（水利工程专业论文）碾压式沥青混凝土心墙施工技术研究.pdf

摘要 碾压式沥青混凝土心墙是土石坝的一种新型防渗结构，其施工技 术应用于大型水工建筑物，是近年来世界上发展迅猛的一种新型防渗 技术。 本文通过研究国内外碾压式沥青混凝土心墙土石坝施工技术，结 合尼尔基水利枢纽主坝设计、施工和建设管理，对碾压式沥青混凝土 心墙原材料的选择，沥青混凝土配合比试验，沥青混合料制备和运输， 沥青混凝土心墙铺筑和质量检验进行了分析和论述，为建立一套成熟 的碾压式沥青混凝心墙施工理论体系提供了科学依据。本文主要有如 下特点： 1 、在东北寒冷地区，在尼尔基水利枢纽中成功采用碾压式沥青 混凝土心墙施工技术，在我国尚属首次，具有普遍的指导意义。 2 、尼尔基水利枢纽主坝采用碾压式沥青混凝土心墙为主，浇筑 式沥青混凝土心墙为辅的混合形式。 3 、在我国北方寒冷地区，冬季是枯水季节，能够冬季施工有其 独特的经济意义。浇筑式比碾压式沥青混凝土更能适应北方寒冷的气 候条件。 4 、土石坝采用碾压式沥青混凝土心墙具有防渗性能好，适应变 形能力强，施工速度快，机械化程度高等优点。应用前景广阔。 关键词：碾压式沥青混凝土心墙施工技术 a b s t r a c t t h er o l l e d a s p h a l tc o n c r e t e c o r ei san e wh y d r a u l i cc n t - o f f s t r u c t u r eo fe m b a n k m e n td a m ，t h i sc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ei su s i n gi n l a r g eh y d r a u l i cb u i l d i n g s ，a n dt h ed e v e l o p i n gs p e e do f i ti st h em o s t r a p i d o nn e w t e c h n o l o g yf o rw a t e r p r o o f i nw o r l d t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h es e l e c t i o no fr a wm a t e r i a l s f o rr o l l e da s p h a l tc o n c r e t ec o r e ，t h et e s to fa s p h a l tc o n c r e t ed e s i g n m i x ，p r e p a r a t i o n a n d t r a n s p o r t a t i o n o f a s p h a l tm i x t u r e ，a n d s p r e a d i n ga n dc o m p a c t i o na n dq u a l i 每c o n t r o lo fa s p h a l tc o n c r e t e c o r e ，w i t hs t u d y i n gc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e f o ra s p h a l tc o n c r e t ec o r e e m b a n k m e n td a m a n d d e s i g n ，c o n s t r u c t i o n a n dc o n s t r u c t i o n m a n a g e m e n t o fn i e r j ih y d r a u l i cp r o j e c t i ti st h es c i e n t i f i cb a s ef o r b u i l d i n g as e r i e so f d e v e l o p e d r o l l e d a s p h a l t c o n c r e t ec o r e c o n s t r u c t i o nt h e o r ys y s t e m t h e r ea r es o m e c h a r a c t e r i s t i cf o l l o w e di n t h i sp a p e l 1 t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo f r o l l e da s p h a l tc o n c r e t ec o r ei n n i e r j ih y d r a u l i cp r o j e c ti s t h ef i r s t a t t e m p ti n c o l de a s t n o r t hf i e l d ，w h i c hi sp e r v a s i v ei n s t r u c t i o n a lp u r p o r t 2 t h em i x e df o r mo fm a k i n gr o