寒冷地區(qū)冬季施工的碾壓式瀝青混凝土心墻壩設(shè)計(jì)

汪 洋

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊 830000）

1 問題的提出

庫什塔依水電站工程位于新疆特克斯縣境內(nèi)，電站裝機(jī) 100MW，多年平均發(fā)電量 3.45億kW·h，最大壩高91.6m，為Ⅱ等大（2）型工程。該工程主要任務(wù)是發(fā)電，工程由攔河壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪洞、發(fā)電引水洞、廠房等建筑物組成。攔河壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，根據(jù)工程施工條件及類似工程經(jīng)驗(yàn)，工程施工關(guān)鍵線路為：導(dǎo)流兼泄洪洞施工→截流→大壩施工→尾工。根據(jù)關(guān)鍵線路分析，準(zhǔn)備工程施工期受導(dǎo)流兼泄洪洞施工進(jìn)度控制；主體工程施工期受壩體填筑進(jìn)度控制。

1.1 新疆的氣候特點(diǎn)

庫克蘇河位于新疆伊犁河谷西南部，冬季寒冷積雪較深。項(xiàng)目區(qū)多年平均氣溫7.26℃，極端最高氣溫37.5 ℃，極端最低氣溫-29.0 ℃。工程區(qū)每年12月至次年2月氣溫在0℃以下，11月和3月氣溫也有可能在0℃以下。最大積雪深度38cm，最大凍土深度136cm，項(xiàng)目區(qū)多年平均氣溫見表1。

1.2 新疆河流的水文特點(diǎn)

新疆地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，河流徑流補(bǔ)給是以高山區(qū)永久積雪和冰川消融為主要補(bǔ)給源，河流來水量受氣溫影響較大。每年6、7、8月 3個(gè)月是全年氣溫最高的時(shí)期，故河流全年來水量的60%以上集中在這3個(gè)月中，5～9月來水量占全年的79.49%，枯水期（11月～次年3月）5個(gè)月的來水量僅占全年來水量的約12%～13%。

1.3 新疆水利水電工程施工特點(diǎn)

受新疆氣候條件和水文特性的制約，水利水電工程工期安排一般是：汛期過后9月份河道截流， 11月份進(jìn)入冬季，第二年4月份可正常施工，5月份進(jìn)入桃花汛，6月份進(jìn)入主汛期，河道截流后到第二年汛前有效施工工期較短。

表1 庫克蘇水文站多年平均氣溫特征 單位：℃

1.4 水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范對施工期環(huán)境溫度的要求

DL/T5363—2006《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》規(guī)定，碾壓式瀝青混凝土防滲墻正常施工的氣象條件為：氣溫在0℃以上，非降雨降雪時(shí)段，風(fēng)力不大于4級。氣溫在-5～0℃時(shí)，屬于低溫施工，選擇環(huán)境溫度在0℃以上的時(shí)段進(jìn)行施工，碾壓式心墻施工氣溫宜不低于-5℃。由于冬季嚴(yán)寒且時(shí)間長，每年 11月至次年 3月有 5個(gè)月時(shí)間平均氣溫有可能低于0℃，每年有效施工工期較短。

1.5 研究庫什塔依水電站工程碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季施工的必要性

根據(jù)工程的具體特點(diǎn)及當(dāng)?shù)貧庀髼l件，大壩工期安排考慮冬季施工與冬季不施工2個(gè)方案，工期分析如下：

（1）碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季施工方案：2009年10月1日開工，總工期 33個(gè)月，2011年10月1日下閘蓄水， 2011年12月中旬機(jī)組開始發(fā)電，2012年5月初（汛前）4臺(tái)機(jī)組發(fā)電，且維持高水位運(yùn)行。

（2）碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季不施工方案：2009年10月1日開工，總工期39個(gè)月，2012年7月1日下閘蓄水，2012年8月初水庫蓄水至死水位后，機(jī)組開始發(fā)電，由于是在汛期，在大壩未全部完工的情況下，水庫只能維持低水位運(yùn)行。

碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季施工方案與冬季不施工方案相比，發(fā)電工期提前8個(gè)半月，更重要的是 2012年汛期，冬季施工方案可以在正常蓄水位 4臺(tái)機(jī)組發(fā)電運(yùn)行，多發(fā)電 2.36億度，可取得較大的發(fā)電效益。

