沥青混凝土心墙坝在高地震烈度、高原及高寒地区的建设综述.pdf

水利水电技术第4 3卷2 O 1 2年第 1 O期 沥青混凝土心墙坝在高地震烈度、高原及 高寒地区的建设综述 姚机栋 ，巴合提 瓦尔 马苏 尔 ( 新疆下坂地水利枢纽工程建设管理局，新疆 喀什8 4 4 0 0 0 ) 关键词：沥青混凝土心墙坝；高地震烈度地区；高原地区；高寒地区；下坂地水利枢纽工程 中图分类号：T V 6 4 文献标识码：C 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 2 ) 1 0 0 0 5 4 0 4 1 工程概况 新疆下坂地水利枢纽大坝工程为沥青混凝土心墙 砂砾石坝 ，坝顶宽度 1 0 m，坝顶长度 4 0 6 m。上游坡 比为 1 ： 2 3 5 ，在高程 2 9 4 2 m、2 9 1 0 m处分设两级 马道 ，马道 宽 2 m；下游 坡 比为 1： 2 1 5 ，在高 程 2 9 4 0 m、2 9 1 0 m处分设两级马道 ，马道宽 2 m。在 上 、下游坝趾设 置镇压层 ，其顶部 高程为 2 9 1 0 r n ， 上游镇压层长 4 0 m，下游镇压层长 6 0 m。上游坝坡 采用现浇混凝土板护坡 ，厚 0 3 m，内嵌厚 0 4 m的 干砌块石 ，垫层厚 0 4 m；下游坝坡采用混凝土预制 块护坡 ，厚 0 0 8 r n ，垫层厚 0 4 m。沥青混凝土心 墙顶高程 2 9 6 5 0 m，墙底最低高程 2 8 9 1 0 m，心 墙最大高度 7 4 m。心墙 厚度 为 0 61 2 m；心墙 底部通过 2 m高 的渐变扩 大段与混凝 土基座 连接。 心墙左岸混凝土基座坡度为 1 - 0 9 2，右岸混凝土基 座坡度为 1- 0 3 5 ，心墙与两岸坡连接时采用渐变扩 大 ，在 2 9 6 5 2 9 5 2 m高程，两岸坡连接处心墙厚度 由 0 6 m扩大为 2 7 m，扩大段水平长度左岸为 3 m， 右岸为 5 m；在 2 9 5 22 9 2 9 i n高程 ，两岸坡连接处 心墙厚度由0 8 m扩大为 2 8 m，扩大段水平长度左 岸为4 m，右岸为6 m；在 2 9 2 9 2 9 0 6 m高程 ，两岸 坡连接处心墙厚度由1 0 m扩大为 2 9 m，扩大段水平 长度左岸为 5 m，右岸为 7 m；在 2 9 0 6 2 8 9 3 m高 程 ，两岸坡连接处心墙厚度 由 1 2 m扩 大为 3 0 m， 扩大段水平长度左岸为 6 m，右岸为 8 m。 2 坝型的选择 沥青混凝土具有不透水性 、伸缩性、可塑性和稳 5 4 定性及受外界气候及光照影响较小 ，几乎不受酷暑及 严寒冰冻的影响 ，抗震性能好 ，工程量小 ，施工速度 快，安全可靠 ，不破坏环境资源 ，对地基变形有较好 的适应能力 ，而且下坂地水利枢纽工程坝址有丰富的 沥青混凝土骨料 ，但是没有粘土 ，根据陕西省水利电 力勘测设计研究院提供 的地质勘探资料 ，以及西北水 利科学研究 院提供 的室 内试验资料数据 ，坝 区方 圆 6 0 k m内，没有符 合做粘土心墙 坝体 防渗材 料 的粘 土，给采用当地粘土做坝体防渗材料带来了困难。