新疆碾壓式瀝青混凝土心墻壩筑壩技術(shù)進(jìn)展

李 江,柳 瑩,何建新

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局,新疆 烏魯木齊 830000; 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)

新疆山區(qū)水庫建設(shè)近年來呈現(xiàn)迅速發(fā)展的趨勢(shì),根據(jù)水利發(fā)展相關(guān)規(guī)劃,2010—2030年規(guī)劃建設(shè)大中型水庫近百座,其中絕大多數(shù)是山區(qū)水庫。在山區(qū)水庫建設(shè)過程中,新疆高嚴(yán)寒、高海拔、高地震、深厚覆蓋層、多泥沙等特殊條件形成了以建設(shè)當(dāng)?shù)夭牧蠅螢橹鞯闹乌厔?shì)[1]。近年來瀝青心墻壩發(fā)展獨(dú)樹一幟,當(dāng)前正在建設(shè)中的瀝青心墻壩百米級(jí)高壩有尼雅水庫(壩高131 m)、大石門水庫(壩高128 m)、阿拉溝水庫(壩高105.26 m)、五一水庫(壩高102.5 m)、吉爾格勒德水庫(壩高101.5 m),2015年開工建設(shè)的大河沿水庫壩高僅為75 m,但混凝土防滲墻最大墻深186 m,屬世界第一深墻[2]。經(jīng)過20多年的發(fā)展,瀝青混凝土心墻砂礫石壩已成為土石壩中極具競爭力的壩型,針對(duì)特殊不良環(huán)境及地質(zhì)條件,在壩體結(jié)構(gòu)及抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、低溫季節(jié)施工技術(shù)與層間結(jié)合技術(shù)、心墻瀝青混凝土礫石骨料的應(yīng)用、深厚覆蓋層壩基防滲處理及壩體變形控制等方面不斷取得進(jìn)步,瀝青心墻壩建設(shè)取得了顯著的成就。

鑒于已建碾壓式瀝青心墻土石壩工程系統(tǒng)監(jiān)測資料較少,瀝青混凝土心墻壩檢查維修較為困難,部分工程運(yùn)行過程中也已暴露出一些問題,如壩體與基礎(chǔ)變形對(duì)瀝青心墻安全性的影響,大壩滲流與滲漏以及瀝青心墻施工缺陷等,因此及時(shí)進(jìn)行工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)是非常必要的。

筆者搜集整理了20多座已建、在建碾壓式瀝青心墻壩的設(shè)計(jì)和施工資料,結(jié)合筆者設(shè)計(jì)、審查、咨詢中所發(fā)現(xiàn)的有關(guān)技術(shù)問題,尤其是業(yè)界關(guān)心的百米級(jí)以上瀝青心墻壩的爭論,統(tǒng)計(jì)分析了壩體抗震設(shè)計(jì)參數(shù)、壩坡比、心墻與過渡層厚度、瀝青心墻配合比、填筑材料等設(shè)計(jì)施工試驗(yàn)指標(biāo),梳理了碾壓式瀝青混凝土心墻壩的筑壩技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展。

1 “三高一深一多”的筑壩條件

1.1 特殊的筑壩環(huán)境

新疆山區(qū)具有“高嚴(yán)寒、高海拔、高地震、深厚覆蓋層、多泥沙”的筑壩環(huán)境,俗稱“三高一深一多”,建設(shè)者們?cè)跒r青混凝土心墻壩理論研究和施工技術(shù)等方面不斷取得新進(jìn)展,使其成為當(dāng)前最具推廣應(yīng)用前景的當(dāng)?shù)夭牧蠅?很多關(guān)鍵技術(shù)和施工工藝都有所創(chuàng)新。如在覆蓋層厚150 m、海拔3 000 m的葉爾羌河上游建成了下坂地水庫瀝青心墻壩(壩高78 m),屬于高嚴(yán)寒、高海拔地區(qū)的典范工程;2013年在多年平均氣溫3℃的高嚴(yán)寒地區(qū)建成了克孜加爾瀝青心墻壩(壩高64 m);擬建的尼雅水庫瀝青心墻壩壩高達(dá)131 m,所在河流多年平均含沙量(質(zhì)量濃度,下同)高達(dá)10.9 kg/m3。該區(qū)2014年完工的定居興牧水源工程就有15座為瀝青混凝土心墻壩[3]。

