碾压式沥青混凝土心墙工程特性研究现状与对策.pdf

第3 1 卷第1 0期 2 0 1 4年 1 0月 长 江科学 院 院 报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i f i c Re s e a r c h I n s ti t u t e V o 1 3 1 No 1 0 Oc t 2 0 l 4 D OI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 4 1 0 0 0 8 碾压式沥青混凝土心墙工程特性 研究现状与对策 饶锡保 ， 程展林 ， 谭凡 ， 张伟 ， 黄斌 ( 长江科学院 a 水利部岩土力学与工程重点实验室I b 国家大坝安全工程技术研究中心， 武汉4 3 0 0 1 0 ) 摘要： 沥青混凝土由于良好的防渗性能与变形适应性 ， 在土石坝中得到了越来越广泛的应用， 其工程特性有别于 常规混凝土与一般岩土体， 包括温度敏感性 、 耐久性、 抗震特性、 抗水力劈裂特性等。为突破沥青混凝土心墙坝 1 5 0 m坝高的技术瓶颈 ， 解决深厚覆盖层、 高寒、 强震等条件下直接修建高沥青混凝土心墙坝的筑坝技术难题， 消除 热沥青施工引起的环境污染问题， 长江科学院自2 0世纪 9 O年代开始， 对三峡茅坪溪防护坝、 黄金坪水电站、 拉洛 水利枢纽工程及 K a r o t 水电站等沥青混凝土心墙进行了系统研究， 研制了静力、 动力、 蠕变三轴温控装置， 并很好地 应用到科研 ， 在碾压式沥青混凝土心墙工程特性方 面取 得了大量成果 。在总结水工 沥青混凝土 国内外 的研究 现状 的基础上， 重点讨论了碾压式沥青混凝土心墙的 5个关键问题， 以及长江科学院在沥青混凝土方面的研究进展与 成果 ， 可为类似复杂条件下沥青混凝土心墙堆石坝的设计、 施工及运行管理提供依据。 关键词： 沥青混凝土心墙 ； 温度敏感性； 耐久性 ； 抗震特性 ； 抗水力劈裂特性 中图分类号 ： T U 4 1 1 文献标 志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 4) 1 0 0 0 5 1 0 7 1 研究背景 沥青混凝土心墙作为土石坝防渗系统在水利水 电工程中得到了广泛应用， 沥青混凝土心墙坝也成为 了重要的坝型之一。我国采用沥青混凝土心墙防 渗开始于 2 ( ) 世纪 7 0年代 ， 1 9 7 3年吉林建成了白河浇 筑式沥青混凝土心墙坝， 高2 4 5 i n ； 1 9 7 5年甘肃建成 了党河沥青混凝土心墙坝 ， 高5 8 8 i n ； 1 9 8 3年大连建 成了碧流河水库沥青混凝土心墙左坝与右坝 ， 分别高 4 9 i n和 3 3 m 。到了 2 0世纪 9 0年代 ， 随着水工沥 青混凝土碾压技术的发展以及对 国外先进施工技术 的引进 ， 沥青混凝土心墙坝在我 国使用越来越广泛， 大坝也越来越高。 目前国内已建成数座百米级的沥 青混凝土心墙坝， 包括三峡茅坪溪沥青混凝土心墙 坝， 坝高 1 0 4 i n ， 是当时国内最高的沥青混凝土心墙土 石坝 ； 四川 冶勒水 电站沥 青混凝土心墙 坝， 坝 高 1 2 4 5 i n ， 是 目前 国内已建成的最高的沥青混凝土心 墙土石坝 。 相比黏土心墙坝 ， 沥青混凝土心墙坝心墙 厚度 小 ， 一般为坝高的 1 7 0 1 1 3 0 J ， 心墙与坝壳变形协 调是沥青混凝土心墙坝安全稳定 的保证 ， 这就要求设 计过程中能准确计算坝体与心墙的应力与变形。深 入研究沥青混凝土的力学特性 ， 准确获得沥青混凝土 力学与变形参数 ， 是沥青混凝土心墙设计 的基础。2 0 世纪 9 0年代至 2 1世纪初， 长江科学院对三峡茅坪溪 防护坝沥青混凝土心墙材料进行了系统的研究 ， 2 0 1 0 年以后 ， 先后针对大渡河黄金坪水 电站工程、 西藏拉 洛水利枢纽工程及巴基斯坦 K a r o t 水电站工程大坝沥 青混凝土心墙材料进行 了试验研究 ， 取得了大量成 果 。本文对沥青混凝土心墙材料工程特性 的研 究成果进行了一次较为完整的回顾与梳理 ， 总结了以 后需要开展的研究工作。 