我国水工沥青混凝土防渗技术发展及其应用

第30卷第11期文章编号:0559一9342(2004)11一0075一03我国水工沥青混凝土防渗技术发展及其应用杜振坤,贾金生,陈肖蕾(中国水利水电科学研究院,北京100038)羁洲徽{)价忿戚欢抢添:称:备和结构型式等方面在理论和实践上都有了提高,为这项技术在中国的应用和推广打下了基础。APPlieationofhydra砚IlicasPhalteonereteseePageeontorlartinChinaanddeveloPProsPeetsDuZhen一kun,JiaJin一sheng,ChenXiao一lei(ChinaInstituteofwaterResoureesandHydorpo*rReseareh,Beijing100038)Keywords:hydraulieasphaltconerete(HAC);seepageeontorl;asphaltfaein娜ining;asphalteorewallAbstract:HydraulieasPhalteonerete(HAC)hasdevelopedintoaerliablealtemativefori哪evriouselementsandhasbeenmoerandmoreiwdelyappliedwithsueeessinChina.Inthisp即erthestateoftheartofHAC,ineludingitsteehnioalfeatures,mixdesigneonsturetioneauiDmentandsturetuarltvpesaresummanzedandtheapDlieationofthisteehnolo卿inChinaotgeTnerWirnmesnortcommgsannposrpectslsoescnoe.Q中图分类号_:T、吟4.2儿TV431_5文献标识码:B沥青混凝土应用于水利工程主要是因其良好的防渗性能和变形性能。作为防渗体,其主要应用于大坝面板、大坝心墙、蓄水库防渗护面、渠道衬砌、河海堤岸护坡、垃圾填埋场防渗、旧坝(或渠、库)防渗面翻修等。全世界目前己建成的沥青混凝土面板坝有200多座,心墙坝70多座,用沥青混凝土防渗的蓄水库数量超过60座,此外还有众多的用不同沥青混合物防渗的其他水工结构物,如渠道、河道、堤岸等。沥青混凝土防渗技术的理论研究和施工实践的进步,推动了此项技术的进一步发展,其特征是防渗形式多样化,设计结构简单化,施工高度机械化。我国沥青混凝土防渗技术起步较晚,20世纪70年代,建成了陕西正岔、北京半城子水库等沥青混凝土护面工程和甘肃党河水库沥青混凝土心墙砂砾石坝、吉林白河沥青混凝土心墙坝等,此后又建成了辽宁碧流河水库和湖北车坝水库等沥青混凝土防渗工程。20世纪90年代以前的工程,多数采用人工与机械摊铺结合或使用自制简易摊铺机械摊铺,加上与其他国家在这一领域的技术交流甚少,总体看来,技术水平相对落后,有些工程存在诸如护面开裂、流淌等一些问题。中国现有已建成沥青混凝土面板坝30座,其中含一座全池防渗蓄能水库,建成和在建的心墙坝巧座,从工程数量上看,居世界前茅,积累了一定的设计和施工经验。于1997年成功完建的浙江天荒坪抽水蓄能电站上库沥青混凝土护面工程,防渗面积28石万mZ,该工程引进了国外著名专业公司的水工沥青混凝土专业施工技术,工程的施工工艺水平和机械化施工程度达到国际先进水平。近年开工的三峡茅坪溪沥青混凝土心墙坝和四川冶勒沥青混凝土心墙坝,坝高分别为104m和125m,也采用了先进的机械化施工技术。目前在建的河北张河湾抽水蓄能电站上库,山西西龙池抽水蓄能电站上、下库,河南宝泉抽水蓄能电站均采用了沥青混凝土防渗方案。我国水工沥青混凝土应用近年呈上升势头,为这一技术的发展提供了一个契机。1水工沥青混凝土技术特点沥青混凝土混合料及制品种类繁多,不同种类沥青产品均在水工领域有过成功应用的经验,现介绍的是应用最广泛的碾压式沥青混凝土。