沥 青混凝土心墙坝和土心墙坝相 比较 ，沥青混凝土心墙 坝无需远距离运输土料 ，避免 了土料开采和加水存在 的难题 ，也避免了因土料种类多造成碾压质量控制难 度大的问题 ，有利于保护环境 ；无须砂反滤料，避免 了砂反滤料的开采和加工问题 ；两岸坡心墙部位处理简 单，基座混凝土用量少 ；心墙很薄，坝体基本由坝壳砂 卵石料构成，大坝抗震性能更好；沥青混凝土塑性好 ， 对陡岸坡的适应性好 ；并具有造价低的优点。所以采用 以沥青心墙作为大坝防渗体 ，是一个较好的选择。 3 现场铺筑试验 目的和结论 J 由于现场施工采用的骨料破碎方式 、生产规模与 室 内试验时不同，使室内试验用骨料级配与现场施工 用骨料级配存在差异 ，再加上碾压式沥青混凝土试件 室内成型采用静压法 ，与振动碾碾压成型的芯样存在 差别 ，因此 ，室 内配合 比试验推荐 的碾压式沥青混凝 土配合比不能直接用于现场施工 ，需要在碾压式沥青 收稿 日期 ：2 o 1 2 0 8 0 2 作者简介 ：姚机栋( 1 9 5 8 一 ) ，男 ，高级工程师 ，副总工程师 。 Wa t e r Re s o u rc e s a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g Vo 1 4 3 No ， D 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土心墙正式施工前进行现场铺筑试验 ，以验证和 调整室内试验推荐的沥青混凝土配合 比，同时确定沥 青混凝土 的原材料制备、储存 、拌和 、运输 、摊铺 、 碾压和质量检测等工艺流程及相应 的施工工艺参数 ， 以指导碾压式沥青混凝土心墙的现场施工。通过现场 铺筑试验成果分析 ，结论如下。 3 1 生产性铺筑配合 比参数 ( 1 ) 沥青玛蹄脂配合 比参数 ：沥青 ： 填充料 ： 河砂 ： l ： 2： 2 ( 重量 比) 。 ( 2 ) 沥青 混 凝 土 配合 比参 数 ：n=0 3 6，P a= 7 2 ，填料用量 =1 4 ，D ma x=1 9 mm，细骨料掺 5 0 天然砂 ，具体配合 比见表 1 。 表 1 沥青混凝土施工配合 比 各级矿料 比例 矿料级 沥青用 填料 D 配指数 量( 油石 用量 mm 1 9 9 5 4 7 5 2 3 60 O 7 5 0 0 7 比 ) 9 5 4 7 5 2 3 6 天然砂 人工砂 _ O 3 6 7 2 1 4 0 1 9 2 2 1 7 1 1 3 5 1 6 7 1 6 7 1 4 0 配合 比试验结论 ：通过下坂地心墙工程整个施工 期 的验证 ，采用本试验验证的沥青混凝土配合 比拌制 的沥青混合料 ，施工中性质稳定 ，各项技术指标完全 能满足设计要求 ，具有较好的粘聚性和流动性 ，便于 现场摊铺碾压 ，较好地适应了下坂地的高原 、高寒环 境 ，因此本试验推荐 的沥青混凝土配合 比适合用于下 坂地沥青混凝土心墙的现场施工。 3 2 生产性铺筑碾压参数 沥青混合料摊铺厚度为 2 3 c m，两侧过渡料宽度 1 5 m，厚度 2 5 c m。施工 时碾压顺序 为：过渡料静 碾 1 遍一 沥青混合料静碾 2遍一 动碾过渡料 3遍 一 动碾沥青混合料 8遍一 动碾过渡料 3遍 。振动碾行 走速度为 2 53 0 m m i n ，过渡料 和沥青混合料动碾 完后用 1 5 t 振动碾在沥青心墙静碾 1遍收光 ，过渡 料用 2 7 t 振动碾静碾 1遍压平过渡料与心墙接触部 位。碾压过渡料时振动碾离心墙边缘 1 O一1 5 c m。 