设计三轴试验在挪威岩土工程学院进行。试验温度为 5℃ ,维持恒定侧向应力0.5MPa,应变速率为每小时2.3%。应力-应变曲线表明,延展性达到较大轴向应变,在剪切试验期间只有小量的膨胀。

2 试验段

2008年 7月初,在现场进行了试验段施工。第1试验段包括在混凝土底座上铺沥青玛脂和一层机械摊铺层,厚度为22.5 cm(压实后)。第 2试验段包括 1 d(9 h)内铺筑 4层,每层厚22.5 cm(压实后)。

次日进行第 2试验段施工,包括铺筑 4层,每层压实后厚度约 30 cm。

这 2个试验段的层厚比预期的稍薄。主要是由于心墙的宽度(即厚度——译注)只有 40 cm。若采用稍宽的心墙,很容易使层厚增加。为了便于大坝施工而选择22.5 cm的层厚,以便与其他坝区的标准填筑层厚相适应。

恰当地确定了沥青渗透率与孔隙率之间的关系。孔隙率为 3%的芯样的渗透率约为 10-11cm/s。目前,普遍认为沥青心墙在铺筑和压实后的孔隙率应低于 3%,并且应根据沥青心墙钻孔芯样孔隙率的测量结果进行日施工质量控制。

3 第 1试验段的取样结果

总共钻取芯样 6个,取样深度约 45 cm。有的芯样在取样时还钻穿了第 1层,并钻到了混凝土底座中,目的是为了测试沥青/玛脂与混凝土的粘结力。粘结力在魁北克的一个单独的实验室进行试验。试验结果令人满意。

将芯样的每端截断 4 cm后,6个芯样各分成 5～6节(圆盘),并按 A～F的顺序,对这些圆盘进行编号,A为芯样的上节,见表 1。

表1 第 1试验段实测的孔隙率 %

所有的圆盘试件的孔隙率都不大于通则规定的最大值 3%,每个芯样的平均孔隙率均低于2.5%。

4 第 2试验段的取样结果

第 2试验段总共钻取和分析芯样 5个,取样的分析方法与第 1试验段相似,结果见表 2。

表2 第 2试验段实测孔隙率 %

所有的圆盘试件的孔隙率都不超过通则规定最大值 3%,每个芯样的平均孔隙率均低于2.5%。

2个试验段铺筑的沥青心墙试验均证明,其孔隙率平均值都低于3%,可以认为是不渗透的。铺筑层厚22.5 cm(压实后)的第 1试验段与层厚增加到约为 30 cm(压实后)的第 2试验段之间的平均孔隙率的测量结果没有差别,这 2次试验也证明每天铺筑 4层并不困难。

对沥青各项指标的分析表明,由沥青厂生产的沥青的测量结果和实验室制备的沥青配比设计之间的差别可以忽略,因此,决定在下一步大坝施工中维持此配合比的设计。

5 现场施工

在施工现场附近建了一座小型沥青拌和厂以及实验室。沥青由装有专门筒仓的装载机运至施工现场,过渡区材料用自动卸料车从附近的贮料堆运送。詹姆斯湾能源公司也参加了独立实验室的工作,以便对所铺筑的所有沥青进行补充分析,并编写逐日施工报告。用这种方式,每天都要对所有质量要求进行双重检查。

科洛维德克公司负责沥青心墙和过渡区的铺筑,而魁北克水电局负责设备调配和所有坝区的压实。

在试验段的报告得到批准后,2008年 7月 21日开始,进行大坝沥青玛脂施工。坝基纵剖面有几个深坑,在用机械对整个大坝长度进行铺筑前,需要由人工铺沥青将其填平 。

施工进行 1～2周后,钻取了芯样,并现场测试孔隙率,然后在施工完成 1月后,再次钻取芯样和进行测试。对生产的沥青,每天对实验室制作的马歇尔试样测试 1～3次,以控制组分、沥青含量和压实效果。只有在前一天的检查结果符合要求之后,才允许进行第 2天的沥青铺筑。所有施工于 2008年9月 7日完成,在施工 7周后,已铺筑了 54层,相当于将心墙铺到了12.1 m高。

内米斯凯 1号坝沥青心墙工程成功建成,比原计划提前完工。除了由承包商进行常规质量控制外,魁北克水电局和詹姆斯湾能源公司对沥青心墙铺筑技术进行了不断监督和评估。