百米级碾压式沥青混凝土心墙坝关键技术探讨

张合作，罗光其，程瑞林

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

沥青混凝土心墙堆石坝是一种新型的土石坝坝型，其防渗结构采用沥青混凝土，具有良好的防渗性能、较好的变形适应能力且结构简单、工程量小、施工速度快，在水利水电工程中逐渐被广泛采用。据已有资料统计，世界上第一座碾压式沥青混凝土心墙堆石坝于1961年～1962年在德国建成，随后加拿大、芬兰、挪威和巴西等国家也开始修建沥青混凝土心墙堆石坝。国内引进该技术修建的第一座碾压沥青混凝土堆石坝为甘肃党河坝(1974年，坝高59 m)，之后随着设计、施工经验的积累和施工设备的发展，先后筑成了茅坪溪(2003年，坝高104 m)、冶勒(2005年，坝高126 m)两座百米级沥青混凝土心墙堆石坝。进入21世纪后，先后建成了新疆呼图壁石门水电站(2013年，坝高106 m)、阿拉沟水库(2015年，坝高105.26 m)、五一水库(2016年，坝高102.5 m)和金沙江硕曲河去学水电站(2017年，坝高164.2 m，其中心墙高132 m)4座百米级以上碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，其中去学坝为国内外同类型已建最高坝。

随着该坝型在国内的大量建设，其有关的设计和施工规范、计算分析、试验研究和施工机具研制等也在工程建设中得到完善和发展，为该坝型安全评价和朝更高坝建设奠定了实践基础，但至今该坝型同所有堆石坝一样受制于土工试验缩尺效应、计算本构模型等发展制约，仍停留在半经验半理论阶段，大多是通过工程类比进行研究和建设的。同时，现有技术规范主要是依据早期中低坝的建设经验编制的，而对于百米级坝、高寒、复杂地形地质等特殊条件下的筑坝技术经验总结和理论分析相对较少，同时在规范中给出的沥青混凝土性能指标尚不能直接用于大坝设计定量评价，仅能作为横向比较，在施工技术水平及质量安全控制方面也不够完善。

针对以上制约百米级沥青混凝土心墙坝发展的因素，本文依托新疆呼图壁石门坝，针对主要文献分析和记录中[1-3]提出的影响沥青混凝土心墙安全的骨料、配合比、水力劈裂和抗震能力、施工质量控制等普遍问题，从沥青心墙骨料、配合比设计和施工中的质量控制三方面探讨百米级沥青混凝土心墙坝关键技术，提炼总结其中的关键参数和措施，为该坝型朝更高坝建设提供支撑。

1 依托工程特点

呼图壁石门沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝顶高程1 243.0 m，最大坝高106.0 m，上游坝坡1∶2.2，下游综合坝坡1∶2.0。沥青混凝土心墙最大高度94.5 m，最大厚度1.20 m。具有以下特点：

(1)气候寒冷干燥、蒸发量大，对沥青混凝土心墙温度控制要求高。工程所在地区属寒冷干燥地区，多年平均气温6.4 ℃，多年月平均气温最高为20.7 ℃，最低为-10 ℃。多年平均降水量408.0 mm，多年平均蒸发量888.2 mm。

(2)地形地质条件复杂，对心墙结构和沥青混凝土配合比设计要求高。坝址区地形属于典型的不对称河谷。坝址河谷断面呈 “V”形，宽高比为1∶3，左岸1 180 m高程以下边坡坡面约50°，以上为陡崖峭壁；右岸1 250 m高程以下边坡坡面约40°，以上为陡崖峭壁。大坝的地基岩体主要为齐古组紫红色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩及泥质粉砂岩等。

(3)温度控制环节多，过程控制要求高。沥青混凝土是一种新型的建筑材料，其防渗和柔性与温度状态有着极大的相关性，根据已有试验研究和工程实践，在正常摊铺温度130～160 ℃情况下，沥青的黏度较低，混合料是相当柔软和可塑的，并易于压实。当温度超过180 ℃会加速沥青老化，降低耐久性；而原材料加热温度过低，又会导致沥青难以压实，影响沥青混凝土的质量。

(4)施工质量控制标准高。沥青混凝土心墙厚度仅0.6～1.2 m，如果存在裂缝，将大大降低其防渗性能，同时心墙轴线偏移也会削弱心墙有效防渗断面。而根据已有材料试验和工程建设经验，沥青混凝土是一种对温度较为敏感的材料，力学性能不仅和原材料特性、沥青混凝土配合比有密切关系，还取决于温度变化、施工质量控制等因素。因此，心墙的施工质量控制是工程的重点和核心。