沥青混合料摊铺厚度为 2 8 c m，两侧过渡料宽度 1 5 m，厚度 3 0 c m。施 工时碾压顺序为 ：静碾过渡 料 1 遍 一 静碾沥青混合料 2遍一 动碾过渡料 3遍一 动碾沥青混合料 1 0遍一 动碾过渡料 3遍 ，振动碾行 走速度为 2 5 3 0 m ra i n ，最后用 1 5 t 振动碾在沥青 心墙静碾 1 遍收光，过渡料用 2 7 t 振动碾静碾 1 遍 压平过渡料与心墙接触部位 ；碾压过渡料时振动碾离 心墙边缘 l 01 5 e m。 在 8 0沥青混凝土基础上进行连续铺筑的摊铺碾 压工艺 ：摊铺厚度为 2 8 c m，两侧过渡料宽度 1 5 m， 水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第 1 0期 姚机栋 ， 等沥青混凝土心墙坝在高地震烈度、高原及高寒地区的建设综述 厚度 3 0 c n l 。施工时碾压顺序为：采用 1 5 t 振动碾静 碾沥青混合料 1 遍一 采用 2 7 t 振动碾动碾过渡料 6 遍一 采用 1 5 t 振动碾动碾沥青混合料 1 2遍 ，振动 碾行走速度为 2 5 3 0 m mi n ，最后用 1 5 t 振动碾在 沥青心墙静碾 1遍收光 ，过渡料动碾前采用 2 7 t 振 动碾静碾 1 遍压平过渡料与心墙接触部位 ，动碾时振 动碾离心墙边缘 1 O1 5 c m。 考虑到下坂地大坝工程沥青混凝土心墙工期紧 、 强度高的特点 ，最终选定摊铺厚度 2 8 c m作为生产性 铺筑施工参数。进行连续铺筑时，底层沥青混凝土表 面温度必须下降至 8 0。 3 3 生产性铺筑温度控制参数 拌和时要求沥青温度控制在 1 5 01 7 0，骨料 温度控制在 1 7 01 9 0 ，沥青混合料出机 口温度控 制在 1 6 51 7 5 o C，沥青混合料人仓温度控制在 1 5 5 1 6 5 ，初碾温度控制在 1 4 51 5 5 o C，终碾温度 不得低于 1 2 0。有风、低温环境下施工温度按上限 控制 。 工艺试验结论：通过下坂地心墙工程整个施工期 的验证 ，采用本试验验证的沥青混凝土施工工艺，心 墙的各项技术指标完全能满足设计要求 ，施工质量稳 定，较好地适应了下坂地的高原、高寒环境。 4 沥青混凝土心墙施工 因沥青混凝土施工工艺复杂 ，温度控制环节多 、 要求高 ，施工制约因素多 、干扰大 ，施工质量控制标 准高等特点 ，在进行施工 、监理单位的选择时，我们 选择了最具有类似工程设计 、施工经验的单位和监理 单位。在沥青混凝土施工前 ，应考虑足够的现场铺筑 试验时间。同时，在试验过程中要对可能遇到的极端 施工情况如低温施工 、夜间施工 、大碾压层厚等情况 予以充分试验论证 。在进行沥青混凝土生产系统布置 时，也应考虑 自然气候条件对骨料加工及沥青混合料 拌和质量的影响。 4 1 沥青混凝土心墙铺筑 沥青混凝土心墙施 工分为人工摊铺和机械摊铺 ， 与混凝土基座连接 的扩大段和两岸岸坡心墙扩 大段 、 与下游廊道相近的心墙段等无法用沥青混凝土心墙专 用摊铺机进行摊铺的部位采用人工摊铺 ，其余部分可 以用沥青混凝土心墙专用摊铺机进行摊铺的部位采用 机械摊铺 ，采取现场摊铺试验确定的设备进行施工。 4 2施工设备及人员配置 沥青混凝土施工设备包括骨料加工设备 、试验检 测设备、沥青混凝土拌和设备、沥青 昆 凝土运输设 学兔兔 w w w x u e t u t u .c o m 姚机栋， 等沥青混凝土心墙坝在高地震烈度、高原及高寒地区的建设综述 备 、沥青混凝土摊铺碾压设备等，多是公路沥青混凝 土生产设备改进的专用设备 ，或是普通的土石方生产 设备。 