2 沥青混凝土心墙防渗的优越性 目前 国内沥青混凝土心墙 防渗体基本是由于工 程受到多雨 、 气温低、 缺乏适合的土石料、 坝基沉降量 大等 自然条件 的限制 ， 不能采用混凝土面板 、 黏土与 砾质土心墙等传统的防渗体或采用传统的防渗体成 本较高时不得已才采用的， 沥青混凝土心墙防渗体能 够在这些条件下使用正好说明了沥青混凝土心墙 防 渗的优越性与适应性。相比传统的防渗体， 沥青混凝 土心墙防渗的优越性主要体现在施工受气候影响小 、 对坝体填料质量要求低及具有较强的塑性 3个方面。 收稿日期 ： 2 0 1 4 0 8 2 0； 修 回日期 ： 2 0 1 4 0 9 0 4 作者简介： 饶锡保( 1 9 6 4 一) ， 男， 湖北武穴人， 教授级高级工程师， 硕士， 主要从事岩土力学性质方面的工作， ( 电话) 0 2 7 8 2 8 2 9 7 4 1 ( 电子信箱) r a o x i b a o 8 8 9 9 1 2 6 c o m。 5 2 长 江科 学院院报 2 1 施工受气候影响小 沥青混凝土的施工受降雨和低温的影响小， 多雨 和高寒地区难以采用传统防渗体时 ， 采用沥青混凝土 心墙 能取得保证工程进度与施工质量的 良好效果 。 四川冶勒水电站沥青混凝土心墙坝位于深厚覆盖层 基础上 ， 覆盖层最深达 4 O O多 m， 工程现场年平均气 、温6 5 ， 全年无夏天， 冬季长达 6至 7个月 ， 年平均 降雨量 1 8 3 0 1T U T I ， 每年降雨天数近2 1 5 d ， 大坝于 2 0 0 7 年建成 ， 目前运行良好 。尼尔基水利枢纽位于黑龙 江与内蒙古 自治区交界的嫩江干流中上游 ， 处于寒温 带气候区， 多年平均气温1 5 o C， 冬季严寒漫长， 夏季 炎热多雨 ， 经充分考虑工程投资、 施工工期和施工难 度等因素， 确定主坝采用沥青混凝土心墙方案_ 1 。 2 2 对坝体填筑料质量要求低 沥青混凝土心墙坝不需要填筑高质量的堆石料 。 重庆玉滩水库扩建工程主坝为沥青混凝土心墙坝 ， 坝 高4 2 7 m， 坝体填筑采用当地砂岩石渣料和泥岩石渣 料等软岩材料 ， 堆石料单轴抗压强度 1 0 MP a l 1 2 。 四川官帽舟水电站沥青混凝土心墙坝高 1 0 9 m， 受当 地料场与地形限制， 为节约成本， 采用溢洪道与泄洪 洞开挖的软岩石渣料作为堆石料 。挪威 S t o r g l o m v a t n坝高 1 2 5 m， 副坝 H o l m v a t n高 5 6 m， 堆石料料场 中含有次生砂岩， 夹杂大量的云母片岩与页岩带 ， 堆 石料在振动碾压后破碎严重 ， 为了减少堆石破碎 ， 不 得已将初始规定的 1 5 t 振动碾换做1 1 3 t 的振动碾 ， 2 座大坝 1 9 9 7年建成至今 ， 监测结果表明尽管大坝发 生了较大变形 ， 但其性能还是令人满意的 。 2 3 沥青混凝土具有较强的塑性 沥青混凝土心墙对坝基变形适应能力强。奥地 利的 E b e r l a s t e沥青混凝土心墙坝高 2 8 m， 建设在深 厚覆盖层 上， 施 工期 问坝基 在峡谷 中心 处下沉 了 2 2 m， 并存在较大的不均匀变形 ， 建成并蓄水后坝基 又发生了2次沉降 ， 大坝建成至今近 5 0 a 没有发生明 显的渗漏_ 1 。四川冶勒水 电站沥青混凝土心墙坝坝 基覆盖层深度超过4 0 0 m， 坝基地基条件复杂， 大坝建 成后沥青混凝土心墙未发现有渗漏。 3沥青混凝土心墙工程特性研究成果 3 1 心墙的安全稳定性 作为大坝的防渗体， 沥青混凝土心墙的安全稳定 和完整至关重要 ， 安全稳定的关键是保证心墙和过渡 料之间变形的协调， 这就需要心墙与过渡料的变形模 量较为接近。心墙过软 ， 其变形模量与过渡料相比偏 低 ， 导致心墙部分 自重传递给过渡料， 造成心墙压应 力减小 ， 出现“ 拱效应” ， 拱效应严重时， 心墙可能出现 水平裂缝 ， 在水压力作用下发生水力劈裂； 心墙过硬 ， 其变形模量与过渡料相比偏大， 会导致过渡料的部分 自重传递给心墙， 造成心墙压应力增大， 出现“ 附加压 应力” ， 附加压应力过大时 ， 心墙可能发生过大的剪切 变形并发生剪胀 ， 导致墙体孔隙率 明显增大 ， 防渗性 降低 ， 严重时可引发结构破坏 。 