西藏拉洛水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻室內(nèi)配合比試驗

付光均，向尚君

(1.西藏大唐扎拉水電開發(fā)有限公司，西藏 昌都 854000； 2.安蓉建設(shè)總公司，成都 611135)

0 引 言

瀝青混凝土防滲心墻以其結(jié)構(gòu)簡單、工程量小、施工速度快、防滲性能可靠、良好的適應(yīng)變形性能以及對產(chǎn)生裂縫具有一定的自愈能力，已越來越多地應(yīng)用于土石壩工程中[1-2]。近年來，以碾壓式瀝青混凝土心墻在西藏旁多水利樞紐首次應(yīng)用為起點，波堆水電站、恰央水庫、雅礱水庫、結(jié)巴水庫、甲瑪溝尾礦庫攔水壩都采用了碾壓式瀝青混凝土心墻作為防滲結(jié)構(gòu)，擬建的湘河水利樞紐、阿青水電站大壩也采用此類壩型，可以說碾壓式瀝青混凝土心墻在西藏高海拔地區(qū)越來越多地被應(yīng)用。

拉洛水利樞紐是雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲上的控制性工程，位于薩迦縣拉洛鄉(xiāng)下游約6 km處的峽谷進口河段。拉洛水庫總庫容2.917×108m3，正常蓄水位4 298.00 m，為大(Ⅱ)型水利工程。大壩為瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程為4 305.00 m，最大壩高61.50 m，壩長425.59 m。瀝青混凝土心墻頂高程4 303.00 m，底高程4 244.50 m，底部高5 m的瀝青混凝土心墻厚度由2.0 m漸變至1 m、其余心墻厚度由1 m變至0.6 m，瀝青混凝土共計14 616.2 m3，心墻兩側(cè)設(shè)置寬3 m的砂礫石過渡料，其典型斷面圖見圖1。

1 碾壓式瀝青混凝土配合比設(shè)計方法

碾壓式瀝青混凝土配合比設(shè)計主要確定瀝青用量及骨料級配組成，而骨料級配組成相對于瀝青用量而言，在瀝青混凝土配合比設(shè)計中更為關(guān)鍵。骨料級配組成主要有兩種方法：一是在推薦使用的級配范圍內(nèi)，選擇一條或幾條級配曲線作為礦料標準級配，再根據(jù)標準級配曲線確定各種礦料的配合組成，使合成級配盡可能與標準級配相近，如表1所推薦的連續(xù)密級配瀝青混凝土礦料級配和瀝青用量表[3]。

圖1 拉洛水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土心墻典型斷面圖

表1 連續(xù)密級配瀝青混凝土礦料級配和瀝青用量表

注：瀝青用量為油石比。

另一種方法為采用丁樸榮級配公式(以下簡稱丁氏公式)計算獲得骨料的標準級配，見式(1)，該公式為保羅米公式和比爾賓公式結(jié)合起來的全新級配公式。在實際工程應(yīng)用過程中，碾壓式瀝青混凝土礦料級配設(shè)計較多地選用丁氏公式。當D、P0.075確定時，礦料級配可通過級配指數(shù)n進行調(diào)整。級配指數(shù)n實際上是表示骨料中粗細骨料比例的一個特征綱量，n值越大，粗骨料所占比例越高。

(1)

式中：di為篩孔孔徑，mm；D為骨料最大粒徑，mm；Pi為di篩孔的通過率，%；P0.075為0.075 mm篩孔的通過率，相對于填料用量，%；n為級配指數(shù)。

2 主要參數(shù)選擇

采用丁氏公式進行骨料標準級配計算時，可選用2～3種填料及2～3種級配指數(shù)進行試驗，對于每種礦料級配，應(yīng)以0.3%為間隔選擇不少于5組的瀝青用量進行室內(nèi)配合比試驗[4]。拉洛水利樞紐瀝青混凝土配合比采用骨料最大粒徑D選定為19 mm；礦料級配指數(shù)n選取0.40；填料用量F選取11%、12%、13%。根據(jù)丁氏公式，計算得到的瀝青混凝土室內(nèi)配比試驗骨料級配及與瀝青用量的組合見表2。