l l e d a s p h a l tc o n c r e t e c o r e p r i m a r y a n dp o u r e da s p h a l tc o n c r e t ec o r em i n o ri su s e di n n i e r j ih y d r a u h cp r o j e c t 3 t h en o r t hi sv e r yc o l di nc h i n a a n dw i n t e ri sl o ww a t e r s e a s o nt h e r e a n dt h e r e i s p a r t i c u l a rm e a n i n g s i f c o n s t r u c t i o nc a nb er e a l i z e d p o u r e da s p h a l tc o n c r e r ec o r ei s b e t t e rt h a nr o l l e da s p h a l tc o n c r e t ec o r ei nc o l dn o r t h 4 t h er o l l e d a s p h a l t c o n c r e t ec o r et h a t i su s e do n e m b a n k m e n ti s g o o d a t h y d r a u l i ce u t - o f f ，w e l l - a d a p t i n g ， s p e e dc o n s t r u c t i o na n d w e l l m e c h a n i s a t i o n i tw i l lb eu s e d w i d e l y i nf u t u r e k e yw o r d s ：r o l l e d ，a s p h a l tc o n c r e t e ，c o r e w a l l ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e 瑞士w a l o 公司生产的专用摊铺机 碾压式沥青混凝土心墙铺筑施工 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 沥青混凝土作为防渗结构是一种可靠、经济、先进的水工防渗措施。它 的优越性表现在沥青混凝土作为土石坝的防渗体，具有防渗性能好；适应能 力强；节省防渗土料，少占农田，保护耕地，有利于水土保持；工程量少； 机械化程度高，施工速度快；塑性性能好，抵抗冲击能力强：耐久性和裂缝 自愈能力好；不需设置接缝，易于修缮补强；在严寒高山地区或潮湿多雨地 带都可迅速施工等优点。目前，在国内外已经得到广泛的运用和推广。 沥青混凝土心墙土石坝作为- l e e 经济和非常具有竞争力的优越坝型越 来越受到国内外有关专家的重视，随着沥青混凝土心墙防渗技术和施工技术 的日臻成熟完善，它将具有广泛的应用前景和推广价值。据专家预测，采用 沥青混凝土心墙防渗的土石坝将是未来超高坝建设的合适坝型。 本文作者做过尼尔基水利枢纽设计，当过尼尔基水利枢纽项目业主，曾 任尼尔基水利水电有限责任公司工程技术部部长，对尼尔基水利枢纽主坝采 用碾压式沥青混凝土心墙的设计过程和采用的施工技术非常熟悉，并进行了 深入细致的研究。 本文透过研究国内外碾鹾式沥青混凝土心墙土石坝旋工技术，在总结三 峡水利枢纽茅坪溪碾压式沥青混凝土心墙土石坝施工技术的基础上，结合尼 尔基水利枢纽碾压式沥青混凝土心墙土石坝的设计、施工和建设管理，对碾 压式沥青混凝土心墙的结构形式和施工技术进行深入研究和经验总结，形成 了一套成熟的碾压式沥青混凝土心墙旌工技术和完整的理论体系，以便更好 地推广和运用。 1 2 沥青混凝土防渗墙的发展历史和应用趋势 世界上最早在水利工程中使用沥青防渗的国家是美国和德国。1 9 2 9 年 在美国建成的索推里坝f 坝高1 2 m ) ，是世界上第一座采用沥青材料防渗的 坝，1 9 3 4 年在德国建成的阿梅戈( a m e c k e r ) 坝( 坝高1 2 m ) ，1 9 3 6 年在阿尔及 利亚建成的格里布( g h r i d a ) 坝( 坝高7 2 m ) ，均采用沥青作为防渗材料。 最早建成的沥青混凝土心墙坝是1 9 4 9 年葡萄牙的瓦勒多盖奥( v a l e d ec a i o ) 坝。2 0 世纪5 0 6 0 年代欧美国家的沥青技术得到广泛的发展和应 用，建成的采用沥青防渗体的土石坝数量较多；2 0 世纪7 0 年代后建成的沥 青混凝土作防渗体的土石坝已突破百米大关；例如挪威在1 9 9 2 年施工的 s t o r g l o m v a t n 沥青混凝土心墙坝高达1 2 0 m ；2 0 世纪7 0 年代前建成的采用 沥青混凝土作防渗体的土石坝多以碾压式沥青混凝土为主；2 0 世纪7 0 年代 后期土石坝防渗体开始采用浇筑式沥青混凝士，例如1 9 7 9 年伊拉克建成的 哈吉塔土石坝( 坝高5 7 m ) ，2 0 世纪8 0 年代苏联在西伯利亚建成的三座高 土石坝都采用浇筑式沥青混凝士作防渗心墙。 