沥青混凝土心墙的设计中， 为了保证心墙与过渡 料的协调变形 ， 主要是对沥青混凝土心墙材料的模量 基数 K值提出要求。设计单位最早对三峡茅坪溪沥 青混凝土心墙坝提出的设计要求是心墙材料模量基 数 值不低于 7 0 0 。在施工过程 中， 根据施工 自检试 验及钻芯试样的试验结果 ， 心墙沥青混凝土的模量基 数 K值 的离散性较 大， 普遍在 2 0 0 4 0 0范 围内 j 。 针对这一问题 ， 长江科学院联合有关单位根据试验结 果进行了平面 E一 模 型、 KG模型 的应力应变分 析， 当模量数 K低于 4 0 0时 ， 心墙拱效应明显 ， 应用黏 土心墙坝产生水力劈裂的判据( 即心墙中的竖向应力 小于或等于相应处 的水压力) ， 沥青混凝土心墙很可 能产生水力劈裂。为了解决这一实际问题 ， 长江科学 院开展有针对性的沥青混凝土力学性对 比试验、 填筑 料的三轴试验和湿陷试验 、 沥青混凝土抗水力劈裂和 抗拉试验等工作， 并结合三峡工程试验性蓄水所取得 的变形观测资料进行了反演分析 ， 在此基础上进行了 设计条件下大坝应力 一 应变分析 ， 对茅坪溪防护大坝 的安全度作出了综合分析评价 ， 认为当沥青混凝土模 量基数 K 2 0 0时， 在不考虑其抗拉特性 的条件下 ， 心 墙底部有可能发生危害性水力劈裂破坏 ； 但考虑到沥 青混凝土有 2 0 0 k P a的抗拉强度及心墙底部 的变形 量小 ， 如果不存在施工方面的缺陷， 产生水力劈裂破 坏可能性极小 ， 沥青混凝土心墙安全稳定与完整能得 到保证 。 3 2 试验条件对沥青混凝土力学性能的影响 沥青混凝土的强度与变形参数主要通过室 内试 验获得， 力学特性受试验条件的影响较大是沥青混凝 土的一个特点。目前设计规范 对沥青混凝土心墙 材料的力学参数指标提出了要求 ， 但并未提出所列参 数指标对应的试验条件， 这就需要研究试验条件对沥 青混凝土力学特性的影响规律 ， 为选取合适的试验条 件 、 准确获取其强度与变形参数提供科学依据。试验 条件对沥青混凝土力学特性 的影响主要包括试验温 度 、 加载速率和成型方法 3个方面的研究。 3 2 1 试验 温度 的影 响 沥青混凝土为温度敏感型材料， 温度对其力学性 能有着较大的影响。在三峡茅坪溪防护坝、 黄金坪水 第 1 0期 饶锡保 等 碾压式沥青混凝土心墙工程特性研究现状与对策 5 3 电站工程 、 西藏拉洛水利枢纽工程及 巴基斯坦 K a r o t 水电站沥青混凝土心墙材料研究中均采用不同温度 进行了试验 一 ， 温度对沥青混凝土力学性能的影 响 已经得到了普遍的共识： 温度较低时 ， 材料表现出较 强的脆性， 模量大 ， 强度高 ， 破坏应变小； 随着温度 的 升高， 沥青混凝土逐渐表现为塑性 ， 强度与模量降低 ， 破坏应变增大。 3 2 2 试验加 载速 率的影响 沥青混凝土的三轴试验加载剪切过程是参考土 工三轴试验采用应变控制 ， 与沥青混凝土材料不同， 在保证孔隙水压力充分消散的情况下， 土体材料的三 轴试验成果基本不受加荷速率影响。任少辉 的研 究成果表明， 在其它条件相同的情况下 ， 加载速率越 大 ， 试样的强度越高 ， 体变也越大。试验规程 未对 三轴试验加载速率进行规定， 只是提出“ 按规定的变 形速率施加轴向压力进行剪切 ， 如变形速率没有规定 时， 可采用应变速率0 1 mi n 进行控制” 。在拉洛水 利枢纽 沥青 混凝土试 验研究 中， 采用0 0 2 4 mi n ， 0 1 2 m i n 和0 6 m i n 3种 应变速率进 行三轴试 验， 研究了加载速率对沥青混凝土材料的影响规律 。 试验结果表明： 加载速率越大， 沥青混凝土试样强度 值越 大， 模 量越 高 ， 破 坏 应变 越小 ， 0 0 2 4 m i n 和 0 1 2 m i n 速率条件下试样强度值约为0 6 m i n 速 率条件下的 5 0 和 7 0 。 3 2 3 成型 方法的影响 为研究成型方法对沥青混凝土力学性能的影响， 选取最能模拟现场碾压工艺的室内成型方法， 能准确 地获取沥青混凝土心墙的力学参数。