库什塔依水电站冬季施工的碾压式土石坝沥青混凝土心墙配合比试验研究

张庆春

(新疆汇通水利电力工程建设有限公司，新疆 乌鲁木齐830000)

沥青混凝土心墙作为土石坝防渗体具有防渗性能好，对土石坝的不均与沉降适应能力强[1]，节省防渗土料，机械化程度高，在严寒高山地区或潮湿多雨地带可以迅速施工等优点，因此，沥青混凝土心墙土石坝作为一种优越坝型越来越受到工程界的重视[2]。对冬季碾压式沥青混凝土低温季节施工质量控制，主要有以下几个方面:① 沥青混凝土的压实性能。② 沥青混凝土配合比在密实条件下的分离情况。③ 上、下两层沥青混凝土间结合情况。④ 上层沥青混凝土与下层沥青混凝土结合面的防渗性能。⑤ 上下层结合面和非结合面的强度和变形性能。⑥ 热料在低温摊铺后热料和下层温度变化情况[3]。

挪威的 Storglomvatn坝高125 m[1]，位于挪威北部北极圈以北25 km处，10月份气温降低到－10℃～－15℃时，沥青心墙照常施工，施工时对下层沥青混凝土用红外线加热，大坝1997年竣工至今心墙实质不透水，大坝变形和沥青心墙性能的反馈分析表明，大坝性能非常良好。

冶勒坝高124 m[1]，场外低温摊铺试验成功后，沥青心墙的施工气温限制条件下降到－5℃，摊铺机对下层沥青混凝土表面用红外线进行了加热，冶勒沥青心墙坝2005年完建，观测结果表明沥青心墙运行很好。

党河沥青混凝土心墙坝[1]，最大高度为70 m，在冬季寒冷季节也进行了施工，工作面测定最低温度为－10℃ ～－13℃，而且下层沥青混凝土没有加热，一期工程完建至今38年、二期加高工程完建至今18年，观测结果表明党河土石坝碾压式沥青混凝土心墙运行良好。

由以上几个国内外工程实例可知，在气温－20℃条件下实现碾压式沥青心墙施工是可行的，但有必要在库什塔依水电站工程中进行冬季施工试验研究，确定低温沥青混凝土配合比和施工工艺，解决河道截流后到第二年汛前有效施工工期较短所带来的施工较紧张的难题，实现碾压式沥青混凝土在气温 －20.0℃施工时，各种性能满足设计要求。

1 工程概况及施工环境

库什塔依水电站工程位于新疆克斯县境内的特克斯河一级支流库克苏河上，工程电站装机100 MW，拦河坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，最大坝高91.6 m，为Ⅱ等大(2)型工程。该工程由拦河坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电引水洞、厂房等建筑物组成[2]，主要任务为发电。

新疆冬季严寒且时间长，每年11月至次年3月平均气温低于5.0℃。河流径流补给以高山区永久积雪和冰川消融为主，河流全年来水量的60%以上集中在6月—8月。受气候条件和河流水文特性的制约，新疆水利水电工程工期安排一般是:汛期过后9月份河道截流，11月份入冬，第二年4月份才正常施工，5月份进入桃花汛，6月份进入主汛期，河道截流后到第二年汛前有效施工工期较短。

2 正常气温下沥青混凝土心墙配合比试验[3]

2.1 沥青混凝土原材料

粗、细骨料均由质地坚硬的新鲜灰岩经人工破碎生产，填料为矿粉，沥青为克拉玛依AH－70号沥青，质量满足规范要求。

2.2 配合比试验

根据工程经验选取最大骨料粒径Dmax=19 mm，填料浓度 2.0，不同油石比(6.2%、6.5%、6.8% 、7.1% 、7.4%)和不同级配指数(0.36、0.38、0.40、0.42)组成四组17种配合比共计51个试件，测定不同配比下试件的密度和孔隙率，采用间接拉伸试验测定间接拉伸荷载，间接拉伸轴向位移，计算出间接拉伸强度。级配指数为 0.36、0.38、0.40、0.42时均满足《土石坝沥青混凝土面心墙设计规范》(DL/T5411 －2009)孔隙率小于 2% 的要求[4]。级配指数0.38、0.40均具备较大间接拉伸强度和间接拉伸位移，级配指数0.38时孔隙率较小，选定级配指数为0.38。油石比为6.8%和7.1%时间接拉伸强度和间接拉伸位移值都比较集中，变形、强度性能均比较好，孔隙率较小，选定油石比为6.8%。采用不同填料浓度(m=1.6、m=1.8、m=2.0、m=2.2)组成4种配合比进行试验，4种配合比孔隙率均小于2%。在实际工程中，填料浓度多采用1.8和2.0两个配合比，因此选择填料浓度为1.8的配合比。

库什塔依水电站工程正常气温沥青混凝土配合比为最大骨料粒径选用Dmax=19 mm，级配指数为 0.38，油石比为 6.8%，填料浓度为 1.8，正常气温沥青混凝土心墙材料及配合比见表1[5]。

