寒冷地区冬季施工的碾压式沥青混凝土心墙坝设计

汪 洋

（新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000）

1 问题的提出

库什塔依水电站工程位于新疆特克斯县境内，电站装机 100MW，多年平均发电量 3.45亿kW·h，最大坝高91.6m，为Ⅱ等大（2）型工程。该工程主要任务是发电，工程由拦河坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电引水洞、厂房等建筑物组成。拦河坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，根据工程施工条件及类似工程经验，工程施工关键线路为：导流兼泄洪洞施工→截流→大坝施工→尾工。根据关键线路分析，准备工程施工期受导流兼泄洪洞施工进度控制；主体工程施工期受坝体填筑进度控制。

1.1 新疆的气候特点

库克苏河位于新疆伊犁河谷西南部，冬季寒冷积雪较深。项目区多年平均气温7.26℃，极端最高气温37.5 ℃，极端最低气温-29.0 ℃。工程区每年12月至次年2月气温在0℃以下，11月和3月气温也有可能在0℃以下。最大积雪深度38cm，最大冻土深度136cm，项目区多年平均气温见表1。

1.2 新疆河流的水文特点

新疆地处欧亚大陆腹地，远离海洋，河流径流补给是以高山区永久积雪和冰川消融为主要补给源，河流来水量受气温影响较大。每年6、7、8月 3个月是全年气温最高的时期，故河流全年来水量的60%以上集中在这3个月中，5～9月来水量占全年的79.49%，枯水期（11月～次年3月）5个月的来水量仅占全年来水量的约12%～13%。

1.3 新疆水利水电工程施工特点

受新疆气候条件和水文特性的制约，水利水电工程工期安排一般是：汛期过后9月份河道截流， 11月份进入冬季，第二年4月份可正常施工，5月份进入桃花汛，6月份进入主汛期，河道截流后到第二年汛前有效施工工期较短。

表1 库克苏水文站多年平均气温特征 单位：℃

1.4 水工碾压式沥青混凝土施工规范对施工期环境温度的要求

DL/T5363—2006《水工碾压式沥青混凝土施工规范》规定，碾压式沥青混凝土防渗墙正常施工的气象条件为：气温在0℃以上，非降雨降雪时段，风力不大于4级。气温在-5～0℃时，属于低温施工，选择环境温度在0℃以上的时段进行施工，碾压式心墙施工气温宜不低于-5℃。由于冬季严寒且时间长，每年 11月至次年 3月有 5个月时间平均气温有可能低于0℃，每年有效施工工期较短。

1.5 研究库什塔依水电站工程碾压式沥青混凝土心墙坝冬季施工的必要性

根据工程的具体特点及当地气象条件，大坝工期安排考虑冬季施工与冬季不施工2个方案，工期分析如下：

（1）碾压式沥青混凝土心墙坝冬季施工方案：2009年10月1日开工，总工期 33个月，2011年10月1日下闸蓄水， 2011年12月中旬机组开始发电，2012年5月初（汛前）4台机组发电，且维持高水位运行。

（2）碾压式沥青混凝土心墙坝冬季不施工方案：2009年10月1日开工，总工期39个月，2012年7月1日下闸蓄水，2012年8月初水库蓄水至死水位后，机组开始发电，由于是在汛期，在大坝未全部完工的情况下，水库只能维持低水位运行。

碾压式沥青混凝土心墙坝冬季施工方案与冬季不施工方案相比，发电工期提前8个半月，更重要的是 2012年汛期，冬季施工方案可以在正常蓄水位 4台机组发电运行，多发电 2.36亿度，可取得较大的发电效益。

2 碾压式沥青混凝土心墙在寒冷地区冬季施工的工程经验

沥青混凝土心墙在寒冷地区冬季施工主要有浇筑法和碾压法。DL/T 5411－2009《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》适用范围规定：对寒冷和严寒地区坝高大于30m小于50m的土石坝，可采用浇筑式沥青混凝土心墙设计；当坝高超过50m时，应作专门论证。库什塔依水电站拦河坝最大坝高91.6m，为碾压式沥青混凝土心墙坝。

碾压式沥青心墙通常不会离析分层，施工质量易控制，工程应用已有50多年经验，研究也比较成熟，在冬季低温条件下施工的工程实例如下：

（1）甘肃党河沥青心墙坝。党河水库沥青心墙砂砾坝设计最大坝高70m，分两期施工，坝址处历年最低温度-28.5℃，多年平均温度约10℃。一期坝高58m，全部采用人工施工，为了加快施工进度，在冬季寒冷季节也进行了施工，1973年12月下旬午夜至黎明，最低气温-16～-18℃，工作面测定最低温度为-10～-13℃。热沥青混合料摊铺和整平厚度为12～15cm，先用人工穿着皮靴初步踩踏实，再用木刮子整平，然后用8～12 kg的铁杵子夯实。党河碾压式沥青混凝土心墙土石坝一期工程1974年完建至今35年，二期加高工程1994年完建至今15年，观测表明碾压式沥青混凝土心墙运行良好。