在亚洲，应用水工沥青技术方面起步鞍晚，2 0 世纪5 0 年代仅在堤防工 程上应用，2 0 世纪7 0 年代日本建成了坝高7 5 m 的深山沥青混凝土心墙坝 和香港建成坝高为1 0 5 m 的高岛沥青混凝土心墙坝。2 0 世纪7 0 年代在我国 东北和西北地区开始采用沥青作为筑坝防渗材料修建沥青混凝土防渗心墙 坝。1 9 7 3 年建成的吉林省自河水电站堆石坝( 坝高2 4 5 m ) 是我国最早建成的 浇筑式沥青混凝土做防渗体的土石坝。 到了2 0 世纪8 0 年代我国采用沥青混凝土防渗结构的坝发展较快，例 如1 9 8 0 年建成的北京杨家台坝、1 9 8 2 年建成的四川新丰坝和1 9 8 5 年建成 的辽宁省碧流河坝等l o 余座，但大都为中、低坝( 低坝居多) ，且以浇筑式 沥青混凝土心墙居多。进入2 0 世纪9 0 年代，由于碾压式沥青混凝土可以 全面采用机械化施工，施工速度快，因此发展尤为迅速，并已向高坝方向 发展。例如在2 0 世纪9 0 年代，我国正在设计、施工和已施工完成的，超 过l o o m 的高坝已有数座。我国1 9 9 7 年开始建设的三峡茅坪溪坝( 尚在建设 中) ，最大坝高1 0 4 m ( 心墙高9 4 m ) 。2 0 0 1 年开始建设的尼尔基水利枢纽主坝 ( 尚在建设中) ，最大坝高4 1 5 m 。已设计完成的浙江珊溪坝，最大坝高 1 4 6 m ，四川的瀑布沟坝和冶勒坝，最大坝高分别为1 8 2 m 和1 2 5 m 。 目前由于浇筑式沥青混凝土心墙坝，所采用的结构型式和施工方法， 不适宜机械化施工，因此发展受到限制。但是浇筑式沥青混凝土心墙断面 小，适宜在冬季低温季节施工。特别是在东北地区采用该种坝型显得尤为 重要。进入2 0 世纪9 0 年代先后在黑龙江省陆续建成了西沟、象山、宝山 和山口等水电站，均采用的是浇筑式沥青混凝土心墙土石坝型式。到了2 l 世纪，尼尔基水利枢纽工程于2 0 0 1 年正式开工，由于碾压式沥青混凝土不 适宜冬季低温季节施工，因此需冬季施工的导流明渠段坝体采用了浇筑式 沥青混凝土心墙型式。 近年来，国内外水工沥青混凝土技术得到了迅速发展，世界各国对此 项技术逐渐开始重视起来，应用范围越来越广泛，采用的形式越来越多， 结构逐渐趋向简单化，工程规模不断扩大。百米高坝已屡见不鲜，施工机 械化程度越来越高，使工程成本逐渐降低。 总之，我国与国外相比，沥青防渗体在土石坝中的应用，虽然晚了2 0 年左右时间，但在近2 0 余年内，由于全国各地的重视与协作，水工沥青防 渗技术已得到较快发展，初步统计，全国各地已建和正在旖工设计的采用 沥青作防渗的土石坝、砌石坝、船闸、过水土石坝、混凝土坝防渗加固、 水库护坡护岸、水池渠道衬砌等工程项目已达百余项。展望未来，在我国 迅速发展的水利工程建设中，对沥青混凝土技术的研究将不断深入，从目 前技术发展的趋势看，在今后一段时期内，沥青混凝土心墙技术一定会被 广泛地应用，前景广阔。 表l 。1 列出了部分国内外碾压式沥青混凝土心墙土石坝工程实例。 1 3 沥青混凝土防渗墙的分类 1 3 1 按结构分类 沥青混凝土防渗墙从结构上大体可分为两类：一类是沥青混凝土斜墙 ( 包括防渗面板) ：另一类是沥青混凝土心墙。这两种结构型式的优缺点如下： ( 1 ) 沥青混凝土斜墙( 含防渗面板) 般修筑在大坝迎水坡表面，其防渗体 重量以及所承受的水压力，将由整个坝体来支承，对坝壳稳定性有利。沥 青混凝心墙修建在坝体内部，防渗体所承受的水压力，只能由下游坝体 来支承，受力条件较斜墙复杂。 ( 2 ) 沥青混凝土斜墙坝的整体抗滑能力比沥青混凝土心墙坝要大。 表l 一 国内外碾压式沥青混凝土心墙土石坝实例 序 坝名国家时问 心墙高 心墒厚过渡层厚 心墙倾斜坡比 心墒 号( i n ) ( e r a )( m )型式 ld h u e n n德国1 9 6 23 5 7 0 一6 01 ：0 碾压 2 b i g g e德国1 9 6 25 5 8 5 l5i ：0 5 8 碾压 3 b r e m g e 德国1 9 6 22 25 0j 5 - - 2 0j ：0 碾压 4 e b e r l a s t e 奥地利1 9 6 82 86 0 5 0i 2i ：0 碾压 5m a u t h a u s 德国1 9 6 91 64 0l ：0 碾压 6 s e p o u s e法国1 9 6 91 1 58 51 ：04碾压 7 l a g a d a d i埃塞俄比亚 1 9 6 92 66 01 8 10 i ：0碾压 8p o z ah o n d a 厄瓜多尔1 9 7 06 0 6 0l0 08l ：0 碾压 9w i e h i德国1 9 7 l5 4 6 0 4 01 5l ：0碾压 1 0m e i sw i n k e l 德国1 9 7 l2 25 0 4 01 51 ：o碾压 i if i n k e n r a t h 德国1 9 7 21 41 41 51 ：0 碾压 1 2 w i e b t ( u ) 德国1 9 7 21 8如一4 01 5l ：0碾压 1 3e i c h e r s c h i d 德国1 9 7 4 l84 02oi ：0 碾压 