西藏拉洛水利枢纽沥青混凝土心墙坝料源规划及酸性骨料改性方法

朱学贤，杨 波，牛运华，姚勇强

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

沥青混凝土心墙堆石坝具有众多优点：① 沥青混凝土心墙位于坝体过渡料之间，与外界接触面积小，受到外界自然条件的影响小；② 沥青混凝土具有良好流动性，利于其提升坝体变形适应能力和抗震能力；③ 沥青混凝土孔隙率小、防渗性能突出；④ 沥青混凝土心墙堆石坝施工干扰小、建设速度快[1]。20世纪70年代，中国也开始修建沥青混凝土防渗体土石坝。

在沥青混凝土心墙堆石坝施工组织设计过程中，料源选择与规划是一项重要环节[2]。一般而言，一个水利水电工程的基础建筑材料费用占工程所有费用75%左右[3]。对于堆石坝而言，坝壳填筑料、过渡料和块石料等用量通常都较大，因此大坝的造价在很大程度上取决于这些填筑料的成本，而填筑料的成本又取决于料场的选择及相应的采、运、加工等施工方案，若料源选择与规划得当，对经济效益影响十分显著。同时，沥青混凝土骨料的质量影响着沥青混凝土心墙的抗渗性、耐久性及适应变形能力，做好沥青混凝土心墙骨料的料源选择，对确保大坝的质量有着至关重要的作用。料源选择与规划受到多种条件的制约[4]，例如料场的地理位置、开采与运输条件，料源的级配、储量、质量，以及料场开采所使用的机械与设备、供应强度要求等，又要满足骨料经济合理的要求。因此，料源选择与规划方案的设计往往需要进行大量的分析、对比和计算工作。料源选择与规划也是个贯穿施工期的动态优化调整过程[5]。沥青混凝土心墙坝的施工工期较长，施工过程中各期对骨料的需求量、级配和质量要求也不尽相同；此外，料场在开采过程中可能受到某些因素制约，从而需对料源重新进行选择和规划。

综上所述，沥青混凝土心墙坝的料源选择与规划受料场自身条件和施工过程中各种因素的影响，不是单纯的数量平衡问题，宜采用系统分析的方法，利用系统要素之间的关系建立料场规划的模型，还需要随施工过程中的变化，对模型不断进行优化调整，使整个工程的造价最低、质量最优[6]。

21世纪，西藏自治区水利水电事业进入了快速发展阶段，受地形、地质和天然建筑材料条件影响，沥青混凝土心墙坝已成为当地土石坝设计的常规坝型[7]。西藏拉洛水利枢纽工程[8]的大坝也采用沥青混凝土心墙坝，是目前西藏海拔最高的沥青混凝土心墙坝。本文以西藏拉洛水利枢纽工程为例，对料源选择与规划、沥青混凝土酸性骨料改良方法进行研究。

1 拉洛水利枢纽工程概况

拉洛水利枢纽工程位于西藏自治区日喀则市西部、雅鲁藏布江以南萨迦县，是雅鲁藏布江右岸一级支流夏布曲干流上的控制性工程。拉洛水库总库容2.917亿m3，配套灌区设计灌溉面积45.39万亩(3.026万hm2)，为Ⅱ等大(2) 型水利工程。工程主要任务为灌溉，兼顾供水、发电和防洪，并促进区域生态环境改善。枢纽工程包括沥青混凝土心墙坝、泄洪发电隧洞、溢洪道、拉洛水电站、鱼道、引水发电系统等。沥青混凝土心墙坝顶面高程4 305.00 m，大坝坝高61.50 m，坝轴线长418.00 m，坝顶宽7 m。大坝上游土石围堰与大坝相结合，堰顶高程 4 279.0 m，最大堰体高度约 22 m，堰顶宽6 m；下游土石围堰堰顶高程4 260.5 m，最大堰体高度4.5 m，堰顶宽8 m。围堰基础均采用混凝土防渗墙防渗。大坝工程砂砾石开挖量为11.00万m3，石方开挖量为8.74万m3，大坝总填筑量180.06万m3。拉洛水利枢纽工程沥青混凝土心墙坝典型断面见图1。

图1 拉洛水利枢纽工程沥青混凝土心墙坝典型断面(单位：cm)Fig 1 Typical profile of asphalt concrete core dam of Laluo Hydro Project

2 料源选择与规划

料源选择与规划就是将满足工程质量要求的工程开挖利用料、料场开采料合理地用于各个建筑物。料源质量是料源选择中首要考虑的问题，如一般混凝土骨料应避免采用含碱活性的原料，沥青混凝土粗骨料则宜采用碱性破碎岩石的碎石[9]，混凝土骨料对表观密度、堆积密度、孔隙率、云母含量等指标有相应要求等。随着技术的发展，料源某些指标不满足标准时，可通过适当加工处理和添加外加剂的方式来进行改善，经过试验验证满足设计要求后也可用于工程中。例如，天然砂砾石料场级配偏粗或偏细，可通过破碎和制砂，或补充碎石进行调整；对于酸性沥青混凝土粗骨料，可通过添加抗剥落剂的方式来改善其性能[10]。

