碾压混凝土坝的沥青混合料防渗结构

1、碾压混凝土坝的沥青混合料防渗结构摘要：本文从混凝土坝上游面沥青混合料的结构形式、施工方法和已建工程的运行效果 等方面论述了沥青混合料防渗结构的可靠性。结合新的试验研究成果，论证了沥青混合料 防渗结构用于高碾压混凝土坝的可行性。关键词：碾压混凝土 大坝 沥青 混合料 防渗结构 可靠性 可行性1、前言沥青混介料是一种粘弹塑性材料，具冇防渗性能好、变形能力强、抗裂性能好和裂缝 自愈性能。因而沥青混合料用作土石坝沥青混凝上面板和心墙、渠道防渗等已冇较氏的历 史和丰富的经验。沥青混合料作为混凝土坝上游ifii防渗体最初是作为混凝土坝上游面裂缝 防渗修补用的。随着工程经验的积累和试验研究的深入，沥青混合料

2、己总接用作碾压混凝 土坝的防渗结构。1986年建成的福建坑口碾压混凝土坝，总接采用沥青砂浆作为碾压混凝 土坝的防渗结构就是一个成功的典范。我国在混凝土坝上利用沥青混合料作防渗结构的研 究和实践很早。1957年在江西上犹江大坝使用成功后，相继在湖南风滩、浙江湖南镇等混 凝土坝裂缝防渗修补中得到应用。国内混凝上坝采用沥青混合料防渗结构的若干工程实例 见表lo国外1966年原西德的阿格尔混凝土坝首先采用沥青混凝土防渗结构，继而奥地利 的什普利尔坝、葡萄牙的佛尔一木一嘎依奥坝、原苏联的马特科尔宁坝和马马康坝均采用 沥青混凝土防渗结构。2、碾压混凝土坝沥青混介料防渗结构的基本形式2沥青混凝土防渗面板的厚

3、度沥青混凝土防渗而板貝有很髙的抗渗梯度，渗透系数较小，一般可达10-910-,(,cm/so 对沥青砂浆防渗面板，厚度4cm已能满足防渗要求，当防渗面板厚度超过6cm时，继续 增加防渗面板厚度对提高抗渗能力并无就著效果。在实际工程中，考虑到防渗面板的施工 质量、坝面不平整度、沥青混合料最大粒径和便于防渗面板施工以及当坝体开裂时不至于 带动沥青混凝土防渗而板裂透以保证防渗效呆等因索，浇筑式沥青混凝土防渗而板的厚度 在512cm范围内选用为宜。2.2沥青混凝土防渗面板的护面板沥青混凝土防渗面板护面板的作用冇：防止沥青混凝土防渗面板由于流变而失稳； 防止沥青混凝土防渗面板遭机械作用破坏；沥青混介料浇

4、筑施工时充当模板。预制钢筋混凝土护面板厚度一般为6-12cm，其高度和长度应根据施工设备及技术水 平，便于护而板安装和沥青混凝土浇筑以及尽量减少护而板的接缝等因素综合考虑确定。 目前我国使用的预制钢筋混凝土护而板髙度为30100cm,多数为5060cm,长度一般为1()()2()()cm,多数为200cmo异型护而板尺寸根据各个工程特点而定。护而板之间一般做 成企口连接，这对护面板的受力和接缝的严密性均有利。表1国内混凝十坝用沥青混介料防渗结构的工程序 号工程 名称完成 年份坝型坝窩(m)防渗而积 (n?)防渗层号度 (cm)护而板形式1上犹江1957坝内式厂房 混凝土重力坝68.521004