(5)施工制约因素多、干扰大。坝址区冬季气温低且持续时间长，每年11月下旬到次年3月中旬均因环境气温过低，心墙均无法施工。

2 依托工程心墙关键技术研究

针对以上工程特点和碾压式沥青混凝土关键技术控制要求，本工程主要从以下方面进行了重点研究，以合理量化心墙主要控制和评价指标。

2.1 配合比试验研究

影响沥青混凝土性能的因素主要包括原材料性能、矿料级配、填料用量和油石比等。考虑到本工程坝高106 m，初选了12种矿料级配、填料用量、级配指数组合进行沥青混凝土配合比试验，研究油石比、填料用量和级配指数对配合比的影响。

2.1.1 油石比对沥青混凝土性能的影响研究

油石比对沥青混凝土性能的影响见图1。从图1可以看出，在级配指数0.4，填料用量12%、14%的情况下，油石比从6.3%增加至7.2%，沥青混凝土的孔隙率逐渐变小，劈裂强度随着油石比增大呈减小趋势，劈裂位移随着油石比增大而增大。考虑到沥青混凝土变形及防渗要求，根据试验结果，本工程配合比选用的油石比为6.6%、6.9%均能满足工程要求。

图1 油石比对沥青混凝土性能的影响

表1 石门沥青心墙坝沥青混凝土设计配合比 %

注：级配指数0.4。

2.1.2 填料用量对沥青混凝土性能的影响研究

填料对沥青混凝土性能的影响见图2。从图2可以看出，在级配指数0.4和油石比分别取6.3%、6.6%、6.9%、 7.2%，填料用量从12%变化到16%时，孔隙率随填料用量的增大有减小趋势。填料用量越大劈裂强度越小，但其变化幅度较小。劈裂位移有明显变化，其总的变化规律为填料用量越大劈裂位移越大。考虑到沥青混凝土的强度、变形性能及防渗性能的要求，根据本次试验，当油石比为6.6%、填料用量12%和油石比为6.9%、填料用量为14%均能较好满足工程要求。

图2 填料对沥青混凝土性能的影响

2.1.3 级配指数对沥青混凝土性能的影响研究

级配指数对沥青混凝土性能的影响见图3。从图3可以看出，级配指数从0.36到0.42，沥青混凝土的密度和孔隙率变化不大，且级配指数在0.38和0.40时对应的孔隙率比较小，劈裂强度变化不大，且随级配指数的增大而呈增大的趋势。而劈裂位移随着级配指数增大逐渐减小。综合考虑对沥青混凝土的强度、变形及防渗性能的要求，建议选用级配指数为0.40。

图3 级配指数对沥青混凝土性能的影响

2.1.4 试验结果

根据以上沥青混凝土性能试验研究，本工程推荐的沥青混凝土配合比见表1。

2.2 心墙与基础和刚性建筑物连接

(1)心墙与河床岩基的连接。沥青混凝土心墙在河床段通过混凝土基座与基岩连接，为延长接触面渗径、改善心墙局部应力状态，将接触面的心墙厚度逐渐增加至2.5 m，同时要求在心墙和混凝土基座上游面表层涂刷2.0 cm厚沥青玛蹄脂，提高防渗和修复性能。

(2)心墙与岸坡岩基连接。岸坡段心墙同样通过设置混凝土基座与基岩连接，心墙和混凝土基础面采用扩大断面的形式，其余连接和防渗处理同河床段。针对左岸1 190 m高程以上陡边坡，受制于地形条件限制不能开挖成缓于1∶0.25的坡度，故采取回填混凝土修坡，保证混凝土基座坡面不陡于1∶0.25，其余较缓部位直接在开挖面上浇筑基座混凝土。

2.3 施工缝及层面处理

(1)施工缝处理。沥青混凝土心墙断面相对较薄，因此横向施工连接缝，无论处理多好，都将是一个薄弱环节，但又不能完全避免，因此要求尽量减少横向施工缝。而对于出现的横缝则要求结合面做成1∶3～1∶4的斜坡，以利于层间牢固黏结，横缝处涂抹热沥青并应重叠碾压30～50 cm，并夯至表面“返油”为止。同时控制上下层横缝错开距离不得小于2 m。

