寶泉抽水蓄能電站瀝青混凝土面板斜坡穩(wěn)定性研究

劉增宏 郝巨濤

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

一、概 述

瀝青混凝土強度和勁度模量隨溫度的升高而降低。斜坡上的瀝青混合料，由于夏天陽光直射，其表面溫度可達到70℃以上。河南南谷洞水庫瀝青混凝土面板運行期的觀測資料極限值達到78℃。中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所為寶泉工程進行配合比試驗研究過程中，室外觀測資料表明，瀝青混凝土面溫度達到80℃。在如此高的溫度下，瀝青軟化，粘性減小，瀝青在骨料之間起到潤滑作用，瀝青混凝土抗剪切能力大大減小，骨料之間有相互滑動的趨勢。防滲層用的混合料，為了達到滲透性小的要求，瀝青用量較多，這就容易引起斜坡流淌。國內(nèi)外混凝土面板工程都或多或少發(fā)生斜坡流淌現(xiàn)象，有的工程斜坡流淌極為嚴(yán)重，以至于不得不翻修，如南谷洞瀝青混凝土面板于2004年進行了整體翻修。

二、瀝青混合料設(shè)計中應(yīng)考慮的因素

瀝青混合料及現(xiàn)場施工狀況均影響瀝青混凝土的斜坡穩(wěn)定性。在混合料配合比設(shè)計中，應(yīng)仔細(xì)考慮原材料和配合比選擇。

用于水電工程的瀝青混凝土，應(yīng)選擇稠度高、軟化點高、含蠟量低的瀝青，針入度級別常為70或90。礦料通常選擇堿性碎石，如石灰石、玄武石等，因為其與瀝青的粘附性好，抗水剝離性好，具有較高的抗剪切強度。天然砂也可作為細(xì)骨料改善施工和易性。

在配合比設(shè)計中，應(yīng)選擇合適的瀝青含量和礦料級配，除滿足規(guī)范規(guī)定的密度和空隙率要求外，還應(yīng)通過試驗保證瀝青混凝土具有斜坡穩(wěn)定性、柔性、抗裂性。為簡化骨料選擇，通?？捎靡压实亩銟s教授提出的公式確定各篩網(wǎng)孔徑di（mm）對應(yīng)的通過率Pi（%）。

圖1 斜坡流淌值與瀝青含量及填料用量的關(guān)系（級配指數(shù)0.3）

圖2 斜坡流淌值與瀝青含量及填料用量的關(guān)系（級配指數(shù)0.4）

其中:D-骨料最大粒徑，mm；

n-級配指數(shù)。

圖1、2所示為寶泉工程瀝青混凝土配合比參數(shù)和斜坡流淌值的關(guān)系。

三、斜坡穩(wěn)定性試驗

土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計準(zhǔn)則（SLJ01-88）規(guī)定，斜坡流淌值不大于0.8mm。中國的斜坡流淌試驗方法是：將正反面各擊實35次或20次的馬歇爾試件，根據(jù)斜坡流淌試驗方法（DL/T 5362-2006-9.7）,固定在按設(shè)計坡度放置的金屬板上，整體置于烘箱內(nèi)，按設(shè)計溫度烘烤48小時，測試距試件底部50mm處的流淌值。實際上，常規(guī)的瀝青混凝土試件在2～4小時內(nèi)的位移量就能達到最終位移量的80%，并且在12小時內(nèi)趨于穩(wěn)定。日本的試驗結(jié)果見表1，寶泉工程的試驗結(jié)果見表2。

西方國家，早先采用Asbeck穩(wěn)定性試驗方法評價瀝青混凝土斜坡穩(wěn)定性，后來用馬歇爾試件切割成的類半圓柱體試件代替。Asbeck試驗方法是，將最小尺寸30cm×30cm×5cm 的瀝青混凝土板置于鋼制或木制的盒子中，三面填充絕熱材料，整個裝置按試驗要求的坡度擺放，用2～3mm的窄條將底腳（第四邊）底部固定。在試件表面的上、中、下部，水平畫三條白線，試驗過程中不斷地測量白線位移量。對于符合要求的瀝青混凝土，位移24小時后應(yīng)停止。該方法強調(diào)的是流淌在24小時內(nèi)停止，對流淌值的大小并沒有要求，這和中國標(biāo)準(zhǔn)（SLJ01-88）不同。

表1 日本昭原池防滲層瀝青混凝土斜坡流淌試驗結(jié)果（60℃）

表2 寶泉上水庫防滲層瀝青混凝土斜坡流淌試驗結(jié)果（70℃）

法國的試驗方法和Asbeck試驗方法類似，斜坡流淌試驗延續(xù)7天，前5天流淌值不計，后2天的斜坡流淌值在0.1mm以內(nèi)視為合格。其基本思路和Asbeck方法基本一致，主要是追求瀝青混凝土的固體性能，尤其是斜坡上瀝青混凝土應(yīng)有的性能。