表1 库什塔依水电站工程正常气温沥青混凝土心墙材料及配合比试验

3 冬季施工沥青混凝土心墙配合比试验(气温 －25.0℃)[5]

3.1 碾压式沥青混凝土心墙冬季施工配合比初选

根据正常气温下沥青混凝土配合比试验成果，冬季施工的沥青混凝土配合比试验采用最大骨料粒径Dmax=19 mm，矿料级配指数为0.38、填料浓度为1.8，在此基础上，选取 7个不同油石比，即 6.8% 、7.1% 、7.4% 、7.7% 、8.0% 、8.3% 、8.6% ，共组成7个配合比，测定不同配比参数条件下试件的密度和孔隙率，采用间接拉伸试验测定间接拉伸强度和间接拉伸轴向位移，计算出间接拉伸强度，确定冬季施工沥青混凝土心墙配合比，试验结果见表2 ～表4和图1～图3。

表2 冬季施工沥青混凝土配合比参数和材料品种表配合比

表3 D1～D7号配合比密度、孔隙率试验结果表

表4 D1～D7号配合比间接拉伸试验结果表

图1 油石比与孔隙率关系曲线

(1)油石比对沥青混凝土孔隙率的影响

由表3和图1可看出，孔隙率随着油石比的不断增大而不断减小，除油石比为6.8%时不满足孔隙率小于2%的规范要求外，其它均满足孔隙率小于2%的规范要求，当油石比大于7.7%时，沥青混凝土的孔隙率较小。

图2 油石比与间接拉伸强度关系曲线

图3 油石比与间接拉伸位移关系曲线

(2)油石比对沥青混凝土间接拉伸强度的影响

由表4和图2可看出，油石比由7.1%增大到8.6%时，沥青混凝土的间接拉伸强度逐渐减小，即随着油石比的不断增大，间接拉伸强度不断减小。

(3)油石比对沥青混凝土间接拉伸位移的影响由表4和图3可看出，当油石比由7.7%增大到8.3%时，沥青混凝土的间接拉伸位移逐渐减小，但当油石比继续增大时，间接拉伸位移随之增大。

从试验成果表3、表4和图1、图2、图3可看出，油石比为8.0%时，沥青混凝土的孔隙率为1%，沥青混凝土的间接拉伸强度和间接拉伸位移都均较好。

(4)碾压式沥青混凝土心墙冬季施工配合比初选

根据配合比试验结果，从防渗要求、力学性能、施工性能等和安全、经济考虑，结合工程实际情况，选择D5的配合比为冬季施工的沥青混凝土心墙配合比。在此基础上，进行其他各项性能试验。故碾压式沥青混凝土心墙冬季施工配合比初选为:级配指数0.38、填料含量为1.8和油石比为8.0%。沥青混凝土心墙冬季施工配合比见表5。

表5 库什塔依水电站工程冬季施工沥青混凝土心墙材料及配合比(初选)

3.2 室内模拟低温施工工艺试验

根据初选配合比试验结果，选以D5的配合比进行低温－25℃条件下室内工艺性模拟试验，进一步研究上、下两层沥青混凝土之间的结合情况，及层间结合面的防渗性能，上下层结合面和非结合面的强度和变形性能，热料在低温摊铺后热料和下层温度变化情况，根据冬季低温－25℃条件下室内工艺性模拟试验结果，从沥青混凝土防渗性能、力学性能、施工性能等性能和安全、经济考虑，结合工程实际情况，确定冬季施工的沥青混凝土心墙配合比。

冬季低温－25℃条件下工艺性模拟试验方法为:沥青混凝土的制备分上下两层，上层尺寸为26 cm×26 cm×10 cm(厚)，下层尺寸为26 cm×26 cm×6 cm(厚)。采用模拟沥青心墙现场震动碾压法击实法制备沥青混凝土下层，控制孔隙率为≤3%，将试块放入大型温箱中降温到－25℃，并恒温一定时间，然后将表面用喷灯烤至不同温度(见表6)，再将同配合比的上层热沥青混合料铺到温度为－25℃的下层试块上，表面盖上帆布。当上层热料表面下2 cm处温度降到140℃时再对上层热料按上述方法击实，控制击实厚10 cm，控制孔隙率为≤3%，室内模拟低温施工工艺试验步骤及质量检测项目见表6。

3.3 模拟冬季低温－25℃条件下沥青混凝土的性能试验

根据初选配合比试验结果，选择编号为D5的配合比进行室内工艺性模拟试验。

(1)沥青混凝土的压实性能

考虑到低温热沥青混合料预热下层低温沥青混凝土(－25℃)热量传递的需要，试件成型温度取压实温度下限140℃。考虑沥青心墙压实为单向，试验用马歇尔击实锤击实试件也为单面击实。对2个最大骨料粒径(D=19 mm和D=16 mm)、5个沥青含量共10个配合比的沥青混凝土试件进行试验，10个不同配合比在140℃条件下当孔隙率为2%时，不同的沥青含量(油石比)与沥青混凝土相应的击实次数的关系见图4。