1 4e i x e a d o r f 德国1 9 7 52 66 0 - - 4 0l ：0碾压 1 5 l a g u n ad ek o s 智利1 9 7 63 16 0l ：0碾压 1 6高岛( 西)中国香港1 9 7 3 7 79 01 2 0 8 01 - 5 一1 4 ，上部倾斜碾匪 1 7 高岛( 东)中国香港1 9 7 3 7 7 1 0 51 2 0 8 0l _ 5 上部倾斜碾压 1 8九里坑中国浙江1 9 7 74 45 0 3 0i ：o 碾压 1 9f i n s t e r t a f 奥地利1 9 7 7 8 1 1 4 9 ( 9 6 ) 5 0 7 02 0 301 ：0 4碾压 2 0 武利日本1 9 7 91 5 ( 2 9 ) 5 03 01 ：0 碾压 2 i m e g g e t英国1 9 7 8 8 i5 7 8 0 3 0i 5i ：o 碾压 2 2 k i n z i g 德国1 9 7 8 8 i6 7 56 5 5 0i j上部倾斜碾压 2 3 v e s t r e d a s t j c m挪威1 9 7 8 8 1 3 25 01 2 51 ：0 碾压 2 4d h u e n n ( g ) 德国1 9 7 9 8 l 6 256 01 5 上部倾斜碾压 2 5k a t l a v a s s挪威1 9 7 9 8 l3 55 01 2 5】：0碾压 2 6 l a n g a v a t n挪威1 9 7 9 8 l 2 25 012 5 - - 0 61 ：0 碾压 2 7 s u l b y 英国1 9 7 9 8 03 27 51 51 ：0碾压 2 8碧流河( 左) 中周辽宁 1 9 8 34 98 0 5 01 5j ：0 碾压 2 9碧流河( 右) 中国辽宁1 9 8 33 35 0 - - 4 0 20】：o 碟压 3 0f e l d b a c h德国1 9 8 41 44 0l ：0碾压 3 l s h i c h i g a s h u k u日本 1 9 8 53 75 0l ：0碾压 3 2 d o c r p e德国1 9 8 6 1 66 0l ：0碾压 3 3 w u p p e r 德国1 9 8 63 96 0上部倾斜碾压 3 4r o t t a c h德国1 9 8 83 86 0l ：0碾压 3 5 k o r a l p e奥地利 1 9 9 08 87 0 5 01 ：0碾压 3 6h i n t e r m u h r 奥地利 1 9 9 04 07 0 5 01 ：0碾压 3 7s t o r v a t n挪威1 9 8 1 8 79 08 0 - - 5 01 ：0 2碾压 3 8r i s k a v a t n 挪成1 9 8 3 8 64 5 5 01 ：0 碾压 3 9b e r d a t s v a m挪威1 9 8 6 8 86 25 0i ：0碾压 4 0 s t y g g e y a r n 挪威1 9 8 6 9 05 25 0l ：0碟压 4 1 s t o r g l o m v a t n挪威 1 9 9 21 2 01 3 0 5 01 ：0碾压 4 2h o l r n v a l n挪威1 9 9 55 65 01 ：0碾压 4 3 珊溪( 设计)中国浙江1 9 8 4 1 2 6 ( 1 4 6 ) 1 6 0 1 5 02 0上部倾斜碾压 4 4瀑布沟( 设计) 中国四川 1 9 9 21 8 22 0 0 - - 6 06 0 上部倾斜碾压 4 5 冶勒( 设计)中国四川1 9 9 4 1 2 52 0 0 6 053 3 0 上部倾斜碾压 4 6 茅坪溪( 施工)中国三蛱1 9 9 79 43 0 0 5 02 ，0 - - 3 01 ：0碾压 4 ( 3 ) 沥青混凝土斜墙直接修筑在上游坡面上，可以代替护坡，抵御风浪 冲击。沥青混凝土心墙坝必须再修筑护坡，设置反滤层，防止坝体颗粒被 带走，保证坝体安全。 ( 4 ) 沥青混凝土一t h , 墙对坝基和坝体的不均沉陷比较容易适应，因此，对 坝基条件要求较低。而沥青混凝土斜墙必须考虑不均匀沉陷，对坝基条件 要求较高。 ( 5 ) 沥青混凝土斜墙施工，一般都在坝体完成后进行，施工干扰多，施 工进度受到坝体填筑进度的限制。 ( 6 ) 沥青混凝土斜墙在斜坡面上施工，施工设备比较复杂，施工质量必 须严格控制。沥青混凝土心墙的施工设备比较简单，施工质量也比较容易 控制。 ( 7 ) n 青混凝土斜墙与坝基和两岸的衔接比较困难，需要进行认真的设 计与施工，切实保证防渗的可靠性。沥青混凝土心墙在衔接上要相对容易 些，只要设计合理，它可以利用心墙的自重压力，增加结合部位的抗渗能 力。 ( 8 ) 沥青混凝土斜墙在铺筑时，需要采用几种不同配合比的沥青混合料， 并分别控制，沥青混凝土心墙则采用一种配合比的沥青混合料就可以，因 此比较简单。 ( 9 ) 修建沥青混凝土心墙，可以早期蓄水，提前发挥水库作用。沥青混 凝土斜墙必须在坝体全部竣工后才能蓄水。 ( 1 0 ) 沥青混凝土斜墙在坝的上游坡面上施工，暴露面大，受气候影响大， 低温下不能施工。