1.2 高嚴(yán)寒地區(qū)建壩

新疆南疆、北疆氣候差異很大,在溫度、濕度、風(fēng)力、太陽輻射等方面有很大區(qū)別,北疆相對(duì)更加寒冷。筑壩區(qū)海拔2 000 m以上的南疆山區(qū)及北疆大部分地區(qū)均處于嚴(yán)寒區(qū),氣候條件極其惡劣。獨(dú)特的地質(zhì)、水文、氣候條件形成了該區(qū)“冷、熱、風(fēng)、干”這四大特點(diǎn)。以北疆富蘊(yùn)縣為例,“冷”主要表現(xiàn)為冬季氣溫低,持續(xù)時(shí)間長,溫度低于0℃多達(dá)5個(gè)月之久,多年平均氣溫為2.7℃,12月至次年2月多年月平均氣溫在-20℃以下;“熱”主要表現(xiàn)為夏季氣溫高,太陽輻射強(qiáng),蒸發(fā)強(qiáng)烈,持續(xù)高溫期集中在6—8月;“風(fēng)”主要表現(xiàn)為風(fēng)力強(qiáng)勁,年平均大風(fēng)日數(shù)為33 d,7月平均風(fēng)速最大,為20.2 m/s,多年平均最大風(fēng)速為25 m/s;“干”主要指空氣干燥,相對(duì)濕度低,其中4—9月平均相對(duì)濕度低于50%。過冷、過熱、大風(fēng)、干燥的氣候條件對(duì)工程施工及質(zhì)量控制的影響是顯而易見的。

1.3 高地震地區(qū)建壩

新疆及其鄰區(qū)是地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造應(yīng)力場多樣化的地區(qū)之一,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,地震頻繁發(fā)生,北疆的富蘊(yùn)、精河、昭蘇、烏魯木齊,南疆的烏恰、伽師、于田、庫車等均是比較有名的地震頻發(fā)地帶。新疆地震斷裂帶多,大致分為三大片,即北部阿勒泰斷裂帶、中部帕米爾高原-天山南北地震帶和南部昆侖山斷裂帶。20世紀(jì),新疆發(fā)生6級(jí)以上地震102次,7級(jí)以上地震12次,其中8級(jí)大震2次[4-5]。該區(qū)2010年在克州烏恰建成的開普太希水庫(瀝青心墻壩,高48.4 m)地震基本烈度達(dá)到Ⅸ度。在建的大石門水庫、石門水電站、五一水庫、吉爾格勒德水庫等百米級(jí)以上瀝青心墻壩地震烈度均為Ⅷ度[6]。

1.4 高海拔地區(qū)建壩

在高海拔地區(qū)(一般指海拔2 000 m以上)進(jìn)行水利水電工程施工,其受氣候、地理環(huán)境的限制因素較多,對(duì)水利工程質(zhì)量控制及投資控制均帶來了很多困難。因高海拔地區(qū)大氣壓力較低,供氧量不足,形成了低氧、寒冷、干燥、紫外線強(qiáng)、氣候多變等特點(diǎn),對(duì)作業(yè)人員的體力造成嚴(yán)重影響,并誘發(fā)各種高原疾病。下坂地水庫壩頂海拔近3 000 m,工程區(qū)地處帕米爾高原,自然條件惡劣,地質(zhì)條件復(fù)雜,在認(rèn)真吸取國內(nèi)外類似工程成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,參加工程的建設(shè)者們提出了符合工程實(shí)際的方案和措施,成功應(yīng)對(duì)了高原氣候給工程建設(shè)帶來的挑戰(zhàn)[7-8]。

