新疆瀝青混凝土壩發(fā)展及技術(shù)演進趨勢分析

馬 軍，柳 瑩

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

在國家的大力扶持下，70年來新疆水利建設(shè)迎來極大發(fā)展，各種壩型先后引進疆內(nèi)，快速發(fā)展并不斷創(chuàng)新，其中瀝青混凝土壩近30年內(nèi)在新疆各種當(dāng)?shù)夭牧蠅沃邪l(fā)展的最為迅猛，成為新疆土石壩中極具競爭力的壩型，是除均質(zhì)土壩外數(shù)量最多的壩型，截至目前全疆共建有瀝青混凝土壩七十余座，其中百米級以上達(dá)到了11座(在建7座)。瀝青混凝土壩結(jié)合新疆瀝青“北克南庫”分布格局和砂礫石廣泛分布的特點，針對特殊不良環(huán)境及地質(zhì)條件，在大壩各年代建設(shè)過程中，高海拔地區(qū)建設(shè)及抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計、心墻礫石骨料應(yīng)用、深厚覆蓋層壩基防滲處理和施工工藝等方面不斷突破和演進。在技術(shù)方面瀝青混凝土大壩建設(shè)在全國、甚至全世界都取得了顯著的成就。

2 新疆瀝青混凝土發(fā)展統(tǒng)計

按照地州及管屬范圍，對自建國以來的全疆瀝青混凝土壩進行梳理，不含兵團系統(tǒng)水庫、剔除尾礦庫及資料不完整的小型水庫，本次共收集瀝青混凝土壩71座，其中瀝青混凝土心墻壩70座，瀝青混凝土面板壩1座，總庫容達(dá)到43.04億m3，大壩各年代建設(shè)數(shù)量見表1。

表1 瀝青混凝土大壩各年代建設(shè)數(shù)量統(tǒng)計表 單位：座

從表1可以看出，瀝青混凝土壩引進疆內(nèi)較晚，20世紀(jì)90年代前瀝青混凝土壩建設(shè)基本停滯，而90年代后隨著國內(nèi)經(jīng)濟增長，瀝青混凝土壩得到快速發(fā)展，尤其是近十年，瀝青混凝土大壩已建、在建達(dá)到62座，達(dá)到瀝青混凝土大壩建設(shè)總數(shù)量的87%。

全疆首座瀝青混凝土大壩是1991年完工的強罕水庫，水庫位于阿勒泰地區(qū)青河縣，庫容為117萬m3，壩高僅為17.56 m，而目前在建的尼雅水利樞紐工程，壩高達(dá)到131.8 m。圖1為20世紀(jì)50年代至今新疆瀝青混凝土壩隨年代最大壩高的演進。

圖1 瀝青混凝土壩各年代建設(shè)高度統(tǒng)計圖

新疆因其特殊的地理位置及復(fù)雜多變的地層巖性、高海拔及強震特性，都要求其在瀝青混凝土大壩建設(shè)中要敢于引進、嘗試新技術(shù)、新成果，因此疆內(nèi)瀝青混凝土壩創(chuàng)新性研究成果較多，已在尼雅水庫樞紐工程、布侖口水庫、下坂地水利樞紐、大石門水利樞紐工程、五一水庫、奴爾水庫、若羌河水庫、阿拉溝水庫、大河沿水庫、托帕水庫等一系列工程中應(yīng)用，解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下工程施工和運行過程中的難題，為工程的順利完工和運行提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐，在經(jīng)濟、社會、環(huán)境、政治等方面均取得了重大效益。

3 瀝青混凝土壩新疆發(fā)展及創(chuàng)新

3.1 高海拔強震區(qū)心墻壩建設(shè)

在2000 m以上高海拔地區(qū)進行水庫大壩類大方量、高強度的水利工程建設(shè)，除受到氣候多變、施工期短、工程地質(zhì)、地理環(huán)境復(fù)雜等諸多影響因素外，對施工作業(yè)人員因缺氧帶來的體力消耗大、高原反應(yīng)，以及機械設(shè)備出力明顯下降、功效低等大量新問題、新情況。

