高寒地区沥青混凝土心墙砂砾石高坝关键技术控制措施

常明云

（大唐呼图壁水力发电厂 新疆 呼图壁 831200）

1 工程概况

石门水电站枢纽由沥青心墙砂砾石坝、右岸泄洪系统、左岸引水系统、地面厂房等组成。工程所处位置为高寒地区，极端最低气温-40.40℃，最高气温达39.10℃。沥青心墙坝坝顶高程1243.00m，最大坝高106.00m，坝顶全长312.51m，坝顶宽10m，坝体最大底宽约392m。坝体上游坝坡为1∶2.2，并于1210.00m高程设置3m宽马道；下游坝坡为1∶2.0，其构造见图1。

2 沥青混凝土心墙关键技术控制措施

2.1 沥青混凝土原材料选择控制

2.1.1 沥青

通过实验和经济性研究，大坝心墙采用的沥青为90号道路石油沥青，针入度指标（250℃，100g，5s）60～88（0.1mm）；延度（5cm/min，150℃）≥100cm,延度（1cm/min，50℃）≥10cm；软化点（环球法）480℃～550℃；溶解度（三氯乙烯）99.0%，脆点-100℃，闪点（开口法）2600℃；含蜡量（裂解法）2%。

2.1.2 碱性骨料

沥青混凝土砂石骨料选用石灰岩块石，经破碎、筛分获得，主要控制指标如下：

（1）粗骨料质量技术控制指标：粗骨料粒径范围为2.36mm～19mm，与沥青黏附性≥4级；

（2）中细骨料质量技术控制指标：细骨料粒径范围为2.36mm～0.075mm，水稳定等级≥6级；

（3）砂石骨料指标均满足《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）的质量要求。

2.1.3 填料

填料选用石灰岩加工，粒径小于0.075mm。

2.2 配合比设计成果研究

本工程沥青混凝土配合比先在实验室对稳定性、挠曲性、不透水性和施工和易性进行了研究和设计，经过生产性试验对实验配合比进行验证和调整，确定最优施工配合比，配合比实验成果见表1。

2.3 沥青混合料的制备和运输控制

2.3.1 拌和站选择研究

经计算沥青混凝土拌和强度为43.3t/h，选YQLB1000型沥青混凝土拌和机，生产能力为60t/h-80t/h。

2.3.2 原材料加热

图1 沥青混凝土心墙砂砾石坝横剖面示意图

表1 沥青混凝土最优施工配合比成果表

沥青加热：沥青采用导热油间接加热，沥青脱水温度按120℃±10℃控制，沥青加热温度按150℃～170℃控制。加热过程中，沥青针入度的降低不超过10%。保温时间不超过24h。

骨料加热：骨料的烘干、加热采用内热式加热滚筒，滚筒倾角按3°～6°控制，加热温度不高出热沥青温度20℃，实际温度按170℃～190℃控制。

表2 沥青混凝土施工的气象条件成果表

2.3.3 沥青混合料的拌和控制研究

通过实验研究，在拌制沥青混合料前，先对拌和楼系统进行预热，拌和时拌和机内温度≥100℃，沥青混合料在生产过程中称量精度控制在±0.5%内；拌制沥青混合料时，先将骨料和填料干拌15s～25s，再加入热沥青一起拌和。沥青混合料的拌和时间应不少于45s。沥青混合料的出机口温度按150℃～180℃控制。

2.3.4 沥青混合料的运输控制

拌制好的沥青混合料采用5辆5t保温自卸汽车运输至工作面，卸入装载机给摊铺机入仓。

2.4 沥青混凝土心墙施工的气象条件控制

沥青混凝土施工的气象条件研究成果见表2。

2.5 沥青混凝土心墙摊铺、碾压施工研究与控制

沥青混凝土心墙采用分层、全轴线不分段一次铺筑碾压的施工方法。

沥青混凝土心墙采用摊铺机机械化施工，摊铺机无法摊铺部位如基座、两岸接头部位，采用人工摊铺。

2.5.1 人工摊铺

2.5.1.1 工艺流程确定

测量放线—基础面处理（表面清理、干燥、加热、刷冷底子油和玛蹄脂）—支立特制钢模—过度料铺筑与初步压实—人工摊铺沥青混合料—抽掉钢模—过渡料碾压和沥青混合料碾压—铺盖毡布—施工质量检查。

