寒冷地区冬季施工的碾压式沥青混凝土心墙坝设计.pdf

设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 2年第 5 期 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8 3 0 0 0 0 ) 【 摘 要】 详细介绍了库什塔依水电站碾压式沥青混凝土心墙坝冬季施工对工期及发电效益的影响。通 过沥青混凝土配合 比试验研 究，确定适合冬季低温施工的配合 比，并进行 了一 2 5 低温条件下的施工工艺 模拟验证试验 。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均满足设计要求 。 【 关键词 】 碾压式沥青混凝土 气温- 2 5 0 心墙施工 【中图分类号】T V5 2 1 【 文献标识码 】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 6 0 0 3 【 D 0 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 5 0 2 0 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 1 0 0 M W ，多年平均 发电量 3 4 5亿 k W h ，最 大坝高 9 1 6 m ，为 I I 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 工一截流 一大坝施工一尾 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 2 6 ，极端 最高气温 3 7 5，极端最低气温 2 9 0。工程 区每年 l 2月至次年 2月气温在 0 以下 ，1 1月 和 3月气温也有可能在 0 以下 。最大积雪深度 3 8 c m，最大冻土深度 1 3 6 c m，项 目区多年平均气 温见表 1 。 表 1 库克苏水文站多年平均气温特征 单位 ： 月份 I 1 l 2 l 3 1 4 I 5 l 6 I 7 l 8 l 9 l 1 0 I 1 1 l 1 2 l 全年 月平均 I 8 2 l一 5 3 l 1 6 l 1 0 1 I 1 4 7 l 1 7 7 I 1 9 8 I 1 9 4 l 1 5 4 l 7 8 l 0 2 l一 5 9 l 7 3 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 1 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 6 0 以上集 中在这 3个月中， 5 9 月来水量 占全年的 7 9 4 9 ，枯水 期 ( 1 1月次 年 3月 )5个月 的来水量仅 占全年来水量 的约 1 2 l 3 。 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 6 0 电工程工期 安排一般是 ： 汛 期过 后 9月份河道 截 流 ， l 1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 。 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 D L T 5 3 6 3 2 o 0 6 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 作者简介：汪洋 ( 1 9 5 9年一) ，男 ，教授级商级工程师 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 2年第 5期 时段 ，风力 不大于 4级 。气温在一 5 0 时，属 于 低温施工 ，选 择环境温 度在 O 以上 的时段进行 施工 ，碾 压式心墙施工气温 宜不低于一 5 。由于 冬季严寒且 时间长，每年 1 1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 ：2 0 0 9年 1 0月 1日开工 ，总工期 3 3个 月， 2 0 1 1年 1 O月 1日下 闸蓄 水 ， 2 0 1 1年 l 2月中旬 机组开始 发 电，2 0 1 2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 ：2 0 0 9年 l 0月 1日开工 ，总工期 3 9个月 ， 2 0 1 2年 7月 1日下 闸蓄水 ，2 0 1 2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 2 0 1 2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 - 3 6亿 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 。D L fl T 5 4 1 1 2 0 0 9 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 3 0 m小于 5 0 m的 土石坝 ，可采用 浇筑 式沥青混凝土心墙 设计 ；当 坝高超过 5 0 m时，应 作专 门论证 。库什塔依水 电 站拦河坝最大坝 高 9 1 6 m，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 5 0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 7 0 m，分两期施工 ，坝址 处历年 最低温 度一 2 8 5 ，多年平 均温度约 1 O 。 一 期坝高 5 8 m，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， 1 9 7 3 年 l 2月下旬午夜至黎 明，最低气温 1 6 1 8 ， 工作面测定最低温度 为一 1 0 一 1 3 。热沥青混合 料摊铺和整平厚度 为 l 2 1 5 c m ，先用 人工穿着 皮靴初步踩踏实 ，再用木 刮子整平，然后用 8 1 2 k g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 1 9 7 4年完建至今 3 5年 ， 二期 加 高工程 1 9 9 4年 完建至今 l 5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 。 2 0 0 4年 1月 1 5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 2 0 0 5年完建 ，工程运行正常 。 ( 3 )挪威 S t o r g l o mv a t n沥青混凝土心墙坝 。 主坝 S t o r g l o mv a t n ( 坝高 1 2 5 m) 和副坝 Ho l mv a t n ( 坝高 5 6 m)位 于挪威 北部北极圈 以北 2 5 k m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 l 0月。