(2)层面处理。因故停工时间较短、较脏的沥青混凝土层面，应对层面的水珠、砂粒和尘土采用高压风风干，时间较长的还应配以高压水冲洗，特别严重的可视情况采用红外线加热后铲除；两岸坡接头部位因为采用人工摊铺，以要求采用1 t振动夯配合重锤人工夯实至“返油”；钻孔取芯的部位要随取随盖，保持孔内洁净并及时回填，回填时，先将钻孔擦干，然后用喷灯将孔壁烘干加热到70 ℃后再分层人工回填，并保证回填高度略高于心墙表面2 cm。

2.4 施工安全控制

2.4.1 现场试验

该工程沥青混凝土心墙铺筑采用摊铺机施工，岸坡段采用立模施工，人工摊铺。采用2.5 t振动碾碾压，边角部位采用手扶振动碾碾压，辅以人工夯实。沥青混凝土混合料由摊铺机自带的红外线加热器加热，摊铺机加热不到的地方，用红外线加热器加热至70 ℃。

心墙施工前，首先对过渡料和沥青混凝土不同摊铺厚度、碾压遍数、温度控制等进行现场碾压和控制试验，经现场取样成型检测后，结合本工程停工时间长、有效施工时间短的特点，在确保不突破现有施工技术的条件下，推荐过渡料摊铺厚度32 cm，沥青混凝土摊铺厚度30 cm，沥青混凝土初碾温度范围为110～130 ℃。现场试验确定的沥青混凝土施工配合比见表2。

表2 碾压试验推荐沥青混凝土施工配合比

2.4.2 温度控制

沥青混凝土施工工艺与普通水泥混凝土不同，它采用热施工，在一定温度条件下进行拌和、摊铺、压实，如果原材料的温度过高，超过180 ℃，会加速沥青老化，降低耐久性；如加热温度过低，会导致沥青混合料难以压实，影响沥青混凝土的质量。因此，严格控制沥青混凝土施工温度是保证沥青混凝土施工质量的关键之一。该工程沥青混凝土温度控制见表3。

表3 沥青混凝土心墙施工温度控制要求

心墙越冬保护就地取材，采用砂砾石过渡料保温，覆盖厚度在考虑当地冻土深度0.7 m的基础上向周边和顶部延伸了0.5 m。待第二年解冻后，先清除表层过渡料，然后对沥青混凝土表面采用高压风清理干净，再对心墙表层进行质量检查处理。

3 应用评价

(1)质量检测。沥青混凝土质量检测主要是钻孔取芯后进行密度、孔隙率、抗渗指标、马歇尔稳定度及流值试验。总体检测原则按照心墙每上升2 m，沿心墙轴线方向100～150 m布置钻取芯样2组，进行相关性能试验。试验和检测数据表明心墙施工质量控制满足规程规范和设计要求。

(2)应用评价。工程2013年10月蓄水，渗体漏量小于10 L/s，沥青心墙上游面最大变形为-16.6 mm、下游为-14.1 mm，最大压缩应变分别为0.011和0.009。心墙与过渡料之间的挤压量最大值为20.3 mm，两者之间相对错动最大值为19.8 mm，心墙整体处于压缩状态。监测数据表明，心墙的上、下游压缩变形相差较小，比值位于0.7～0.92之间，心墙受力较好、变形较均匀。

4 结 语

本文通过分析研究坝高106 m的呼图壁石门沥青心墙坝，从沥青混凝土原材料、配合比、心墙与基础连接、层面处理、施工工艺等方面对百米级碾压式沥青混凝土心墙坝建设中关注的关键技术进行了量化，主要量化控制指标和施工经验总结如下：

(1)沥青混凝土配合比研究表明，沥青混凝土具有较好的适应变形的能力，可以根据坝址地形地质条件运用数值分析后，选择油石比在6.6%～6.9%之间均可满足工程建设和安全运行要求。

(2)心墙和基础连接部位为该坝型防渗连接相对薄弱环节，建议设置一定冗余的防渗形式，如涂刷一定厚度的沥青玛蹄脂。

(3)即使在寒冷、严寒地区，只要采取有效的措施，心墙摊铺层数可达到3层/d，具有极高的经济性和结构安全保障性。

(4)试验研究和质量检测表明，严格控制温度是保证沥青混凝土施工质量的关键之一，在正常摊铺温度130～160 ℃情况下，沥青的黏度较低，混合料是相当柔软和可塑的，并易于压实。当温度超过180 ℃会加速沥青老化，降低耐久性；如果原材料的加热温度过低，又会使沥青难以压实，进而影响沥青混凝土的质量。