2.5.1.2 关键工艺施工过程控制

（1）沥青混合料入仓

松铺厚度为28cm，误差控制在±2cm，碾压后厚度为25cm±2cm，入仓温度控制在140℃～170℃。

（2）混合料与过渡料碾压

①碾压顺序及方法：两侧过渡料采用2台2.7t自行式振动碾，沥青混凝土采用1.5t自行式振动碾同时品字形碾压，先静压2遍后再振动碾压10遍，振动碾行进速度按30m/min控制。

②碾压温度控制：碾压时温度按110℃～150℃控制。

2.5.2 机械摊铺

2.5.2.1 工艺流程确定

基础面处理（表面干净、干燥）—测量放线—摊铺机同时摊铺沥青混合料和过渡料—人工摊铺两侧岸边扩大段沥青混合料—过渡料碾压—沥青混合料碾压—施工质量检查。

2.5.2.2 关键工艺施工过程控制

（1）混合料摊铺

沥青混合料从沥青拌和站运至摊铺现场后，卸入改制的3m3装载机，由装载机给摊铺机供料，摊铺机行进速度按1.2m/min控制。松铺厚度为28cm，误差控制在±2cm，碾压后厚度为25cm±2cm，摊铺温度按140℃～170℃控制。

（2）过渡料铺筑

①填筑顺序：心墙沥青混凝土与过渡料的铺筑超前坝壳料2～3层，按不高于80cm控制。

②紧贴心墙两边50cm宽度过渡料采用沥青混凝土摊铺机布料，其它过渡料紧随摊铺机后人工配合反铲铺筑、整平。每摊铺段采用毡布遮盖心墙，然后整平碾压。

（3）心墙与过渡料压实控制

用2台振动碾先静压心墙两侧过渡料，离心墙20cm～30cm宽度和心墙一起碾压；接着用1.5t振动碾碾压沥青混凝土混合料。振动碾无法碾压的边角部位采用手扶振动碾碾压，辅以人工夯实。振动碾压行进速度30m/min，碾压时温度按110℃～150℃控制。