5、(沥青砂浆)木板厚7.5cm2凤滩1977混凝土空 腹重力拱坝112.55(沥青砂浆)3湖南锁1978混凝土重力 梯形支墩坝12863431()(沥青砂浆)钢筋混凝土板厚4cm (外有纵梁)4碧流河1981混凝土重力冲53.5214010(沥青混凝土)钢筋混凝土板厚10cm5白山1981混凝土重力拱坝149.580010(沥青混凝土)钢筋混凝土板厚6cm6枫树坝坝内式厂房混 凝土宽缝重力坝95.3(沥青砂浆)钢筋混凝土板7坑口1986碾压混凝土坝56.831006(沥青砂浆)钢筋混凝土板厚6cm8桓仁1989混凝土单支 墩人头坝7&567001()(沥青混凝土)钢筋混凝土板疗6cm9丰

6、满1990混凝土重力坝90.5160()01()(沥青混凝土)钢筋混凝土板疗6cm护而板是用锚筋固定在坝体上。锚筋的间距和直径以及锚固深度可根据护而板的稳定 要求和沥青混凝土防渗而板产生的流变侧压力的人小计算确定，亦可根据工程经验类比确 定。锚筋直径一般为1620cm，锚固深度40150cm。锚筋纵横间距与护而板尺寸有关。 护而板混凝土应大于c2。，抗渗标号s6s8。由于护而板厚度较薄，一般配一层钢筋靠上游 侧布置，钢筋直径为610cm。为了防止锚筋与水接触导致锈蚀和形成漏水通道，锚筋不 穿过护而板，只在护而板内侧预埋挂环，将锚筋弯钩挂于环上，达到将护而板锚固于坝体 目的。2.3沥青混凝土防渗

7、而板与周边的连接沥青混凝土防渗而板与周边的连接是整个防渗体系的重要组成部分，对保证而板整体 防渗性能具冇重要意义。其连接型式可根据工程特点和施工条件选择。沥青混凝土防渗面板与基础、岸坡的连接可冇两种型式： 设置截渗槽：在坝基上游面水泥混凝上基座或岩基中设置截渗槽。截渗槽的底部宽丿应人于防渗血板厚度，槽内浇筑沥青混合料，以增加接触渗径。在用坡部位槽底纵向作成 斜坡，一般不陡于3:1。槽底纵向必须变坡时，应平缓过渡，不宜陡变，更不宜设置台阶。 截渗槽上游侧，在岸坡部位应作成宽1()15cm台阶。以利护面板的安装。台阶高度根据地 形条件确定，应为护血板高度的倍数。 在水泥混凝土基廉上加设止水片：在不

8、设沥青混合料截渗槽时，沥青混凝土防渗 面板宜接廉落在岩基或水泥混凝土基廉上，止水片一端埠入水泥混凝土基屎内，另一端插 入防渗而板内。止水片应具有耐高温(160180°c)性能。3、碾压混凝土坝沥青混合料防渗结构施工3.1沥青混合料的制备制备沥青混合料目前多采用成套沥青混合料搅拌系统，它采用计算机控制和记录，自 动化程度和温度控制精度都比较高。对于碾压混凝十坝上游而沥青混合料防渗结构施r, 由于施工强度较小，选用5()()型搅拌设备系统就足够了。3.2沥青混合料浇筑前的准备工作护面板安装前皿对混凝土坝上游面及锚筋进行检杏，对于松散的浮皮、凸出的部位进 行瀚平和清理，对潮湿坝而应用红外线

9、加热器或喷灯烘干，对坝而用冷底了汕或阳离了乳 化沥青涂刷，干燥时间在12h以上。在浇筑沥青混合料之前，必要时对下层沥青混合料的 粘结而用加热器进行预热，使其达到设计要求的基层温度。在预制厂按设计要求的不同类型尺寸的钢筋混凝土预制护而板预制并分类堆放。使用 前在护而板内侧涂刷阳离了乳化沥青或稀禅沥青以便使护而板与沥青混介料有良好的粘 结。将护面板按类运至坝面上，用汽车吊或缆机将其吊至专用可移式吊篮上，再由人工将 其挂到混凝十坝血上的锚筋上就位。护面板间的接缝用水泥砂浆勾缝。可移式怕篮需专门 设计，并能沿轨道水平运动和利用滑轮上下升降。3.3沥青混合料的运输与浇筑在拌合场将沥青混合料装在专用保温罐

