碾压沥青混凝土心墙坝关键技术研究

碾压式沥青混凝土心墙坝关键技术研究提纲水利学院：何建新一、研究背景沥青混凝土心墙作为土坝和堆石坝的防渗系统在世界范围内得到广泛运用，成为重要的坝型之一。

沥青混凝土心墙具有良好的适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力及整个心墙无须设置结构缝，因此，沥青混凝土心墙可在任何气候条件下和任何海拔高度使用。

理论分析和工程实践均表明沥青混凝土心墙坝的安全性很高，是一种极有发展潜力的坝型。

在碾压式沥青混凝土心墙方面，始于1949年葡萄牙建成了Vale de cai0沥青混凝土心墙坝，1962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100座沥青混凝土心墙坝，其中绝大部分为碾压式沥青混凝土坝。

挪威l997年在建的Storglomvatn沥青混凝土心墙坝高达125m，我国已建成发电的四川冶勒沥青混凝土心墙坝高l23m，茅坪溪工程坝高104m。

近年来，先后又建起了下板地、库什塔依、阿拉沟等百米级的碾压沥青混凝土心墙坝，这些工程的成功兴建，在某种意义上促进了新疆沥青混凝土心墙坝的发展。

新疆“定居兴牧”水利工程中又有一大批沥青混凝土心墙坝兴建成功，创造了水利建设的“新疆速度”，推动了新疆经济、社会实现跨越式发展的步伐。

尽管工程实践中碾压式沥青混凝土坝得到了迅速的发展，但在材料研究、设计理论方面远落后于工程实践，致使沥青混凝土心墙坝的设计与施工仍处于经验性，远不能满足工程实际的需要，已制约着该坝型的发展。

为满足工程建设特别是高坝建设的需要，当前亟待开展碾压式沥青混凝土心墙坝关键技术研究。

二、研究目标以天然砂砾石作骨料，研究不同配合比对碾压式沥青混凝土力学性能的影响规律，分析沥青混凝土心墙与坝料应力-应变关系、坝体稳定性及心墙的防渗性能，评价采用天然砾石骨料的沥青混凝土心墙的安全可靠性，深入研究寒冷地区碾压沥青混凝土施工工艺，为碾压式沥青混凝土心墙在中高土石坝中的应用提供理论依据和技术支撑。

三、研究内容（一）、碾压式沥青混凝土材料方面研究1 碾压式沥青混凝土配合比与其力学指标的关系研究沥青混凝土的工程性质完全取决于其材料配合比，它又控制着沥青混凝土心墙的工作性状。

长期以来往往不是以其力学性能的基本要求，来直接确定沥青混凝土的配合比，而是以多级材料组合求取最大密实度，并以沥青为填隙、胶结料，采用以物理指标为主，间或考虑其他间接指标（如马歇尔指标）最终确定其配合比，而其力学指标（如小梁弯曲、抗压强度等）仅是在确定了配合比以后的实验“记录值”，并没有将其作为沥青混凝土配合比设计时的控制指标，在研究沥青心墙的工程性状时也无直接使用意义。