2 碾壓式瀝青混凝土心墻在寒冷地區(qū)冬季施工的工程經(jīng)驗(yàn)

瀝青混凝土心墻在寒冷地區(qū)冬季施工主要有澆筑法和碾壓法。DL/T 5411－2009《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》適用范圍規(guī)定：對寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)壩高大于30m小于50m的土石壩，可采用澆筑式瀝青混凝土心墻設(shè)計(jì)；當(dāng)壩高超過50m時(shí)，應(yīng)作專門論證。庫什塔依水電站攔河壩最大壩高91.6m，為碾壓式瀝青混凝土心墻壩。

碾壓式瀝青心墻通常不會(huì)離析分層，施工質(zhì)量易控制，工程應(yīng)用已有50多年經(jīng)驗(yàn)，研究也比較成熟，在冬季低溫條件下施工的工程實(shí)例如下：

（1）甘肅黨河瀝青心墻壩。黨河水庫瀝青心墻砂礫壩設(shè)計(jì)最大壩高70m，分兩期施工，壩址處歷年最低溫度-28.5℃，多年平均溫度約10℃。一期壩高58m，全部采用人工施工，為了加快施工進(jìn)度，在冬季寒冷季節(jié)也進(jìn)行了施工，1973年12月下旬午夜至黎明，最低氣溫-16～-18℃，工作面測定最低溫度為-10～-13℃。熱瀝青混合料攤鋪和整平厚度為12～15cm，先用人工穿著皮靴初步踩踏實(shí)，再用木刮子整平，然后用8～12 kg的鐵杵子夯實(shí)。黨河碾壓式瀝青混凝土心墻土石壩一期工程1974年完建至今35年，二期加高工程1994年完建至今15年，觀測表明碾壓式瀝青混凝土心墻運(yùn)行良好。

（2）四川冶勒瀝青混凝土心墻壩。冶勒碾壓式瀝青混凝土堆石壩，根據(jù)工程施工進(jìn)度安排，瀝青混凝土心墻需在低溫、雨季和夜間施工。2004年 1月 15日在-3～-6℃低溫環(huán)境條件下進(jìn)行試鋪，瀝青混凝土的配合比與正常氣溫條件下的配合比一樣，即瀝青含量為6.3%（總重比）。施工時(shí)采取保溫或加溫措施，對低溫條件下的試鋪心墻進(jìn)行取芯樣檢測，各種性能滿足設(shè)計(jì)要求。瀝青心墻的施工氣溫限制條件下降到-5℃，冶勒瀝青心墻壩2005年完建，工程運(yùn)行正常。

（3）挪威Storglomvatn瀝青混凝土心墻壩。主壩Storglomvatn（壩高125m）和副壩Holmvatn（壩高56m）位于挪威北部北極圈以北25km處。瀝青心墻壩每年施工從5月或6月一直施工到大雪再次封山前的 10月。在 10月份氣溫降低到-10～-15℃時(shí)，瀝青心墻施工照常進(jìn)行，只不過瀝青混合料在運(yùn)輸中進(jìn)行了保溫，攤鋪機(jī)對下層瀝青混凝土表面用紅外線進(jìn)行了加熱。兩座大壩1997年竣工至今，觀測表明兩個(gè)心墻不透水。

從以上幾個(gè)工程實(shí)例可知，通過對低溫瀝青混凝土配合比和施工工藝研究，在氣溫-25℃條件下實(shí)現(xiàn)碾壓式瀝青心墻施工是完全有可能的。

3 瀝青混凝土在環(huán)境氣溫-25℃條件下的試驗(yàn)研究

碾壓式瀝青混凝土心墻能否冬季施工，設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是瀝青混凝土層間結(jié)合的質(zhì)量是否安全可靠。為了使碾壓式瀝青混凝土在冬季氣溫-25℃施工時(shí)各種性能滿足設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)通過配合比試驗(yàn)研究，選擇適合冬季低溫施工的配合比，并進(jìn)行-25℃低溫條件下的施工工藝模擬驗(yàn)證試驗(yàn)，研究瀝青混凝土的分離度、層間結(jié)合性能、壓實(shí)效果、接合面滲透性、瀝青混凝土物理力學(xué)特性和瀝青混凝土施工質(zhì)量等各種性能。