目前室内成型 方法主要采用静压成型和击实成型 ， 三峡茅坪溪大坝 沥青混凝土试验时， 试验规程尚未发布， 室 内试样主 要采用静压成型， 同时击实成型了部分试样 。静压成 型采用 1 0 M P a的成型压力恒压 3 m i n ， 击实法分 3层 成型， 每层击实 5 0次 ， 并通过三轴试验对 比了室内静 压成型试样 、 击实法成型与现场芯样力学性能的差 别 5 J 。3种成型方法得到的沥青混凝土试样， 在密实 程度几乎完全相同情况下， 力学性质存在很大差异。 静压法成型试样时， 为获得与现场 芷 ： 样相 同的密度 ， 采用了 1 0 MP a成型压力， 其试样强度与模量远高于 击实法成型试样与现场芯样 ， 现场芯样与室内击实成 型试样强度值差别较小 ， 但模量高于击实成型试样 。 3 3 沥青混凝土的本构关系 国内外基本采用 D u n c a n C h a n g 模型来描述沥青 混凝土材料应力应变关系。但沥青混凝土的三轴试 验成果表明n ， ， 沥青混凝土 的三轴试验应力 一 应变关系曲线并不完全符合双曲线规律 ， 在围压较低 时表现出明显的软化 ， 且三轴试验体变主要表现为剪 胀 ， 采用 D u n c a n C h a n g模型难以准确计算沥青混凝 土的应力 一 应变。凤家骥等 副 提 出计算沥青混凝 土 应力 一 应变关系的修正双曲线模型， 采用指数函数来 描述破坏偏应力与小主应力倒数的关系， 对切线模量 进行了修正， 泊松 比计算则采用但尼尔公式 ； 李志强 等 采用南京水利科学研究院非线性模 型描述沥青 混凝土三轴试验应力 一应变关系， 取得较好的效果。 自2 0世纪 9 0年代开始 ， 长江科学院先后对三峡 茅坪溪防护坝、 黄金坪水电站工程 、 西藏拉洛水利枢 纽工程及巴基斯坦 K a r o t 水电站工程大坝沥青混凝土 心墙材料进行静三轴试验 ， 并采用 D u n c a n C h a n g模 型拟合沥青混凝土的应力 一应变关系， 发现 D u n c a n C h a n g 模型难以拟合沥青混凝土的软化与剪胀等现 象 。为了找到适合沥青混凝土的本构模量， 拉洛水利 枢纽沥青混凝土试验研究 中， 分别采用风家骥修正模 型和南京水利科学研究院非线性模型对试验成果进 行了整理 ， 并与 D u n c a n C h a n g模型进行 比较。凤家 骥修正双曲线模型相 比 D u n c a n C h a n g模型对沥青混 凝土应力 一应变关系曲线的拟合精度有 了一定提高， 但依然不能模拟沥青混凝土应力 一 应变关系曲线 的 软化现象 ； 南京水利科学研究院非线性模型属于弹塑 性模型 ， 能模拟沥青混凝土应力 一应变关系曲线的软 化现象 ， 比 D u n c a n - C h a n g模型及风家骥修正双曲线 模型的拟合精度更高 。 3 4 沥青混凝土的抗震性能 我国的沥青混凝土心墙坝很多都建设在强震区， 如已建成的南桠河上的冶勒水电站、 大渡河上的龙头 石水电站及 目前在建的大渡河黄金坪水 电站都位于 基本烈度为度的高地震区 ， 沥青混凝土的抗震性 能也是需要研究的重点问题之一。试验规程 中规 定的动力试验方法基本参照土的动力试验 ， 成果整理 也是采用 目前在土动力学里使用最为广泛的等效线 性模型。沥青混凝土心墙材料与土体材料在结构上 存在较大的差别 ， 土的动力试验方法与计算模型并不 完全适合沥青混凝土 ， 王为标等 2 1 通过对新疆下坂 地 、 恰普其海水利水利枢纽及 四川龙头石电站沥青混 凝土进行动力试验， 发现沥青混凝土在动荷载作用下 主要表现为弹性 ， 骨干 曲线近似为直线 ， 可 以取其斜 率作为沥青混凝土的动弹性模量。2 0 1 2 -2 0 1 4年， 对 大渡河黄金坪水电站与拉洛水利枢纽沥青混凝土心 墙料进行了动三轴试验 l 8 J ， 研究 了沥青混凝土材料 的抗震性能。通过对沥青混凝土心墙材料进行不同 温度与初始应力状态的动模量阻尼比试验与动强度 试验 ， 所得绪 沧与文献 2 1 一致 ， 动力试验骨干曲线 5 4 长江科 学 院院报 2 0 1 4生 近似为直线 ， 可取其斜率作为沥青混凝 土动弹性模 量 ， 并建立了沥青混凝土动弹模量与平均 固结应力 的计算公式。