除质量指标外，料源选择与规划是否合理的另一个判断标准是开采、运输和加工等综合费用最少[11]。料场开采费用与开采方式有关，一般天然砂砾石料场要小于石料场，并随料场开采规模的扩大而降低。料源加工费用包括筛洗、破碎与分级等，与所用的加工工艺有关，对同一料场，其加工费用差别不大。运输费用与运输方式、运距和道路建设维护费等有关。由于天然砂砾石料场的砂石生产系统及混凝土系统工艺流程简单，水泥需用量最低，综合费用也低，在储量丰富、剥采比较小、级配和开采条件较好时，优先作为料源。

料源选择与规划贯穿工程设计及施工整个过程，前期料源的合理选择与规划保证了工程使用材料的质量、分布合理且料源充足，而施工过程中随外部条件变化而进行的动态调整，则能够保证工程顺利推进。拉洛水利枢纽沥青混凝土心墙坝中，填筑料按性质和功能分为坝壳料、反滤料、过渡料等填筑料和混凝土骨料，其料源地分布于不同的料场，在不同的施工时段，通过不同的道路系统，将各料源由料场运往相应填筑区。因为影响费用的各种因素之间存在着明显的线性关系，料源选择和规划一般都采用线性规划方法[12]。线性规划是系统规划技术中发展最成熟、用途最广泛的一个分支，被广泛应用于解决水利工程施工系统中的生产组织、运输、库存和混凝土砂石料料场规划等问题。

3 沥青混凝土心墙骨料变更规划设计

3.1 原料源规划

沥青混凝土粗骨料宜采用碱性骨料，对表观密度、针片状颗粒含量、水稳定等级、有机质及泥土含量等指标有严格的要求。在拉洛水利枢纽工程设计阶段，详查了雪日巴塘和塔曲2个砂砾石料场，以及卡穷朗和卡吉朗2个石料场。根据地质勘察成果，当地天然卵砾石料成分复杂，与沥青黏附性较差，不宜作为沥青混凝土骨料；卡吉郎沟玄武岩和吉定镇察嘎村日喀则水泥厂灰岩料场的料源均满足沥青混凝土骨料质量要求。拉洛水利枢纽工程需沥青混凝土骨料量较少，仅2.17万m3，若在卡吉郎沟自采加工，需征地、修筑施工道路等，成本相对较高；吉定镇察嘎村附近灰岩储量丰富，已作为日喀则水泥厂原料进行开采。从骨料质量、综合成本等因素考虑，选择购买灰岩毛料加工沥青混凝土骨料。

3.2 变更缘由

当拉洛水利枢纽大坝沥青混凝土心墙完成49.8%时，合同约定的碱性骨料采购点日喀则高新雪莲水泥厂矿山开采范围处于黑颈鹤保护核心区域，被明令禁采，导致后续工程所需的3.3万t骨料无法供应，需对后续所需骨料重新规划[13]。因此进一步扩大碱性骨料的调查范围，尽可能选择适宜的碱性骨料料场；在周边碱性爆破料场不具有经济性的条件下，补充酸性全破碎砂砾石骨料的矿物成分和化学成分分析，研究其作为沥青混凝土心墙骨料的可行性。

3.3 变更方案分析比较

对拉洛水利枢纽工程区附近可能作为沥青混凝土骨料的料源重新进行了调查、试验工作，完成了10组砂砾石取样，并进行了相关适宜性试验。根据勘察成果，工程区碱性骨料(灰岩)在库区分布零星，交通不便，多为薄夹层或透镜体分布，不具规模开采价值；重点对工程区附近有中性骨料的卡吉朗玄武岩料场和酸性骨料的卡玉砂砾石料场进行研究[14]。

卡吉朗石料场在初设阶段已做过勘察工作，因此仅针对是否满足沥青混凝土骨料要求做进一步试验。根据岩石化学成分分析试验，根据碱度模数M的计算公式M=(CaO+MgO+FeO)/SiO2，计算出碱度模数为0.89，属于中性岩石；根据岩石物理力学性质试验成果，原材料质量满足沥青混凝土骨料的质量要求。

表1 卡玉砂砾石料场破碎砂砾石用作沥青混凝土粗骨料质量评价Tab.1 Quality evaluation for sandy gravel used as coarse aggregate of asphalt concrete in Kayu gravel quarry

表2 卡玉砂砾石料场破碎砂砾石用作沥青混凝土细骨料质量评价Tab.2 Quality evaluation for sandy gravel used as fine aggregate of asphalt concrete in Kayu gravel quarry