沥青混凝土心墙位于坝体内部，暴露面小，保温条件好， 受气候影响小，在冬季也可以施工，浇筑式沥青混凝土心墙几乎全年可以 沲工。 ( 1 1 ) 如果防渗体漏水，沥青混凝土斜墙容易检查与处理。沥青混凝土心 墙则不容易找准部位，处理也比较困难。 ( 1 2 ) 沥青混凝土心墙受外界气候影响较少，受光和温度的影响也较斜墙 小，耐老化，因而能够获得较长的工作寿命。沥青混凝土斜墙易老化，易 受机械力的损害，要经常维修。尤其在严寒地区，更能显示出心墙的优越 性。 ( 1 3 ) 在地震区，心墙在防止坍滑与地震破坏方面，比斜墙有利。 以上所述都是相对而言的。这两种结构型式，各有利弊，可根据具体 条件进行选择。 1 3 2 按施工方法分类 沥青混凝土防渗墙从施工方法上大体可分为四类。 ( 1 ) 碾压式防渗墙：将热拌后的沥青混合料按一定的厚度摊铺在铺筑部 位上，然后采用适当的压实设备碾压。这是目前使用最广泛的一种旎工方 法。 ( 2 ) 浇筑式防渗墙：将热拌后的沥青混合料浇筑后靠自重压密，不需要 碾压设备，这种方法一般适用于沥青混凝土心墙以及水泥混凝土盖板作面 层保护的沥青混凝土防渗层。 ( 3 ) 装配式防渗墙。将沥青混合料预制成沥青板或沥青席，然后运到现 场再装配成防渗体。它一般仅用于表面防渗。这种方法在国内较少采用， 在国外较多。 ( 4 ) 填石沥青防渗墙。将热拌细粒沥青混合料摊铺好，在其上摆放块石。 然后用大型振动器将块石振捣沉入混合料中。这是块石沥青混凝土心墙的 一种施工方法，但目前使用很少。 1 3 3 按沥青混合物的构成分类 沥青混凝土防渗墙按其材料构成大至可以分为三类： ( 1 ) 碾压式沥青混凝土防渗墙：一般骨料最大粒径为2 0 3 0 m m ，沥青 用量为5 8 。到目前为止，密实沥青混凝土心墙已有修建l o o m 以上高 坝的经验，从国内外已建成的沥青混凝土防渗体来看，此类仍为主要类型。 ( 2 ) 块石沥青混凝土防渗墙：填筑一层厚约2 0 c m 的细粒沥青混凝土，于 其上倾倒一层厚4 0 c m ，粒径l o 4 0 c m 块石( 块石占混合料容积的3 5 4 5 ) ，用振动碾或强力振捣器将块石压入沥青混合料中去。为了减少沥青 混凝土孔隙，将块石压入后，沥青混凝土冒到表面。一般沥青含量达8 1 2 5 。 ( 3 ) 浇筑式沥青混凝土防渗墙：浇筑式沥青混凝土的沥青用量达8 5 1 6 。沥青除了填充矿物混合料的空隙以外，还存在较多的自由沥青。它的 物理力学性能和流变性与使用的沥青性质关系极大，为了使其具有足够的 力学稳定性，一定要选用抗流变性能好的沥青品种。国产多蜡沥青和氧化 沥青都属于抗流变性能好的沥青品种。 1 4 沥青混凝土防渗墙的特点 ( 1 ) 防渗性能好。碾压式沥青混凝土的渗透系数般小于1 1 0 1 0 一c m s 。浇筑式沥青混凝土实际上则是不透水的。 ( 2 ) 适应变形能力比较强。沥青混凝土具有较好的柔性，基本能适应各 种不均匀沉陷。如果一旦发生裂缝后，在水流冲刷下，也不容易再进一步 扩大，甚至还有闭合自愈能力。当岸坡较陡时，土质心墙容易发生裂缝， 采用耐水的高塑性的沥青混凝土心墙能避免开裂。 ( 3 ) 由- y - 不用防渗土料，因而可以少占用农田，保护耕地面积，有利于 坝区附近的水土保持和环境保护。对于缺乏良好的天然土料的地方，更显 示其优越性。 ( 4 ) 由于工程量减少，可以节省劳动力，加快施工进度。一般地讲，沥 青混凝土防渗体体积约为粘性土防渗体的1 2 0 1 5 0 。沥青混凝土防渗体工 程量小，使用劳动力集中，便于提高工效，加快施工进度。 ( 5 ) 沥青防渗体比土质防渗体易于施工，在多雨地区，更显示其优越性。 但是，在施工中需选择适当的沥青材料，要采用热施工，重视安全，注意 质量控制。 f 6 ) 沥青混凝土的塑性性能可有效地吸收坝体超载引起的材料变形而不 影响其防渗性能，抵抗冲击能力较强，其耐久性、防渗可靠性、裂缝自愈 能力均优于面板混凝土。 ( 7 ) 沥青混凝土生产工艺比较复杂，各环节的施工质量控制要求较高。 ( 8 ) 沥青加热、沥青混凝土拌和及运输对环境污染较大。 1 5 本文的主要研究内容及技术路线 我国碾压式沥青混凝土施工技术还处在发展阶段，有关行业规程规范 还不够完备，无水工沥青专业定型产品及沥青混凝土墙体专用施工机械， 对沥青混凝土防渗技术研究和认识不足，有关碾压式沥青混凝土心墙施工 技术尚未形成完整的理论体系。沥青混凝土施工需要先进的专业设备和专 业化施工队伍，而我国还不具备这些条件。提出碾压式沥青混凝土心墙施 工技术的理论体系是本文的主要研究内容。 碾压式沥青混凝土心墙施工技术的理论体系为：沥青混凝土原材料选 择：沥青混凝土室内配合比试验和现场配合比试验；沥青混凝土原材料制 各；沥青混合料制备；沥青混合料运输，沥青混凝土心墙铺筑；沥青混凝 土心墙质量检验。 通过研究国内外碾压式沥青混凝土心墙土石坝施工技术，借鉴三峡水 利枢纽茅坪溪碾压式沥青混凝土心墙土石坝的施工技术，并应用于尼尔基 水利枢纽主坝设计和施工中。在此基础上，结合尼尔基水利枢纽主坝碾压 式沥青混凝土心墙土石坝的设计、施工和建设管理，对碾压式沥青混凝土 心墙防渗技术和施工技术进行深入研究和经验总结，形成一套成熟的碾压 式沥青混凝土心墙施工技术和完整的理论体系，以便更好地推广和运用。 