收稿日期:2004一04一18作者简介:杜振坤(1%4一),男,河北滦南人,高级工程师,从事水工结构与材料技术研究开发和国际工程招投标与管理工作.wate:oP*rvol.了0.oN.11}翻缪2004年11月碾压式沥青混凝土混合料一般由连续级配的破碎骨料、人工砂(天然砂)、矿粉填料和沥青混合而成,其施工工艺包括拌和、摊铺和碾压。通过调整骨料级配和空隙率,碾压式沥青混凝土可作为基层、整平胶结层和防渗层。防渗层的空隙率小于3%,为不透水层,用于面板、护面和心墙等防渗结构,也是整个沥青防渗结构的主体。碾压式防渗沥青混凝土是水工结构中最常用的沥青混合物。水工沥青混凝土与道路沥青混凝土在材料选择、配合比设计、施工机械、施工工艺和质量控制诸方面都有共同点。水工沥青混凝土在性能上有特殊要求,因其主要功能是防渗,除具备密实、耐久等品质外,还注重其抗渗性和斜坡稳定性。水工沥青混凝土所要承受的荷载主要是水压力,在不同工程中,还要承受基层内水压力、水流冲刷、波浪冲击、冰压力、基础沉降变形、化学侵蚀等不同的水工荷载、机械荷载。水工沥青混凝土需要做一些特殊的性能试验,其中包括:柔性试验、斜坡稳定性试验、不透水性试验、变形性能试验(心墙)、泡水膨胀试验等。根据性能要求,水工沥青混凝土与公路沥青混凝土相比,孔隙率较小,沥青用量较大,并需加人较多的天然砂和填料。此外,水工沥青混凝土需要使用专用摊铺设备。沥青混凝土作为防渗体,尤其是防渗护面,在技术上与水泥混凝土有明显的可比性。两者详细的技术对比见表1。从技术角度分析,沥青混凝土防渗护面具有其独特的优势。表1水泥混凝土与沥青混凝土技术对比永泥瘾凝主--一…~一丽青浪i疑王几一-表2各种材料含量对沥青混凝土性能影响项目名称沥青含量增加填料含量增加掺天然砂孔隙率渗透系数马歇尔稳定度流值斜坡流淌值抗弯强度柔性减小减小减小士曾力日士曾力口降低增加减小减小减小略增略增降低略增略减略减略减减小减小田各增略增按.03%或.05%沥青含量级差制备不少于3组试件进行试验,以确定生产配合比最佳用量。生产配合比应通过现场摊铺试验验证,并确定标准配合比。标准配合比将成为控制施工的依据和质量检验标准。3水工沥青混凝土施工机械施工机械是水工沥青混凝土技术发展的关键,高度的机械化施工决定了防渗体施工的高质量、高速度和高效率。沥青混凝土施工有三类关键设备—拌和、摊铺和压实设备。公路、水工沥青混凝土施工所使用的拌和、压实设备基本相同,而水工沥青混凝土摊铺则根据不同结构形式需要不同的专用设备。水工沥青混凝土专用摊铺设备目前主要有三类:斜坡摊铺设备、沥青混凝土心墙专用摊铺机和桥式摊铺机。需要设置接缝、布置接缝止水需要较强的后期养护渗漏系数较大,耐久性较差抗老化性能好适应变形能力较差施工速度较慢,工期较长破坏后不易维修,尤其接缝止水存在冻胀问题抗震能力较差不需要不需要渗漏系数小(可小于10一8耐8),耐久性好抗老化性能好塑性变形能力大,适应变形能力强机械化施工速度快,工期短易于维修不存在冻胀问题抗震能力较强4沥青混凝土面板坝沥青混凝土防渗面板结构有两种,一种称为简式结构或单防渗层结构,另一种称为复式结构或三明治式防渗结构。两种结构的典型截面图如图1所示。2水工沥青混凝土材料与配合比设计水工沥青混凝土所用材料与公路沥青混凝土基本相同,其配合比设计包括矿料选择、骨料级配、沥青选择、沥青含量确定等内容,以期达到最佳防渗性能。沥青混凝土配合比直接关系到沥青混凝土的性能。如前所述,影响配合比的主要因素有沥青的特性和含量,骨料、人工砂、天然砂和填料的特性和含量,表2显示了各种材料含量对水工沥青混凝土性能的影响。配合比设计采用两个参数,一是骨料和填料级配,二是沥青含量。选择骨料和填料级配最常用的方法是采用富勒级配曲线,设计原则为骨料级配压实后其空隙率(VMA)应在16%一19%之间,如果空隙率太小,则骨料中没有足够空间容纳作为粘结剂的沥青,会影响到沥青混凝土各项性能。