沥青混凝土心墙土石坝在坝型比选中的优劣分析

张 磊

（山西水务工程建设监理有限公司 山西太原 030002）

0 引言

近年来，沥青混凝土心墙土石坝在我国各个地区都得到了迅猛发展，坝高也在不断刷新。2005年建成的三峡茅坪溪沥青混凝土心墙坝坝高104 m，创造了世界4座百米坝高之一的记录；一年之后，四川冶勒水库的沥青混凝土心墙坝坝高即达到了126 m。历史上该坝型在山西境内的选用很少，工程设计人员往往更多地将注意力集中在土坝、混凝土面板坝等方面，但只2017年几乎同时建成、等待验收的堆石混凝土心墙坝就有两座（垣曲瓦舍水库、沁县西汤水库）。作为当地材料坝种类，设计人员常常将混凝土面板堆石坝、堆石混凝土坝、黏土心墙坝、沥青混凝土斜心墙土石坝等坝型与沥青混凝土心墙堆石坝一起进行方案比选，内容主要限于坝址位置的地形地质条件、建筑材料的储量、开采方面的经济效益、施工的影响、工程建设费用、料场的环境恢复和水保工程投资等工程技术等方面，除工程建设投资一项常常会列出各种坝型建设期间的定量费用进行静态对比外，在其他方面因素上比较多是通过定量的方式进行。这样的比选结果容易出现几个问题：一是建设期间的工程成本不能全面反映工程全生命周期的经济特征，受工程使用寿命、维护维修条件、管理能力等多因素的制约，以全生命周期的工程费用（或效益）为基础的相互比较必然更为合理；二是对沥青混凝土心墙的损坏修复困难考虑不足；三是工程设计的重点放在了对沥青混凝土的工程技术特性的研究上，更多的是关注了其物理指标，而对沥青混凝土与水的环境友好特性、沥青的老化对心墙的影响和沥青混凝土心墙的使用寿命及报废处理等方面则介入较少。实际上，在作为堵水的沥青混凝土心墙工程中，沥青与集料的粘附性、沥青的寿命与水质的关系、沥青对水质的影响、心墙的维修与报废等许多问题还需要做很多研究，仅仅考虑沥青混凝土的一些工程特性而做出的坝型比选结果，对个别大型工程而言，也许问题不大，但大量地进行工程建设，其潜在的工程风险必然是巨大的，毕竟环境与安全已经成为当今时代工程建设不可回避的两大课题。

1 沥青混凝土心墙堆石坝的全寿命周期费用评价

对水库大坝来说，全生命周期评价是将项目的经济效益、社会效益和环境效益或其综合效益纳入到项目的规划设计、原材料和构配件的生产与采购、工程建设、运行维护、报废处置等整个生命存续过程中进行综合评价。因为其自身特点，沥青混凝土心墙坝的全生命周期研究至少应该包括规划设计、堆石料的开采、适用的沥青与其它材料和设备的采购、大坝施工与验收、运行与维护（重点是沥青心墙的损坏修复）、病险坝处理、运行期满后的报废处理等阶段。鉴于沥青产品生产的区域性以及该坝型对沥青的特殊指标（规范推荐心墙使用石油沥青）要求，在坝体心墙建设和运行维护中，沥青的采购及其费用是必须认真考虑的问题。有项目在坝型比选时，在通过简单定性地描述沥青心墙较薄的断面尺寸（沥青混凝土心墙的工程量相对较小）后，就武断地得出了费用较少的结论，岂不知沥青混凝土心墙（机械摊铺）单价在这一地区已经逼近到3000元/m3，高出其他防渗材料单价几十倍。在土石坝中，任何心墙的维修都是比较困难的，而至少是在目前技术水平下，沥青混凝土的特殊材质使得其修复难度更大。在报废环节，废旧沥青与周边环境的适宜性也是必须事先考虑的，毫无疑问，相比公路，水库大坝心墙的沥青混凝土在回收环节有更高的技术和经济等方面的难度。

2 沥青混凝土心墙的维护与维修

由于心墙位于坝体的中间，上下游又都是由散体材料覆盖，因此找到心墙的漏水部位历来都是很困难的。现有的较少的工程案例表明，沥青混凝土心墙的上下游侧面、心墙断面变化部位、心墙与岸坡及底部基座的接触部位等都有可能产生裂缝。人们常常通过渗漏连通试验、物探技术、反演计算等多种措施进行综合分析，但要准确找到沥青混凝土心墙的损坏部位仍然是非常困难的[1]，常常对心墙上游的坝体进行开挖成为寻找心墙裂缝的最终措施。沥青混凝土心墙渗（漏）水处理技术往往集中在以下方面：1）开挖后，利用沥青卷材或同质沥青混凝土进行粘补或填塞；2）在心墙上游过渡层进行水泥灌浆形成防渗帷幕；3）在心墙上游挖槽建造防渗墙；4）在坝体上游进行水平防渗或在上游边坡铺设防渗卷材；5）上述方法搭配使用。但无论那种技术措施，效果事先都难以保证。除了成本很高以外，新旧沥青材料的结合性能和水分的干扰对开挖后修补的效果影响都很大，同时，高温加热也加快了沥青混凝土的老化；在很薄的心墙附近造孔实施灌浆，技术上要求很高，稍有不慎钻孔将会对心墙产生破坏。虽然有成功的灌浆处理工程案例，但理论上，受上游孔隙率很高的堆积体的边界条件的影响，在厚度不是很大的过渡层中建立压力进行灌浆并形成帷幕，困难必然是很大的，至少经济上的合理性就值得怀疑。其他几种处理方案基本都是新建防渗体，费用和技术上的分析相对简单，不再一一论述。