第二章碾压式沥青混凝土心墙结构设计 2 1 沥青混凝土防渗心墙类型选择 2 1 1 碾压式沥青混凝土和浇筑式沥青混凝土的主要区别 作为土石坝防渗体的沥青混凝土采用的原材料都是相同的，但由于施 工方法不同导致沥青混合料的配比、施工中采用的机械设备、沥青混凝土 的性能和适应条件都有所区别。 ( 1 ) 碾压式沥青混凝土 碾压式沥青混凝土是将热拌后的沥青与骨料混合料摊铺在铺筑部位 上，然后用适当的压实设备进行碾压形成沥青混凝土防渗体。因此在材料 配合比方面，沥青用量一般为5 8 ( 矿料总重量比) ，沥青质量要求更高些， 一般选用道路石油沥青技术标准s y l 6 6 1 8 5 中的1 0 0 甲和6 0 甲两种。在大 型和重要工程上宜采用重交通道路石油沥青技术要求中的a h - 9 0 ，a h - 7 0 和a h 5 0 。 目前碾压式沥青混凝土施工机械化程度较高，从混合料的拌合、摊铺 到碾压都有一套成型的设备，但价格较贵，如三峡茅坪溪坝购置的摊铺和 碾压设备共花费7 3 0 万元人民币。如果沥青混凝土量较少，购置一套设备 就不经济。 国内外规定碾压式沥青混凝土施工在日平均气温5 以上方允许正常 旌工，但这对于我国北方地区，要有半年的时间不能施工，再考虑降雨量 5 衄和风速 3 级停工，年有效施工日也只有1 5 0 天左右。同时碾压式沥青 混凝土摊铺时，必须保证已铺筑的层面以下i c m 深的混凝土表层温度达到 7 0 。c 以上，才能保证层间接缝结合达到防渗要求，一般需用红外线加热器 加热2 3 分钟。对于北方地区的冬季施工很难保证铺层间接合紧密。 碾压式沥青混凝土一般孔隙率可以达到3 4 ，渗透系数为10 7 1 0 一c m s 。在低温、短荷载作用下，它的性能近于弹性，弹性模量一般为 ( 1 5 x 1 0 4 6 x 1 0 4 ) m p a ，低温变形和抗裂性能略差，但抗流变性能较好。 ( 2 ) 浇筑式沥青混凝土 浇筑式沥青混凝土是将热拌后的沥青与骨料混合料浇筑后靠自重压密 。 而不必碾压。其沥青材料用量除充满全部矿料空隙外，还有富裕，保证浇 筑时和易性。因此沥青用量为矿料总重量的8 5 1 6 ，由于沥青用量较多， 混凝土的力学性能和流变性与采用的沥青性质关系极大。为了使其具有足 够的力学稳定性，一般选用国产多蜡沥青或氧化沥青f 建筑沥青、普通道路 沥青) ，也可采用普通石油沥青掺配适量的减压渣油。 浇筑式沥青混凝土比碾压式沥青混凝土更密实。一般空隙率小于2 ， 渗透系数小于1 0 。1 1c m s ，弹性模量一般为2 5 1 0 3 3 1 0 3 m p a ，低温变形和 抗裂性能较好。因此浇筑式沥青混凝土基本不透水，而且适应变形的能力 以及裂缝自愈能力都比碾压式沥青混凝土强。但是抗流变性麓不如碾压式 沥青混凝土。 浇筑式沥青混凝土一个最大的优点是低温条件下可以施工，从东北已 建的几座土石坝来看，一般月平均气温在一1 5 - - 2 0 时照常施工。而且 浇筑层面不需要加热，也能保证新旧混凝土面接合紧密，非常适合我国北 方寒冷地区施工。同时北方地区的冬季正是河流的枯水季节，采用浇筑式 沥青混凝土可以简化导流工程，降低工程造价。 目前在我国浇筑式沥青混凝土施工机械水平较低，基本处于手工作业， 因此机械化施工技术有待研制和开发。 2 1 2 沥青混凝土防渗心墙施工方法选择 一般土石坝设计中，防渗沥青混凝土施工方法都选择一种，要么采用 碾压式沥青混凝土，要么采用浇筑式沥青混凝土。这种选择固然使施工工 艺和机械设备单一，施工技术要求一致，便于施工质量控制。但是对满足 各类防渗体的适应条件，充分发挥各自的特点是不利的。碾压式沥青混凝 土已有成套的施工机械设备和完整的施工工艺和方法，可以加快施工进度， 但是不适应低气温条件下施工，对我国北方地区，冬季不能施工。而浇筑 式沥青混凝土适应低气温条件下施工，炎热的夏天反而施工进度较慢，虽 然目前没有成套机械设备实行机械化施工，但对于我国北方地区，冬季是 枯水季节，能够冬季施工有其独特的经济意义，因此，在我国北方地区， 选用浇筑式和碾压式两种混合形式防渗体，可以充分发挥各自的优点。根 据施工安排，不同坝段采用不同种类的沥青混凝土是工程设计中应当解决 的课题。 2 1 3 沥青混凝土防渗心墙选择实际案例 ( 1 ) 尼尔基水利枢纽主坝防渗体型式选择 尼尔基水利枢纽工程位于黑龙江省与内蒙古自治区交界的嫩江干流 上，是国家十五计划批准修建的大型水利工程项目，也是国家实施西部大 开发战略的标志性工程之一，具有防洪、工农业供水、发电、航运、环境 保护、鱼苇养殖等综合效益。水库总库容8 6 1 1 x 1 0 8 m 3 ，电站装机容量 2 5 0 m w ，主要有主坝、副坝、溢洪道、水电站厂房等建筑物组成，坝线总 长度7 1 8 k m ，主坝为沥青混凝土心墙土石坝。施工导流方式采用两期导流， 第一期为明渠导流，第二期为临时底孔导流。 可研阶段选定的基本坝型为土石坝，在初步设计阶段，在确定的坝线， 选定的枢纽布置方案的基础上，对主坝防渗型式进行了比较。根据工程具 体条件，对河床部分的主坝拟定了两种防渗体型式，即沥青混凝土心墙、 粘土心墙。 方案：主坝为沥青混凝土心墙坝，主坝以碾压式沥青混凝土心墙砂 砾石坝为主，导流明渠坝段采用浇筑式沥青混凝土心墙砂砾石坝。