从质量方面比较，卡吉朗玄武岩料作为沥青混凝土骨料优于卡玉砂砾石料场，卡玉砂砾石料场破碎砾石料用作沥青混凝土骨料需采取相应处理措施。从开采条件看，卡玉砂砾石料场采用挖掘机直接开采，其成本较钻爆法开挖的卡吉朗石料场低。此外，由于当地火工材料供应存在一定问题，卡吉朗石料场难以保证连续开采，供料保障率低。从运输条件看，卡玉砂砾石料场现已有道路，运距约13 km；卡吉朗石料场运距约14 km，需要新修2 km道路。综上分析，卡玉砂砾石料场除粗骨料与沥青的粘附性指标不符合规范要求外，开采、运输条件和费用均优于卡吉朗石料场。因此，卡玉砂砾石料场酸性砂砾石粗骨料通过改良后，与沥青的黏附性能否满足设计要求成为沥青混凝土骨料料源选择的关键问题。卡吉朗石料场和卡玉砂砾石料场分析对比见表3。

表3 卡吉朗石料场和卡玉砂砾石料场分析对比Tab.3 Analysis and comparison for Kajilang gravel quarry and Kayu gravel quarry

4 卡玉砂砾石料场酸性砾石破碎骨料改良

碱性骨料与沥青具有良好的化学吸附作用，与沥青的黏结力较好，能保证沥青混凝土的水稳定等级，现有的设计规范推荐采用碱性骨料。酸性骨料与沥青的黏附性能较差，在水的长期浸泡作用下，包裹在骨料表面的沥青逐渐会被水置换而使骨料裸露出来，从而会使沥青混凝土的自身结构遭到破坏，影响沥青混凝土的强度及抵抗外力变形的能力[15]。

为了提高沥青与酸性骨料的黏附性，目前国内外通常采用在沥青或沥青混合料中添加抗剥落剂的方式改良[16]。当前国内使用的聚合物抗剥落剂主要有胺类与非胺类抗剥离剂，其中以胺类居多。但是胺类物质受热易分解，稳定性相对较差，其抗剥落剂的耐热性与长期性能备受质疑。非胺基类抗剥落剂的主要成分是一种表面活性剂，其特点是热稳定性和耐久性较好，抗剥落剂分解温度高达180 ℃以上。适合于各种石料(碱性或酸性)，化学键不易发生破坏，水稳定性能好。

目前对抗剥落剂效果的试验还没有非常成熟和公认的方法，通常采用的试验方法是水煮法，其效果判定受经验和主观性的影响大，不易确切判定。因此，除了水煮法外，引入了沥青混凝土抗压试验和沥青薄膜烘箱老化试验的组合试验方案，其中沥青混凝土抗压试验可检验沥青混凝土受水损害时抵抗剥落的能力；沥青薄膜烘箱老化试验可评价抗剥落剂的耐热性能及长期使用效果。该组合试验方法还可优选抗剥离剂的品种和掺量，试验的具体步骤如下。① 将酸性天然砾石料冲洗干净后，破碎、筛分成满足工程需要级配的粗细骨料。② 准备满足工程所需的沥青，主要技术参数指标满足相关规范中沥青的技术要求。③ 选取不同品牌的抗剥落剂。④ 采用水煮法，进行粗骨料与沥青黏附性试验。具体做法是在沥青中加入不同品牌、不同掺量的抗剥落剂，按照水煮法进行试验，分析、对比试验结果。⑤ 采用抗压试验，进行沥青混凝土水稳定性试验。具体做法是在固定沥青混凝土配合比不变的前提下，分别加入不同品牌、不同掺量的抗剥落剂，进行抗压试验，计算水稳定系数，分析、对比试验结果。⑥ 采用沥青薄膜加热试验，研究不同品牌的抗剥落剂对沥青薄膜烘箱老化试验的影响。具体做法是在沥青中加入不同品牌、不同掺量的抗剥落剂，测定薄膜加热后残留物的针入度、延度、软化点、黏度等性质的变化，评定沥青的耐老化性能，分析、对比试验结果。⑦ 综合水煮法、沥青混凝土抗压试验和沥青薄膜烘箱老化试验，综合评价添加抗剥落剂对酸性骨料与沥青黏附性等的改善效果，优选出抗剥落剂的品种和掺量。

试验用粗骨料为在卡玉砂砾石料场开采、经冲洗干净、破碎并筛分后，粒径在13.2～19.0 mm之间的天然破碎砾石，从骨料的岩相鉴定结果看，天然砾石的原料岩石种类主要是石英岩类。试验沥青为工程所用的克拉玛依70号沥青；选用了甲、乙、丙3种不同品牌的抗剥落剂进行性能比较。