10、内，用汽车或轨道车运输到坝面上，用摆动式 固定缆机或汽车吊等超重机械将装有热沥青混合料的料罐怕到浇筑部位。然示打开保温料 罐的弧门，沥青混合料可自动流入坝而与护面板之间的空腔内。为了保证沥青混合料的密 实性，可用钢钎进行插捣。沥青混合料的一次浇筑高度即为护而板的高度，沿坝面水平方 向前进。浇筑完一层后，再安装一层护面板和浇筑一层沥青混合料，如此循环上升。4、沥青混合料防渗层的基木性能4.1沥青混合料材料及配合比试验研究成果表明，只要满足高等级公路沥青路面材料要求和满足土石坝沥青混凝 土面板和心墙设计准则stj01-88要求的材料一般可满足沥青混合料的材料要求。实际 上，由于水工沥青混凝土与道路

11、沥青混凝土在使用条件上有很人差别，即使不满足道路沥青混凝土的材料，经试验研究论证示也有可能用作水工沥青混凝土材料。在国内外，有许 多这方面应用成功的实例。用作混凝土坝上游面沥青混合料的配合比一般由骨料、填料和沥青纟f1成。在特殊条件 下，在沥青屮添加一些外加剂以改善沥青混合料的性能。佇料采用人工破碎料或天然河砂 或二者掺配。填料可从当地水泥厂购买或冋收碎石厂的粉料。沥青可用屮轻道路沥青或重 交通道路沥青或专门生产的水匸沥青。配合比的选择应根据当地工程材料的性能和气温条 件并结合工程对沥青混合料的力学性能要求通过试验研究确定。4.2沥青混合料的高压抗渗性为了探索沥青混合料的高坝适用性，特对几种不

12、同配合比材料的试件进行了高压渗透 性试验。试验温度20°c,试件尺寸为4>10x5cmc试验采用逐级加压方法。具体的方法步 骤为在().1 mpa水压作用稳压半小时，观察其是否有渗水，若无渗水再继续加水压至().5mpa 稳压半小时观察其有无渗水，若无渗水再继续加水压至1.5mpa,同样，再继续加水压至 2.0mpa稳压半小时。试验结果表明在每个水压阶段各种配合比都无渗水。4.3沥青混合料的抗裂性能试验是对不同配合比的沥青混合料进行坝面开裂模拟性能试验。试验温度为15°c,沥 青混凝土试件厚4()mm,水泥混凝土试件厚6()mim试验是将混凝土试件从屮折断，然示 使其

13、再吻合。混凝土试样表明进行凿毛，涂刷稀禅沥青两遍，再将热拌15()°c的沥青混合 料浇筑在吻合后混凝土试样上，待其冷却到试验温度，将其在试验温度条件下恒温2小时, 开始加荷使混凝试件产生位移，恒速度控制在lmm/min,移动混凝土带动沥青混合料试件 拉伸，最终导致沥青混合料试件开裂。试验结果见表2：6种不同配合比沥青混合料的抗裂试验结果表明，肖混凝土裂缝为5-10mm时，沥青混凝 土裂缝宽仅深12mm；混凝十裂缝为2()3()mm时，沥青混凝土裂缝宽1225mm, 深2()mm。若沥青混合料防渗层厚60mm,即使混凝土坝而出现2()3()mm裂缝，沥青混凝 土裂缝深20mm,防渗层仍

14、有40mm,仍保持其防渗性。一般来讲，混凝土坝坝面裂缝速 度远小lmm/min且沥青混合料防渗层具有孀变性能，在三维丿应力作用下，其裂缝宽度和 深度远比上述数值小。由此可看，沥青混合料的抗裂性能是很强的。4.4沥青混合料的裂缝白愈性能沥青混合料不仅抗裂性能好且裂缝自俞性能强。试验方法是将7x7x10cm试件在低 温下用劈裂方法人工造缝，将试件放入试模内，对周边进行密封，然后在垂肓裂缝方向加 一恒荷载并维持不变，再在与裂缝平行方向加水压力，在一定温度下测试渗漏呆随时间的 变化过程。三个实际工程沥青混合料的裂缝自愈性能试验结果见表3。试验结果表明，在515°c范围,在轴压().51.5