沥青混凝土动强度试验表明沥青混 凝土心墙料在动荷载作用下呈现弹性变形 ， 产生的塑 性变形较小， 相同的动应力循环作用相 同次数时， 沥 青混凝土心墙料产生的总应变 比堆石料小一个数量 级， 沥青混凝土心墙具有良好的抗震能力_ 8 j 。 3 5 沥青混凝土的水力劈裂 水力劈裂是指由于水压力 的抬高在岩石或者土 体等弱透水结构中引起裂缝发生或扩展的现象 J ， 在 2 0世纪 6 0 O年代 ， 曾出现过多起黏土心墙坝 因 水力劈裂造成渗漏甚至垮坝的事件 ， 黏土心墙坝的水 力劈裂问题是水利工程建设 的关键技术问题之一。 沥青混凝土心墙坝心墙厚度一般仅为0 51 2 1T I ， 一 旦发生水力劈裂 ， 会造成严重渗漏甚至垮坝。已有计 算结果表明， 若采用黏土心墙发生水力劈裂的条件作 为判据， 沥青混凝土心墙局部存在产生水力劈裂的条 件。但沥青混凝土与一般黏土有不同的特点 ， 黏土的 抗拉强度较小 ， 一般忽略不计 ， 而沥青混凝土具有一 定的抗拉强度 ， 到 目前为止， 尚未发现沥青混凝土心 墙水力劈裂破坏的有关报道 ， 但也没有研究成果支撑 沥青混凝土心墙不会发生水力劈裂。为此需要通过 试验研究来论证沥青混凝土发生水力劈裂的条件 ， 在 此基础上对大坝的安全度作出综合分析评价 。 针对三峡茅坪溪防护坝与黄金坪水 电站沥青混 凝土心墙材料， 长江科学院开展了一些探索性研究。 试验分为圆孔水力劈裂试验与圆盘平板水力劈裂试 验 ， 试验示意图见图 1 。 反力架 0 球 垫块 试 样 矗 ( a ) 圆孔水力劈裂 ( b ) 圆盘半板水力劈裂 图 1 圆孑 L 和 圆盘平板水力劈裂示意图 Fi g 1 De v i c e o f h y dr a ul i c f r ac t ur i ng t e s t o f c i r c u l a r ho l e s pe c i me n a nd c i r c ul ar p l a t e s pe c i me n 沥青混凝土圆孔水力劈裂试件采用击实法成型 ， 试样直径 1 0 1 m m， 高 1 0 0 m n 1 或2 0 0 m m， 在试样的一 端钻孔形成空心试件， 钻孑 L 直径为 2 0 m m， 深 5 0 m m 或 1 6 0 IT I I I 1 。试验时， 将试样钻孔端胶粘在三轴试验 仪的压力室底座上 ， 中心孔通过压力室底座上的孔压 孔与压力源连接 ， 通过 中心孔对试样内壁施加压力， 同时将试样上部进行反力固定 ， 防止内部施加孔压时 沥青混凝土试样受拉破坏。 圆盘水力劈 裂试验沥青混凝 土圆板 的厚度 分 2 5 ， 4 0 ， 6 0 m i I l 3 种 ， 直径 5 0 0 I r l m。试验将沥青混凝土 板放置于上下两腔体之间， 用法兰盘止水。上部带法 兰盘的圆形腔体施加水压力 ， 下部圆形腔体底部设可 调节底板。试验时下部腔体填充砂砾石过渡料 ， 圆形 板式沥青混凝土试件被螺丝固定在上、 下 2个腔体之 间。上部腔体与沥青混凝土板之间用密封圈密封， 试 验时逐级向上部腔体内施加压力 ， 观察下部腔体渗水 量的变化 ， 根据渗水量的变化情况判断在该级水压条 件下是否产生了水力劈裂现象。 圆孔水力劈裂试验表明， 沥青混凝土试样在一定 内外压差情况下 ， 产生一定量的径向变形后才产生水 力劈裂 ， 且均为径 向水力劈裂 ， 根据弹性力学理论计 算 ， 发生水力劈裂时， 径向拉应力大于 2 0 0 k P a 。平板 水力劈裂试验表 明， 过渡料正常压密条件下 ， 厚度在 2 5 1 T l I n以上的沥青混凝土板承受 1 MP a的水压力不 产生水力劈裂 。 4 需要进一步研究的问题 4 1 合理的成型方法 前面的研究成果已经表明， 不同成型方法得到的 试样， 三轴试验成果相差很大。合理的沥青混凝土试 样成型办法必须能较好地模拟沥青混凝土心墙坝施 工中沥青混合料的碾压工艺， 包括施工使用的碾压设 备及碾压施工参数 ： 沥青 混合料碾压施工一般采用 1 01 5 t 振动碾， 先静碾 12遍， 然后动碾 68 遍， 最后 再静碾 12遍 ， 碾压完 成后 层厚 约为 2 0 CI TI ，部分工程 。 