新疆沥青混凝土坝发展及技术演进趋势分析

马 军，柳 莹

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 引言

在国家的大力扶持下，70年来新疆水利建设迎来极大发展，各种坝型先后引进疆内，快速发展并不断创新，其中沥青混凝土坝近30年内在新疆各种当地材料坝中发展的最为迅猛，成为新疆土石坝中极具竞争力的坝型，是除均质土坝外数量最多的坝型，截至目前全疆共建有沥青混凝土坝七十余座，其中百米级以上达到了11座(在建7座)。沥青混凝土坝结合新疆沥青“北克南库”分布格局和砂砾石广泛分布的特点，针对特殊不良环境及地质条件，在大坝各年代建设过程中，高海拔地区建设及抗震结构设计、心墙砾石骨料应用、深厚覆盖层坝基防渗处理和施工工艺等方面不断突破和演进。在技术方面沥青混凝土大坝建设在全国、甚至全世界都取得了显著的成就。

2 新疆沥青混凝土发展统计

按照地州及管属范围，对自建国以来的全疆沥青混凝土坝进行梳理，不含兵团系统水库、剔除尾矿库及资料不完整的小型水库，本次共收集沥青混凝土坝71座，其中沥青混凝土心墙坝70座，沥青混凝土面板坝1座，总库容达到43.04亿m3，大坝各年代建设数量见表1。

表1 沥青混凝土大坝各年代建设数量统计表 单位：座

从表1可以看出，沥青混凝土坝引进疆内较晚，20世纪90年代前沥青混凝土坝建设基本停滞，而90年代后随着国内经济增长，沥青混凝土坝得到快速发展，尤其是近十年，沥青混凝土大坝已建、在建达到62座，达到沥青混凝土大坝建设总数量的87%。

全疆首座沥青混凝土大坝是1991年完工的强罕水库，水库位于阿勒泰地区青河县，库容为117万m3，坝高仅为17.56 m，而目前在建的尼雅水利枢纽工程，坝高达到131.8 m。图1为20世纪50年代至今新疆沥青混凝土坝随年代最大坝高的演进。

图1 沥青混凝土坝各年代建设高度统计图

新疆因其特殊的地理位置及复杂多变的地层岩性、高海拔及强震特性，都要求其在沥青混凝土大坝建设中要敢于引进、尝试新技术、新成果，因此疆内沥青混凝土坝创新性研究成果较多，已在尼雅水库枢纽工程、布仑口水库、下坂地水利枢纽、大石门水利枢纽工程、五一水库、奴尔水库、若羌河水库、阿拉沟水库、大河沿水库、托帕水库等一系列工程中应用，解决了复杂地质条件下工程施工和运行过程中的难题，为工程的顺利完工和运行提供了理论依据和技术支撑，在经济、社会、环境、政治等方面均取得了重大效益。

3 沥青混凝土坝新疆发展及创新

3.1 高海拔强震区心墙坝建设

在2000 m以上高海拔地区进行水库大坝类大方量、高强度的水利工程建设，除受到气候多变、施工期短、工程地质、地理环境复杂等诸多影响因素外，对施工作业人员因缺氧带来的体力消耗大、高原反应，以及机械设备出力明显下降、功效低等大量新问题、新情况。

2012年开工建设的布仑口水库，地处帕米尔高原，工程自然条件、地质岩性均极为复杂恶劣，水库采用沥青混凝土心墙坝，最大坝高仅为35 m，但坝顶海拔近3300 m，在工程建设过程中出现机械设备出力低、氧气量不足、地基出现冰碛层等特殊情况，工程技术人员结合布仑口工程的实际，提出了含水冰碛层开挖施工、高海拔基础灌浆、隧洞通风等符合工程实际全新的设计方案和施工技术措施，较好地解决了高原气候给工程建设带来的相关难题。布仑口水库建设虽大量引进新技术、不断攻克工程技术难题，但35 m水库大坝仍历经5年时间，于2016年下闸蓄水，进一步说明了工程建设难度大，截至目前经过近5年的运行，从运行情况分析，电站机组全部正常发电运行，大坝达到完成工程建设任务目标和质量达到设计目标。

下坂地水库建设高程近3000 m，地震烈度达到Ⅷ度，围绕其高海拔强震区的工程特点，专题进行了地震情况下的地震反应分析；以及非线性黏弹塑性模型和等效线性黏弹性模型分析。图2为心墙坝地震响应特性分析框架图。