4 3接缝 及层 面处理 J ( 1 ) 沥青混凝土与水泥混凝土接缝面处理。与沥 青混凝土相接的水泥混凝土表面采用人工凿毛将其表 面的浮浆 、乳皮 、废渣及粘着污物等全部清理干净 ， 用 0 6 MP a左右高压风吹干，保证水泥混凝土表面干 净和干燥 ，并经验收合格后方可进行下道工序施工 。 ( 2 ) 沥青混凝土心墙横向接缝处理。根据施工规 范规定 ，沥青混合料宜采用水平分层 ，全轴线不分段 一 次摊铺碾压的施工方法 ，主要是考虑到横 向接缝如 果处理不好 ，易产生渗漏通道。 ( 3 ) 层面处理。对于连续上升 、层面干净 ，且 已 压实的沥青混凝土，表面温度大于 7 0 ，沥青混凝 土层面不作处理 ，连续上升。当下层沥青混凝土表面 温度低于 7 0 ，采用红外加热器加热 ，加热时，控 制加热时间以防沥青混凝土老化 。 4 4机械摊铺 沥青混凝土心墙在机械摊铺时使用德国生产的 E M A G D F 1 3 5 C公路沥青摊铺机为基础 而改造成的沥 青混凝土心墙专用联合摊铺机 。 4 5人工摊铺 与混凝土基座连接的扩大段和两岸岸坡心墙扩大 段 、与下游廊道相近的心墙段等无法用沥青混凝土心 墙专用摊铺机进行摊铺的部位采用人工摊铺。 4 6 沥青混合料及过渡料碾压 ( 1 ) 碾压设 备。根据 沥青混凝 土心墙 的设 计宽 度 ，拟选用 2台 B W8 0 A D型或 B W9 0 A D型( 1 5 t ) 双 轮振动碾进行碾压 ，边角处采用 1台 H C D 7 0蛙式夯 实机 ；两侧过渡料拟选用 2台 B W1 2 0 A D - 3型( 2 7 t ) 双轮振动碾进行碾压。 ( 2 ) 碾压工艺 。根据相关工程 的施工经验 ，针对 本工程不同的心墙宽度 ，拟分别采取贴缝碾压、单边 骑缝单边贴缝碾压的不同碾压工艺。 5 沥青混凝土心墙质量控制 针对沥青混凝土心墙施工各个环节和条件 ，制定 相应的技术 、组织措施 ，设置施工质量控制点并严格 控制管理 ，沥青混 合料在铺筑过程 中要对温度 、厚 度 、宽度 、碾压及外观进行检查控制 ，在施工过程中 设置质量控制点，严格控制管理 。根据心墙工程施工 的实际情况组建项 目组织机构( 见图 1 ) 。各部 门相互 配合、统一协调。沥青混凝土心墙机械化施工在 国内 是首次 ，技术要求高 ，施工难度大 ，特聘请 了有关专 家 ，对技术干部及工人进行了培训和对心墙施工进行 了技术咨询，并选派 了沥青混凝土拌和楼技术 、操作 人员到设备生产厂家进行了理论 、操作培训。为确保 沥青混凝土心墙施工质量 ，制定 了施工质量控制点 ， 使沥青混凝 土心墙 施工全过 程 ，各 环节全 面受控 ， 即机械设备选 型，原材料质量进行 了控制并 现场进 行 了铺筑试验 ，现场试验完成后 ，转入生产 性摊铺 试验。再次验证和调整沥青混凝土配合 比和施 工工 艺 参 数 。 图 1 心墙工程施工项 目组 织机构 6 高原对施工的影响及采取的措施 根据 水工碾 压式沥青混凝 土施工规 范( D L T 5 3 6 3 -2 0 0 6 ) 的规定，当无特殊保护措施时，沥青混凝土 不得在以下气象条件下施工 ：环境气温低于 0 o C；风速 大于四级强风 ；降雨降雪时段。