船 为了提高填筑速度， 在不增 加碾压遍数情况下采用2 7 t 振动碾 ， 碾压完成层厚约 2 5 e m。试验规程 中三轴试验试样 采用击实法成 型试样 ， 但击实法成型试样的试验力学性质与现场钻 取芯样也存在差别 ， 只是差别比其他成型方法小。在 过去的研究中， 只是在三峡茅坪溪大坝心墙材料试验 研究时， 对比了室内静压成型、 室 内击实试样与现场 芯样强度以及应力应变关系的差别。在 以后的研究 中， 需要进一步研究不同方法成型试样力学特性的差 别 ， 并与现场钻孔芯样对 比， 找到最能模拟现场碾压 工艺的室内成型方法。 4 2三轴试验加荷速率的影响与选取 为了准确获取工程实际运用中的沥青混凝土材 料力学参数 ， 理论上应当采用工程可能发生 的荷载或 变形速度进行试验。对于沥青混凝土心墙坝 ， 施工过 程中的静力荷载加载速度较慢 ， 如果完全模拟实际工 程中的速率进行试验需要很长的时间， 这就需要研究 加载速率对沥青混凝土力学性能的影响规律 ， 包括不 第 1 O期 饶锡保 等 碾压式沥青混凝土心墙工程特性研究现状与对策 5 5 同的配合 比和试验条件下加荷速率的影响规律， 并结 合试验效率和实际工程确定合适的三轴试验速率。 国内外学者关于加载速率对沥青混凝土三轴试验成 果的影响只是进行了初步研究， 关于加载速率对试验 成果的影响规律没有一致的认识 ， 长江科学院只是对 拉洛水利枢纽沥青混凝土材料进行了 3个不 同速率 的试验 ， 取得的成果有限， 以后的研究 中需要深入的 开展工作 。 4 3 动荷载作用下的破坏标准 目前的动强度试验研究成果认为沥青混凝土的 动强度很高， 在动荷载作用下不会发生破坏 ， 这一结 论是参照土动力学 ， 以应变达到某一值作为破坏标准 得到的。沥青混凝土结构与土体差别很大， 以应变作 为破 坏标准不一定适合沥青混凝土， 在动荷载作用 下， 试样受到反复的拉伸与压缩作用 ， 虽然产生的应 变较小 ， 但试样内部可能由于往复荷载的作用产生裂 隙而导致防渗失效 ， 在 以后 的动强度研究 中， 可以结 合 C T等可视化技术研究动荷载作用后内部结构的变 化， 综合确定沥青混凝 土在动荷载作用下 的破坏准 则。 4 4 酸性骨料用于水工沥青混凝土的可行性研究 矿料的酸碱性对沥青混凝土的性能有着较大的 影响 ， 关系到沥青混凝土的强度 、 水稳定性及耐久性 等一些重要性能 ， 目前水工沥青混凝土基本采用碱性 骨料。沥青与骨料的黏附性 同骨料 的物理性质和化 学性质密切相关 ， 而且化学吸附作用是 主要 因素， 碱 性矿料对沥青有较好的化学吸附作用， 而酸 f生骨料没 有碱性骨料 的化学吸附作用好 。设计规范 规定“ 粗 骨料宜采用碱性骨料 ( 石 灰岩、 白云岩等 ) 破碎 的碎 石 ， 当采用未经破碎的天然卵砾石时， 其用量不宜超 过粗骨料用量的一半 ， 当采用酸性碎石时 ， 应采用增 强骨料与沥青黏附性 的措施 ， 并经试验研究论证 ” 。 在一些适宜建沥青混凝土心墙坝的地方可能难 以找 到适宜的碱性矿料 ， 从外地购买碱性骨料会提高工程 成本， 且难以保障施工进度， 水利水电工程现场的砂 卵石一般非常丰富 ， 但砂卵石 中酸性岩石居多， 如果 酸陛骨料经过采取措施后能作为水工沥青混凝土的 骨料 ， 则可以节省工程成本， 对沥青混凝土土石坝的 发展与应用也会有较大的推动作用 。酸性骨料用于 水工沥青混凝土除了研究采用何种措施增强骨料与 沥青黏附I生 使沥青混凝士陛能满足设计规范要求外， 酸性骨料沥青混凝土 的长期稳定性采用何种研究方 法和哪些指标来衡量也是需要研究 的内容和重点。 4 5 乳化沥青用于水工沥青混凝土的可行性 在 目前的水利水电工程 中， 沥青混凝土混合料的 都是采用热沥青拌制， 需要将沥青加热后进行拌合， 在施工过程中会产生污染， 另外加热温度过高或加热 时间过长容易引起沥青的老化 ； 而如果加热温度不 够， 会使混合料的拌合不均匀 ， 沥青混凝土成型不好 ， 达不到设计要求。乳化沥青可以在不加热的情况下 与骨料拌合 ， 避免 了施工引起 的污染 ， 施工也比较方 便 ， 目前在道路工程中得到了应用。