两种防 渗型式仅心墙结构不同，其它均相同。主坝采用二级坡，马道高程2 0 5 0 0 m ， 上游坝坡均为l ：2 2 ，下游坝坡1 ：1 7 5 和1 ：2 。心墙顶高程2 1 8 5 0 m ，碾压式 沥青心墙厚度0 5 m o 7 m ：浇筑式沥青心墙总厚度0 6 m 0 7 m ，其中预制 块厚0 3 m ，沥青混凝土厚o 3 m o 。4 m 。，1 1 , 墙上下游各设3 m 宽砂砾石过渡 带，下游过渡后设“l ”型排水体，厚度为2 m 。基础混凝土防渗墙与沥青 混凝土心墙相接，防渗体下设灌浆帷幕。 方案二：主坝为粘土心墙坝，主坝坝型为粘土心墙砂砾石坝，粘土心 墙顶厚3 m ，一t h , 墙项高程2 1 8 5 0 m ，上下游坡为1 ：o 2 。心墙下游设反滤层， 水平厚度3 m 。基础混凝土防渗墙深入粘土心墙内6 m 。 主坝两种心墙方案，主体工程的投资基本一致，虽然沥青混凝土心墙 坝方案比粘土心墙坝方案多7 5 7 万元，但两种防渗型式施工条件等方面有 较大差别。 粘土心墙方案的关键在防渗粘土料，坝址附近土料仅够左右副坝的需 要。若主坝也采用粘土心墙坝型，需征用大面积耕地，增加了征地费用， 且增加了施工难度。粘土心墙的施工受降雨、低气温等气候因素影响大，雨 天不宜施工；低温条件下，需采用搭暖棚、堆土牛等手段施工，致使粘土 心墙施工时间短，每年仅4 月1 0 月，有效施工时间仅1 5 0 天。料场的天 然含水量高，也增加施工难度，施工进度和施工质量不宜保证。在二期导 流期间，导流明渠坝段需要在一个枯水季施工到挡春汛高程，粘土施工时 间仅三个月，日最低气温低于一1 0 ，需搭暖棚，施工强度又非常高，工 期很难保证。 沥青混凝土心墙坝方案，导流明渠段采用浇筑式沥青混凝土心墙坝， 其基本不受降雨和低气温的影响，其工艺简单，对加快大坝施工进度有利， 可以保证在一个枯水季完成导流明渠坝段填筑，保证总工期。故推荐沥青 混凝土心墙土石坝方案。 浇筑式沥青混凝土心墙施工机械化程度较低，工序较复杂，施工速度 慢，但在低温季节可施工。 碾压式沥青混凝土心墙方案施工机械化程度较高，工序较简单，施工 速度快，缺点是施工设备投资较高，受温度控制，冬季施工困难。 从工程量上看，二者无较大差别，浇筑式比碾压式节省1 2 4 0 万元。但 两种防渗型式在施工方法、施工条件等方面差别较大。 碾压式沥青混凝土心墙坝，按我国现行规范规定必须在平均气温5 。c 以 上施工。尼尔基工程位于寒温带气候区，平均气温为5 。c 的时间在每年4 月 下旬1 0 月上旬，而冬季时间长( 大约为半年) ，平均温度低于5 。c 时就需 搭暖棚施工。但尼尔基工程采用的是明渠导流的导流方式，在严寒的冬季 抢筑19 0 m 宽的明渠坝段能否保证工期没有把握。浇筑式沥青是混凝土心墙 可以冬季施工，特别是可以利用一个冬季施工导流明渠坝段，减少了导流 工程量，缩短了工期。 针对尼尔基水利枢纽工程所在地区的气候条件和工程施工安排，在分 析研究浇筑式和碾压式两种沥青混凝土特点的基础上，主坝防渗体采用两 种沥青混凝土的混合形式。一期导流期间，要进行三年，主坝防渗体大部 分采用碾压式沥青混凝土心墙，在温暖季节机械化施工。二期导流期间， 要完成一期导流明渠段的坝体施工，由于工程量少，采用浇筑式沥青混凝 土可以在一个枯水季节完成，二期导流就不必跨汛期，避免了汛期施工带 来的问题，导流工程量可以大大减少，工程工期可以提前约半年。因此导 流明渠段坝体采用浇筑式沥青混凝土防渗体。 ( 2 ) 三峡茅坪溪土石坝防渗体型式选择 茅坪溪土石坝是长江三峡工程的重要组成部分，与长江三峡水利枢纽 工程同属一等一级永久建筑物。茅坪溪土石坝与三峡大坝共同拦蓄三峡库 水，最大坝高1 0 4 m ，坝顶长度1 8 4 0 m ，在三峡工程正常蓄水位时，挡水水 头为8 0 m ，茅坪溪土石坝设计开挖总方量为2 4 2 2 x 1 0 4 m 3 ，总填筑量为 1 2 1 2 3 8 x 1 0 4 m 3 。 茅坪溪土石坝为两面挡水坝。大坝迎水侧与三峡大坝共同拦蓄长江库 水，正常蓄水位1 7 5 o m ，校核洪水位1 8 0 4 m ，按7 度地震烈度设防；大坝 背水侧拦防茅坪溪河水，按2 0 年一遇洪水标准设计，水位为1 0 6 4 m ，校核 洪水位按1 0 0 年一遇设计，水位1 1 4 6 m 。 大坝防渗轴线总长1 8 4 0 m ，总防渗面积约为8 2 8 1 0 4 m 3 ，其中沥青混 凝土防渗墙体面积为4 6 3 1 0 4 m 2 。沥青混凝土方量约5 0 1 0 4 m 3 ，混凝土防渗 墙面积为3 6 5 1 0 4 m 2 。 茅坪溪土石坝自1 9 8 3 年开始规划设计以来，进行了多种防渗方案的研 究比较，重点研究比较了混凝土心墙，钢筋混凝土心墙、粘土心墙和沥青 混凝土心墙等坝型。从结构上讲，上述方案均可行，但各有利弊。