图2 深覆盖层上沥青心墙坝地震响应特性分析框架图

比对近年完成的2500 m以上级高海拔强震区大坝建设，提出如下工程经验及建设建议：

(1)首先应建立适用于心墙沥青混凝土的“邓肯张”修正模型；并创建基于“拱效应系数”的心墙水力劈裂判别准则；提出基于“倾度法”的沥青混凝土心墙坝地震变形可靠度分析方法。

(2)优化不同覆盖层坝基防渗型式及心墙与坝基连接方式；对心墙和基础防渗墙联合作用体系下的抗震安全提出评价方法。

(3)专题研究严寒、大温差、多风等恶劣环境下心墙连续施工问题；并注意研发防、减风结构；缩短建设周期，降低工程造价。

疆内已建、在建2500 m以上级高海拔具有典型特点的沥青心墙坝特性统计见表2。

表2 高海拔强震区沥青心墙坝特性统计表

3.2 沥青混凝土砾石骨料心墙进展

因为沥青混凝土具有的变形能力强和防渗效果好的典型优点，使其在水利水电工程中，尤其是大坝建设中作为面板和心墙被大量采用。而沥青混凝土中沥青在新疆可依靠“北克南库”就地取材，工程造价底，沥青混凝土又具有施工速度快、受气候变化影响小的特点，又进一步加速了其在全疆范围内的快速发展。但对于沥青心墙坝、沥青面板坝的可靠性和耐久性最重要的指标为沥青与骨料的粘附性，若粘附性不强，将会造成沥青混凝土抗渗性能下降，严重的会出现开裂问题，因此常规现场施工经验及《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》均建议采用碱性岩石破碎的碎石作为粗骨料，但新疆境内的碱性岩石，如大理岩、石灰岩等储量均不大，分布范围小，在加之新疆地域辽阔的特点，在缺少碱性岩石的地区，选用碱性骨料，使得整体开采过程极容易造成对当地和一定区域不可逆的生态破坏，后果较为严重。而新疆全域内天然砂砾石分布范围又极为广泛，因此近年水库建设中考虑在心墙沥青混凝土中适度使用天然砾石骨料的可行性。

在疆内采用天然砾石骨料配制心墙沥青混凝土，虽然可以降低工程造价，但骨料与沥青的粘附性可能较碱性骨料差是一个不容忽视的难题。因此，新疆近年围绕沥青混凝土心墙坝砾石骨料的应用，展开多种尝试。首先考虑在骨料中增加石灰石粉、水泥及抗剥落剂等填料，用以达到改善天然砾石骨料与沥青胶浆粘附性的目的，在通过延长浸水时间、提高浸水温度、增加冻融次数等恶化试验条件的方法进行进一步验证，在众多工程中得到实际运用，并得到较好的反馈效果。

五一水库工程在大坝围堰心墙浇筑时采用天然砾石骨料配制的沥青混凝土，并尝试将水泥作为心墙填料提高了骨料的黏附性；奴尔水库工程通过严谨试验最终选取当地的砾石骨料，并选用抗剥落剂的方案进行沥青混凝土心墙的配置，现工程完成，并于2018年进行了蓄水试验，从运行监测情况分析，沥青心墙未发现问题。通过一大批工程的实践，疆内提出了砾石骨料酸碱性的综合评价方法；论证了心墙沥青混凝土长期水稳定性及克拉玛依、库车沥青的适用性；突破了规范规定的沥青心墙材料的选用范围，工程建设取得了显著的经济效益。

表3为近年来新疆具有代表性的砾石骨料心墙的特性统计。

表3 典型砾石骨料心墙水库工程统计表

3.3 深厚覆盖层基础处理

新疆“三山夹两盆”的区域特点，造成山区水库大多建设在天山、昆仑山区域，而这些区域的河流大多存在深厚覆盖层问题，覆盖层多以冲积砂砾石层为主，结构也较为松散，个别工程还存在黏土、粉土等薄弱夹层，岩层的不连续，在垂直方向和水平方向上岩性变化较大，地基呈现地质条件差且复杂的特点。深厚覆盖层的存在，在水利工程尤其是水库工程的选址，造成了较为严重的制约性影响，并给工程的设计和后期的现场施工带来较大的困难。若在深厚覆盖层上修建大坝，其坝型最终确定为沥青心墙坝时，大坝的防渗体系主要由沥青混凝土心墙及覆盖层中的混凝土防渗墙(或帷幕灌浆)组成。如何控制坝体和坝基变形，确保防渗体系安全可靠，是深厚覆盖层上建设沥青混凝土心墙坝面临的主要挑战。