瀝青采用克拉瑪依 AH-90重交通瀝青，粗骨料采用灰?guī)r加工制備，細(xì)骨料采用混凝土細(xì)骨料，填料從附近水泥廠購買。骨料最大粒徑19mm，礦料級配指數(shù)為0.38，填料濃度為1.8。瀝青含量分別為7%、7.5%、8%、8.5%、9.0%。室內(nèi)瀝青混凝土試件孔隙率控制標(biāo)準(zhǔn)為孔隙率≤3%，進(jìn)行不同配合比的瀝青混凝土特性研究及冬季低溫-25℃條件下工藝性模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)成果如下：

（1）當(dāng)瀝青含量大于 8%時(shí)，瀝青混凝土很容易壓密實(shí)。

（2）擊實(shí)瀝青混凝土試件的分離度在1±2%之間，沒有產(chǎn)生分離、密度不均勻現(xiàn)象。

（3）觀測表明，上層瀝青混凝土密實(shí)，上層與下層瀝青混凝土的結(jié)合良好。

（4）劈裂試驗(yàn)表明，試件上部和下部的劈裂強(qiáng)度和變形沒有明顯區(qū)別，結(jié)合面和非結(jié)合面的強(qiáng)度和變形性能沒有明顯區(qū)別。

（5）對采用不同配合比模擬低溫施工工藝的瀝青混凝土試塊結(jié)合面，用日本專利滲氣儀對39個(gè)切割塊的瀝青混凝土結(jié)合縫進(jìn)行了結(jié)合面的防滲性測定。除瀝青含量為 7%(油石比)的 9個(gè)切割塊中3個(gè)結(jié)合縫部位有滲氣外，其它配合比瀝青混凝土試塊的結(jié)合面都滿足防滲性要求。

（6）模擬低溫施工工藝的瀝青混凝土試塊的結(jié)合面和非結(jié)合面的 78個(gè)芯樣的孔隙率都滿足規(guī)范對心墻孔隙率≤3%的要求。瀝青含量為 7%的芯樣孔隙率小于 3%，瀝青含量為 7.5%的芯樣孔隙率小于2.5%，瀝青含量為8%和8.5%的芯樣孔隙率小于2%，表明瀝青含量越大，防滲性越好。

4 庫什塔依水電站碾壓式瀝青混凝土心墻壩設(shè)計(jì)及施工情況

4.1 壩體輪廓設(shè)計(jì)

庫什塔依水電站大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高91.6m，壩頂高程1307.60m，壩頂寬 10.0m，壩頂長 444.00m，上游壩坡1:2.25，上游圍堰與壩體相結(jié)合，下游壩坡1:1.8，并設(shè)“之”字形上壩公路，下游壩坡平均為 1:2.14。上游壩坡采用現(xiàn)澆 C20混凝土板護(hù)坡，板厚25cm；下游壩坡采用混凝土網(wǎng)格梁，填土種草。

4.2 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壩體填筑從上游至下游分為上游砂礫料區(qū)、上游過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游過渡料區(qū)、下游砂礫料區(qū)及下游排水棱體。瀝青混凝土防滲體采用直立的碾壓式瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，瀝青混凝土心墻軸線在壩軸線上游 3.0m處，心墻采用上窄下寬布置，心墻頂寬 0.4m，底寬 0.8m，厚度采用臺(tái)階式漸變，與基座連接處心墻厚度由0.8m臺(tái)階式漸變至 2m。心墻基座采用混凝土結(jié)構(gòu)，厚 0.8m，寬 4.0m。瀝青混凝土心墻與混凝土底座之間的接觸面上設(shè)止水銅片和砂質(zhì)瀝青瑪蹄脂，砂質(zhì)瀝青瑪蹄脂層厚 10.0mm，止水銅片厚1.0mm。過渡層設(shè)在瀝青混凝土心墻兩側(cè)，水平寬度上、下游均為2.0m。最大粒徑為80mm，小于5mm粒徑含量為25%～40%，小于0.075mm粒徑含量小于5%。滲透系數(shù)不應(yīng)小于10-3cm/s，碾壓后相對緊密度Dr≥0.85。壩殼料采用天然砂礫料填筑，碾壓后相對緊密度Dr≥0.85。瀝青混凝土心墻頂部與壩頂防浪墻緊密結(jié)合，瀝青混凝土心墻、混凝土底座連同基巖防滲帷幕，形成一道完整的防滲體系。心墻壩剖面圖見圖1。