在 l O月份气温 降低 到 一 1 0 一 1 5 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 1 9 9 7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，在气温一 2 5 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- 2 5 C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 2 5 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，并进行一 2 5 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 。 61 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 2年第 5期 沥青采用克拉玛依 A H 9 0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 1 9 m m ， 矿料级配指数 为 0 3 8 ，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 一 2 5 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 3 9 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 7 8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 9 1 6 m ，坝顶 高程 1 3 0 7 6 0 m ， 坝 顶 宽1 0 0 m，坝 顶 长4 4 4 0 0 m， 上 游 坝 坡 1 ： 2 2 5，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 1 4 。上游坝坡采用现浇 C 2 0混凝土 板 护坡 ，板厚 2 5 c m ；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 0 m 处 ，心墙采用上 窄下宽布置 ，心墙顶宽 0 4 m，底宽 0 8 m，厚度 采用 台阶式渐变 ， 与基座 连接处心墙厚度 由 0 8 m 台阶式渐变至 2 m。心墙基座采用 混凝 土结构 ， 厚 0 8 m，宽 4 0 m。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1 0 0 ir a ll ，止水铜 片厚 1 0 m m。过渡层设在沥青 混凝 土心墙两侧，水平 宽度上 、下游均 为 2 0 m。最大粒径 为 8 0 mm，小 于 5 mm粒径含量 为 2 5 4 0 ，小于 O 0 7 5 mm 粒径含量 小于 5 。 渗透系数 不应 小于 1 0 - 3 c m s ， 碾压后相对 紧密度 Dr 0 8 5 。 坝壳料采用天然砂 砾料填筑 ，碾压后相对 紧密度 D 0 8 5 。沥青混 凝 土心墙顶 部与坝 项防浪墙紧密结合 ， 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A H 9 0重交通沥青， 粗骨料采用 泥厂购买。经冬季低温 2 5 C 条件下工艺性模拟试 灰岩加工制备，采用混凝土细骨料，填料从附近水 验，确定沥青混凝土配合 比见表 2 。( 下转第 6 8页) 62 设计与施工 水利规划与设计 2 0 1 2年第 5期 生杂物 卡阻。但 是缺 点是投 资大 ，使用和维护 时 需要 临时排水 、通风才能进行 ，经济性较差 。 经过对 以上两种 方案进行技 术、经济 比较， 方案 1性价 比较高 ，推荐采用 。 5 结语 ( 1 )蓄 能电站 水道充水有 充水 量大 、水头 高、 时间长、 要控制水道内水压上升速度等特点。 为增加充水阀的开度的可控制性， 在满足充水流 量的前提下充水 阀的直径应选小一些 。 ( 2 )抬高 充水 阀，可使 得杂物 不易进入 充 水 阀。但根据广州 、惠州抽水蓄 能电站 的经验 ， 在流 道充 水 前还 需派潜 水员清 理 闸 门顶 部和 闸 门前方 的垃圾 ，以保证 闸门、充水 阀正常工作 。 如 ： 在清 理杂物后 ，惠州抽 水蓄能 电站 A厂上游 水道 第二 次充水 时 ，充水 阀 的操 作开 关动作 准 确 ，未再 出现关 闭不严 ，漏水等情况 。 一 个工程 由设计开始，经过施工建设到投入 运行管理，设计、施工 的不足会不断的体现 出来。 这需要设计 单位在原设计的基础上不断的总结成 功之处与改进不足的地方 ， 以不断提 高设计水平 。 参考文献 1 广 东清 远 抽 水蓄 能 电站 可 行 性研 究 报 告 广 东省 水 利 电力 勘测 设计 研 究院 2 惠卅l 抽水 蓄能 电站 可行性 研 究报 告 广 东 省水利 电力 勘测 设计 研究 院 ( 上接第 6 2页) 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 配比 级配参数 材料品种 施工期 最大骨料粒径 级配 填料 油石 比 粗骨料岩 细骨料 ( m) 指数 浓度 ( ) 沥青 填料 性 岩性 克拉玛依 灰岩 灰岩矿 正常气温 1 9 0 3 8 1 8 6 8 灰岩 A l l - 9 0 人工砂 粉 克拉玛依 灰岩 灰岩矿 冬季 一 2 5 C 1 9 0 3 8 1 8 8 O 灰岩 A H 一 9 0 人工砂 粉 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 8 m 、孔距 3 m 。帷幕灌浆 孔孔距 2 m ，帷幕灌浆深度需伸入 g 3 L u的埋深 界线 以下 3 n l 。 4 5 施 工情况 2 0 1 0年 1 1月份河道截流后进行坝基处理 ， 2 0 1 1年1 0 月份坝体全 断面填筑到 防浪 墙底高 程 ，坝 体升高 9 O 0 m ，坝壳料填筑约 4 8 2万 m ， 碾压式沥青混凝 土心墙浇筑 1 9 4万 m ( 含上游 围堰 0 4 7万 m ) ，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 冬季一 2 5 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 6 8 土心墙可在冬季一 2 5 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 。 参考文献 1 库什塔依水电站工程可行性研究报告 2 0 1 0 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 2 0 0 9 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 201 0 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2 0 1 1 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 ，1 9 9 8 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 ，1 9 9 8 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，2 0 0 2( 1 1 ) 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 ，2 0 0 7( 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 ，2 0 0 6