下坂地水库坝基河床面以下覆盖层最厚处为150 m，地层岩性较为复杂，主要为冲洪积砂砾石层、淤泥质土层、软黏土层、冰水积砂层、冰碛含漂块碎石层及冰水含块卵砾石层组成，2006年大坝开工建设时，基础防渗形式河床面以上采用沥青混凝土心墙；河床面以下覆盖层内根据当时施工工艺水平，防渗形式最终选用混凝土防渗墙和帷幕灌浆组合形式，覆盖层上部85 m内采用防渗墙，墙体厚度为1 m，防渗墙底部设置灌浆帷幕，灌浆孔为4排，最大深度66 m，最终河床以下整体防渗深度为151 m。工程建设中为确保工程质量，将防渗墙和帷幕灌浆作为重点，进行了严格的现场检测，检测数据表明坝基渗流控制满足要求。其采用的“钻抓法”成槽墙体深度及接头管起拔深度均创造了当时国内新记录。

托帕水库工程位于乌恰县境内，河床覆盖层为冲积砂卵砾石层，层最厚处为110 m，覆盖层下部基岩岩性为泥盆系中统(D2gv)灰岩。采用邓肯-张E-μ模型对大坝进行二维有限元计算后，上游坝坡采用1∶2.5，下游坝坡之字路间为1∶2.0，水库心墙布置型式采用碾压式沥青混凝土直心墙，心墙宽度为0.5 m～0.7 m。心墙与河床及岸坡基础的连接均设置混凝土基座，基座宽度为3.0 m，厚度为2.0 m，为增大粘结力并适应心墙水平变形，心墙底部与混凝土底板连接间做1 cm沥青玛蒂脂，心墙基座与防渗墙采用铰接型式连接。水库河床上部采用沥青混凝土心墙防渗体，河床砂砾石覆盖层采用混凝土防渗墙防渗，墙底深入基岩内1 m，最大墙深为110.6 m，墙体宽1 m，槽段长7.2 m，防渗墙采用C30混凝土，抗渗标号为W10，防渗墙上部10 m采用钢筋混凝土结构。水库心墙与河床砂砾石段基座具体连接形式见图3。最终结果显示，大坝变形值及分布规律是合理的，大坝及心墙的应力水平小于1，不会受到破坏，大坝是安全稳定的。

大河沿水库工程最大坝高为75 m，位于新疆吐鲁番市境内。河床坝基覆盖层深厚，最厚处达到184.2 m，地层岩性主要分为两层，上部为冲积砂卵砾石，下部为含漂石卵砾石，未发现连续分布软弱夹层。大坝采用河床面以上沥青心墙、 河

床面以下防渗墙的“双墙”防渗体系，以满足渗流控制要求，覆盖层内混凝土防渗墙体宽1 m，防渗墙底深入基岩内1 m～2 m，最大墙深186.2 m，截至目前为国内已建成的最深混凝土防渗墙。在工程设计过程中，根据地质详勘数据，针对大坝深覆盖层上沥青心墙坝地震响应特性分析、心墙墙体及防渗墙在竣工及蓄水期的应力、应变采用非线性有限元法进行详细分析；采用邓肯E-B模型对坝体填料、坝基深厚覆盖层及沥青混凝土进行模拟；并依据室内三轴试验对大坝的填料、深厚覆盖层的E-B模型参数进行确定。在工程施工过程中通过解决深覆盖层造孔孔斜保证率问题、墙段连接方法及施工工艺、深覆盖层防渗墙清孔技术问题、深覆盖层混凝土浇筑问题，很好的解决了深覆盖层成槽难、清孔难、浇筑易堵管的问题。深厚覆盖层有较好的实际意义和广阔的前景。

图3 托帕水库心墙与河床砂砾石段基座连接图

表4为疆内具有代表性的100 m级覆盖层主要工程特性参数表。

表4 深厚覆盖层沥青混凝土心墙典型工程特性表

4 结论

全疆沥青混凝土心墙坝建国后，从无到有，技术水平发展极快，汇总分析后，全疆沥青心墙坝主要创新点和关键技术有：

(1)创新了适应恶劣气候环境下的沥青心墙施工工艺，提升了经济效益。攻克了严寒、大温差等恶劣环境下心墙连续施工的难题；拓宽了心墙沥青混凝土层面的结合温度限制范围。

(2)研发了心墙沥青混凝土材料配制新技术。提出了砾石骨料酸碱性的综合评价方法；论证了心墙沥青混凝土长期水稳定性及沥青的适用性。

(3)优化了沥青心墙坝与坝基深厚覆盖层防渗体系，提高了大坝安全性能。优化了不同覆盖层坝基防渗型式及心墙与坝基连接方式；提出了心墙和基础防渗墙联合作用体系下的抗震安全评价方法；实现了超深防渗墙施工与质量控制目标。