沥青含量通常通过马歇尔法确定沥青最佳用量,然后以最佳用量为中值图1典型沥青混凝土护面结构简式结构由1层防渗层和l层整平胶结层组成。整平胶结层在防渗层与下卧层之间起整平胶结作用,为防渗层施工提供平整稳定的工作面,同时起到过渡的作用,该层应具备良好的斜坡稳定性、平整度和透水性。整平胶结层厚度一般为霸详ate:oP*:饰乙了aoN,115一10cnl,压实后孔隙率应在8%一巧%之间。防渗层是沥青混凝土面板防渗体的核心,防渗层沥青混凝土压实后应具备如下性能:最大水压作用下具备不透水性、足够的柔性、斜坡稳定性并能承受各类可能的荷载。防渗层厚度一般大于6cm,其孔隙率必须小于3%。防渗层可一层摊铺,也可分两层摊铺,随着施工机械和施工工艺的改进和完善,当今的设计基本上都是一层施工。复式结构是在特殊工程条件下采用的一种结构型式,如地震多发区,坝体预期沉降很大或地质条件差等。其构造特点为:排水层可排出第一层防渗层的渗漏水,当第一层遭到破坏时,第二层防渗层承担防渗任务。防渗层表面的封闭层功能为保护防渗层,使其不受气候和阳光紫外线的影响,减缓老化。封闭层所用的材料有两种,一种是热沥青玛蹄脂,另一种是高稳定性的沥青乳剂。封闭层不起防渗作用,到一定年限应进行更新。沥青混凝土面板结构下卧层有整平、排水作用,一般由连续级配的碎石或卵石组成,厚度范围60刁00cm,要求渗透系数K)10刁cm/。,并有足够的变形模量。为保护下卧层和便于机械施工,其表面喷洒一层乳化沥青。堆石护坡5蓄水库沥青混凝土防渗护面沥青混凝土护面具有良好的防渗性能,还能满足不同地质条件、不同荷载条件下的运行安全要求,因此特别适合水库全库防渗。另外水库防渗面积往往较大,沥青混凝土护面施工高度机械化,又易于维护和修补,因此从经济角度分析也占有优势。由于技术和经济两方面的因素,沥青混凝土护面已成为蓄水库防渗设计的首选方案。水库沥青混凝土护面结构设计与大坝面板相同。水库库底施工工艺与道路施工相似,岸坡施工可采用传统的垂直施工法,也可采用效率更高的桥式摊铺机水平施工法。水平施工法施工速度可达SO0m呱,既能增加日摊铺量,又能减少施工缝的数量。6沥青混凝土心墙坝沥青混凝土面板坝和心墙坝比较,各具优势和特点。曾有学者提出沥青混凝土心墙方案优于沥青混凝土面板的观点。从目前发展趋势看,全世界沥青混凝土心墙已建工程不多,但坝高有上升趋势。心墙结构设计是坝体设计的一个组成部分。心墙结构设计内容包括心墙的布置、心墙厚度确定、周边接头结构、过渡层结构等内容。心墙布置可以是垂直或向下游倾斜的,也可以布置成下部垂直上部倾斜的。垂直心墙防渗面积最小,也最经济,一般用于低坝。高坝心墙一般布置为向下游倾斜,或心墙上部向下游倾斜。心墙典型布置图如图2所示。心墙厚度至今还没有一个简单的计算公式,厚度确定主要根据坝体的具体情况和以往的工程经验。有学者提出沥青防渗面板厚度一般为6一SC示,沥青心墙厚度根据应力分析应为面板厚度的6一8倍,这一厚度计算方式得到实践的验证。中图2沥青混凝土心墙坝典型剖面等高度坝心墙厚度一般在60一80cm之间,高坝厚度可达100cm。对于倾斜布置的心墙,应有10%一20%的厚度安全储备。7水工沥青混凝土应用实例7.1牛头山水库沥青混凝土面板坝牛头山水库拦河大坝为沥青混凝土面板砂砾料坝,坝高4.93m,坝顶长435m,宽6m,上游坝坡1:2,下游坝坡为1:1.8和1:1.9,坝基采用混凝土防渗墙防渗,墙顶与沥青混凝土面板连接,面板防渗面积为44000m“,沥青混凝土总方量为10200m3。沥青混凝土面板为简式结构。整平胶结层2层,总厚度OICm。防渗层在高程12一巧m分为四层,总厚度20cm;在高程35~50m分为三层,总厚度巧cm;在高程50巧.93m分为二层,总厚度10cm。沥青材料选用道路60号甲沥青,针人度为41一80,骨料选用碱性骨料。沥青混凝土拌和使用LB30型拌和楼,摊铺使用国产斜坡摊铺设备两台,摊铺宽度分别为Zm和3m,3m摊铺机摊铺厚度为5cm,摊铺能力为gm外。7.2天荒坪抽水蓄能电站上