1.5 深厚覆蓋層上建壩

新疆山區(qū)主要建壩河流覆蓋層厚度一般為數(shù)十米至百余米,尤其在昆侖山、天山區(qū)域,河谷深切使覆蓋層巨厚,如新疆下坂地水庫壩址區(qū)河床覆蓋層厚150 m。深厚覆蓋層的存在對(duì)壩址、壩型的選擇是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)[9]。深厚覆蓋層壩基防滲一般多采用垂直防滲墻或倒掛井施工技術(shù)。已建的下坂地水庫壩基河床覆蓋層主要由沖積砂礫石層、湖積軟黏土層、土砂層、冰磧及冰水積層組成,滲透系數(shù)為10-1cm/s,采用“上墻下幕”垂直防滲形式,防滲墻深85 m、厚1 m,灌漿帷幕深70 m,布置4排灌漿孔。工程建設(shè)觀測資料表明,成墻質(zhì)量和帷幕灌漿質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)對(duì)壩基滲流控制預(yù)期目標(biāo)的要求[10-14]。

1.6 多泥沙河流建壩

新疆中小河流較多,流程較短,縱坡較大,由于上游植被條件差、水土流失嚴(yán)重,造成水流含沙量高、洪水陡漲陡落和泥沙危害等問題。南疆河流含沙量普遍較大,如葉爾羌河含沙量為4.35 kg/m3,蓋孜河含沙量為6.2 kg/m3;北疆河流大多較小,阿勒泰和伊犁等地區(qū)的河流含沙量相對(duì)較小,如布爾津河含沙量僅為0.066 kg/m3,但天山北坡河流含沙量較大,如瑪納斯河含沙量為4.35 kg/m3。在多泥沙河流上修建水利工程,泥沙問題往往會(huì)對(duì)工程壽命及安全運(yùn)行造成極大影響。在多泥沙河流上建壩應(yīng)根據(jù)泥沙特點(diǎn),認(rèn)真研究減少水庫淤積的措施,盡可能減少進(jìn)入供水隧洞(管道)及發(fā)電引水建筑物的泥沙,提高工程使用壽命。

表1 新疆碾壓式瀝青混凝土心墻壩典型工程

2 新疆碾壓式瀝青混凝土心墻壩建設(shè)及技術(shù)進(jìn)展

2.1 建設(shè)進(jìn)展

新疆山區(qū)早在20世紀(jì)70年代就在水利工程領(lǐng)域引進(jìn)了瀝青防滲技術(shù),進(jìn)入90年代,我國瀝青品質(zhì)顯著提高,促進(jìn)了瀝青防滲技術(shù)的發(fā)展,瀝青混凝土在新疆壩工建設(shè)中進(jìn)入了一個(gè)新的歷史時(shí)期。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì),當(dāng)前新疆瀝青心墻壩已建、在建的澆筑式和碾壓式瀝青心墻壩近百座,表1統(tǒng)計(jì)了近年來已建和在建的20座碾壓式瀝青心墻壩工程,其中壩高大于100 m的就有8座。大石門水庫瀝青心墻壩壩高128 m,是目前水利行業(yè)在建最高瀝青心墻壩;正在開展前期工作的尼雅水庫瀝青心墻壩壩高達(dá)131 m。百米級(jí)瀝青心墻高壩的心墻變形、壩體防滲體系、壩基防滲技術(shù)等問題面臨更大挑戰(zhàn)[12-25]。

隨著工程建設(shè)的不斷推進(jìn),百米級(jí)瀝青混凝土力學(xué)性能研究技術(shù)、過渡層與瀝青同步上升施工技術(shù)、心墻瀝青混凝土礫石骨料筑壩技術(shù)、冬季低溫施工技術(shù)、150 m級(jí)超深覆蓋層防滲技術(shù)不斷取得突破創(chuàng)新,對(duì)多座水庫滲漏、變形等的觀測表明,瀝青心墻運(yùn)行情況良好。

2.2 壩體與心墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展

表2統(tǒng)計(jì)了20座已建、在建碾壓式瀝青心墻壩的設(shè)計(jì)參數(shù)。工程實(shí)踐表明,碾壓式瀝青心墻壩壩體設(shè)計(jì)與黏土心墻壩基本相同,由于瀝青防滲心墻的特殊性,使得筑壩材料分區(qū)設(shè)計(jì)與黏土心墻壩、面板堆石壩相比更為容易,一般不需要設(shè)置反濾層和單獨(dú)的排水體,僅需在心墻上下游設(shè)置厚1.5～3 m的過渡層,根據(jù)壩料級(jí)配情況,個(gè)別工程也采取了2層過渡層,如吉爾格勒德水庫、坎爾其水庫。壩體填筑材料來源也更為豐富,大多采用河床砂礫石筑壩,壩后干燥區(qū)部分利用開挖石渣料填筑。