图4 孔隙率为2%时，沥青含量与击实次数关系曲线

表6 碾压式沥青混凝土室内模拟低温施工工艺试验步骤及质量检测

试验表明，随着沥青含量的增加，沥青混凝土在140℃条件下达到孔隙率为2%所需的击实次数显著降低。沥青含量从7%到8%，击实次数大致呈线性下降;当沥青含量大于8%到9%，击实次数变化不大，也就是说，当沥青含量大于8%时，沥青混凝土很容易压实。

(2)沥青混凝土配合比在密实条件下的分离情况

对2个最大骨料粒径、5个沥青含量共10个配合比的沥青混凝土试件进行分离度试验，不同的沥青含量(油石比)与沥青混凝土相应分离度的关系见图5。

图5 沥青含量与分离度关系曲线

图6 表明松铺的厚11 cm温度为160℃的热料在－25℃环境气温中降温很快，热料表面下2 cm在12 min降到140℃;下层－25℃试块表面升温很快，在3 min～4 min就从 －25℃升到100℃，继而慢慢降温，在12 min时降到90℃。下层试块表面下3 cm在12 min内从－21℃升到0℃。在实际工程中，沥青混凝土心墙一般宽50 cm～80 cm，一层浇筑厚度为25 cm～30 cm、沿坝轴线很长，热沥青混合料体积大，其热容量更大，散热要比试验室条件下慢的多，只要在施工过程中严格控制沥青混合料拌合温度，采取有效的保温措施和合理的施工工艺，沥青混凝土心墙的施工质量是可以保证的。

图6 热料和下层－25℃试块在－25℃温箱中的温度变化过程

3.4 碾压式沥青混凝土心墙冬季施工配合比

根据模拟低温施工工艺试验和冬季低温－25℃条件下沥青混凝土的性能试验成果，从沥青混凝土的防渗性能、力学性能、施工性能等性能和安全、经济考虑，结合工程实际情况，采用(编号为D5)最大骨料粒径Dmax=19 mm，级配指数0.38、填料含量为1.8和油石比为8.0%的配合比为冬季施工沥青混凝土心墙配合比。

4 结论

库什塔依水电站工程已于2012年8月蓄水发电，经过近两年高水位运行，监测成果表明，大坝各项指标均处于正常范围，大坝运行正常。

通过对正常气温施工和冬季施工两种沥青混凝土心墙配合比，在苛刻的室内试验条件下和冬季低温－25℃条件下工艺性模拟试验研究，可得出以下结论:

(1)正常气温施工和冬季低温－25℃条件下施工沥青混凝土心墙配合比的区别是:沥青混凝土心墙配合比中沥青含量有所增加，即冬季低温条件下施工时沥青混凝土心墙配合比中油石比比正常气温施工时油石比略有增大，库什塔依水电站工程油石比由6.8%增加到8.0%，沥青含量增加1.2%。与正常气温施工沥青混凝土心墙配合比相比，冬季低温条件下施工时沥青混凝土心墙配合比，沥青含量增加1.2%，增幅不大，其他配合比参数不变。

(2)由于冬季低温－25℃条件下施工时沥青含量比正常气温施工时有所增加，室内试验和冬季低温－25℃条件下工艺性模拟试验表明，施工时沥青混凝土将会很容易压密实，击实沥青混凝土试件没有产生分离和密度不均匀现象，上、下两层沥青混凝土的结合良好，模拟低温施工沥青混凝土试块的结合面也满足防渗性要求，试块的结合面和非结合面芯样的孔隙率都满足规范对沥青心墙的孔隙率要求，即孔隙率≤3%。

(3)由于冬季低温－25℃条件下施工时沥青含量比正常气温施工时有所增加，试件上部和下部的劈裂强度和变形没有明显区别，说明试件性能均匀，随着沥青含量的增加，强度有所减小，变形有所增大。

(4)在实际工程施工中，沥青混凝土心墙宽50 cm～80 cm、层厚25 cm～30 cm、同实验室试块相比，沿坝轴线很长，热沥青混合料体积更大，其热容量也更大、散热比试验要慢的多，因此，只要在施工过程中严格控制沥青混合料拌合温度，采取有效的保温措施和合理的施工工艺，沥青混凝土心墙的施工质量是可以保证的，碾压式沥青混凝土在－25℃气温下施工是可行的。

[1]西安理工大学.新疆伊犁库克苏河库什塔依水电站工程沥青混凝土心墙冬季施工可行性专题论证报告[R].西安:西安理工大学水工沥青防渗研究所，2009.

[2]新疆维吾尔自治区新疆水利水电勘测设计研究院.库什塔依水电站工程可行性研究报告[R].乌鲁木齐:水利部新疆维吾尔自治区新疆水利水电勘测设计研究院，2010.

[3]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5362－2006.水工沥青混凝土试验规程[S].北京:中国电力出版社，2006.

[4]中华人民共和国国家能源局.DL/T5411－2009.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].北京:中国电力出版社，2009.

[5]西安理工大学.新疆伊犁库克苏河库什塔依水电站工程沥青混凝土心墙材料及配合比试验报告[R].西安:西安理工大学水工沥青防渗研究所，2010.