浅谈沥青混凝土在水利工程中的应用

马江飞,张剑波

(1.中国水电基础局有限公司西藏分公司,拉萨 850000;2.中国水电基础局有限公司,天津 301700)

沥青混凝土具有抗渗能力强,变形能力强,结构简单,工程量小,施工速度快,安全可靠,不破坏环境资源等特点,因此,优于其他材料的心墙。沥青心墙有较好的塑性和柔性,能适应坝体的变形和沉陷,对已产生的裂缝有一定的自愈能力,同时,沥青混凝土无毒,老化速度慢,是一种比较安全合理的防渗形式。国内外水工与材料领域的学者对沥青混凝土心墙及面板在材料、设计、施工、修复方面均有较多的研究。如中国水利水电科学研究院的郝巨涛、岳跃真,西北农林科技大学的刘儒博,西安理工大学的王为标、张应波等均对沥青混凝土在水利工程中的施工有着较全面的研究[1-3]。国内在沥青混凝土心墙坝设计控制指标、沥青混凝土心墙坝应力应变分析计算、大坝安全监测设计等方面研究已达到国际水平。本文结合沥青混凝土在高海拔地区水利工程中的应用实践,阐述沥青混凝土的发展,以便于明晰水利工程沥青混凝土的应用前景。

1 水工沥青混凝土发展

1.1 水工沥青混凝土发展历史

1929年美国建成世界上第一座用沥青混凝土材料防渗的索推里坝之后,欧洲和日本广泛地采用沥青混凝土进行土石坝防渗[4]。我国1974年建成甘肃党河大坝,这是我国第一座沥青混凝土心墙坝,随着茅坪溪、冶勒、天荒坪、尼尔基、宝泉等沥青混凝土心墙坝的建成,我国在沥青混凝土防渗方面的研究有了长足的进步。从地域看,国内在高海拔地区应用沥青混凝土较为广泛。近几年西藏地区采用沥青混凝土心墙的旁多水利枢纽、雅砻水库、结巴水库、卓玉水库、拉洛水利枢纽、DY水库等海拔均在3 900 m以上,帕古水库海拔达到了4 600 m。新疆地区也建成了下坂地水库、大河沿水库、托帕水库、五一水库等沥青混凝土坝。随着近些年的工程积累,我国在沥青混凝土心墙的施工工艺上也有了长足的进步。

1.2 沥青混凝土心墙发展现状

目前,国内在沥青混凝土心墙方面的研究已具备较高水平。总结发现,以往工程中由于没有专用设备,摊铺碾压方面基本均为采用德国等的道路摊铺机进行改造以适应工程应用。随着沥青混凝土的应用日益广泛,西安理工大学在心墙专用摊铺机研制方面取得了较好的效果,研制了轮式摊铺机,可调节摊铺层厚。但是整体来看,目前,国内摊铺机仍然比较落后,一些发达国家已经成熟地应用了机、电、液一体化,摊铺机结构合理、功能完善、可靠性强。国外目前在研究全自动无人驾驶摊铺机,其可能具备依靠电脑程序控制工作速度、驾驶方向、自动加热等功能,这也是沥青混凝土设备研制的趋势。

沥青混凝土心墙坝在高寒、强震地区具有明显的优势。在我国西部地区一些高坝坝址由于地震烈度高基础覆盖层深厚,当地缺乏防渗料,沥青混凝土由于其适应性强、工程用量小被广大的水利工程设计者青睐。如目前海拔4 600 m以上的帕古水库、下巴水库均为沥青混凝土心墙坝。