從表2可知,防滲心墻厚度一般僅為0.5～1.2 m左右,多數(shù)以等厚度或?qū)⒉煌叱潭芜M(jìn)行分級(jí)厚度布置,其迎水面為直立形式;百米級(jí)高壩一般在高度上設(shè)置3～4個(gè)變化層次,級(jí)差0.2 m左右;50 m以上的壩主要采用碾壓式瀝青心墻,50 m以下的壩一般多采用澆筑式瀝青心墻。心墻底部基礎(chǔ)與混凝土基座連接一般采用臺(tái)階式放大腳形式,部分工程采用了T形過渡連接形式。目前新疆山區(qū)已經(jīng)建設(shè)的各類瀝青心墻壩基于施工方便均采取直心墻方式,還沒有工程考慮軸線向上游凸起的設(shè)計(jì)形式[13]。

表2 新疆碾壓式瀝青混凝土心墻壩典型工程設(shè)計(jì)參數(shù)

注:表中部分水庫設(shè)計(jì)了2層過渡層,M+N代表設(shè)計(jì)為2層;Dmax為過渡層最大粒徑。

2.3 心墻力學(xué)性能與耐久性研究進(jìn)展

盡管新疆瀝青心墻壩發(fā)展極為迅速,但也存在不少問題,尤其是百米級(jí)以上瀝青心墻高壩的建設(shè)爭論不休,150 m級(jí)目前還處于研究階段。新疆地處氣候干燥炎熱區(qū),冬季漫長,有效施工期較短,已經(jīng)建設(shè)的近百座瀝青心墻壩,目前還沒有發(fā)現(xiàn)因?yàn)樾膲ψ冃味鴮?dǎo)致的壩體滲水、漏水問題。表3統(tǒng)計(jì)了13座已建典型碾壓式瀝青心墻壩的瀝青混凝土力學(xué)參數(shù),從表3可知,最大骨料粒徑19～20 mm;級(jí)配指數(shù)多在0.38～0.40之間;填料量多在11%～13%之間;油石比多在6.6%左右。早期修建的瀝青心墻壩大多采用灰?guī)r骨料,近年來由于礫石骨料開采加工方便,造價(jià)相對(duì)較低,部分瀝青心墻壩采用了礫石骨料,且已建工程還未發(fā)現(xiàn)由礫石骨料配制的瀝青混凝土出現(xiàn)質(zhì)量問題,其應(yīng)用正不斷向百米級(jí)高壩突破。從已建的坎爾其水庫、石門水電站等工程的滲漏及變形等觀測資料分析得出心墻運(yùn)行性態(tài)良好[1]。

針對(duì)瀝青心墻壩壩體的變形情況和抗震要求,需要進(jìn)行心墻與壩體的相互作用研究,為選擇瀝青混凝土配合比提供依據(jù)。對(duì)百米級(jí)高壩而言,瀝青心墻在壩體中的穩(wěn)定至關(guān)重要,如果心墻穩(wěn)定性能不佳,變形過大,則可能會(huì)導(dǎo)致心墻結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,影響其抗?jié)B性能。碾壓式瀝青混凝土變形模量較大,強(qiáng)度較高,易于維持自身穩(wěn)定,但過大的變形模量對(duì)承受地震動(dòng)作用不利[13]。

2.4 礫石骨料應(yīng)用研究進(jìn)展

新疆天然礫石分布范圍廣,多數(shù)屬非堿性巖石,在心墻瀝青混凝土中充分使用天然礫石骨料成為水利界關(guān)注的熱點(diǎn)。多個(gè)工程的研究成果表明:瀝青混凝土心墻與瀝青混凝土路面工作性狀不同,沒有交通荷載的往復(fù)剝蝕和強(qiáng)烈的風(fēng)化作用[15];礫石骨料與瀝青黏附性雖差,但通過摻加抗剝落劑等工程措施可有效改善瀝青混凝土的水穩(wěn)定性[16]。