根据塔什库尔干县气象 站 1 9 5 7 2 0 0 0年实测资料统计 ，多年平均气温 3 4， 极端最高气温 3 2 5，极端最低气温 一 3 9 1 oC；昼夜 温差达到 2 4。下坂地沥青混凝土心墙 工程 的施工 气候及地理条件较为恶劣 ，在施工过程中因人员 、机 械设备降效增加 了施工成本 ，正常施工工期短，必须 采用有效的技术措施 ，保证施工质量和进度满足设计 要求 。 为保证施工人员的身体健康 ，确保工程进度 ，施 工单位采用增加施工人员及轮休频次、缩短作业时 间 ，对特殊操作人员 ，限定年龄上限等措施 以保证工 程正常进行 。 高原地区对沥青混凝土施工成本影响较大另一个 因素是振动碾功率下降 ，造成碾压遍数增加 。如冶勒 沥青混凝土碾压工艺 ，过渡料静碾 1 遍 +动碾 6遍 ， 沥青混凝土静碾 1 遍 + 动碾 8遍 +静碾 2遍 ，而下坂 地过渡料和沥青混凝土的动碾遍数都增加了 2遍 。为 此在施工 中，大量采用 了 2 7 t 的 B W1 2 0 A D振动碾 碾压心墙 ，在增加摊铺层厚 、而不增加碾压遍数的情 况下确保了心墙的施工质量 。采用 2 7 t 的 B W1 2 0 A D 水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第1 0期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 振动碾碾压心墙 ，相对采 用 B W8 0 A D振动碾碾 压宽 度超过 8 0 e m的心墙 ，工艺大为简化 ，而且可以避免 心墙表面出现大量振动碾轮印 ，减少了心墙层面处理 工作量。 沥青混合料拌和系统以柴油或重油作为燃烧来加 热石料 ，随着能源价格 的不断上涨 ，燃料逐渐成为沥 青混凝土施工成本增加的主要原因之一 ，因此可以考 虑将煤代替油作燃料来降低生产成本。 沥青混凝土心墙工程质量得到有效控制，需要采 取下述技术措施。 ( 1 ) 选择合适的施 工时段进行施工。冬季施工选 择环境温度在 0 o C以上的时段进行施工 ，一般在下午 l 4：0 0左右 开始进行 ，2 0 ：0 02 l ：o 0结束。当环 境温度低于 0 o C时，停止施工。 ( 2 ) 温度控制采用技术规范规定 的上限值。沥青 混合料的出机 口、摊铺 、碾压温度均采用技术规范规 定的上限值。出机 口温度采用 1 7 5 o C，摊铺温度采用 1 6 01 6 5 o C，初碾温度采用 1 5 5 o C，终碾 温度 不低 于 1 2 0 。 ( 3 ) 沥青混合料的储运设备 和摊铺设备均加保温 设施 ，减少储运过程中的温度损失。 ( 4 ) 控制施工段的长度 。为保证沥青混合料低温 也在技术规范规定的温度范围内施工 ，可缩短施工段 的长度 ，将每个施工段的长度控制在 1 01 5 m范围 内。 ( 5 ) 控制摊铺机的行走速度。沥青混凝土在低温 施工中 ，由于摊铺后的沥青混合料热量散发快 ，温度 下降迅速。因此在施工中严格控制摊铺速度 ，使得摊 铺后的沥青混合料在温度未降到 1 5 5以下时便能及 时碾压 ，保证沥青混凝土的施工质量。同时控制摊铺 机的行驶速度还可保证层面充分加热 到 7 0 以上 ， 有利于沥青混凝土的层间结合 。机械摊铺时控制摊铺 机的行走速度为 1 1 5 m m i n 。 ( 6 ) 及时封闭摊铺后的沥青混合料。