15、mpa条件下,不同配合比的沥青混合 料经过84()h都能基木愈合，渗水暈显著降低以致人部分试件测不岀渗水量。表2沥青混介料抗裂性能试验结果配合比编号沥青混合料开裂情况1混凝土间隙从0拉至7mm时，沥讶混合料裂缝宽度1 mm,深度1 mm,拉至25mm 时，沥青混合料裂缝宽度为16mm,深度为20mm （试样厚度的一半）。2混凝土间隙从0至6mm时，沥青混合料裂缝宽度为1.5mm,深度2mm,拉至23mm 时，沥青混合料裂缝宽度为15mm,深度为20mm （为试样厚度的一半）。3混凝土间隙从0拉至5mm时，沥青混合料出现裂缝，裂缝宽度为1mm,深度2mm, 拉至20nmi时，沥青混合料裂缝宽度1

16、2nmi,深度为20mm （试样号度的一半）。4混凝土间隙从0拉至10mm时，沥青混合料出现裂缝，裂缝宽度为3mm,深度1mm, 拉至30nmi时，沥青混合料裂缝宽度25mm,深度为20mm （试样号度的一半）。5混凝土间隙从0拉至10mm时，沥青混合料出现裂缝，裂缝宽度为2mm,深度2mm, 拉至27nmi时，沥青混合料裂缝宽度22mm,深度为20mm （试样号度的一半）。6混凝土间隙从0拉至8mm时，沥青混合料出现裂缝，裂缝宽度为1mm,深度2mm, 拉至26mm时，沥青混合料裂缝宽度19mm,深度为20mm （试样厚度的一半）。4.5沥青混合料的其他性能大量的试验研究表明，沥青混凝土具冇

17、较大的变形能力。在一定配合比和温度条件下, 沥青混合料的抗压应变可达30%以上，抗拉应变高于5%。在三维应力条件上，其变 形能力更强。沥青混凝土具冇粘弹性和流变性，这对于碾压混凝土坝的不平整和缺陷具冇 蠕变弥补作用。初步试验研究成果也表明，沥青混介料具冇良好的抗震性能。由于沥青混 合料热容量大，用作碾压混凝上坝上游面防渗体对混凝土坝坝面具冇保温防裂作用。但这 一点需要进行试验研究得! 11量化指标o5、沥青混凝土的耐久性沥青混凝土防渗体一般是由破碎的矿料和由原油提炼的沥青加热拌制，并经压实而 成。设置在混凝土坝上游面和预制的钢筋混凝土护面板z间的沥青混合料，其耐久性更是 冇保证的。虽然沥青混凝

18、土在施工和运用中总冇某种程度的老化，使其耐久性降低。 在施工过程中，沥青一般盂要加热与加热的骨料结介。当沥青加热温度过高时，沥青中的 轻质组分会蒸发损失，从而改变了沥青原冇的性质而变硬，因而沥青混凝土在施工过程中 的老化是值得i分关注。国内外初期的沥青混凝上面板工程，由于沥青混合料的加热和拌 合系统机械化程度不高，加热温度不能严格控制，大大加速了沥青的老化。随着沥青混凝 土拌合系统机械化水平的提高和计算机控制技术的引入，沥青混合料拌合时的温度可以严 格控制在所要求的范围内，这就大大降低了沥青的老化程度。表3不同工程的裂缝愈介性能试验结果工程i材料灰岩粗骨料(20 2.5mm)人丄砂<2.