这种情况显然不符合作为受力材料的沥青混凝土的要求。

为此，本子题将研究配合比对沥青混凝土工程性质的影响，以及沥青混凝土的力学性能对心墙工作性状的关系，并以此来确定配合比及评价心墙的安全可靠性。

在原材料中尤应深入研究矿粉对沥青混凝土性能的影响。

众所周知，沥青混凝土是由沥青和矿质材料共同组成，是一种由不同粒径矿料颗粒分散在沥青中的分散体系。

胶体理论研究表明沥青与填料所组成的沥青胶结料，构成了沥青-填料相，其它粗、细骨料则是分散在沥青-填料相中的分散介质。

沥青混凝土的属性主要取决于沥青-填料相的性质，它决定着沥青混凝土的弹性、粘性和塑性等，也就是说它直接决定着沥青混凝土的应力应变特性。

也正因此，在工程设计中，对沥青混凝土配合比中严格控制着填料和沥青用量。

如何将沥青混凝土的力学指标应用于评价坝体工作性状，亦是本课题的研究内容之一，根据坝体工作性状对沥青混凝土提出相应的直接应用指标，进而确定沥青混凝土的配合比。

2 关于新疆天然砾石骨料的应用研究水工沥青混凝土骨料的选择应遵循由近及远、先优后劣、因地制宜、就地取材的原则。

矿料与沥青黏附性的优劣是沥青混凝土结构形成的决定因素，它直接关系到沥青混凝土的强度、温度稳定性、水稳定性以及老化速度等一些重要性能。

按照物理化学的观点，沥青与矿料的结合不仅包括沥青与矿料的吸附作用，而且包括沥青与矿料接触表面的化学吸附作用，而其中化学吸附作用是沥青与矿料黏附力高低的主要决定因素。

碱性岩石(特别是碳酸盐类岩石)对沥青不仅可产生物理吸附作用，而且具有良好的化学吸附作用，可形成不溶于水的化合物，抗水剥离能力好。

而酸性岩石矿料与沥青之间不会形成化学吸附作用，因而沥青与矿料间的黏结力较差。

因此，为了保证沥青混凝土的水稳定性，沥青混凝土防渗工程多采用石灰岩、白云岩等岩石加工骨料。

国内外一些沥青混凝土防渗工程中，也有因缺乏碱性骨料料源，而不得不考虑使用改性的酸性骨料配制沥青混凝土的情况。

当采用酸性骨料时，必须进行试验研究和论证。

室内外试验和实践结果表明，当采用消石灰等对酸性骨料处理后，骨料与沥青的黏附性显著增强，长期水稳定性是有保证的。

总体上看采用天然砂砾石作为骨料的工程运行工况均未见到有异常情况报到。

由于水工沥青混凝土中沥青含量高于公路沥青混凝土，渗透系数很小，水分进入混凝土内部的可能性极小，再加上合理的选择矿粉种类和用量，以及采用抗剥离剂，应当说使用酸性骨料和天然砂砾石作为水工混凝土的骨料是可以的。

如前所述，为保证具有良好的强度、抗渗性和耐久性，水工沥青混凝土对骨料的岩性和粒形均有要求，骨料需采用新鲜、坚硬的岩石加工而成。

在某些地区缺乏加工沥青混凝土骨料的岩石，而砂卵石却非常丰富，砂卵石加工后能否用于沥青混凝土成为突出的问题。

卵石用作沥青混凝土骨料存在两方面问题：一是卵石粒形圆滑，内摩擦角小，沥青混凝土强度较低；二是卵石岩性复杂，由多种不同的矿物成分组成，其中也有酸性岩石，与沥青的黏附性无法保证。

当需采用卵石作为沥青混凝土骨料时，可进行如下处理：①用粒径大于沥青混凝土最大骨料粒径3倍以上的卵石进行加工破碎成碎石，卵石原表面随破碎粒度的减小而减小；②掺加抗剥离剂提高沥青混凝土的水稳定性。

本子题拟选取我区代表性天然砾石骨料，通过骨料颗粒界面与沥青粘附强度试验，探明砾石骨料与沥青的粘附性规律，提出增强骨料粘附性的工程措施和评价依据；通过沥青混凝土水稳定性试验，探索采用天然砾石骨料的沥青混凝土在高水头长时间作用下水破坏作用机制，完善水工沥青混凝土长期水稳定性的评价方法，为天然砾石骨料在沥青混凝土心墙坝中的应用提供理论依据与技术支撑。

（二）、碾压式沥青混凝土心墙结构计算理论及方法研究1 碾压式沥青混凝土的应力应变关系研究对沥青混凝土的应力应变关系究竟何种模型更合理，国内外均无定论，目前采用较多的时弹性非线性中的邓肯-张模型，也有采用弹塑模型、粘弹模型、蠕变模型等。