3 沥青混凝土与库水的相互作用

国内关于沥青危害的研究主要集中在公路工程。众所周知，沥青及其烟气会刺激皮肤黏膜，并可能致癌。沥青混凝土与水之间的影响研究则主要集中于雨水对沥青路面质量的破坏方面，而沥青对水质的影响则很少触及。有成果表明，沥青混凝土试件对水的pH值、化学耗氧量、总硬度、硒和砷的含量等产生影响[2]，而这种影响的程度与水体环境（如Cl-含量）有关。随着试验时间的加长，沥青混凝土中的沥青胶质、沥青质相应增加，而油分会有所减少[3]，在不同基质的沥青试验中，表现出的这种性能变化程度强弱也明显不同[4]。虽然上述沥青混凝土与水之间的相互影响程度在工程实体上还没有得到可靠的验证，但影响是肯定存在的。在一些特殊水质环境（如水库水质利于沥青混凝土或沥青组分分解）或水库对水质有特殊要求时，修建沥青混凝土心墙坝前，对这种影响做针对性的研究是非常必要的。沥青毕竟不同于水泥，作为有机材料粘结剂，在没有明确工程和水质安全的情况下，仅从工程技术角度考虑，大量修建沥青混凝土心墙土石坝的风险是很大的。

4 沥青混凝土心墙的一些设计参数选取

4.1 沥青与集料的粘附性

从大坝失事可能造成的损害严重性以及较长的使用寿命和心墙的维修困难角度考虑，沥青混凝土心墙坝对沥青与集料的粘附性提出了比沥青公路更高的要求。影响集料粘附性的因素是很复杂的。石油沥青中含有大量的酸性和碱性化合物，一般以酸性物质为主，这为与碱性集料表面发生化学反应提供了方便，粘附性就好。沥青是一种非常复杂的化合物，不同的沥青组分，与集料间的粘附性也有很大的差别[5]。集料的碱性、F电位值与粘附性也有很大关系。在原理上，粗集料与细集料的粘附性也存在较大区别[6]。沥青心墙长期处于饱水、高水压力或交替水压力（或其他压力）环境中，这些对集料的粘附性也有影响。另外，集料粘附性的强弱受试验方法的影响也很大。由此，为安全起见，在大量建设沥青混凝土心墙土石坝之前，非常有必要就集料的粘附性做进一步深入研究，并提出可靠的试验方案。

4.2 沥青混凝土的抗渗性

《规范》[7]中沥青混凝土心墙厚度是按照经验或采用类比法选取的，主要是基于沥青混凝土特殊的渗透特性。一般认为沥青混凝土的抗渗性很好，《规范》要求碾压式沥青混凝土心墙的孔隙率不大于3%，渗透系数不大于1×10-8cm/s，只要操作规范，这个指标是容易达到的。随着时间的延长，在水压力的作用下，渗透系数有进一步减小的趋势。考虑沥青混凝土的非冲蚀材料性质及其良好的塑形，有研究认为即使产生裂缝，渗流也不会带来危及大坝安全的冲蚀破坏，而且在荷载作用下可能发生自愈或短时段的闭合[8]。这样就出现了达西定律在沥青混凝土心墙上的适用以及对沥青混凝土裂缝自愈能力的判断和应用的问题。理论上，由于受力条件的不同，沥青混凝土裂缝的自愈在公路和水库大坝的环境中是有很大区别的，水作用于裂缝的力除了压力还有劈裂，受力较前者更为复杂。

5 结论

沥青混凝土心墙土石坝是一种新兴的坝体类型，葡萄牙的Vale de Gaio沥青混凝土心墙坝建成于1949年，距今还不到70年。我国的相同类型坝的建成时间多在50年以内，其中过半以上都是近20年才建成的，因此，各方面取得的经验都很少。尤其是沥青作为有机材料及其混合物，与水环境的相互影响规律由于资料的缺少还难以进行总结；工程达到使用年限以后，在确保环境友好的情况下，如何报废处理还需要进行认真研究；沥青混凝土的水稳定与集料的粘附性、抗渗性等性能需要做更多的试验性工作，并确立更为科学合理的试验方法，最为重要的是需要从较长时间的工程运行中进行效果检验和总结。因此，受设计、试验、管理等方面能力的影响，在我国大量推广沥青混凝土心墙土石坝尤其是中低坝，从工程环境和安全角度，在方案比选中，还是应该进行更为全面的考虑。