2012年開工建設(shè)的布侖口水庫，地處帕米爾高原，工程自然條件、地質(zhì)巖性均極為復(fù)雜惡劣，水庫采用瀝青混凝土心墻壩，最大壩高僅為35 m，但壩頂海拔近3300 m，在工程建設(shè)過程中出現(xiàn)機械設(shè)備出力低、氧氣量不足、地基出現(xiàn)冰磧層等特殊情況，工程技術(shù)人員結(jié)合布侖口工程的實際，提出了含水冰磧層開挖施工、高海拔基礎(chǔ)灌漿、隧洞通風(fēng)等符合工程實際全新的設(shè)計方案和施工技術(shù)措施，較好地解決了高原氣候給工程建設(shè)帶來的相關(guān)難題。布侖口水庫建設(shè)雖大量引進新技術(shù)、不斷攻克工程技術(shù)難題，但35 m水庫大壩仍歷經(jīng)5年時間，于2016年下閘蓄水，進一步說明了工程建設(shè)難度大，截至目前經(jīng)過近5年的運行，從運行情況分析，電站機組全部正常發(fā)電運行，大壩達(dá)到完成工程建設(shè)任務(wù)目標(biāo)和質(zhì)量達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

下坂地水庫建設(shè)高程近3000 m，地震烈度達(dá)到Ⅷ度，圍繞其高海拔強震區(qū)的工程特點，專題進行了地震情況下的地震反應(yīng)分析；以及非線性黏彈塑性模型和等效線性黏彈性模型分析。圖2為心墻壩地震響應(yīng)特性分析框架圖。

圖2 深覆蓋層上瀝青心墻壩地震響應(yīng)特性分析框架圖

比對近年完成的2500 m以上級高海拔強震區(qū)大壩建設(shè)，提出如下工程經(jīng)驗及建設(shè)建議：

(1)首先應(yīng)建立適用于心墻瀝青混凝土的“鄧肯張”修正模型；并創(chuàng)建基于“拱效應(yīng)系數(shù)”的心墻水力劈裂判別準(zhǔn)則；提出基于“傾度法”的瀝青混凝土心墻壩地震變形可靠度分析方法。

(2)優(yōu)化不同覆蓋層壩基防滲型式及心墻與壩基連接方式；對心墻和基礎(chǔ)防滲墻聯(lián)合作用體系下的抗震安全提出評價方法。

(3)專題研究嚴(yán)寒、大溫差、多風(fēng)等惡劣環(huán)境下心墻連續(xù)施工問題；并注意研發(fā)防、減風(fēng)結(jié)構(gòu)；縮短建設(shè)周期，降低工程造價。

疆內(nèi)已建、在建2500 m以上級高海拔具有典型特點的瀝青心墻壩特性統(tǒng)計見表2。

表2 高海拔強震區(qū)瀝青心墻壩特性統(tǒng)計表

3.2 瀝青混凝土礫石骨料心墻進展

因為瀝青混凝土具有的變形能力強和防滲效果好的典型優(yōu)點，使其在水利水電工程中，尤其是大壩建設(shè)中作為面板和心墻被大量采用。而瀝青混凝土中瀝青在新疆可依靠“北克南庫”就地取材，工程造價底，瀝青混凝土又具有施工速度快、受氣候變化影響小的特點，又進一步加速了其在全疆范圍內(nèi)的快速發(fā)展。但對于瀝青心墻壩、瀝青面板壩的可靠性和耐久性最重要的指標(biāo)為瀝青與骨料的粘附性，若粘附性不強，將會造成瀝青混凝土抗?jié)B性能下降，嚴(yán)重的會出現(xiàn)開裂問題，因此常規(guī)現(xiàn)場施工經(jīng)驗及《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》均建議采用堿性巖石破碎的碎石作為粗骨料，但新疆境內(nèi)的堿性巖石，如大理巖、石灰?guī)r等儲量均不大，分布范圍小，在加之新疆地域遼闊的特點，在缺少堿性巖石的地區(qū)，選用堿性骨料，使得整體開采過程極容易造成對當(dāng)?shù)睾鸵欢▍^(qū)域不可逆的生態(tài)破壞，后果較為嚴(yán)重。而新疆全域內(nèi)天然砂礫石分布范圍又極為廣泛，因此近年水庫建設(shè)中考慮在心墻瀝青混凝土中適度使用天然礫石骨料的可行性。