4.3 瀝青混凝土原材料及施工配合比

圖1 瀝青混凝土心墻壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

采用克拉瑪依AH-90重交通瀝青，粗骨料采用灰?guī)r加工制備，采用混凝土細(xì)骨料，填料從附近水泥廠購買。經(jīng)冬季低溫-25℃條件下工藝性模擬試驗(yàn)，確定瀝青混凝土配合比見表2。

表2 正常氣溫碾壓瀝青混凝土心墻和冬季微壓瀝青混凝土心墻材料和配合比

4.4 壩基處理設(shè)計(jì)

碾壓式瀝青混凝土防滲心墻和過渡層建基于弱風(fēng)化巖面上，對瀝青混凝土心墻基座下的基巖進(jìn)行灌漿，布置兩排固結(jié)灌漿孔和兩排帷幕灌漿孔。固結(jié)灌漿孔孔深 8m、孔距 3m。帷幕灌漿孔孔距2m，帷幕灌漿深度需伸入q≤3Lu的埋深界線以下3 m。

4.5 施工情況

2010年11月份河道截流后進(jìn)行壩基處理，2011年 10月份壩體全斷面填筑到防浪墻底高程，壩體升高90.0m，壩殼料填筑約482萬m3，碾壓式瀝青混凝土心墻澆筑1.94萬m3（含上游圍堰0.47萬m3），為工程蓄水發(fā)電創(chuàng)造了條件。

5 結(jié)論

（1）通過瀝青混凝土心墻冬季施工可行性專題論證研究，庫什塔依水電站碾壓式瀝青混凝土心墻采取冬季施工措施后，加快了施工進(jìn)度，發(fā)電工期可提前8個(gè)半月，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

（2）瀝青混凝土試驗(yàn)研究表明，當(dāng)瀝青含量大于 8%時(shí)，瀝青混凝土?xí)苋菀讐好軐?shí)，在冬季-25℃氣溫條件下瀝青混凝土上層與下層間結(jié)合良好，結(jié)合面和非結(jié)合面的密度（孔隙率）均勻，防滲性能滿足規(guī)范要求，碾壓式瀝青混凝土心墻可在冬季-25℃氣溫條件下施工。

（3）庫什依水電站工程碾壓式瀝青混凝土心墻壩的冬季施工，為西北寒冷地區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻壩的推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 庫什塔依水電站工程可行性研究報(bào)告.2010.

2 新疆伊犁庫克蘇河庫什塔依水電站工程瀝青混凝土心墻冬季施工可行性專題論證報(bào)告.西安理工大學(xué)水工瀝青防滲研究所. 2009.

3 新疆伊犁庫克蘇河庫什塔依水電站工程瀝青混凝土心墻材料及配合比試驗(yàn)報(bào)告.西安理工大學(xué)水工瀝青防滲研究所.2010.

4 新疆伊犁庫克蘇河庫什塔依水電站工程瀝青混凝土心墻砂礫石壩壩體靜動(dòng)力計(jì)算分析研究.中國水利水電科學(xué)研究院、水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室. 2011.

5 余勝祥.茅坪溪防護(hù)大壩瀝青混凝土心墻設(shè)計(jì).施工設(shè)計(jì)研究，1998.

6 李友華. 茅坪溪土石壩防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工綜述. 中國三峽建設(shè)，1998.

7 崔金鐵，吳杰.尼爾基水利樞紐工程主壩防滲型式確定.東北水利水電，2002（11）.

8 杜振坤等.水工瀝青混凝土防滲技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2007（6）.

9 何順賓等.冶勒水電站瀝青混凝土心墻堆石壩.水電站設(shè)計(jì)，2006.