19、5mm河砂<2.5mm石灰岩粉兰炼70号沥青配合比(%)54.816.116.1137.5裂缝h 愈性能温度(°c)轴压(mpa)水压(mpa)愈合时间(h)备注5.01.51.00.51.082424测不出渗水量 测不出渗水量 仍冇 0.06ml/min工程ii材料灰岩粗骨料(20-2.5mm)人工砂< 2.5mm河砂< 2.5mm石灰岩粉兰炼100号沥青配合比(%)54.816.116.1137.3裂缝 自愈 性能轴压(mpa)温度cc)水压(mpa)愈合时间(h)备注1.51.00.55.01.082424测不出渗水量 测不出渗水量 仍有 0.05 ml/mi

20、n工 程iii材料灰岩粗骨料(202.5mm)人工砂<2.5mni石灰岩粉荆门60号甲沥青配合比()54.231.814.07.0裂缝 自愈 性能温度(°c)轴压(mpa)水压(mpa)愈合时间(h)备注15.41.51.20.750.584040测不出渗水量 测不出渗水量 测不出渗水量另一方面，沥青混凝土在运用屮的老化。这种老化在沥青混凝土面板坝屮较为明显。 最新的国际犬坝委员会(icold)会刊114 (1999年)沥青混凝土面板堆石坝中冇关沥青 老化是这样描述：“老化过程涉及到沥青中轻质组分(油分和胶质)的挥发而残留沥青质 的过程。沥青质是沥青化学组成中最璽、最硬和最脆的

21、成分。老化过程主要是沥青在生产 中和沥青混合料贮存中过热引起。在高温和太阳紫外线的辐射下也产生沥青的老化，总的 來讲，暴露在大气环境屮的沥青混凝土的老化仅仅是“表皮”。而“表皮”下的沥青混凝 土会有非常长的寿命”。碾压混凝土坝上游而的沥青混凝土防渗体受到护而板的保护，隔 断了阳光和空气对沥青混凝土防渗体的直接作用，即是这种“表皮”性的老化也会大人降 低。有护面板的保护，沥青防渗层不受外部机械、漂木等直接撞击和儿乎与水不直接接触, 防止了水对沥青防渗层表面的骨料的剥离。h 1955年以來，全世界共修建了 80多朋沥青 混凝土心墙堆石坝，至今无一修补。这也证实了作为碾压混凝土坝的防渗结构的沥青混凝

22、 土具冇良好的抗老化性。国内外沥青专家对沥青混凝土老化冇一个共识：对于沥青混凝土 心墙或具冇保护板的沥青砂浆防渗体，是由天然矿料和从原油提炼出的沥青组成，并设计 制备成孔隙率小于3%的防渗体，它处在理想的保护条件下，其老化过程将是非常非常缓 慢的。6、已建工程的运行效果及观测结果 福建坑口碾压混凝土坝采用沥青砂浆作为上游而防渗体。1986年7月开始蓄水。 蓄水初期经历了两次高水位的考验，第一次蓄水接近设计洪水位，最人渗漏量为4.271/so 199()年坝前高水位持续超过l()()d,漏水量小于3.51/s, 一般水位漏水量少于1.51/s,并逐 年趋于减少。经检杏沥青砂浆防渗层基木不透水，漏

23、水主要发生于建筑物结合部位及绕坝 渗流。12年来人坝沥青砂浆防渗结构运行正常。 浙江湖南镇混凝土坝坝髙129m,采用沥青砂浆对上游而裂缝进行处理，于1979 年1月完工并下闸蓄水，至今19年来运行正常。 辽宁碧流河混凝土重力坝采用沥青混凝土在上游坝而防渗处理坝面裂缝，防渗结 构于1981年11月完工，1983年下闸蓄水，15年来运行正常。 吉林丰满混凝土重力坝于1990年3月至4月对渗漏严重的上游坝而用沥青混凝土 进行防渗处理，血积达16000m2o在施工过程中，由于工期紧和施工条件恶劣，有少数部 位质量未达到设计要求而蓄水示发现有微量渗水，绝人部分面积防渗效果比较理想，现运 行8年，情况良好。