沥青混凝土心墙在水库大坝防渗中的应用

卢 晓 鹏

(云南省水利水电科学研究院，昆明 650228)

用填筑于坝体中的渗透系数较低的材料防渗的土石坝，心墙材料可以用黏土、沥青混凝土等。大坝由心墙或斜心墙防渗，上下游坝壳支撑心墙保持坝体稳定，下游坝址设排水以排除坝体、坝基渗水,并可保护下游坝脚不受冲刷。已建成的大部分水库大坝多采用黏土心墙防渗，施工方便，施工受季节影响相对较小，当坝址附近有大量透水沙砾料、风化坝壳料和黏性土料, 可采用黏土心墙防渗。当坝址附近黏土料缺乏、风化坝壳料储量质量满足大坝工程要求，可采用沥青混凝土心墙防渗，解决防渗土料缺乏地区的筑坝难题。沥青混凝土心墙延展性好，适应变性能力强，对基础要求不高，抗渗能力强[1,2]。

依托中叶水库大坝工程建设应用实践，重点对大坝工程地质条件、大坝沥青混凝土心墙布置、沥青混凝土心墙施工工艺及主要技术参数、防渗效果等进行研究。大坝采用沥青混凝土心墙技术时需根据工程的要求，地质条件和选用相应的施工方法和工艺。沥青混凝土心墙在工程中的应用，解决了工程区土料缺乏问题，使大坝防渗系统安全可靠，工期得到保证，可供类似工程运用参考。

1 水库工程特性

中叶水库位于墨江县团田镇境内，新抚江一级支流绿叶河上游，距墨江县城143 km，水库枢纽由沥青混凝土心墙风化料坝、溢洪道、泄洪输水导流隧洞以及输水隧洞组成。水库总库容1 078 万m3，最大坝高75.40 m，坝顶高程1 553.40 m；溢洪道布置在右岸，泄洪输水导流隧洞布置在大坝左岸。工程等别属Ⅲ等，工程规模为中型工程，由于大坝坝高大于70 m，属高坝，大坝建筑物级别提高一级，采用二级，溢洪道及输水隧洞为三级建筑物，次要建筑物和导流建筑物均为四级建筑物。主要建筑物大坝及引、泄水建筑物的设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1 000 年一遇。

中叶水库为以农村人畜生活供水以及农田灌溉供水为主要任务的水源工程。水库灌溉面积0.175 万hm2，并可为灌区内农村居民0.53万人、大小畜禽共5.76 万头提供饮用水。

2 大坝工程地质及评价

2.1 坝址区工程地质

坝址两岸地形坡度27°～45°，大坝两岸和河床被第四系残坡积层和冲洪积层覆盖，两岸第四系残、坡积砂质黏土夹碎块石厚1.50～5.60 m，河床内为厚1～3.80 m的冲、洪积层粉质黏土、粉土夹砂卵砾石；下伏基岩岩性为凝灰岩夹紫红、灰绿色泥质岩，为软岩。

坝基为软质岩类，坝址基本坝型选定为土石坝。经对坝址附近各种天然筑坝土石料的勘察和土工试验工作，区内防渗土料分布较少，料场分散，施工质量控制难度较大，开采、运输条件较差。

2.2 工程地质评价

大坝左右岸坡和上游区大坝坝基置于强风化岩体上，局部弱风化，防渗心墙基础以及下游排水区的基础已开挖至弱风化凝灰岩和砂岩之上，坝基强度、压缩变形性满足要求，坝基抗滑稳定性较好。坝基开挖局部存在破碎带，风化深槽，施工做深挖处理；断层破碎带开挖处理后采用混凝土回填。

坝址基岩为浅灰色石英砂岩和灰褐色凝灰岩，浅部岩体节理裂隙发育，岩体透水性相对较大，大坝坝基存在渗漏问题。坝基岸坡、河床段开挖截水槽进行防渗，河床、坝肩段采用帷幕灌浆防渗。坝基、坝肩帷幕灌浆按防渗边界范围和设计孔排距要求施工，坝基采用帷幕灌浆防渗处理，减少了坝基及绕坝渗漏量[3,4]。

3 大坝坝体防渗

3.1 大坝坝体防渗方案选择

设计选择黏土心墙风化料坝、混凝土面板堆石坝和沥青混凝土心墙风化料坝进行比较。在坝址9 km的范围内调查了防渗土料场，储量、质量均不能满足防渗料的要求，且料场占地范围面积较大，补偿费用较高；混凝土面板坝趾板开挖至弱风化基岩，开挖深度较大，边坡易失稳，防渗处理工程量大，主堆石料弱风化砂岩料开采难度大；沥青心墙风化料坝坝基要求相对低，可充分利用料场中的强、弱风化砂岩及弱风化泥质岩。根据坝址区工程地质条件和天然建筑材料特点，工程选定沥青混凝土心墙风化料坝坝型。

