新疆沥青混凝土心墙坝关键技术研究浅谈.pdf

科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2 年第 2期 新疆沥青混凝土心墙坝关键技术 研究浅谈 余华英韩守都 ( 新疆水利水电勘测设计研究院 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 【 摘要】 沥青混凝土具有极大的延展性、 耐久性和近乎绝对的不透水性， 这些特性对于许多水工建筑物来说， 是十分有利的。因此，沥青混凝土作为水工建筑物防渗材料，具有广阔的应运前景。对于缺乏黏土料源、多雨 地区的坝址，沥青混凝土防渗结构尤为适用。新疆有着优质石油沥青的产地一克拉玛依，沥青料源无论从质量、 产量还是运距来说都具有得天独厚的优势。 【 关键词】 沥青混凝土 防渗材料关键技术 设计理念 【中图分类号】T V6 4 0 3 1 【 文献标识符】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 - 2 4 6 9 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 5 3 0 3 D O I 编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 - 2 4 6 9 2 0 1 2 0 2 0 1 7 1 基本情况 沥青混凝土具有极大的延展性、耐久性和近乎 绝对的不透水性，这些特性对于许多水工建筑物来 说，是十分有利的，因而具有广阔的应用前景。对 于缺乏黏土料源 、多雨地区、地质条件较差和交通 不发达 的坝址，沥青混凝土防渗结构尤为适用。 自 1 9 4 9年葡萄牙建成 了Va l e d e c a i o沥青心墙 坝 ， 1 9 6 2年第一座采用机械压实的沥青混凝土心墙 坝在德 国建成，此后在世界范围内建成近 1 0 0座沥 青心墙坝，其 中绝大多数为碾压式沥青心墙坝 。心 墙高度最高的是挪威的 S t o r g l o mv a t n坝，高 1 2 5 m。 在我国 1 0 4 m 高的三峡茅坪溪沥青混凝土心墙坝、 1 2 5 5 m 高的四川冶勒水 电站、东北尼尔基、河北张 家湾 、河南宝泉等工程 ，均 已经或正准备采用沥青 混凝土作为防渗结构的主要建筑材料 。我国正在设 计的有 1 7 0 m高的去学坝。 1 9 8 8 年第 1 6 届国际大 坝会议上 曾提 出沥青混凝土心墙坝是今后高土石 坝建设最有竞争力的坝型之一。可以预见，水工沥 青混凝土防渗技术应用前景将越来越广阔。 沥青混凝土有 良好的抗渗性 、极佳的柔性变形 特征 以及 自愈闭合 的功能。 因而 ， 对位于软弱岩层 、 深厚覆盖层、高纬度、高寒冻土及高地震烈度等地 区的水利水电工程，最适宜作为大坝 的防渗体 。同 时，沥青混凝土防渗体结构简单、工程量较小、施 工受气候变化影响小、施工速度快、有利于缩短工 期，因此，在坝工建设中日益得到重视。 然而，由于沥青材料和沥青混凝土的组成及物 理力学性能的复杂性 ，时至今 日，水工沥青混凝土 的施工应用技术仍处于研究发展阶段，还没有形成 一 个较完善的理论体系，尚缺乏一个较系统反映水 工沥青混凝土力学性能的系列标准和试验方法 。 2 沥青混凝土在新疆工程中的应用 新疆地区由于降水偏少 ，风化后可形成质量优 良的防渗体材料的岩体风化作用 中水的影响较小， 因而风化程度 、范围和深度等不足 。而分布相对较 广 的风积黄土 由于需要水参与的物理和化 学作用 不充分，导致其在湿 陷性、分散性、渗透性等方面 往往与规范要求之间存在着一定的差异 。这几方面 的原因都造成了新疆地区优质防渗土的料源缺少。 同时，新疆绝大部分地区的气候条件较为恶劣 ，冬 季寒冷甚至严寒，冰冻影响严重；夏季 日照强烈 ， 降水稀少 ， 气温在一 日内和年 内、 年际的变化悬殊。 作者简介： 余华英 ( 1 9 7 0年一) ，女，高级工程师。 科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2年第 2 期 地震烈度较高，使得面板堆石坝、圬工坝往往处于 较为不利的工作状态，必须采取足够的工程措施才 能确保工程长期、安全运行。 