4.1 粗骨料与沥青的黏附试验

在不掺抗剥落剂情况下，天然砂砾石中的酸性骨料与沥青的黏附性等级为2级。在沥青中掺入适当的抗剥落剂，在沸水中浸煮3 min后，骨料表面的沥青膜完全保存，剥离面积百分率小于10%，黏结力等级达到5级或4级，其中品牌丙的抗剥落剂性能最优，达到5级。

4.2 水稳定性试验

在沥青混凝土配合比相同的条件下制成2组试件，1组在(20±1) ℃的空气中进行不少于48 h抗压试验，测定其抗压强度R1；另1组试件在(60±1) ℃水中浸泡48 h后，在设定温度为(20±1) ℃水中恒温2 h，进行抗压试验，测定其抗压强度R2。前后2组抗压强度之比为水稳定系数Kw=R2/R1。水稳定系数值越高，说明沥青混凝土在遇水条件下，其水稳定性越好，即沥青混凝土在有水条件下自身物理性能降低较小。

在固定沥青混凝土配合比不变的前提下，分别选取不同品牌抗剥离剂进行0，0.2%，0.4%，0.6%四种掺量的对比试验。试验结果表明：沥青混凝土中添加适当的抗剥离剂，均不同程度地提高了沥青混凝土的水稳定系数至0.90以上，其中品牌丙的抗剥落剂质量最为稳定，达1.02。

4.3 沥青薄膜烘箱试验

分别选取不同品牌0，0.4%，0.6%三种掺量的抗剥离剂对克拉玛依70号沥青薄膜烘箱老化试验的影响试验进行对比。试验结果表明：沥青中添加不同品牌的抗剥离剂后，其质量损失、残留针入度比、延度等性能比未添加抗剥落剂的沥青性能略降低，但均满足相关规范要求，其中品牌丙的沥青抗剥落剂质量较优。

卡玉砂砾石料场酸性砾石破碎骨料改良试验主要指标见表4。

表4 卡玉砂砾石料场酸性砾石破碎骨料改良试验主要指标Tab.4 Main indexes of acid gravel crushed aggregate improvement test in Kayu gravel quarry

综合3个试验结果表明，通过在沥青混凝土中添加品牌丙0.4%抗剥离剂(非胺类)，可将砂砾石中的酸性骨料与沥青的黏附性的2级提高到5级，水稳定系数达1.02，质量损失、残留针入度比、延度等性能均满足相关规范要求。

5 料源变更选择结果

卡玉砂砾石料场在开采、运输条件和费用方面相对卡吉朗石料场有优势，通过在沥青混凝土中添加抗剥离剂(非胺类)，可使酸性骨料与沥青的黏附性、水稳定性达到设计要求。因此沥青混凝土骨料料源变更为卡玉砂砾石料场。与初设阶段相比，骨料加工由山场料变更为天然料，骨料加工成本减少237万元，新增外加剂增加29万元，两者合计减少208万元，即变更后降低了工程成本。拉洛水利枢纽大坝沥青混凝土心墙于2019年9月封顶，大坝于2020年4月顺利完工，截至2021年4月已正常运行了2 a。

6 结 论

(1) 料源选择与规划时，首先考虑的是料源质量能否满足设计要求，或是否可通过相应的处理措施使其达到设计要求；其次是开采、运输和加工等综合费用最少。料源选择与规划贯穿工程设计、施工表整个过程，需随外部条件变化而进行动态优化调整。

(2) 拉洛水利枢纽大坝沥青混凝土心墙施工过程中，原碱性骨料采购点因位于黑颈鹤保护核心区域被禁采后，勘察了工程区附近中性骨料的卡吉朗玄武岩料场和酸性骨料的卡玉砂砾石料场。通过料源质量、开采条件、骨料供应保障性、经济性等方面分析比较，卡玉砂砾石料场除了酸性粗骨料与沥青的黏附性指标不符合规范要求外，其余条件均较优。

(3) 鉴于传统的水煮法受经验和主观性的影响大、不易确切判定的缺点，引入了沥青混凝土抗压试验和沥青薄膜烘箱老化试验的组合验证方法，能够全面检测酸性骨料与沥青间各种性能。水煮法可检验酸性骨料与沥青的黏附性；沥青混凝土抗压试验可检验沥青混凝土受水损害时抵抗剥落的能力；沥青薄膜烘箱老化试验可评价抗剥落剂的耐热性能及长期使用效果。该组合试验方法还可优选抗剥离剂的品种和掺量，为酸性骨料在水利工程中的应用提供了技术支持。

(4) 通过在沥青混凝土中添加某品牌的0.4%抗剥离剂(非胺类)，可将酸性骨料与沥青的黏附性提高到5级或4级、水稳定系数大于0.90，性能满足设计要求。因此，拉洛水利枢纽大坝沥青混凝土骨料料源变更选择卡玉砂砾石料场，变更后降低工程费用约208万元。