表2 室內(nèi)配合比設(shè)計主要參數(shù)選擇表

3 瀝青混凝土性能試驗

3.1 一般性能試驗

按照表2中瀝青混凝土配合比參數(shù)在室內(nèi)成型瀝青混凝土試件進行表觀密度、最大密度、孔隙率試驗，試驗結(jié)果見表3。從試驗結(jié)果可以看出，當級配指數(shù)固定為0.40時，瀝青用量在6.8%～7.4%區(qū)間及填料用量在11%～13%區(qū)間變化，瀝青混凝土試件的孔隙率值均小于2%。3種不同瀝青用量的瀝青混合料及瀝青混凝土試件性能略有差異，當瀝青用量為6.8%時，瀝青混凝土混合料，色澤均勻光亮，馬歇爾試件表面光亮平整，與試模周邊接觸密實，觀察試件表面無富裕的瀝青膠結(jié)料；當瀝青用量為7.1%時，瀝青混凝土混合料，色澤均勻光亮，馬歇爾試件表面光亮平整，與試模周邊接觸密實，微量瀝青砂漿沿擊實錘周邊溢出；當瀝青用量為7.4%時，色澤均勻光亮、無花白料；試件表面光亮平整、與試模周邊接觸密實，少量瀝青砂漿沿擊實錘周邊溢出，試件冷卻過程中，表面部分瀝青砂漿流淌，現(xiàn)場施工碾壓時，瀝青砂漿較多，可能發(fā)生粘碾和陷碾現(xiàn)象，不利于碾壓施工。

表3 瀝青混凝土基本性能驗證試驗結(jié)果

3.2 力學性能試驗

根據(jù)瀝青混凝土基本性能試驗結(jié)果，結(jié)合瀝青混凝土的防滲、和易性、可碾性與經(jīng)濟性等性能指標，在滿足設(shè)計或有關(guān)技術(shù)規(guī)范的前提下，從施工、安全及經(jīng)濟的角度綜合考慮，選擇編號為L2、L5及L9共3個配合比進行瀝青混凝土力學及滲透性能試驗驗證，試驗及分析結(jié)果如下：

3.2.1 水穩(wěn)定性試驗

水穩(wěn)定性是衡量瀝青混凝土在水中長期浸泡過程的穩(wěn)定性，是評價瀝青混凝土心墻水中長期耐久性的重要指標，試驗結(jié)果見表4。試驗結(jié)果表明，水穩(wěn)定系數(shù)均滿足設(shè)計技術(shù)要求，符合灰?guī)r堿性骨料與優(yōu)質(zhì)瀝青黏附性較好的一般規(guī)律。

3.2.2 間接拉伸試驗

間接拉伸試驗又稱劈裂試驗，用于測定瀝青混凝土在規(guī)定溫度和加載速率時劈裂破壞或處于彈性階段時的力學性質(zhì)。試件采用馬歇爾標準試件，試驗溫度為4.8℃，試驗結(jié)果見表5。從試驗結(jié)果可以看出，隨著瀝青用量增加，瀝青混凝土的劈裂抗拉強度值減小，而破壞拉伸應(yīng)變值增大，即變形性能提高。

表4 瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

表5 瀝青混凝土間接拉伸試驗結(jié)果

3.2.3 直接拉伸試驗

直接拉伸試驗采用220 mm×40 mm×40 mm試件，在4.8℃的恒溫水浴中養(yǎng)護24 h，按1.0%/min應(yīng)變速率進行直接拉伸試驗，試驗結(jié)果見表6。從試驗結(jié)果可以看出，編號為L5的瀝青混凝土試件，拉伸強度值及拉伸應(yīng)變值均高于其它兩個試件，性能最優(yōu)。

表6 瀝青混凝土直接拉伸試驗結(jié)果

3.2.4 小梁彎曲試驗

拉洛水利樞紐處于地震高發(fā)區(qū)，因此對瀝青混凝土的變形性能要求較高，而彎曲變形作為瀝青混凝土一個重要變形指標，其試驗結(jié)果見表7。試驗結(jié)果表明，初選3個驗證試驗的瀝青混凝土彎曲性能均能滿足碾壓式瀝青混凝土心墻的設(shè)計指標要求；瀝青用量從6.8%增加至7.4%，瀝青混凝土的最大彎拉應(yīng)變值提高，即變形能力提高。

表7 瀝青混凝土小梁彎曲試驗結(jié)果

3.2.5 單軸壓縮試驗

單軸壓縮試驗將試件置于4.8℃的恒溫水槽中，恒溫24 h后進行加荷試驗，加荷速率為1 mm/min。其中，L2試件抗壓強度5.88 MPa，L5試件抗壓強度5.53 MPa，L9試件抗壓強度5.58 MPa。試驗結(jié)果表明，初選3個驗證試驗的瀝青混凝土試件的單軸壓縮抗壓強度值相差不大，與類似工程相比，符合瀝青混凝土的一般規(guī)律。