与此相对的是，新疆有着优质石油沥青的产地 一 克拉玛依 ，沥青料源无论从质量 、产量还是运距 来说都具有得天独厚的优势 。同时，沥青混凝土防 渗体往往位于坝体 内部，其无论在施工期还是在运 行期，受气候条件 的影响均较小，并具有较强的抗 震性能 ，对新疆地 区的 自然 条件 具有天然的适应 性。因而亟需开展沥青混凝土防渗体在工程中的运 用研究，扬长避短。 3 新疆沥青混凝土关键技术研究 3 1 沥青混凝土原材料的选择与试验研究 着重研究 以下 内容 ： ( 1 )沥青材料性质对拌和物性状 ( 含耐久性， 下同)的影响； ( 2 )骨料酸碱度对拌和物性状的影响，如非 碱 性骨料 的应用 、细骨料全部采用天然砂等； ( 3 )骨料形状对拌和物性状 的影响，如天然 砂砾石骨料、破碎块状骨料； ( 4 )填料有无替代可能。 据此提 出沥 青混凝土各组成成分可供选择 的 初选范围和基本性能指标要求 ，拓展沥青混凝土原 材料选择范围，并为设计人员判断能否采用沥青混 凝土防渗型式、能否尽量利用现有资源及其可能发 生的费用是否合理提供初步依据 。 3 2 沥青混凝土配合 比选择方法研究 在沥青混凝土原材料来源基本确定的情况下， 着重研究： ( 1 )不 同配合比对拌和物性状 的影响； ( 2 )料物不同配 比对拌和物性状影 响的敏 感 程度； ( 3 )不同试验方法对拌和物性状试验指标 的 影响及敏感程度 ； ( 4 )沥青混凝土动力学性能指标试验方法， 据此提 出沥青混凝 土各组成成分一般 的比例范 围 和相应的基本性能指标，为设计人员初步选择沥青 混凝土配合 比及估算相应费用提供初步依据 。 3 3 沥青混凝土防渗体坝有限元计算的研究 着重研究以下内容： ( 1 ) 目前较常用 的沥青混凝土本构模型有非 线性弹性 E B模型和非线性弹性 E 模型， 也有采 用双屈服模型进行计算的，个别资料 曾经介绍使用 黏弹性模型。研究采用不同本构模型进行坝体有限 元计算时的差异性及其差异程度和影响； ( 2 )采用 的本构模型 中各计算参数 的变化对 计算成果 的影 响及其敏感程度 。据此提 出能够较为 准确 体现沥青混凝土性状特 点和反 映由其作 为防 渗体的坝体的应力、变形情况的适宜的计算模型， 以及其变化对坝体应力 、变形影响较大 的主要控制 指标 ，以便在设计和施工中重点加 以控制； ( 3 )对于地震烈度为 8度的地区使用沥青混 凝土防渗结构要进行动力学分析。因此，尚需对沥 青混凝土材料进行动力学性能试验，以得到相应 的 动力学性能参数。 3 4 坝体材料分区及沥青混凝土心墙的型式选择 研究 着重研究 以下内容 ： ( 1 )根据工程区地形地质条件 、天然材料 的 性质和分布情况，就地取材 ，确定坝体合理分区， 研究如何根据工程 的不 同特点 ( 分区、坝料、基础 条件 等 )选取合适的沥青混凝土心墙型式和厚度 ( 包括碾压式或浇筑式 ，垂直式或倾斜式 )，并通 过有限元计算验证 ； ( 2 )如坝址 区为狭窄河谷 ，可开展心墙轴线 布置成凸向上游的弧线 的研究。 3 5 沥青混凝土心墙与地基、岸坡连接的研究 沥 青混凝土心墙与其基础之 间是通过混凝土 基座进行连接 ，其 间的连接是沥青混凝土心墙坝能 否实现渗流控制和坝体安全 的关键结构 ，基础性质 的不 同 以及 心墙与基座混凝土的具体连接结构型 式直接影响到工程的长期稳定运行和效益 。着重研 究： ( 1 )沥青混凝土心墙与不同坡度 的岸坡 ( 陡、 缓 )、不同地质条件 ( 基岩、覆盖层 )等之间的连 接结构型式； ( 2 )如何根据前述 的试验 、计算成果，依据 心墙与岸坡接触部位 的应 力和变 形结构确定最适 宜的连接结构型式； ( 3 )选择沥青混凝土心墙与基础、岸坡和刚 性建筑物的连接结构，使其具有一定的相对变形能 力并满足在最大水头运行条件下 的防渗 性和 不 出 现开裂，确保工程长期安全 、稳定运行。对连接部 位的相对变形及水头大小等条件进行详细分析，确 定主要控制条件； ( 4 )对重要的工程 ，应根据不同工程 的特 点 提 出连接结构模 型试验 中必须达到 的主要技术 要 科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2年第 2期 求 和 指标 。 