沥青混凝土心墙坝目前国内已有完建工程多座，较好地解决了防渗土料缺乏地区的筑坝难题。沥青混凝土心墙呈现黏弹塑性，延展性好，适应变性能力强，对地基要求不高，具有较好的耐久性及自愈能力，抗渗能力强[5]。

3.2 大坝坝体防渗心墙布置

3.2.1 心墙布置

大坝坝体分区由上游至下游依次为上游填筑区、过渡层、沥青混凝土心墙、过渡层、下游填筑区、排水棱体组成[6,7]。沥青混凝土心墙防渗体顶高程1 553.00 m，顶部厚度0.6 m，在高程1 523.00 m以下心墙厚度0.8 m，在高程1 518.00 m以下心墙厚度1.0 m。在心墙防渗体上、下游均设有垂直过渡层，过渡层由级配碎石组成，过渡层厚度随心墙厚度在3.0～3.2 m 间变化。心墙底部设C20混凝土基座，厚2.0 m。

3.2.2 心墙设计

(1)心墙尺寸。工程采用垂直心墙，沥青混凝土心墙顶高程1 553.00 m ，最低墙底高程1 480.00 m。心墙顶宽0.6 m，在高程1 523.00 m以下心墙厚度0.8 m，在高程1 518.00 m以下心墙厚度1.0 m。

(2)沥青混凝土原材料。沥青混凝土粗、细骨料取自镇沅县者东镇马家园石灰岩料场，细骨料为人工砂，矿粉水泥质量满足规范对矿粉的要求。沥青采用克拉玛依水工70号沥青。根据沥青混凝土实验成果选用沥青混凝土配合比。

(3)设计参数及技术指标。大坝坝型为沥青混凝土心墙风化料坝，沥青混凝土心墙与过渡层、坝壳填筑应尽量平起平压，均衡施工，以保证压实质量。碾压式沥青混凝土心墙的沥青混凝土，孔隙率应不大于3%；渗透系数应不大于1x10-8cm/s；水稳定系数应不小于0.9；沥青含量为 6.0%～7.5%，粗骨料最大粒径19 mm。

中叶水库大坝坝体典型剖面见图1。

图1 沥青混凝土心墙风化料坝典型剖面(单位：m)Fig.1 Typical profile material dam with asphalt concrete core

3.3 大坝心墙基础处理

沥青混凝土心墙基础坐落在较完整基岩上，心墙和过渡层基础宜与坚硬、不冲蚀和可灌浆的岩石连接。河床坝基风化较浅，在坝0+101.75～0+133.52 范围内的河床段，坝基开挖高程为1 478.00 m，心墙基础底宽8 m；左岸开挖分两段边坡开挖，开挖坡比自下而上分别为1∶1.3、1∶1；右岸坝基强风化层较薄，平均开挖深度8 m，右岸开挖也分两段边坡开挖，开挖坡比自下而上分别为1∶1.36、1∶1.3。除按设计开挖线进行开挖外，还应清除其表面松动石块、凹处积土和突出的岩石。开挖完毕后，对出现断层及节理裂隙发育的位置开挖清理，并采用混凝土回填；对于易风化的泥质岩，清基后不能及时浇筑混凝土基础，应及时浇筑15 cm厚垫层混凝土[8]。

为满足坝基对强度、防渗、渗透稳定等要求，坝基采取帷幕灌浆和固结灌浆等措施进行加固处理。

4 沥青混凝土心墙施工

4.1 施工工艺及主要技术参数

(1)心墙采用碾压式沥青混凝土心墙，采用碱活性骨料(灰岩粗骨料)。

(2)沥青混凝土心墙与过渡料、坝壳料填筑平起平压，均衡施工。

(3)沥青混凝土填筑前应进行各种原材料级配实验、沥青混凝土配合比实验、力学性能实验。

(4)沥青混凝土心墙施工工艺，首先布置沥青混凝土拌和楼，采用沥青混凝土施工摊铺机碾压，专用机械进行碾压实验确定施工参数，沥青混凝土摊铺厚度采用0.3 m，碾压厚度0.27 m左右[9]。

(5)沥青混凝土孔隙率不大于3%；渗透系数不大于1×10-8cm/s，水稳定系数不小于0.9；沥青含量为6.5%，粗骨料最大粒径19 mm[10]。

(6)粗、细骨料，矿粉水泥质量应满足规范要求，沥青采用克拉玛依水工70号。

粗、细骨料取自镇沅县者东镇马家园石灰岩料场，细骨料为人工砂，矿粉水泥质量满足规范对矿粉的要求，可用作沥青混凝土心墙的填料。从经济性上考虑，用当地的石灰岩岩粉。克拉玛依水工70号A级沥青质量较优，且已用于多项实际工程，效果良好，克拉玛依水工70号沥青各项指标要求见表1。