3.2.6 滲透試驗

瀝青混凝土心墻的主要功能是防滲并適應(yīng)壩殼料的變形。近年來，隨著施工工藝以及原材料品質(zhì)的提高，對心墻瀝青混凝土的防滲性能提出了更高的要求。目前，國內(nèi)現(xiàn)有的試驗規(guī)程中的試驗方法不能測出10-9cm/s級滲透系數(shù)。為能確定瀝青混凝土的抗?jié)B性能，試驗采用抗?jié)B法，采用砂漿抗?jié)B儀，圓臺形試模，試模上口直徑φ101.5 mm、下口直徑φ100.0 mm，高度約63.5 mm，用馬歇爾標準擊實法成型試件，試驗溫度4.7℃。在加壓初始階段，為防止瀝青混凝土與試模接觸面滲漏，采取三級加壓法。第一次加壓0.3 MPa，恒壓6 h；第二次加壓0.6 MPa，恒壓6 h；第三次加壓0.8 MPa，恒壓6 h，并測定瀝青混凝土試件的滲水量，試驗結(jié)果見表8。試驗結(jié)果表明，初選3個驗證試驗的瀝青混凝土試件的滲透系數(shù)小于1×10-8cm/s。

表8 瀝青混凝土滲透試驗結(jié)果

3.2.7 靜三軸試驗

瀝青混凝土三軸試驗是驗證推薦配合比力學性能的重要試驗指標。初選3個驗證試驗的瀝青混凝土試件三軸試驗結(jié)果見表9。試驗結(jié)果表明，瀝青混凝土具有較高的強度，強度隨圍壓增大呈現(xiàn)良好的線性，設(shè)計計算時可采用線性強度模型參數(shù)C、φ值。

表9 瀝青混凝土Duncan-Chang模型參數(shù)

4 碾壓式瀝青混凝土配合比選擇

西藏高海拔地區(qū)為我國最大的地震帶，地震頻發(fā)，對建筑物抗震要求高，一般達到Ⅷ度。強地震烈度設(shè)防要求心墻能夠適應(yīng)較大變形，同時低溫、強輻射和夏季多雨的氣候?qū)π膲κ┕べ|(zhì)量產(chǎn)生較大影響。綜合這些不利因素的影響，在進行碾壓式瀝青混凝土心墻配合比設(shè)計時，與國內(nèi)其它地區(qū)類似工程相比，要適當提高瀝青混合料的瀝青用量，增加碾壓式瀝青混凝土心墻的柔性，提高碾壓式瀝青混凝土心墻的變形能力。參考西藏旁多水利大壩碾壓瀝青混凝土心墻施工配合比，綜合前述試驗成果，拉洛水利樞紐大壩采用的瀝青混凝土配合比見表10。其瀝青用量為7.1%，與內(nèi)地其它地區(qū)同類心墻相比，瀝青用量要高出0.3%～0.5%(表11)。

表10 拉洛水利樞紐大壩瀝青混凝土心墻采用的配合比

表11 國內(nèi)部分已建工程瀝青混合料配合對比表

5 結(jié) 語

拉洛水利樞紐位于西藏高海拔地區(qū)的核心地帶，受地震影響更甚，同時低溫、強輻射和夏季多雨的氣候?qū)π膲κ┕べ|(zhì)量產(chǎn)生較大影響，綜合這些不利因素的影響。在進行碾壓式瀝青混凝土心墻配合比設(shè)計時，與國內(nèi)其它地區(qū)類似工程相比，要適當提高瀝青混合料的瀝青用量。拉洛水利樞紐大壩碾壓式瀝青混凝土配合比經(jīng)過室內(nèi)試驗優(yōu)選確定采用瀝青用量7.1%(油石比)配合比，用作后續(xù)試驗及施工的目標配合比，同時還要經(jīng)過工藝性試驗、生產(chǎn)性試驗及現(xiàn)場施工的驗證，在實際應(yīng)用過程中要根據(jù)現(xiàn)場骨料級配、拌和系統(tǒng)稱量精度等因素對其作適當微調(diào)，更有利于現(xiàn)場實際施工控制。