张河湾抽水蓄能电站沥青混凝土接缝处理车的设计

陈永清 刘 潘 徐其彬

（三峡大学 机械与材料学院，湖北 宜昌 443002）

张河湾抽水蓄能电站上库采用开挖筑坝围库而成，大坝类型为堆石坝，最大坝高57m.上库采用沥青混凝土面板全库盆防渗，防渗结构为复式断面，即由整平胶结层、排水层、防渗层及封闭层组成［1］.沥青混凝土采用热工况施工，从混合料的制备、运输、摊铺至碾压完毕整个施工过程均有严格的温度要求，以此确保面板的防渗质量.在摊铺碾压的过程中产生多种、多条接缝，对接缝的合理处理是确保防渗的前提，设计出合乎施工要求的沥青混凝土接缝处理车对提高施工效率、降低施工难度、确保施工质量十分重要.

1 工程概况

张河湾抽水蓄能电站上部岩体完整性差，风化层厚度大，岩体渗透性强，岩体中没有明显的相对隔水层，上水库地基存在严重渗漏问题，必须做好全面防渗处理.采用沥青混凝土面板全库盆防渗，防渗总面积约33.7万m3，沥青混凝土总量9.31万m3.库底面板厚28.2cm，库坡面板厚26.2cm.最大斜坡面长度约70m，最陡坡比是上游坡度为1∶1.75（竖直向：水平向）.库底沥青混凝土施工由自卸汽车直接供料.2台摊铺机摊铺作业，摊铺条带宽6m.摊铺条带开放边呈45°角.整平胶结层、排水层和防渗层摊铺厚度分别为86mm、120mm、111mm.施工工程量大，难度高.结合工程中土石坝碾压式沥青混凝土防渗墙施工规范（试行）编制说明，在此仅对防渗层进行接缝处理.

沥青混凝土防渗层条带间的接缝分为热接缝和冷接缝.条带接缝处温度高于100℃的为热接缝，低于100℃的为冷接缝.

1）纵向热接缝处理.当温度大于140℃时，施工方法与一般区域相同，直接碾压.当温度在100～139℃时，需要进行再加热，同时用摊铺机摊铺新旧条带之间的接缝区域.

2）纵向冷接缝处理.先将接缝上存在的杂物清理干净，然后在摊铺新条带前1.5h涂一层冷沥青，再进行加热.加热标准是将已摊铺条带边缘深度不小于10mm范围加热至高于100℃，同时用摊铺机摊铺新旧条带之间的接缝区域.

张河湾抽水蓄能电站施工过程中整个库盆热缝共计2 300条，冷缝共计3 124条.本文从接缝加热处理方面入手设计出沥青混凝土接缝处理车，采用此设备可以对接缝进行加热和碾压处理，从而可以实现快速连接接缝，此设备已生产并投入使用，并在张河湾抽水蓄能电站的修筑工程中发挥重要作用.

2 设计要求

在液压绞车的牵引下，沥青混凝土接缝处理车在斜坡面上下移动工作，自身具备转向、制动功能.工作时，车上的加热系统来加热坡面上的接缝，配备沥青混凝土振动碾，碾压加热后的沥青混凝土接缝，实现防渗层接缝处的连接.防渗层接缝沥青混凝土的温度为160～190℃，且距表面10mm处温度达到100℃以上，需处理接缝尺寸2.96m×0.32m.

3 沥青混凝土接缝处理车的设计

3.1 红外加热装置的设计

加热装置是接缝处理车的核心，完成接缝的加热，从而实现接缝的摊铺和连接.沥青混凝土施工接缝加热的方法有多种，按照传热方式来分，有辐射、对流和传导3种，通常国内外采用热风循环加热、直接加热等方式，其对接缝的处理原理简单，施工困难.红外加热目前广泛应用于化工涂料加热，能达到很好的加热效果.

根据韦恩位移定律

式中，T 为辐射面温度（℃）；α为韦恩常数，取值2 897；λm为辐射峰值波长（μm），辐射峰值波长取3μm，则辐射表面温度为700℃左右，液化气的燃烧温度为900℃左右，采用燃烧液化气产生红外线辐射的方法可以实现.

沥青混凝土的导热系数小，比热大，其扩散系数小.同时，热稳定性差，当温度太高时，沥青就开始分解，因此，对于沥青路面的现场热再生，必然以辐射为主，其它加热方式为辅.燃烧液化气通过红外发生器产生红外线辐射热源，对沥青混凝土加热，热量传递不需要中间介质，直接透入到物体内部，物体受热比较均匀.它的穿透能力很强［2］，在很短的时间内可以加热到路面的深层，保证接缝的质量.解决了沥青混凝土就地加热的施工工艺，同时简化了施工过程，提高了施工效率.