为了降低沥 青混合料热量对外散发 的速度 ，摊铺后 的沥青 混合 料 ，可先用振动碾静压 2遍进行封闭。 ( 7 ) 加强层面加热 ，保证施工质量 。为利于沥青 混凝土层 间结合 ，要求层 面加热温度达到 7 0 以上 后才能进行下一层沥青混合料的铺筑 。 ( 8 ) 当现场风速较大或气温较低时，现场贮备足 量的篷布 ，在沥青混合料碾压前后进行铺盖，覆盖范 围超 出心墙两侧各 3 0 e m，必要时在篷布上对沥青混 合料进行碾压 ，确保沥青混合料的碾压温度 ，解决表 面温度降低过快的问题 。 水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第1 0期 姚机栋， 等沥青混凝土心墙坝在高地震烈度、高原及高寒地区的建设综述 ( 9 ) 加强施工组织管理 。冬季施工时，沥青混合 料在施工过程 中的热量损失将随着作业时间的加长而 迅速增加 。因此施工中加强施工组织管理 ，使各工序 紧密衔接 ，并保证拌和楼与施工现场联系密切 ，做到 及时拌和、及时运输 、及 时摊铺 、及时碾压 ，尽量缩 短每一碾压段的作业时间 ，减少沥青混合料在施工过 程中的热量损失 。 ( 1 0 ) 提高摊铺 、碾压 温度 的检测频率 。为随时 掌握沥青混合料 的温度变化情况 ，需提高摊铺 、碾压 温度的监测频率 ，每 5 mi n检测一次。对 于在技术条 款规定 的最小值 ( 1 4 0 ) 以下未能及时碾压的沥青混 合料做为废料处理。 7 对施工进度的影响及采取的措施 因工程所在地具有下午固定时间刮风的特点 ，特 别是在 6 9月份黄金施工时段 ，导致沥青混凝土心 墙在很多天内不具备下午施工的条件 ，同时 ，受施工 进度 的控制 ，必须在部分施工时段 内采取 2层 d或 3层 2 d的施工强度。故只有采取夜间施工才能保证 工程的正常施工进度。制约夜间施工的主要因素是照 明，确需夜间施工时，采取必要照明措施 ，为保证夜 间施工现场照明，采取如下措施 ：( 1 ) 在心墙两岸岸 坡各设置一盏大功率太阳灯 。( 2 ) 心墙上 、下游侧沿 心墙轴线方向设置碘钨灯 。( 3 ) 设计可移动式照明灯 随铺筑前行 。( 4 ) 在摊铺机前后设置车灯便于摊铺 机 准确行走。 8 经验总结 下坂地沥青混凝土工程 于 2 0 0 9年 5月份开始施 工，至 2 0 1 0年 1 1月份完成。沥青混凝土心墙做为大 坝基础 以上唯一的防渗体系 ，工程标准高、要求严 ， 在高原 、高寒、大风沙的特殊环境下，首座沥青混凝 土心墙工程 ，从立项 、设计到施工各个过程攻克了大 量的技术难题 ，在高原寒冷地区填筑沥青混凝土心墙 坝开创 了先例 ，总结出部分经验 ，可供类似工程进行 参考。 参考文献 ： 1 覃新闻，黄小宁，彭立新，等 沥青混凝土心墙设计与施工 M 北京 ：中国水利水 电出版社 ，2 0 1 l ：5 5 7 5 2 覃新 闻，黄小 宁 ，彭立 新 ，等 沥青 混凝 土心墙设 计与施 工 M 北京 ：中国水利水 电出版社 ，2 0 1 1 ：1 0 1 1 0 6 3 覃新 闻，黄小 宁 ，彭立 新 ，等 沥青 混凝土 心墙设 计与施 工 M 北京 ：中国水利水 电出版社 ，2 0 1 1 ：1 1 4 1 2 1 ( 责任编辑于尧尧) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m