本研究通过试验求取各模型的计算参数，结合利用多种应力应变模型对依托工程进行计算分析，并结合安全检测资料进行对比，以评价应力应变模型的合理性。

2碾压式沥青混凝土心墙水力劈裂可能性研究土石坝的沥青混凝土防渗心墙厚度一般仅为 0.5 – 1.2m 左右，多数以等厚度或在不同高程段采用等厚度布置，其迎水面为直立的；沥青心墙的刚度均小于坝壳料和过渡料；心墙的渗透系数在 10-8cm / s 数量级，具备低透水性，所有这些因素均将导致在防渗心墙中产生拱效应，甚至发展到水力劈裂。

由连续介质力学概念可知：两种介质接触面上产生相对位移，只要有摩擦存在，摩擦力就会以拉应力形式出现，相应的也就会产生拉应变。

这极大的增加了沥青混凝土心墙上游面产生裂缝的可能性，由于施工等因素也可能造成心墙上游面出现裂缝。

拱效应、先天裂缝和低透水性就构成了沥青混凝土心墙产生水力劈裂的力学基础条件和物质基础条件。

然而我国《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》DL/T5411-2009在其说明条文中，从多孔介质渗流和沥青混凝土中的沥青胶浆不会被挤出的理念出发，提出在“沥青混凝土心墙水力劈裂可不考虑”，这一论点是值得商榷的。

本子题拟研究随着新疆沥青混凝土心墙坝的发展迅速，众多的百米级大坝正在兴建，其最高者已达130m（哈密十三师巴木墩水库），坝高的增加，拱效应作用更强烈，产生水力劈裂风险的可能性更大。

（三）、施工技术及工艺研究1 寒冷地区碾压式沥青混凝土施工技术研究碾压式沥青混凝土心墙大多数都是在气候温和地区进行施工的，但新疆地区冬季气候条件有低温、多雪、大风及早晚温差较大的特点，而且冬季低温期的时间占全年的45%左右，如遇大坝工期等要求，碾压式沥青心墙在配合比和施工工艺上采取一定的措施可在低温条件下施工。

这样，不仅可以充分利用施工时间缩短工程建设时间，而且可以使工程提前发挥经济和社会效益。

本子题拟研究在冬季施工措施的基础上，采用现场和室内试验的方法，对结合面的性能进行系统研究。

对《水工碾压式沥青混凝土施工规范》中下层表面温度不低于70℃的标准进行相关试验论证，并降低温度要求，验证降低要求后其结合面的性能依然满足设计要求，以解决工程中的技术难题，确保工程的顺利实施，并验证冬季施工的可行性；为工程在低温环境下的施工质量提供理论基础和一定的指导意义，以解决工程设计中的技术难题、优化坝体结构设计、确保工程的顺利实施，同时也为国内类似工程的施工及国家现行施工规范的修订提供参考。

2 沥青混凝土施工质量控制研究本子题拟研究在现有设计规范和施工规范对沥青混凝土质量要求前提下，提出更可靠的沥青混凝土和原材料的检测方法，为碾压式沥青混凝土施工质量提供参考依据。

四、预期经济效益天然砾石骨料若能成功应用在中高沥青混凝土心墙坝中将给工程节约较大投资，一方面现在工程中用的碱性骨料加工费用高，需要爆破，能耗污染大且运距较远，按100公里运距估算1方投资约150元，天然砾石骨料成本低，就地取材1方约投资仅约20元，每方可节约130元；另一方面采用砾石骨料后沥青用量可显著降低，每方可节约沥青15kg左右，约90元，初步计算每方沥青混凝土可节约投资220元，一座百米级沥青心墙坝沥青混凝土方量按1万方计算，即可节约投资220万元。

新疆每年沥青心墙坝施工十余座，可节省投资上千万元。

同时，优化沥青沥青混凝土施工工艺，适当延长施工工期，可达到增加施工进度，也可为工程节省较多投资。