五一水庫大壩圍堰心墻瀝青混凝土采用礫石骨料,以水泥作填料又兼作提高骨料黏附性的措施,通過惡化試驗(yàn)條件的方法(如延長浸水時(shí)間、提高浸水溫度、增加凍融次數(shù)等)系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了水泥對(duì)心墻瀝青混凝土水穩(wěn)定性的改善作用[17]。近期建設(shè)的烏蘇市特烏勒水庫(最大壩高65 m)、吉木薩爾縣水溪溝水庫(最大壩高55.3 m)、呼圖壁縣齊古水庫(最大壩高50.0 m)及青河縣喀英德布拉克水庫(最大壩高59.6 m)均應(yīng)用了五一水庫的研究成果。

表3 新疆典型碾壓式瀝青混凝土力學(xué)性能

表4 奴爾水庫不同酸性填料用量下瀝青混凝土各級(jí)礦料的質(zhì)量百分比

策勒縣奴爾水庫心墻瀝青混凝土采用了破碎礫石骨料,針對(duì)填料進(jìn)行了更為深入的研究：對(duì)天然砂礫石作為瀝青混凝土骨料進(jìn)行了瀝青混凝土的水穩(wěn)定性、間接拉伸、小梁彎曲、單軸壓縮、滲透、靜三軸、動(dòng)三軸及耐久性試驗(yàn)。研究表明:①采用新疆克拉瑪依90號(hào)及庫車90號(hào)瀝青、以呈酸性的天然砂礫石(堿度模數(shù)M=0.21)為骨料,推薦的瀝青混凝土配合比的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)能夠滿足碾壓式瀝青混凝土心墻的技術(shù)要求;②摻加抗剝落劑的破碎砂礫石骨料瀝青混凝土長期耐久性能與灰?guī)r骨料瀝青混凝土接近;③當(dāng)酸性填料替代灰?guī)r填料摻量增加到6%時(shí),抗彎強(qiáng)度及撓跨比下降幅度明顯增大,對(duì)瀝青混凝土受拉應(yīng)力情況下的耐久性能有不利影響，施工過程中需要嚴(yán)格控制。表4給出了奴爾水庫不同酸性填料用量下瀝青混凝土各級(jí)礦料的質(zhì)量百分比,從中可以看出,酸性填料增加,則抗剝落劑摻量也相應(yīng)增加,考慮施工的波動(dòng)性,為保證工程施工質(zhì)量,加快施工進(jìn)度,抗剝落劑摻量統(tǒng)一采用0.5%[18]。

2.5 低溫季節(jié)施工與層間結(jié)合技術(shù)進(jìn)展

針對(duì)新疆地區(qū)冬季氣候條件低溫、多雪、大風(fēng)及早晚溫差較大的特點(diǎn),研究表明碾壓式瀝青心墻在配合比和施工工藝上采取一定的措施后可在低溫條件下施工,不僅可以縮短工程建設(shè)時(shí)間,而且可以提前發(fā)揮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。近幾年建設(shè)的下坂地水庫、克孜加爾水庫、阿拉溝水庫、庫什塔依水電站瀝青心墻壩在快速筑壩、心墻與壩體冬季施工、層間結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)研究上取得了長足進(jìn)步,瀝青自動(dòng)化控制拌和站、過渡料與心墻聯(lián)合攤鋪設(shè)備以及先進(jìn)的檢測手段得到成功應(yīng)用。

阿拉溝水庫工程為滿足施工期防洪度汛高程要求需適當(dāng)延長施工工期,對(duì)適合低溫季節(jié)施工的瀝青混凝土配合比進(jìn)行了研究,并對(duì)心墻瀝青混凝土低溫施工(最低溫度達(dá)到-17℃)的結(jié)合面溫度控制進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),通過現(xiàn)場鉆取芯樣的試驗(yàn)結(jié)果分析,瀝青混凝土各項(xiàng)物理、力學(xué)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,為寒冷區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻的施工提供了依據(jù)[19]。隨后庫什塔依水電站在環(huán)境溫度-16～-5℃、風(fēng)力3級(jí)的極端寒冷氣候條件下,以碾壓式瀝青混凝土室內(nèi)-25℃條件下配合比試驗(yàn)研究為基礎(chǔ),進(jìn)行了室內(nèi)外的各項(xiàng)試驗(yàn)研究工作。為滿足冬季施工要求,配合比中瀝青含量有所增加,但增幅不大,其他配合比參數(shù)不變。結(jié)果表明:瀝青心墻上、下層面結(jié)合良好,結(jié)合面和非結(jié)合面的密度均勻,防滲性能滿足規(guī)范要求[20]。