浇筑式沥青混凝土近些年在新疆地区水利工程中的应用也取得了长足的进步,从模板选择、沥青含量控制等方面均有了较多的研究。

在结构应用方面,水工沥青混凝土防渗体应用于沥青混凝土斜墙、蓄水池护面、渠道衬砌、沥青混凝土心墙等多方面,能适用于多种防渗结构。

2 沥青混凝土心墙面临的难题及研究方向

2.1 质量控制指标

按中国水利水电科学研究院郝巨涛的研究,目前沥青混凝土心墙在质量控制标准方面如控制指标、防渗性能检验等方面存在着控制指标主次不分、重点不突出的问题。其控制指标合理性还需进一步验证及完善。特别是斜坡流淌值这一指标在实际工程中基本无法指导工程现场的施工质量控制,缺乏实用性。

2.2 沥青混凝土材料力学特性研究

主要表现为沥青混凝土在复杂的高应力条件下的力学特性研究较少。不明确其高应力状态下的应力变形、强度特性。借助茅坪溪工程,长江水利委员会、西安理工大学等在此方面进行了一定的研究,在应力-应变关系及应力-应变模型参数方面进行了分析。但是,其材料本构模型构建的复杂性也导致了目前很多沥青混凝土工程依旧无法完整、准确地分析。特别是沥青品种、含量、材料性质、配合比、试验温度、加载速率等均会对结果产生影响,性质极为复杂。近年相关方面有一定的研究成果,但是还需要针对各自工程区特点进行针对性地研究。

2.3 沥青混凝土心墙的变形特性

沥青混凝土心墙是柔性结构,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,对坝体变形影响较小,但对心墙两侧坝体应力分布有较大影响。目前,有很多学者从沥青混凝土心墙的弹性模量与过渡料弹性模量等方面进行过分析,也有从沥青混凝土特性进行分析,此项研究一般均为构建数学模型,约定约束条件从而进行受力数学模型分析。由于各工程均有不同的特性,加之材料组成的复杂性,目前,沥青混凝土心墙的变形特性研究也是比较困难的。

2.4 沥青心墙与常态混凝土组合坝

部分工程出现采用沥青混凝土心墙与混凝土组合构筑防渗的研究,由于刚性与柔性的连接容易因为变形能力不一致带来损伤,因此,沥青混凝土与混凝土组合连接也是沥青混凝土心墙研究的难点。

3 沥青混凝土心墙研究热点

3.1 施工设备研制

机械化是社会生产力发展的必经途径,多年以来水工沥青混凝土心墙摊铺设备大多采用道路摊铺机改造,由于水工沥青混凝土的特殊性,设备对宽度调节、掉头转向、过渡料高度调节等方面均出现了较大的不适应性。根据调查,目前在施工机械智能化方面沥青混凝土施工也有了较大的改变,主要集中在摊铺设备的智能化、碾压设备的智能化。从开始的简单数据收集显示到目前具备完整的数据收集传送系统,智能化的技术将带来数据分析、自动判断、自动找平、速度调节等功能,这将会是沥青混凝土心墙施工的研究方向。在施工连续性方面,层面清理、摊铺碾压一体化随着技术的进步也是有可能实现的。随着沥青混凝土坝型的增多,以上机械设备的方向也是研究的热点。

3.2 沥青混凝土组成材料研究

沥青混合料包含沥青、骨料、矿粉等,由于沥青的特殊性质,骨料的性能特点对沥青混凝土防渗、耐久方面有着较大的影响,因此,研究工程区沥青混凝土各组分的性能对沥青混凝土防渗体的影响是设计、施工过程比较重要的环节,也是需要研究的一个热点方向。

3.3 沥青混凝土坝防渗修复

如对防渗体进行钻孔灌浆处理,钻孔难度非常大,灌浆材料很难与沥青混凝土紧密地结合。修补时应该采用加热好的沥青,在灌注前需要将钻孔清理干净,并对其进行烘干和热融化处理,如果深度距离表面较浅此方式可行,且前提是能准确定位渗漏点。如不能实现准确定位,其防渗修复一般采用传统的防渗墙或灌浆的方式。随着沥青混凝土心墙坝的增多,此研究方向也是研究的热点。