表1 克拉玛依水工70号(SG-70)沥青质量指标要求Tab.1 Karamay hydraulic 70(SG-70) asphalt quality index requirements

根据沥青混凝土实验成果，采用沥青混凝土配合比，配合比见表2和表3。

表2 沥青混凝土配合比材料和级配参数Tab.2 Asphalt concrete mix ratio materials and gradation parameters

表3 配合比矿料级配Tab.3 Ore gradation by mix ratio

4.2 沥青混凝土心墙施工

沥青混凝土心墙施工首先要布设沥青混凝土拌和楼，沥青混凝土施工摊铺及碾压采用专业机械，沥青混凝土心墙进行现场碾压试验确定施工参数[11]。

4.2.1 施工程序

测量、放线→进料、卸料→摊铺→碾压→质量检查→单元验收→结合面处理→下一循环施工。

4.2.2 沥青混凝土心墙填筑施工

(1)原材料质量控制。选用克拉玛依70水工沥青(SG-70)，主要技术指标，针入度60～80，延伸度大于100 cm，软化点为47～54 ℃。

心墙施工的原材料主要由沥青、粗细骨料、矿粉组成，粗骨料按粒径范围为19～10、10～5、5～2.36 mm三级，细骨料粒径范围为2.36～0.075 mm，采用工程区附近登云砂场和马家园砂石料场人工砂。

(2)沥青混合料摊铺试验。摊铺试验目的是对设计配合比进行验证和调整、取得并确定各种有关施工工艺参数，检验、调整、确定沥青混凝土的施工配合比，检验沥青混凝土拌和系数和摊铺设备有关性能，试验选定各种摊铺碾压参数。

(3)沥青混合料配合比。工程施工配合比误差控制：粗骨料±2%，细骨料±2%，填充料±1%，沥青±0.3%。

根据设计的沥青混凝土配合比要求，进行现场沥青混凝土配合比调配，确定施工配合比。

(4)沥青混合料的拌和配制：骨料初配、烘干，沥青脱桶、脱水、储存，沥青混合料拌制。

(5)沥青混凝土混合料装车卸料。沥青混凝土混合料摊铺准备工作按施工工艺进行，混合料摊铺后控制温度，混合料在140～160 ℃进行碾压压实。

(6)沥青混凝土心墙的碾压。采用BW80-AD-2振动碾进行碾压，静碾2遍，振动碾8遍，再静碾2遍，碾压速度1～3 m/min。碾压后，表面均匀，无气孔[12]。大坝沥青混凝土心墙碾压施工情况见图2。

图2 中叶水库大坝沥青混凝土心墙碾压施工Fig.2 Section of seepage-proofing trapezoid canal with compound geomembrane

(7)质量检验及质量控制。心墙碾压完毕后质量检测方法主要有：现场C200核子密度仪无损检测密度， ZC-6型充气仪无损检测沥青混凝土的渗透系数，现场取芯检测和室内沥青混合料抽取及马歇尔击实实验检测。现场检测以无损检测为主，若发现填筑质量不合格，应取芯进行测试，芯样测试不合格需对不合格心墙部分进行处理[13]。

5 沥青混凝土心墙防渗效果

5.1 质量检查

心墙碾压完毕后进行质量检测，检测主要指标，沥青混凝土孔隙率小于3%，渗透系数小于1×10-8cm/s。

沥青混凝土心墙检测：

(1)沥青主要检测针入度、软化点、密度、含蜡量、溶解度。

(2)沥青混合料：主要检测矿料级配、马歇尔稳定值和流值、实时温度。

(3)沥青混凝土施工质量的检测：铺筑现场温度、铺筑厚度检测等。

中叶水库大坝施工阶段按技术要求在沥青心墙取样试验分析。

沥青混凝土混合料检测60组，容重2.36～2.43 g/cm3，孔隙率0.2%～1.9%，粒径19～2.36 mm含量53.9%～61.8%、粒径2.36～0.075 mm含量27.5%～34.7%、粒径小于0.075 mm含量10.1%～13.3%，油石比6.6%～7.2%；检测项目指标符合设计要求。

沥青混凝土芯样检测12组，容重2.35～2.43 g/cm3，孔隙率0.5%～2.8%，渗透系数均小于1×10-8cm/s；检测结果符合设计要求。

5.2 防渗效果

中叶水库坝体和左右岸边坡共埋设了23支渗压计，用于分析沥青心墙防渗效果和大坝渗流情况。

根据坝体应力变形计算成果及枢纽区地形、地质条件，设置观测断面，并且采用相同类型的观测仪器和布置，以便于分析和比较，同时能够全面地反映整个坝体的变形情况。中叶水库大坝目前应力应变监测仪器工作正常，沥青心墙接缝开合度和错位较小，沥青心墙应变较小，未发现异常。