2.6 深厚覆蓋層壩基防滲處理技術(shù)進(jìn)展

新疆山區(qū)深厚覆蓋層壩基防滲一般采用垂直防滲墻或倒掛井施工技術(shù)。對(duì)于大多數(shù)大壩工程,一般均采用防滲墻至基巖,基巖下再接帷幕進(jìn)行基礎(chǔ)防滲處理,如吉爾格勒德水庫、二塘溝水庫、奴爾水庫等。下坂地水庫壩基覆蓋層深達(dá)150 m,受當(dāng)時(shí)施工技術(shù)的限制,經(jīng)研究采用了防滲墻(85 m)和帷幕灌漿(70 m)組合的防滲形式。大河沿水庫壩基防滲墻設(shè)計(jì)最大深度186 m,可參照的實(shí)例甚少,目前建成的是西藏旁多水利樞紐工程158 m防滲墻(試驗(yàn)段201 m)。大河沿水庫大壩防滲線總長度711 m,兩岸坡采用混凝土防滲墻結(jié)合帷幕灌漿防滲,河床深厚覆蓋層采用封閉式混凝土防滲墻防滲方案。帷幕灌漿采用單排,孔距2 m,深入5 Lu線以下5 m;混凝土防滲墻厚度1 m,深入下部基巖1 m,最大墻深186 m。

通過對(duì)國內(nèi)外深厚覆蓋層上建壩經(jīng)驗(yàn)、防滲方案比選和有關(guān)計(jì)算分析,大河沿水庫大壩采用瀝青混凝土心墻砂礫石壩、壩基深厚覆蓋層采用封閉式防滲墻防滲方案是可行的。與帷幕灌漿、高壓旋噴等覆蓋層基礎(chǔ)處理措施相比,混凝土防滲墻適應(yīng)各種地層的變形能力較強(qiáng),防滲性能好。通過對(duì)壩址區(qū)三維滲流分析可知,壩址區(qū)滲流場的分布規(guī)律明確,浸潤面在瀝青混凝土心墻上下游形成突降,防滲效果顯著[21]。

3 未來技術(shù)展望

3.1 心墻與過渡料的相互作用

瀝青心墻的剛度小于壩殼料和過渡料的剛度,心墻的滲透系數(shù)在10-8cm/s數(shù)量級(jí),具備低透水性,所有這些因素均將導(dǎo)致在防滲心墻中產(chǎn)生拱效應(yīng),甚至發(fā)展為水力劈裂。隨著新疆山區(qū)瀝青混凝土心墻壩的迅速發(fā)展,眾多的百米級(jí)大壩正在興建,其最高者已達(dá)130 m(尼雅水庫、巴木墩水庫等),隨著壩高的增加,拱效應(yīng)作用更強(qiáng)烈,產(chǎn)生水力劈裂風(fēng)險(xiǎn)的可能性更大。長江科學(xué)院的研究表明[13],作為大壩防滲體,瀝青混凝土心墻的安全穩(wěn)定和完整至關(guān)重要,安全穩(wěn)定的關(guān)鍵是確保心墻和過渡料之間的變形協(xié)調(diào),防止附加壓應(yīng)力過大導(dǎo)致心墻防滲性能降低。

當(dāng)前新疆山區(qū)正在結(jié)合吉爾格勒德水庫、大石門水庫、尼雅水庫的建設(shè),通過試驗(yàn)求取各模型的計(jì)算參數(shù),利用多種應(yīng)力-應(yīng)變模型對(duì)依托工程進(jìn)行計(jì)算分析,并對(duì)安全檢測資料進(jìn)行對(duì)比,以進(jìn)一步評(píng)價(jià)心墻與過渡料的相互作用。