（2）四川冶勒沥青混凝土心墙坝。冶勒碾压式沥青混凝土堆石坝，根据工程施工进度安排，沥青混凝土心墙需在低温、雨季和夜间施工。2004年 1月 15日在-3～-6℃低温环境条件下进行试铺，沥青混凝土的配合比与正常气温条件下的配合比一样，即沥青含量为6.3%（总重比）。施工时采取保温或加温措施，对低温条件下的试铺心墙进行取芯样检测，各种性能满足设计要求。沥青心墙的施工气温限制条件下降到-5℃，冶勒沥青心墙坝2005年完建，工程运行正常。

（3）挪威Storglomvatn沥青混凝土心墙坝。主坝Storglomvatn（坝高125m）和副坝Holmvatn（坝高56m）位于挪威北部北极圈以北25km处。沥青心墙坝每年施工从5月或6月一直施工到大雪再次封山前的 10月。在 10月份气温降低到-10～-15℃时，沥青心墙施工照常进行，只不过沥青混合料在运输中进行了保温，摊铺机对下层沥青混凝土表面用红外线进行了加热。两座大坝1997年竣工至今，观测表明两个心墙不透水。

从以上几个工程实例可知，通过对低温沥青混凝土配合比和施工工艺研究，在气温-25℃条件下实现碾压式沥青心墙施工是完全有可能的。

3 沥青混凝土在环境气温-25℃条件下的试验研究

碾压式沥青混凝土心墙能否冬季施工，设计人员最关心的是沥青混凝土层间结合的质量是否安全可靠。为了使碾压式沥青混凝土在冬季气温-25℃施工时各种性能满足设计要求，重点通过配合比试验研究，选择适合冬季低温施工的配合比，并进行-25℃低温条件下的施工工艺模拟验证试验，研究沥青混凝土的分离度、层间结合性能、压实效果、接合面渗透性、沥青混凝土物理力学特性和沥青混凝土施工质量等各种性能。

沥青采用克拉玛依 AH-90重交通沥青，粗骨料采用灰岩加工制备，细骨料采用混凝土细骨料，填料从附近水泥厂购买。骨料最大粒径19mm，矿料级配指数为0.38，填料浓度为1.8。沥青含量分别为7%、7.5%、8%、8.5%、9.0%。室内沥青混凝土试件孔隙率控制标准为孔隙率≤3%，进行不同配合比的沥青混凝土特性研究及冬季低温-25℃条件下工艺性模拟试验。试验成果如下：

（1）当沥青含量大于 8%时，沥青混凝土很容易压密实。

（2）击实沥青混凝土试件的分离度在1±2%之间，没有产生分离、密度不均匀现象。

（3）观测表明，上层沥青混凝土密实，上层与下层沥青混凝土的结合良好。

（4）劈裂试验表明，试件上部和下部的劈裂强度和变形没有明显区别，结合面和非结合面的强度和变形性能没有明显区别。

（5）对采用不同配合比模拟低温施工工艺的沥青混凝土试块结合面，用日本专利渗气仪对39个切割块的沥青混凝土结合缝进行了结合面的防渗性测定。除沥青含量为 7%(油石比)的 9个切割块中3个结合缝部位有渗气外，其它配合比沥青混凝土试块的结合面都满足防渗性要求。

（6）模拟低温施工工艺的沥青混凝土试块的结合面和非结合面的 78个芯样的孔隙率都满足规范对心墙孔隙率≤3%的要求。沥青含量为 7%的芯样孔隙率小于 3%，沥青含量为 7.5%的芯样孔隙率小于2.5%，沥青含量为8%和8.5%的芯样孔隙率小于2%，表明沥青含量越大，防渗性越好。

4 库什塔依水电站碾压式沥青混凝土心墙坝设计及施工情况

4.1 坝体轮廓设计

库什塔依水电站大坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，最大坝高91.6m，坝顶高程1307.60m，坝顶宽 10.0m，坝顶长 444.00m，上游坝坡1:2.25，上游围堰与坝体相结合，下游坝坡1:1.8，并设“之”字形上坝公路，下游坝坡平均为 1:2.14。上游坝坡采用现浇 C20混凝土板护坡，板厚25cm；下游坝坡采用混凝土网格梁，填土种草。