四、寶泉工程不同試驗方法結(jié)果比較

寶泉上水庫，邊坡坡比是1:1.7，設(shè)計要求試驗溫度是70℃。為研究上述兩種方法的不同，對批次編號為02-045的防滲層混合料，分別采用中國標(biāo)準(zhǔn)（CS）和Asbeck方法（AS）進行試驗。精心制備試件，以保證密度和或空隙率具有可比性。CS試件采用馬歇爾試件標(biāo)準(zhǔn)擊實方法，正反面各擊實20次成型,AS試件采用震動夯碾壓成型，保證其達到要求的密度，成型溫度150℃。試驗結(jié)果見表3。從中可以看出，雖然兩種試件的密度和孔隙率相當(dāng)，但Asbeck試件斜坡流淌值比中國標(biāo)準(zhǔn)試件斜坡流淌值大。

寶泉工程的設(shè)計師和工程師，對已攤鋪到斜坡面的瀝青混凝土的穩(wěn)定性有疑慮，所以現(xiàn)場攤鋪試驗時，要求鉆孔取芯（DC）制備10cm直徑的芯樣進行斜坡流淌試驗，并與馬歇爾試件的試驗結(jié)果進行比較。試驗結(jié)果表明，鉆孔取芯試驗結(jié)果遠遠大于馬歇爾試件試驗結(jié)果，不能滿足不大于0.8mm的要求，見表3、4。

表3 不同試驗方法斜坡流淌試驗結(jié)果比較(混合料批次02-045)

表4 各種試件斜坡流淌試驗結(jié)果比較

為消除鉆孔對芯樣的破壞，在已攤鋪的面上采用套筒取芯（LC）方法取芯。斜坡攤鋪完成后，將一些內(nèi)徑10cm的鋼筒置入小坑內(nèi)，回填瀝青混合料，攤鋪層和套筒瀝青混合料一起碾壓。與鉆孔取芯（DC）比較，套筒取芯（LC）的的樣品雖然孔隙率較大，但斜坡流淌試驗結(jié)果較小，而且滿足規(guī)范要求，見表4。這說明鉆孔芯樣存在潛在的作業(yè)破壞。

為進一步證實鉆孔對芯樣的影響，在已攤鋪碾壓的瀝青混凝土面上鉆取直徑33cm的芯樣（DCL）進行斜坡流淌試驗，所用瀝青混合料批次編號仍為02-045。大芯樣（DCL）和普通芯樣（DC）的斜坡流淌試驗結(jié)果見表3。試驗結(jié)果表明，試件直徑越大，斜坡流淌值越小，進一步表明鉆孔對芯樣有影響。Asbeck試件和大芯樣（DCL）試驗結(jié)果比較接近。說明Asbeck方法（AS）相對于中國標(biāo)準(zhǔn)方法（AS）更合理。中國標(biāo)準(zhǔn)（SLJ01-88）要求斜坡流淌值不大于0.8mm是缺乏根據(jù)的。

圖3 大芯樣試件及Asbeck平板流淌值測點示意圖

大芯樣試件及Asbeck平板流淌值測點如圖3。

五、結(jié) 論

1.試驗表明鉆孔對芯樣的的破壞影響是存在的。普通鉆孔取芯試件的斜坡流淌值非常大，不能作為評價瀝青混凝土面板斜坡穩(wěn)定性的依據(jù)。

2.Asbeck試件(AS)和大芯樣（DCL）試驗結(jié)果比較接近。根據(jù)試驗結(jié)果，面板實際流淌值可能大于（AS）試件斜坡流淌值，小于（DCL）試件斜坡流淌值。這是因為前者不確定地受鐵框制約，后者遭鉆孔破壞。因此Asbeck試件（AS）相對于中國標(biāo)準(zhǔn)所用的馬歇爾試件（CS）更能給出比較真實的結(jié)果。因為馬歇爾試件成型過程中更多地受模具約束。

3.雖然受模具不確定的約束，由于較為方便，中國的標(biāo)準(zhǔn)（CS）依然實用。如果瀝青混合料配合比選擇適當(dāng)，馬歇爾試件（CS）斜坡流淌值可以滿足不大于0.8mm的要求。此外，瀝青混凝土空隙率如果能夠控制在3%以內(nèi)，面板在運行期間的斜坡穩(wěn)定通常是有保證的。

[1] 寶泉抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土配合比及相關(guān)技術(shù)試驗研究,2005.

[2] (日)水工瀝青研究會編,王景海、章繼光譯,水工瀝青,1983.

[3] 土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計準(zhǔn)則（SLJ01-88）.

[4] 水工瀝青混凝土試驗規(guī)程(DL/T5362-2006).

[5] Baron W. F. van Asbeck,M.I.C.E..Bitumen in Hydraulic Engineering,Volume II[M].Elsevier Publishing Company,1964.

[6] Erich Sch?nian. The Shell Bitumen Hydraulic Engineering Handbook[M].Shell International Petroleum Company Ltd.,1999.