3.2 配合比及高應(yīng)力條件下的材料性狀

瀝青混凝土的工程性質(zhì)完全取決于其材料配合比,它又控制著瀝青混凝土心墻的工作性狀。但其力學(xué)指標(biāo)(如小梁彎曲、抗壓強(qiáng)度等)是在確定了配合比以后的試驗(yàn)“記錄值”,當(dāng)前并沒有將其作為瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)的控制指標(biāo),在研究瀝青心墻的工程性狀時(shí)也無直接使用意義。這種情況顯然不符合作為受力材料的瀝青混凝土的要求。為此,需要研究配合比對(duì)瀝青混凝土工程性質(zhì)的影響以及瀝青混凝土在高應(yīng)力條件下的材料性狀,在壩高不斷增加的趨勢(shì)下,瀝青混凝土材料的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)大壩應(yīng)力-應(yīng)變的影響程度需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究[13]。

3.3 長期水穩(wěn)定影響機(jī)制

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定,當(dāng)瀝青混凝土采用酸性骨料時(shí),必須進(jìn)行試驗(yàn)研究和論證。室內(nèi)外試驗(yàn)和實(shí)踐結(jié)果表明,采用消石灰等對(duì)酸性骨料處理后,骨料與瀝青的黏附性顯著增強(qiáng),長期水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。采用天然砂礫石作為骨料的工程其運(yùn)行工況尚未見到有異常情況的報(bào)道。水工瀝青混凝土中瀝青含量高于公路瀝青混凝土,滲透系數(shù)很小,水分進(jìn)入瀝青混凝土內(nèi)部的可能性極小,再加上合理選擇礦粉種類、抗剝離劑等,使用酸性骨料和天然砂礫石作為水工混凝土的骨料是可行的,但需要注意填料成分對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能的影響[17]。

通過五一水庫、奴爾水庫的應(yīng)用研究,尼雅水庫等百米級(jí)以上的高壩還需進(jìn)一步研究骨料顆粒界面與瀝青黏附強(qiáng)度試驗(yàn),探明礫石骨料與瀝青的黏附性規(guī)律,提出增強(qiáng)骨料黏附性的工程措施和評(píng)價(jià)依據(jù);通過瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗(yàn),探索采用天然礫石骨料的瀝青混凝土在高水頭長期作用下的水損壞作用機(jī)制,完善心墻瀝青混凝土長期水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法。

3.4 建基面灌漿廊道的設(shè)置

早期的百米級(jí)瀝青心墻壩均考慮設(shè)置底部灌漿廊道：一是方便灌漿施工；二是便于檢修。當(dāng)前新疆山區(qū)修建的下坂地大壩設(shè)置了灌漿廊道,其他百米級(jí)以上高壩均沒有考慮。在深厚覆蓋層上修建瀝青心墻壩,如果采用懸掛式防滲墻加帷幕灌漿方案,由于復(fù)雜的河谷地形及上部壩體自重與水壓力的作用,可能不利于混凝土防滲墻墻體與瀝青混凝土心墻的受力條件,為了保證施工工期則需要在防滲墻上設(shè)置專門的灌漿廊道,但設(shè)置廊道可能存在由于防滲墻復(fù)雜的變形分布使得廊道受力條件惡化的問題[10]。因此對(duì)于百米級(jí)高壩是否設(shè)置灌漿廊道應(yīng)引起足夠重視。

3.5 150 m級(jí)高壩建設(shè)展望

已經(jīng)建設(shè)的土爾其Cetin壩,壩高165 m,為世界最高的瀝青心墻土石壩,埃塞俄比亞Zarema壩壩高 152 m，是當(dāng)?shù)氐谝蛔鶠r青心墻壩。我國在建的最高瀝青心墻壩為四川碩曲河去學(xué)水電站大壩,壩高165.2 m,受地形條件限制,底部狹窄河槽設(shè)置了重力式基座,心墻最大高度為132 m,在建的新疆大石門瀝青心墻壩壩高128 m。

目前新疆山區(qū)新建和待建工程多位于偏遠(yuǎn)高山峽谷,工程地形地質(zhì)條件復(fù)雜,自然環(huán)境較為惡劣,選定壩址多分布有豐富砂礫石、堆石料源,兩岸具備布置泄洪建筑物條件。經(jīng)多種壩型樞紐布置比選論證,考慮到混凝土面板和瀝青防滲土石壩施工質(zhì)量控制與工藝日趨成熟,兩種壩型的比較引起各方的高度關(guān)注。瀝青混凝土心墻土石壩在設(shè)計(jì)方案比選中已成為一種競爭性很強(qiáng)的壩型,已具備了開展大規(guī)模建設(shè)瀝青混凝土防滲工程的基礎(chǔ)和條件。相信在各方的共同努力下,150 m級(jí)高瀝青混凝土心墻壩的建成指日可待。