与道路沥青混凝 土不同， 水工沥青混凝土对密实度要求高， 心墙沥青 混凝土要求孔隙率小于 3 ， 乳化沥青含有大量 的水 分， 水分在拌合和碾压过程中难以完全挥发 ， 沥青混 凝土混合料难以压实。在黄金坪水电站与拉洛水利 枢纽沥青混凝土试验研究中， 开展了乳化沥青用于水 工沥青混凝土的可行性研究 ， 采用乳化沥青拌合沥青 混合料 ， 并进行了各项试验， 乳化沥青混凝 土试样各 项指标基本符合规范对心墙材料的要求 ， 但试样成型 前需采用微波炉加热沥青混合料除去乳化沥青 中多 余的水分 ， 这一过程在施工过程中难以实现。施工过 程中若能采取措施 ， 在沥青混合料拌合时能将乳化沥 青中的水分充分挥发 ， 保证乳化沥青混合料能充分压 实， 达到设计要求， 则能推动乳化沥青在水工沥青混 凝土中的应用， 并进一步推动沥青混凝土心墙坝的应 用。 5 结语 长江科学院自2 0世纪 9 0年代开始开展沥青混 凝土的工程特性研究 ， 本文结合 三峡茅坪溪防护坝 、 黄金坪水电站工程 、 西藏拉洛水利枢纽工程及巴基斯 坦 K a r o t 水 电站沥青混凝土心墙坝的研究成果， 在收 集与梳理历年研究成果的基础上， 综述了水工沥青混 凝土心墙研究近年来取得的主要成果 ， 主要包括沥青 混凝土心墙的安全稳定 生、 试验条件对力学性能的影 响、 沥青混凝土的本构关系 、 沥青混凝土抗震性能及 沥青混凝土心墙的水力劈裂问题等 5个方面； 并提出 了在以后的研究工作需要进一步解决 的问题 ， 包括室 内成型方法、 酸眭骨料和乳化沥青用于水工沥青混凝 土的可行性研究等方面。沥青混凝土心墙坝作为一 种有竞争力 的坝型， 在水利水电工程中的应用越来越 广泛 ， 且坝高也越来越高， 水工沥青混凝土的研究也 需要 不断的开展与进步 ， 本文总结 了长江科学院近 2 0 a 关于水工沥青混凝土的研究成果 ， 可供以后开展 沥青混凝土的工程杼陛研究提供参考与借鉴。 致谢： 参加沥青混凝土心墙研 究工作还有杨华全、 严建 军、 董芸、 王晓 军、 周世 华、 潘 家军、 徐 晗、 何 晓 民、 周欣华 、 徐 言 勇等 ， 特此表 示感谢。 5 6 长 江科学 院院报 2 0 1 4丘 参考文献 ： 1 张怀生水工沥青混凝土 M 北京：中国水利水电 出版社 ， 2 0 0 5 ( Z H A N G H u a i s h e n g H y d r a u l i c E n g i n e e r - i n g A s p h a l t C o n c r e t e M B e ij i n g ： C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s ， 2 0 0 5 ( i n C h i n e s e ) ) 2 王为标土石坝沥青防渗技术的应用与发展 J 水力 发 电学报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 6 ) ： 7 07 4 ( WA N G We i b i a o De v e l o pme n t a nd Ap p l i c a t i o ns o f I mpe r v i o us As p h a l t Co n c r e t e f o r E mb a n k me n t D a ms l J I J o u r n al o f Hy d r o e l e c t r i c E n gi n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 6 ) ： 7 0 7 4 ( i n C h i n e s e ) ) 3 汪明元， 周欣华， 包承纲， 等三峡茅坪溪高沥青混凝土 心墙堆石坝运行状态研究 J 岩石力学与工程学报， 2 0 o 7 ， 2 6 ( 7) ：1 4 7 01 4 7 7 ( WA N G M i n g y u a n ， Z H O U Xi n hu a， BAO Che ng g a n g， e t a1 S t u d y o n Be ha v i o r s o f Ma o