3.4 沥青混凝土试验

根据国内外标准对比,沥青混凝土马歇尔击实标准、柔性检验标准、耐久性、斜坡流淌值等均有着不统一的意见及检验方式。沥青混凝土配合比试验包括室内试验和生产性试验,是比较显著的理论到实践的过程,通过室内试配及现场施工验证相互论证,有着比较强的实用性,其中,沥青及骨料的试验及选择也是目前比较关注的重点。沥青混凝土检验方式及检验标准对工程有着控制性作用,此方面的研究也是目前的研究热点。

3.5 非碱性骨料沥青混凝土研究

在沥青混凝土的设计中,通过岩石化学成分分析并根据成分含量以碱值的大小定量地将岩石分为了酸性和碱性。酸性骨料与酸性的沥青并不能产生化学反应,只能产生分子间作用力,这种物理吸附的黏结性没有化学吸附作用力强,因此与沥青的黏结力要差[5]。蓄水后,当沥青混凝土心墙长期与水接触,表面的沥青会被水置换掉,从骨料表面剥离,严重地破坏其结构稳定,产生水损害[5-6]。在一些工程区,可能仅有呈中性或酸性的骨料,如花岗岩和石英岩。随着工程的需要,以非碱性岩石为骨料的沥青混凝土心墙会越来越多。

3.6 沥青混凝土自愈能力研究

道路沥青中关于沥青混凝土的自愈合能力研究已经有一定的进展。水工沥青混凝土由于其沥青含量更高、胶结材料更丰富等特点为沥青混凝土自愈提供了较好的基础。施工过程中部分微小裂缝经过保温、加热等方式能够使得沥青混凝土进行自愈合。因此,研究长时间水流作用下产生的缺陷通过一定的调节是否能够使得沥青混凝土进行自愈合也是有较高的工程实用意义。

3.7 高海拔地区沥青混凝土温度控制

沥青混凝土拌制时原材料加热温度过高易导致沥青老化降低耐久性,在高温下施工易流淌,低温下碾压易开裂、不密实,温度对整个施工过程均有较大影响。高海拔地区如新疆、西藏等大部分地区一般伴随大风、高温差的现象。大风与高温差容易造成沥青混凝土温度消退不均匀,迅速产生外冷内热现象。研究温度对工程区的适应性对于沥青混凝土的施工有着较重要的意义。

4 水利工程沥青混凝土发展趋势

通过国内多个工程多年的建造、使用、运行情况总结分析,沥青混凝土防渗具有其独特的优势,虽然在材料及模型分析方面尚需要继续改进,但多个成功案例已经证明了其价值。特别在高地应力地区、高海拔地区、寒冷地区、防渗材料缺乏地区等均有着较大的发展应用潜力。国内在沥青混凝土应用于渠道、河岸、污废水等重要不可泄露结构等方面的应用较少,随着国内水利建设及环保要求的需求,目前水利工程也趋向于向高海拔、深河谷地区及低渗透要求方面挺进。沥青混凝土在水利工程中的应用会越来越广。

随着越来越多工程中沥青混凝土心墙的应用,采用加石灰粉、水泥(五一水库)及抗剥落剂(结巴水库)等材料改善骨料本身与沥青粘附性性能的方式越来越多,这也成为了目前比较适用于水利工程前沿的研究趋势。

5 结语

本文在对国内外沥青混凝土在水利工程中的发展历程及现状介绍的基础上,分析了目前我国水利工程中沥青混凝土应用的难点、重点、研究方向、研究热点,总结了沥青混凝土在水利工程中的发展趋势。目前,沥青混凝土在水利工程中经过多年发展已有了相对完善的设计、施工体系,有着较为广阔的应用前景,但在结构力学分析、材料研究、质量控制标准、施工控制等方面尚需继续进行深入研究。通过本文的总结,对于水利工程中沥青混凝土应用的重难点有了比较系统的认识。