已建工程運(yùn)行情況表明,壩高100 m級(jí)以下的瀝青混凝土心墻土石壩已具備較為成熟的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn);對(duì)100～150 m級(jí)的高壩應(yīng)認(rèn)真設(shè)計(jì)和注重施工質(zhì)量環(huán)節(jié)控制,對(duì)具有深厚覆蓋層基礎(chǔ)的高壩應(yīng)充分考慮地基變形對(duì)心墻和壩體變形的影響。鑒于瀝青混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性,壩高大于150 m的高壩瀝青混凝土材料的變形與蠕變性能、破壞機(jī)理及施工應(yīng)用技術(shù)仍處于進(jìn)一步研究和發(fā)展階段,尚缺乏較系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié) 語

多年來,新疆瀝青心墻土石壩的建設(shè)取得了豐碩的成果,建設(shè)數(shù)量多達(dá)百余座,僅規(guī)劃及在建百米級(jí)以上的就有8座,尼雅水庫、大石門水庫瀝青心墻壩均屬國內(nèi)水利行業(yè)最高壩,這些工程的建設(shè)有力地推動(dòng)了水利行業(yè)瀝青心墻土石壩的發(fā)展與進(jìn)步[22]。但這些技術(shù)進(jìn)步絕不是隨意“拍腦門”得來,均是在大量科學(xué)研究、反復(fù)實(shí)踐、穩(wěn)步推進(jìn)基礎(chǔ)上取得。在這些新技術(shù)的應(yīng)用和推廣中，仍存在一定疑慮需要認(rèn)真對(duì)待。

a. 百米級(jí)瀝青心墻防滲體是大壩防滲的核心,個(gè)別工程出現(xiàn)過心墻底座或壩肩結(jié)合部位的滲水問題,筆者曾處理過一個(gè)心墻底部漏水的工程,壩高僅30 m,采用了壩頂灌漿的措施。由于高壩心墻檢修極為困難,更應(yīng)加強(qiáng)心墻底座與壩基防滲或壩肩防滲結(jié)合部位的設(shè)計(jì)施工,確保工程安全。

b. 出于對(duì)“廊道必裂”的認(rèn)識(shí),大多數(shù)瀝青心墻壩底部一般不設(shè)檢修廊道,這就造成了一旦壩基防滲墻或心墻底座與防滲墻結(jié)合部位出現(xiàn)問題,難以檢修。對(duì)于瀝青心墻壩底部基座廊道設(shè)置問題,建議進(jìn)一步研究。

c. 新疆山區(qū)水庫大多有豐富的砂礫石料即礫石骨料,研究表明,這些骨料大多呈中性或略偏酸性,而傳統(tǒng)的灰?guī)r骨料一般來自水泥廠或自行加工開采,投資增加較多,建議認(rèn)真研究礫石骨料特性,尤其是當(dāng)填料中酸性石粉含量較多時(shí),應(yīng)從黏附性角度考慮摻加抗剝離劑的處理措施。

d. 實(shí)踐表明,在新疆山區(qū)苛刻的自然環(huán)境條件下,百米級(jí)以上的瀝青心墻壩是安全的。目前正在建設(shè)2座130 m量級(jí)的瀝青心墻壩,只要認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、精心設(shè)計(jì)、精心施工,未來突破150 m是完全有可能的。但國內(nèi)外百米級(jí)瀝青心墻高壩監(jiān)測資料較少,心墻變形與大壩協(xié)調(diào)變形仍缺乏足夠的說服力,這也是瀝青心墻壩難以突破150 m的原因。為打消業(yè)界對(duì)高土石壩采用瀝青心墻壩的疑慮,建議深入研究高震區(qū)基于心墻變形條件下的壩料分區(qū)設(shè)計(jì)及壩體協(xié)調(diào)變形問題。