大坝施工完成后进行观测，沥青心墙与过渡料接缝最大开合度为26.72 mm，最大错位为66.56 mm，无异常突变，测值正常。沥青心墙变形较小，已趋于稳定。

水库工程完工后，经大坝蓄水安全鉴定，坝体和坝基观测均未发现异常情况；试蓄水在较高水位时，水库外坝坡无渗漏现象，大坝防渗效果明显，大坝挡水建筑物能满足蓄水运行要求。

6 渗压计及应力应变仪器埋设与观测成果分析

针对中叶水库大坝变形、渗流条件的实际情况，大坝安装埋设渗压计及应力应变仪器进行观测工作。

6.1 渗压计及应力应变仪器布置及埋设

中叶水库在大坝横断面0+105.00 m设置一个监测主断面，该断面内埋设5支渗压计。在大坝横断面0+060.00 m和0+150.00 m设置两个监测断面，每个监测横断面分别布置4支渗压计，3个横断面共布置13支渗压计，在大坝左右岸边坡各布置5支，共10支渗压计用以监测绕坝渗流。

大坝心墙应变监测用应变计和无应力计进行监测，在坝横0+060和坝横0+105断面心墙内布置16支应变计和9套无应力计。

(1)渗压计的安装埋设。钻孔埋设测压管，钻孔直径110 mm，在孔底填约20 cm厚的反滤料，然后将测压管逐根对接下孔内；待测压管全部下入孔内后，在测压管与孔壁间回填反滤料至设计高程。检验合格后，安装管口保护装置。

(2)应变计的安装埋设。应变计埋设于仪器周围的沥青混凝土，填筑时去除大于8 cm的骨料，用人工分层捣实；沥青混凝土振捣后，及时在预定部位造孔埋设；仪器按预定的方向埋设。

无应力计用于测量混凝土的自生体积的形变，埋设时将仪器安装于配套的无应力桶中并用人工振捣密实。

6.2 观测成果分析

中叶水库大坝渗流监测采用GK4500S型振弦式渗压计，沥青心墙应变监测采用GK-4200应变计进行监测，基岩位移监测采用振弦式基岩变位计进行监测。

(1)渗压计观测成果分析。渗压计用于分析沥青心墙防渗效果和绕坝渗流情况，目前大坝在进行蓄水前安全鉴定工作，水库没有运行蓄水，待大坝进入蓄水期后按设计及规范要求进行大坝渗流观测分析。

(2)应力应变仪器观测成果分析大坝建成至今，应变计最大观测值为1 340.601 με，其余观测值多在0到300 με，变化较小；基岩变位计最大观测值为48.837 mm，其余观测值多在0到40 mm，变化较小；无应力最大观测值为555.085 με，其余观测值多在0到200 με，变化较小。

中叶水库大坝目前应力应变监测仪器工作正常，沥青心墙应变较小，未发现异常，大坝基岩位移变化已经稳定，应力应变在正常范围内。

7 结 论

中叶水库工程大坝坝体采用沥青混凝土心墙防渗，较好地解决了防渗土料缺乏地区的筑坝难题。沥青混凝土心墙呈现黏弹塑性，延展性好，适应变性能力强，对地基要求不高，具有较好的耐久性及自愈能力，抗渗能力高。中叶水库工程大坝为云南省内首座使用沥青混凝土心墙防渗技术的大坝[14]。

(1)中叶水库大坝垂直沥青混凝土心墙是一种薄壁柔性结构，本身的变形主要取决于心墙在坝体中所受的约束条件，随坝体一起变形，并且需要的沥青混凝土方量较少，施工方便，并便于和两岸的防渗系统相连接，使防渗系统安全可靠。

(2)工程区内防渗土料缺乏，沥青心墙风化料坝对坝基要求较低，心墙坝基处理工程量小；可充分利用料场中的强、弱风化砂岩及弱风化泥质岩。沥青混凝土心墙坝较好地解决了防渗土料及高质量堆石料缺乏地区的筑坝难题。

(3)根据设计的沥青混凝土配合比要求，进行现场沥青混凝土配合比调配，确定施工配合比。心墙碾压完毕后进行质量检测，检测方法主要有现场C200核子密度仪无损检测密度，用ZC-6型充气仪无损检测沥青混凝土的渗透系数，现场取芯检测和室内实验检测。检测主要指标包括沥青混凝土容重、孔隙率、渗透系数等[15]。

(4)中叶水库工程大坝坝高75.40 m，土石方填筑119.54 万m3、沥青混凝土心墙填筑0.80 万m3，大坝于2015年1月1日开工，2017年4月9日完成填筑。目前挡水建筑物的形象面貌能满足蓄水要求，利用软岩石料进行填筑的沥青混凝土心墙坝在云南中叶水库工程中得到应用，并运行良好。

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