混凝土 心墙方案，大坝填筑至1 4 0 m 后在坝面上钻造混凝土防渗墙，上部接粘土心 墙，该方案施工工艺简单，大坝填筑可与右岸一期工程基础开挖同步进行， 造价最低，但在永久性工程填筑坝体上造孔建造防渗墙尚不能完全保证墙 体的抗渗性、耐久性以及强度，并且新填筑体的下沉，将会使伸入粘土心 墙内部的混凝土截水墙顶接头部位出现裂缝，产生渗漏，须做特殊处理； 钢筋混凝土心墙为现浇混凝土防渗墙体，其防渗性能可以得到保证，同坝 壳变形的协调性可通过活动铰的设置来保证，但该方案施工干扰大、造价 高，粘土心墙土石坝是较成熟和应用最多的坝型，但三峡坝区粘土缺乏， 需从七八十公里以外取粘土，占用耕地多，造价高，沥青混凝土心墙坝墙 体薄，柔性好，有足够的防渗性和耐久性，但我国建造高沥青混凝土心墙 经验不足，缺乏施工机械和专业队伍，这些问题可以通过咨询和培训解决， 所以该土石坝防渗体的推荐方案为沥青混凝土心墙方案。 茅坪溪土石坝选用沥青混凝土心墙具体有以下优点： ( 1 ) 可解决粘土缺乏的矛盾，少占用耕地，坝区有限的粘土用于三峡 工程土石围堰防渗。 ( 2 ) 心墙水平分层铺筑碾压施工工艺简单、沥青混凝土易于压实，心 墙可与坝体同步上升、并可随着三峡主体工程施工进度安排按期蓄水。 ( 3 ) 心墙位于坝体中央，运行环境条件稳定，坝体耐久性好。 ( 4 ) 茅坪溪土石坝岸坡线长，基础全强风化透水带深厚，采用心墙易 于同周边基础防渗体连接，适应坝体与基础不均匀沉陷，周边缝为压缝， 结合紧密，防渗效果好。 2 2 碾压式沥青混凝土心墙布置及结构形式优化 2 2 1 心墙布置 沥青混凝土心墙是一个薄壁柔性结构，本身在变形由坝壳决定，对坝 体变形影响较小，但对心墙两侧坝体应力分布有较大程度影响。 应力应变分析中，在施工期，沥青混凝土心墙随着墙体两侧大坝坝体 的均衡上升，承受两侧对等土压力和墙体上部自重荷载，其变形表现为墙 体沉降及厚度的变化，心墙轴线位移很小；在坝体初期蓄水中，上游坝壳 下部石渣混合料中有时产生一些破坏单元，填料的湿化加大了沉降变形； 当蓄水超过一定高程，静水荷载和侧向土压力的作用使得心墙位移转向下 游侧，而墙体大主应力变化不大。在最初的循环变形中，坝体上部分别向 上、下游方向位移，易在薄心墙项部两侧坝壳内沿墙体产生纵向裂缝。 对于垂直布置的沥青混凝土心墙坝，国内外已建成的工程很多，经验 很多，完全可以保证工程运行要求，当采用沥青混凝土斜心墙，倾向上游 布置时，墙体承受上部压应力荷载并直接转递到下游坝壳，可减少蓄水和 降水过程在坝体顶部可能产生的裂缝，改善坝体受力条件，降低出现拱效 应的可能性并且下游坝体整体为干燥区，对坝体整体抗滑稳定有利，由此 调整下游坝坡，节省工程造价，但斜心墙也有缺点，坝体沉降过程中在沥 青混凝土墙中产生较大剪切变形，周边缝易产生渗漏通道，在出现质量事 故时很难处理，目前比较多的成果表明，对于高沥青混凝土心墙坝，采用 下部垂直、上部倾斜的结构布置型式是比较合理的。 2 2 2 心墙结构 沥青混凝土心墙的厚度计算目前还无完整的理论公式，日本深山坝的 经验公式为： t 。= k h 。q 式中t 。一防渗墙厚度； k 沥青混凝土渗透系数； h 。一防渗墙的平均水头； q 一单位面积防渗体允许渗漏量。 该公式对许多防渗墙体型式均适用，因沥青混凝土本身防渗性能较好， 按此公式计算的心墙厚度很小，尚不能满足施工和自身稳定要求，统计已 建工程，墙体最大厚度多在l 5 0 1 1 0 0 坝高间变化。 2 2 3 心墙与坝基、混凝土建筑物的连接优化形式 土石坝基础防渗一般采用造孔混凝土防渗和帷幕灌浆，对于河床岸坡 坝段，砂卵石覆盖层及全强风化透水带较薄，将基础开挖至弱风化岩石， 浇筑混凝土基座及垫座。沥青混凝土心墙同这些周边结构连为一体，形成 防渗屏障。 因下部防渗体受基础约束，心墙底部接头处一般存在较大的剪应力， 对于岩坡部位，将会因坝体的不均匀沉降而产生纵向剪切变形，形成贯穿 上、下游方向的裂缝，因此，周边接头的处理是整个防渗体结构研究的关 键，工程中普遍采用的是适当扩大沥青混凝土周边厚度。采用平式或弧式 连接，具体结构型式大致如下： ( 1 ) 基础为坚硬岩石时，在岩基上挖槽浇钢筋混凝土底板，并锚固在 岩槽里，混凝土板厚度1 5 2 m ，宽度除满足扩大的心墙接头连接要求外， 还能给基础灌浆提供施工平台。 ( 2 ) 对于有观测、灌浆要求的工程，在墙底设置基础廊道，并可通过此 廊道将心墙下游渗水引入，观测通过墙体的渗漏量，若专为渗漏观测所需， 也可将廊道与墙体分开设置。 ( 3 ) 深厚透水带基础，不可能开挖深槽至完整基岩，因而采用地下连 续混凝土板墙防渗，若是薄壁板，多将板插入沥青混凝土心墙内，板顶设 高塑性封闭区，用于分散调整产生的局部集中应力，位移，若是连续墙， 一般直接在墙顶设软垫层，铺筑沥青混凝土心墙，当混凝土防渗墙为悬挂 式时，需对接头结构作适当调整。 2 2 3 1 心墙与坝基连接 沥青混凝土心墙一般通过混凝土基座结构与基础连接。坝基为岩基时， 都采用混凝土底板与岩基相接，对于低坝底板厚o 6 1 o m ，高中坝底板厚 1 o 1 5 m 。底板又作为基岩帷幕灌浆的盖板，板宽由灌浆半径决定，设单 排帷幕时，不小于5 m 。根据需要也可在底板上设廊道。 坝基为深厚覆盖层时，覆盖层内一般采用混凝土防渗墙防渗，沥青混 凝土心墙通过混凝土底梁与混凝土防渗墙连接。 沥青混凝土与混凝土底板或底梁的连接，采用逐渐加宽至心墙厚的3 5 倍的扩大接头方式，对中低坝接触面厚度一般为1 0 2 。o m 。心墙变形较 大时，接触面可做成折线形或圆弧形，变形小