4.2 坝体结构设计

坝体填筑从上游至下游分为上游砂砾料区、上游过渡料区、沥青混凝土心墙、下游过渡料区、下游砂砾料区及下游排水棱体。沥青混凝土防渗体采用直立的碾压式沥青混凝土结构，沥青混凝土心墙轴线在坝轴线上游 3.0m处，心墙采用上窄下宽布置，心墙顶宽 0.4m，底宽 0.8m，厚度采用台阶式渐变，与基座连接处心墙厚度由0.8m台阶式渐变至 2m。心墙基座采用混凝土结构，厚 0.8m，宽 4.0m。沥青混凝土心墙与混凝土底座之间的接触面上设止水铜片和砂质沥青玛蹄脂，砂质沥青玛蹄脂层厚 10.0mm，止水铜片厚1.0mm。过渡层设在沥青混凝土心墙两侧，水平宽度上、下游均为2.0m。最大粒径为80mm，小于5mm粒径含量为25%～40%，小于0.075mm粒径含量小于5%。渗透系数不应小于10-3cm/s，碾压后相对紧密度Dr≥0.85。坝壳料采用天然砂砾料填筑，碾压后相对紧密度Dr≥0.85。沥青混凝土心墙顶部与坝顶防浪墙紧密结合，沥青混凝土心墙、混凝土底座连同基岩防渗帷幕，形成一道完整的防渗体系。心墙坝剖面图见图1。

4.3 沥青混凝土原材料及施工配合比

图1 沥青混凝土心墙坝标准剖面图

采用克拉玛依AH-90重交通沥青，粗骨料采用灰岩加工制备，采用混凝土细骨料，填料从附近水泥厂购买。经冬季低温-25℃条件下工艺性模拟试验，确定沥青混凝土配合比见表2。

表2 正常气温碾压沥青混凝土心墙和冬季微压沥青混凝土心墙材料和配合比

4.4 坝基处理设计

碾压式沥青混凝土防渗心墙和过渡层建基于弱风化岩面上，对沥青混凝土心墙基座下的基岩进行灌浆，布置两排固结灌浆孔和两排帷幕灌浆孔。固结灌浆孔孔深 8m、孔距 3m。帷幕灌浆孔孔距2m，帷幕灌浆深度需伸入q≤3Lu的埋深界线以下3 m。

4.5 施工情况

2010年11月份河道截流后进行坝基处理，2011年 10月份坝体全断面填筑到防浪墙底高程，坝体升高90.0m，坝壳料填筑约482万m3，碾压式沥青混凝土心墙浇筑1.94万m3（含上游围堰0.47万m3），为工程蓄水发电创造了条件。

5 结论

（1）通过沥青混凝土心墙冬季施工可行性专题论证研究，库什塔依水电站碾压式沥青混凝土心墙采取冬季施工措施后，加快了施工进度，发电工期可提前8个半月，经济效益十分显著。

（2）沥青混凝土试验研究表明，当沥青含量大于 8%时，沥青混凝土会很容易压密实，在冬季-25℃气温条件下沥青混凝土上层与下层间结合良好，结合面和非结合面的密度（孔隙率）均匀，防渗性能满足规范要求，碾压式沥青混凝土心墙可在冬季-25℃气温条件下施工。

（3）库什依水电站工程碾压式沥青混凝土心墙坝的冬季施工，为西北寒冷地区碾压式沥青混凝土心墙坝的推广应用积累了经验。

1 库什塔依水电站工程可行性研究报告.2010.

2 新疆伊犁库克苏河库什塔依水电站工程沥青混凝土心墙冬季施工可行性专题论证报告.西安理工大学水工沥青防渗研究所. 2009.

3 新疆伊犁库克苏河库什塔依水电站工程沥青混凝土心墙材料及配合比试验报告.西安理工大学水工沥青防渗研究所.2010.

4 新疆伊犁库克苏河库什塔依水电站工程沥青混凝土心墙砂砾石坝坝体静动力计算分析研究.中国水利水电科学研究院、水利部水工程建设与安全重点实验室. 2011.

5 余胜祥.茅坪溪防护大坝沥青混凝土心墙设计.施工设计研究，1998.

6 李友华. 茅坪溪土石坝防渗系统设计和施工综述. 中国三峡建设，1998.

7 崔金铁，吴杰.尼尔基水利枢纽工程主坝防渗型式确定.东北水利水电，2002（11）.

8 杜振坤等.水工沥青混凝土防渗技术发展与应用.水利规划与设计，2007（6）.

9 何顺宾等.冶勒水电站沥青混凝土心墙堆石坝.水电站设计，2006.