在疆內(nèi)采用天然礫石骨料配制心墻瀝青混凝土，雖然可以降低工程造價，但骨料與瀝青的粘附性可能較堿性骨料差是一個不容忽視的難題。因此，新疆近年圍繞瀝青混凝土心墻壩礫石骨料的應(yīng)用，展開多種嘗試。首先考慮在骨料中增加石灰石粉、水泥及抗剝落劑等填料，用以達(dá)到改善天然礫石骨料與瀝青膠漿粘附性的目的，在通過延長浸水時間、提高浸水溫度、增加凍融次數(shù)等惡化試驗條件的方法進行進一步驗證，在眾多工程中得到實際運用，并得到較好的反饋效果。

五一水庫工程在大壩圍堰心墻澆筑時采用天然礫石骨料配制的瀝青混凝土，并嘗試將水泥作為心墻填料提高了骨料的黏附性；奴爾水庫工程通過嚴(yán)謹(jǐn)試驗最終選取當(dāng)?shù)氐牡[石骨料，并選用抗剝落劑的方案進行瀝青混凝土心墻的配置，現(xiàn)工程完成，并于2018年進行了蓄水試驗，從運行監(jiān)測情況分析，瀝青心墻未發(fā)現(xiàn)問題。通過一大批工程的實踐，疆內(nèi)提出了礫石骨料酸堿性的綜合評價方法；論證了心墻瀝青混凝土長期水穩(wěn)定性及克拉瑪依、庫車瀝青的適用性；突破了規(guī)范規(guī)定的瀝青心墻材料的選用范圍，工程建設(shè)取得了顯著的經(jīng)濟效益。

表3為近年來新疆具有代表性的礫石骨料心墻的特性統(tǒng)計。

表3 典型礫石骨料心墻水庫工程統(tǒng)計表

3.3 深厚覆蓋層基礎(chǔ)處理

新疆“三山夾兩盆”的區(qū)域特點，造成山區(qū)水庫大多建設(shè)在天山、昆侖山區(qū)域，而這些區(qū)域的河流大多存在深厚覆蓋層問題，覆蓋層多以沖積砂礫石層為主，結(jié)構(gòu)也較為松散，個別工程還存在黏土、粉土等薄弱夾層，巖層的不連續(xù)，在垂直方向和水平方向上巖性變化較大，地基呈現(xiàn)地質(zhì)條件差且復(fù)雜的特點。深厚覆蓋層的存在，在水利工程尤其是水庫工程的選址，造成了較為嚴(yán)重的制約性影響，并給工程的設(shè)計和后期的現(xiàn)場施工帶來較大的困難。若在深厚覆蓋層上修建大壩，其壩型最終確定為瀝青心墻壩時，大壩的防滲體系主要由瀝青混凝土心墻及覆蓋層中的混凝土防滲墻(或帷幕灌漿)組成。如何控制壩體和壩基變形，確保防滲體系安全可靠，是深厚覆蓋層上建設(shè)瀝青混凝土心墻壩面臨的主要挑戰(zhàn)。

下坂地水庫壩基河床面以下覆蓋層最厚處為150 m，地層巖性較為復(fù)雜，主要為沖洪積砂礫石層、淤泥質(zhì)土層、軟黏土層、冰水積砂層、冰磧含漂塊碎石層及冰水含塊卵礫石層組成，2006年大壩開工建設(shè)時，基礎(chǔ)防滲形式河床面以上采用瀝青混凝土心墻；河床面以下覆蓋層內(nèi)根據(jù)當(dāng)時施工工藝水平，防滲形式最終選用混凝土防滲墻和帷幕灌漿組合形式，覆蓋層上部85 m內(nèi)采用防滲墻，墻體厚度為1 m，防滲墻底部設(shè)置灌漿帷幕，灌漿孔為4排，最大深度66 m，最終河床以下整體防滲深度為151 m。工程建設(shè)中為確保工程質(zhì)量，將防滲墻和帷幕灌漿作為重點，進行了嚴(yán)格的現(xiàn)場檢測，檢測數(shù)據(jù)表明壩基滲流控制滿足要求。其采用的“鉆抓法”成槽墻體深度及接頭管起拔深度均創(chuàng)造了當(dāng)時國內(nèi)新記錄。