为满足接缝加热温度的要求，热缝和冷缝的起始温度不同.选用加热功率P为11 000Kcal／h的石油液化气红外加热板8块固定在加热车底盘框架上，通过调节加热板的位置和角度以及加热车的前进速度，实现冷、热缝的加热.加热板放出的热量被沥青混凝土吸收，由热量计算公式Q＝cmΔT可知，在时间t内加热，初步计算沥青混凝土温度上升ΔT，则ΔT＝Q吸／cm.式中，Q吸为沥青混凝土吸收的热量，Q吸＝Q·η；Q为红外线加热板释放的热量，Q＝P·t；η为加热效率，η＝70%，其余部分由加热空气和设备消耗；c为沥青混凝土比热容，值为1.7×103J（kg·℃）；m为所加热的混凝土质量；加热车在斜坡上运动，所加热的沥青混凝土质量为所加热过的所有混凝土的质量，即有m＝ρV＝ρB（vt）h；ρ为沥青混凝土的密度，值为2.45×103kgm3；B 为加热的宽度，值为0.32 m；v为加热车行进的速度，热缝绞车牵引加热车前进速度为4m／min，冷缝前进速度2m／min；h为混凝土加热的深度，大于10mm，取值为15mm；则

将数值代入上式，可得热缝上升的温度为：ΔT＝53℃，升温后满足纵向热缝加热处理的要求；冷缝上升的温度为：ΔT＝106℃，升温后满足由常温下加热纵向冷缝处理的要求.

3.2 处理车的主要组成部分及工作原理

沥青混凝土接缝处理车的组要组成部分为：液压绞车、底盘、发电机、变频器、高频外置振动碾、液化气罐、红外线加热板等，结构如图1所示.

工作原理：红外线加热板安装在处理车的底盘上，液化气罐提供红外加热板加热所需的液化气，点燃后加热接缝处的沥青混凝土，在液压绞车的牵引下沿着斜坡向上运动，加热后的接缝在高频外置振动器的振动下得到压实，沿着整条斜坡运动后，即可完成接缝.

图1 沥青混凝土接缝处理车

3.3 沥青混凝土接缝处理车的整体设计

1）液压牵引车牵引接缝处理车沿着坡面运动，实现接缝.液压牵引车最小牵引力25kN，容绳量100 m，钢丝绳直径16mm，本机在宁波赫格隆提供的图号《J003194AW》基础上加排绳器及盘式制动器（钢丝绳3层），最大速度30m／min，上行速度0～4m／min（6档）.

2）底盘的宽度和长度为4.9m×2.1m，采用一汽红塔蓝箭牌LJC3041D自卸汽车底盘.

3）通过振动碾碾压压实接缝.振动碾一方面利用自重压实，另一方面借助振动作用克服混凝土骨料的摩擦力，从而对混凝土进行压实.本机选用高频外置振动碾AR44／6／042，激振力为0～9.49kN，振动频率200Hz，功率为1.4kW，额定电流18.3A.

4）发电机为振动碾提供动力源，变频器输出振动碾需要的工作频率，满足振动碾输入输出条件.由振动碾的要求确定发电机和变频器的具体型号见表1～2.

表1 发电机（KDE5000T）

表2 变频器（KTU1／0.42／200Hz）

5）液化气罐（2罐），储存红外线加热板加热所需的液化气.市场上提供的居民使用的液化气即可.

6）燃烧液化气通过红外线发生器产生红外线辐射热源，对沥青混凝土加热.通过改变红外线加热板调节架的位置，可以使得本机适应倾斜角为0～30°范围内的斜坡接缝处理.

4 处理车的使用注意事项

接缝应避开结构物及下面层的接缝位置，该位置应保持碾压不受阻挡.处理车在开始前进必须预热充分，起步速度达到2～4m／min（正常摊铺速度），不能太慢，否则会出现拖痕，影响结构厚度，严禁停在接缝处原地不动.摊铺前，施工人员需将接缝用的耙子、铁锹等工具上粘附的残渣清理干净，及时整平不影响处理车的碾压.接缝摊铺层施工结束后再检查平整度，当有不符合要求的情况应趁混合料尚未冷却时立即处理，以保证接缝处的平整.

5 结 语

沥青混凝土防渗是水电工程中极其重要的一部分，其中接缝的处理是影响整个工程质量的关键.张河湾抽水蓄能电站是国内继天荒坪电站之后大规模采用沥青混凝土防渗形式的水电工程之一，通过施工证明采用本套沥青混凝土接缝处理设备圆满地达到了施工中大量接缝处理要求，为碾压式沥青混凝土工程建设积累了施工经验.

［1］ 夏昌军，李中波，祝中军.张河湾抽水蓄能电站沥青混凝土防渗面板施工质量控制［J］.葛洲坝集团科技，2008（1）：23－26.

［2］ 李 刚.燃气红外辐射加热技术在沥青路面养护中的应用［J］.Friend of Science Mateurs，2008，B（1）：25－26.