3 6 沥 青混凝土心墙坝监测仪 器的布设及选择 研究 沥青混凝土混合料 出机 口温度一般 为 l 5 0 1 7 0 ，铺注密实后的温度一般在 1 2 0 1 4 0 ，监 测仪器的选择必须考虑耐高温的要求，同时必须考 虑 长期运 行后沥青混凝土的稳定温度 ，以获得持 续 、稳定的监测数据 。监测仪器的选择和布置有着 不 同于常规防渗体材料 的特点。 3 7 沥青混凝土心墙施工工艺及质量控制研 究 防渗体的施工质量直接影 响当地材料坝 的安 全 、稳定运行，因而保证沥青混凝土心墙的施工质 量是大坝安全的基础 。不同形式的沥青混凝土心墙 施工工艺、质量控制指标、检测方法等是直接影响 沥青混凝土在坝工领域运用和发展的重点。 4 工程实例 根据新疆境 内的实际特点，结合近年水利水 电 建设的设计 、施工和生产运行情况 ，主要依托新疆 轮台县迪那河五一水库工程简要介绍。该工程为I I I 等 中型 ，总库容 0 9 6 8亿 l I l 3 ，最大坝高 1 0 2 m，地 震基本烈度为 V I I I度， 由于工程区缺乏土料，拟建 碾压式沥青心墙坝。工程区坝区基岩岩性单一，地 层为第四系下更新统西域砾岩 ( Q1 )，呈厚层状构 造。坝址区河谷狭窄，呈“ U 型河槽 ，底宽约 3 0 m， 谷深 7 0 - - - 8 0 m，两岸谷坡近直立，谷底下部局部形 成倒坡， 两岸阶地地形较宽阔，由于其特殊 的地形、 地质条件 ，高的地震烈度及不 良的气候条件，给工 程建设、安全运行提 出了一系列亟难解决的设计难 题，其主要集 中体现在 以下几个方面： ( 1 )复杂的地形地质条件使沥青混凝土心墙 基础的受力条件复杂。坝址区河谷狭窄，两岸谷坡 近直立， 地层为第 四系下更新统西域砾岩 ， 泥沙质、 钙质胶结或半胶结，遇水易软化，工程地质条件复 杂，设计时需解决好心墙基础 的开挖形状，以及基 础部位心墙应力状况，确保沥青混凝土心墙与基础 结合紧密，应力状况 良好 ，不存在隐患。 坝轴线处，河谷狭窄，心墙轴线 的布置可开展 布置成凸向上游的弧线的研究。 ( 2 )合适的沥青混凝土配合 比的确定 。坝址 区附近缺乏做为黏土心墙的防渗土料，故设计为碾 压式沥青心墙坝。但沥青心墙用的灰岩骨料距坝址 区 1 8 0 k m左右， 用碱性骨料做沥青混凝土的粗骨料 略显不经济，需开展非碱性骨料做沥青混凝土 的粗 骨料的研究设计， 确定经济可靠的沥青混凝土拌和 物。 陡峭狭窄河床两岸 的地形和岸坡突变的地形， 要求其沥青混凝土的变形模量 小一些，塑性 大一 些，能适应容易发生沉陷的地基、地震区和岸坡较 陡的坝址 。但承受高水头的沥青混凝土心墙又要求 其具有一定的强度 。如何满足 以上两方面的要求 ， 根据坝壳材料的变形特 性和心墙 的受力情况确 定 和调整沥青混凝土的配合比。 ( 3 )沥青混凝土心墙坝监测仪器的布设。沥 青混凝土心墙是土石坝的防渗结构，与土石坝一起 发挥效用。因此对沥青混凝土防渗心墙的监测 ，是 土石坝施工期、运行期安全监测不可或缺的组成部 分。监测仪器布设时要考虑沥青混凝土防渗墙的特 点，增设一些温度、变形监测项 目。目前国内尚没 有专用 的、很好的适应沥青混凝土的高温状态和弹 性模量 的监测仪器。埋设于沥青混凝土内的监测仪 器要适应沥青混凝土 的弹模和施工期的高温，仪器 在安装埋设前应进行高温检验 、率定，检验合格 的 仪器才能使用。监测仪器埋设是一个复杂的系统工 程 。目前沥青混凝土都是高温施工，为防止监测仪 器 因高温而损坏或失灵。必须采取防护设施，并在 监测设计时加以规定 。 5 结束语 近几年新疆沥青混凝土心墙坝在 中、高坝 的运 用上如雨后春笋，继坎儿其水库沥青心墙坝 、恰甫 其海浇筑式沥青混凝土心墙 围堰 的建成，陆续建设 完成了照壁山、下坂地沥青心墙坝，库什塔依、克 孜加尔、努尔加、布仑 口、哈德布特沥青心墙坝正 在建设中，五一水库、二塘沟水库沥青心墙坝即将 开工， 沥青混凝土心墙坝的设计水平得到长足的发 展。结合沥青混凝土心墙坝关键技术研究，在解决 新疆本土实际困难的同时，为其它地区探索出一条 系统、完整的合理利用沥青混凝土作为防渗材料的 新思路。 参考文献 1 D L T 5 4 1 1 -2 0 0 9 土石坝沥青混凝土面板和心墙 2 张怀生水工沥青混凝土北京 ：中国水利水 电出版社，2 0 0 5 3 孙振天 关于水工沥青混凝土性能试验方法的几个基本问题的 讨论【 J 石油沥青，2 0 0 0 ， 1 4 ( 4 )：4 8 5 0 55