托帕水庫工程位于烏恰縣境內(nèi)，河床覆蓋層為沖積砂卵礫石層，層最厚處為110 m，覆蓋層下部基巖巖性為泥盆系中統(tǒng)(D2gv)灰?guī)r。采用鄧肯-張E-μ模型對大壩進行二維有限元計算后，上游壩坡采用1∶2.5，下游壩坡之字路間為1∶2.0，水庫心墻布置型式采用碾壓式瀝青混凝土直心墻，心墻寬度為0.5 m～0.7 m。心墻與河床及岸坡基礎(chǔ)的連接均設(shè)置混凝土基座，基座寬度為3.0 m，厚度為2.0 m，為增大粘結(jié)力并適應(yīng)心墻水平變形，心墻底部與混凝土底板連接間做1 cm瀝青瑪?shù)僦膲c防滲墻采用鉸接型式連接。水庫河床上部采用瀝青混凝土心墻防滲體，河床砂礫石覆蓋層采用混凝土防滲墻防滲，墻底深入基巖內(nèi)1 m，最大墻深為110.6 m，墻體寬1 m，槽段長7.2 m，防滲墻采用C30混凝土，抗?jié)B標(biāo)號為W10，防滲墻上部10 m采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水庫心墻與河床砂礫石段基座具體連接形式見圖3。最終結(jié)果顯示，大壩變形值及分布規(guī)律是合理的，大壩及心墻的應(yīng)力水平小于1，不會受到破壞，大壩是安全穩(wěn)定的。

大河沿水庫工程最大壩高為75 m，位于新疆吐魯番市境內(nèi)。河床壩基覆蓋層深厚，最厚處達(dá)到184.2 m，地層巖性主要分為兩層，上部為沖積砂卵礫石，下部為含漂石卵礫石，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)分布軟弱夾層。大壩采用河床面以上瀝青心墻、 河

床面以下防滲墻的“雙墻”防滲體系，以滿足滲流控制要求，覆蓋層內(nèi)混凝土防滲墻體寬1 m，防滲墻底深入基巖內(nèi)1 m～2 m，最大墻深186.2 m，截至目前為國內(nèi)已建成的最深混凝土防滲墻。在工程設(shè)計過程中，根據(jù)地質(zhì)詳勘數(shù)據(jù)，針對大壩深覆蓋層上瀝青心墻壩地震響應(yīng)特性分析、心墻墻體及防滲墻在竣工及蓄水期的應(yīng)力、應(yīng)變采用非線性有限元法進行詳細(xì)分析；采用鄧肯E-B模型對壩體填料、壩基深厚覆蓋層及瀝青混凝土進行模擬；并依據(jù)室內(nèi)三軸試驗對大壩的填料、深厚覆蓋層的E-B模型參數(shù)進行確定。在工程施工過程中通過解決深覆蓋層造孔孔斜保證率問題、墻段連接方法及施工工藝、深覆蓋層防滲墻清孔技術(shù)問題、深覆蓋層混凝土澆筑問題，很好的解決了深覆蓋層成槽難、清孔難、澆筑易堵管的問題。深厚覆蓋層有較好的實際意義和廣闊的前景。

圖3 托帕水庫心墻與河床砂礫石段基座連接圖

表4為疆內(nèi)具有代表性的100 m級覆蓋層主要工程特性參數(shù)表。

表4 深厚覆蓋層瀝青混凝土心墻典型工程特性表

4 結(jié)論

全疆瀝青混凝土心墻壩建國后，從無到有，技術(shù)水平發(fā)展極快，匯總分析后，全疆瀝青心墻壩主要創(chuàng)新點和關(guān)鍵技術(shù)有：

(1)創(chuàng)新了適應(yīng)惡劣氣候環(huán)境下的瀝青心墻施工工藝，提升了經(jīng)濟效益。攻克了嚴(yán)寒、大溫差等惡劣環(huán)境下心墻連續(xù)施工的難題；拓寬了心墻瀝青混凝土層面的結(jié)合溫度限制范圍。

(2)研發(fā)了心墻瀝青混凝土材料配制新技術(shù)。提出了礫石骨料酸堿性的綜合評價方法；論證了心墻瀝青混凝土長期水穩(wěn)定性及瀝青的適用性。

(3)優(yōu)化了瀝青心墻壩與壩基深厚覆蓋層防滲體系，提高了大壩安全性能。優(yōu)化了不同覆蓋層壩基防滲型式及心墻與壩基連接方式；提出了心墻和基礎(chǔ)防滲墻聯(lián)合作用體系下的抗震安全評價方法；實現(xiàn)了超深防滲墻施工與質(zhì)量控制目標(biāo)。