2.5.3 沥青混凝土施工关键要素控制

2.5.3.1 心墙与过渡料、坝壳料均衡施工控制措施

（1）心墙与过渡层同坝壳填筑料的高差不大于80cm。

（2）沥青混凝土心墙的铺筑，应尽量减少横向接缝。当必须有横向接缝时，其结合坡度一般为1:3。上下层的横缝应相互错开，错距＞2m。

（3）心墙两侧4m范围内，禁止使用大型机械压实坝壳填筑料，以防止心墙局部受震畸变或破坏。

2.5.3.2 沥青混合料的摊铺控制要点

（1）当沥青混凝土表面温度低于70℃时，采用红外线加热器加热，使温度不低于70℃。

（2）连续铺筑2层及以上沥青混凝土时，下层沥青混凝土表面温度应降至90℃以下后方可摊铺上层沥青混合料。

（3）沥青混凝土在入仓后需静置15min—30min，以便将沥青混合料中的空气排出。

2.5.3.3 沥青混合料的碾压

（1）沥青混合料碾压采用1.5t振动碾碾压，初碾温度为145℃～155℃。碾压设定为：先静碾（无振动）2遍，然后再动碾10遍，碾压完后再静碾2遍收光。

（2）碾压过程中应对碾压轮定期洒水，以防止沥青及细料粘在碾压轮上，振动碾上的黏附物应及时清理，以防施工中“陷碾”。

2.6 沥青混凝土雨季施工控制

2.6.1 预控措施

（1）在连续降雨（日降雨量≥5mm）过程中，沥青混凝土心墙不施工。

（2）当有大到暴雨及短时雷阵雨预报时，做好停工准备，停止沥青混合料的制备。

2.6.2 雨天施工主要措施

（1）拌合、运输采用全封闭覆盖方式。

（2）采用覆盖等方式进行碾压密实。

（3）碾压密实后的心墙高于两侧过渡料10mm～20mm，以利排水。

（4）缩小碾压段，摊铺后尽快碾压密实。

（5）遇雨停工，接头做成缓于1∶3斜坡，并碾压密实。

2.7 沥青混凝土低温季节施工

2.7.1 预控措施

当日平均气温在5℃以下时，属低温季节，沥青混合料不应施工。

2.7.2 低温季节的非常规施工措施

环境温度高于-5℃～0℃情况下，在心墙铺筑现场搭设移动式暖棚，沥青混合料的出机温度按比正常出机口温度高5℃～10℃进行控制，采用保温罐运输混合料，采取措施，加强管理，做到及时拌和、运输、摊铺、碾压，尽量缩短作业时间。在上述措施有保障的情况下，通过试验，确定各施工参数，方可铺筑沥青混凝土心墙。

3 沥青混凝土质量检测分析

3.1 无损检测

采用核子密度仪和渗气仪进行无损检测，核子密度仪平均密度2.383t/m3，最大值2.415t/m3，最小值2.368t/m3；计算孔隙率平均值1.51%，最大值2.11%，最小值0.50%；渗气仪测定渗透系数平均值2.98×10-9cm/s，最大值5.62×10-9cm/s，最小值1.18×10-9cm/s。无损检测各指标均优于设计和规范要求。

3.2 取芯检测

沥青混凝土取芯检测从铺筑开始取芯共22次，芯样各项指标全部合格。检测平均密度2.404t/m3,最大值2.421t/m3，最小值2.393t/m3；孔隙率平均值0.711%，最大值1.16%，最小值0.33%；渗气仪测定渗透系数平均值3.07×10-9cm/s，最大值3.53×10-9cm/s，最小值2.85×10-9cm/s，指标均满足设计和规范要求。。

4 大坝安全监测分析

大坝填筑于2012年6月20日到顶，2013年10月3日开始蓄水，于2013年底投产发电，2014年6月大坝蓄水达到初期蓄水1210m高程，通过一年运行，安全监测分析如下：

（1）坝体沉降分析：大坝沉降主要发生在施工期，累计最大沉降量0.47%，达到初期蓄水高程，基本没有新的沉降。

（2）沥青心墙应变位移量（心墙压缩）分析：累计最大压缩应变为0.038，蓄水前变形基本稳定收敛，达到初期蓄水高程后变形很小。

（3）位错计变形：蓄水前心墙与岸坡位错计最大相对变形为-13.1mm，河床位错计最大相对变形量为-19.0mm，达到初期蓄水高程后无明显变形。

（4）填筑到坝顶时，心墙-坝壳料测缝计（心墙下游侧），蓄水前心墙-过渡料测缝计最大位移量为-19.3mm，蓄水后基本无变化。

（5）沥青心墙温度达到最高温度之后逐渐降低，蓄水前心墙底部最低温度为12.4℃，心墙顶部目前最低温度为18.3℃。达到初期蓄水高程后沥青心墙温度没有明显变化。

（6）大坝达到初期蓄水位1210m高程，最大水位变幅45.5m，心墙下游最高渗透水位为1146.9m高程,心墙后坝基最大水位变幅为0.9m，坝基渗流很小。

5 结语

石门水电站大坝为沥青混凝土心墙坝，在高寒地区，且昼夜温差大，施工时间短等条件限制下，既要保证工程质量，又要保证工程工期，大坝心墙施工质量控制即是难点又是重点，对原材料质量控制、施工配合比控制与研究、施工工艺研究与核心技术和关键技术研究和控制，心墙每天填筑3层，大坝月平均最高填筑强度达15.42m/月。安全监测信息反馈，大坝蓄水后各种安全监测数据收敛稳定，运行安全，证明采用关键技术控制措施确保高寒地区高坝沥青心墙防渗质量。※