p i n g x i Hi g h Ro c k f i l l Da m wi t h As p halt Co n c r e t e Co r e o f q 3 a r e e G o r g e s P r o j e c t l J 】 C h i n e s e J o u rnal o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 7 ) ： 1 4 7 01 4 7 7 ( i n C h i n e s e ) ) 4 D IMT 5 4 1 1 2 0 o 9 ， 土石坝沥青混凝土面板和心墙设计 规范 s 北京： 中国电力出版社 ， 2 0 0 9 ( D L T 5 4 1 1 - 2 0 09，De s i g n Sp e c i fic a t i o n o f As p h a l t Co n c r e t e F a c i n g s a n d C o r e s f o r E m b a n k m e n t D am s S B e ij i n g ：C h i n a E l e c t r i c P o w e r P r e s s ， 2 0 0 9 ( i n C h i n e s e ) ) 5 长江科学院三峡工程茅坪溪防护大坝心墙沥青混凝 土力学特性试验及数值分析研究总报告 R 武汉： 长 江科学院 ， 2 0 0 4 ( Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e Te s t Re p o r t o f As p h alt Co n c r e t e Co r e Ma t e r i al o f M a o p i n g x i D a m s o f T h r e e Gor g e s P r o j e c t R Wu h a n ： Y a n gtz e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， 2 0 0 4 ( i n C h i n e s e ) ) 6 长江科学院四川大渡河黄金坪水电站大坝沥青混凝 土心墙材料试验研究报告 R 武汉：长江科学院， 2 0 1 2 ( Y a n gt z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e T e s t R e p o r t o f A s p h al t C o n c r e t e C o r e M a t e ri al o f H u a n g j i n p i n g H y d r o e l e c t r i c P o w e r S t a t i o n R Wu h a n ：Y a n gt z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e arc h I n s t i t u t e ， 2 0 1 2 ( i n C h i n e s e ) ) 7 长江科学 院西 藏拉 洛水利枢纽沥 青混凝土心墙 材料 试验研究报告 R 武汉 ： 长江科学院 ， 2 0 1 3 ( Y a n gtz e Ri v e r S c i e n t i fic Re s e a r c h I ns t i t ut e Te s t Re p o r t o f As ph alt Co n c r e t e Co r e Ma t e r i al o f Lalu o Hy d r o e l e c t ric Po we r S t a t i o n R Wu h a n ： Y a n gt z e R i v e r S c i e n t i fi c ： R e s e a r c h I n s t i t u t e ， 2 0 1 3 ( i n C h i n e s e ) ) 8 谭凡水 工沥青混凝 土力学 性能试 验研究 D 武 汉 ： 长江科学院 ， 2 0 1 2 ( T