俄羅斯瀝青砼心墻堆石壩特點(diǎn)分析

　　瀝青砼用于水電、灌溉、供水、防洪及其他工程的防滲體已有40多年歷史?，F(xiàn)在已建成了70多座瀝青砼心墻壩。奧地利的非斯捷勒塔勒壩壩高150米，是最高的壩，其瀝青心墻高98米。挪威斯托勒哥羅木瓦特壩有最高的瀝青心墻，高128米。

　　1988年6月在美國薩—弗朗西斯科召開的第16屆國際大壩會(huì)議上，世界各國的專家提交了50個(gè)報(bào)告，會(huì)議認(rèn)為，在未來的最高壩中，使用瀝青斜墻或砼斜墻堆石壩，亦或使用瀝青心墻堆石壩是有前景的壩型。1992年在弗列捷—84國際大壩會(huì)議上又重復(fù)了上述主張。

　　歷史：

　　使用瀝青可以認(rèn)為已有5000多年。在印度河谷可以看到最古老的，到現(xiàn)在還在使用的小型砌石蓄水池，砌石就是使用了由天然瀝青作成的粘液。伊拉克、埃及、南美的秘魯?shù)榷紡V泛的使用瀝青，用于建筑業(yè)的防水。

　　1962年“施特拉巴格”公司首次采用現(xiàn)代化的機(jī)械施工，修建了瀝青心墻堆石壩。1970年中國的專家建成了第一座瀝青心墻壩。現(xiàn)在中國已建成13座這類壩型。俄羅斯建設(shè)了2座薄瀝青砼心墻壩。

　　1978年挪威建成了第一座瀝青砼心墻壩。到現(xiàn)在挪威的幾乎所有大的堆石壩都采用這種工藝。瀝青砼心墻與土料心墻相比，瀝青砼心墻的優(yōu)越性在于施工工藝與天氣條件無關(guān)。甚至雨天或者嚴(yán)寒時(shí)都可保證有高的不透水性、塑性、抗腐蝕和抗凍性。

　　工藝和設(shè)備：

　　第一次采用瀝青砼心墻施工時(shí)還使用了模板。向模板中填漏干凈和干的石料，然后將熱瀝青注入，達(dá)到心墻體積的30-40%為止。高的工程造價(jià)，填注空隙率難于掌握，而心墻的不透水落石出性也難使人滿意。俄羅斯專家對(duì)三聯(lián)單座壩高140米的大型堆石壩的施工中，提出了另一種瀝青砼心墻的施工方法。將高濃瀝青（從10%到14%）的瀝青砼澆注到高1米的鋼模板中，當(dāng)瀝青剛剛凝固，將鋼模板拆除，這時(shí)開始填鋪心墻兩側(cè)的過濾層。這種多次工序的澆注瀝青砼方法，無需專門的施工機(jī)械。這種分層澆注的瀝青砼心墻，對(duì)修建在深的、可壓縮總和層地基上的填筑壩是適宜的，因?yàn)檫@類壩基會(huì)引起不均勻沉陷和壩體內(nèi)變位。

　　現(xiàn)在的工藝是瀝青砼的機(jī)械化澆注和兩側(cè)過渡層的填筑同時(shí)進(jìn)行，而無需模板。瀝青砼含瀝青6-7%。這個(gè)既經(jīng)濟(jì)又可靠的方法，保證了工程質(zhì)量，可以檢查瀝青砼心墻各處的不透水性。標(biāo)準(zhǔn)的挪威瀝青砼施工機(jī)械，涵蓋了兩側(cè)過渡層和瀝青心墻，總寬3.5米。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的瀝青砼盡墻厚0.5米，每側(cè)過渡層厚1.5米，這種機(jī)械是適用的。對(duì)于有更寬的瀝青心墻，可適當(dāng)?shù)臏p小過渡層厚度或者采用其他施工機(jī)械。瀝青工廠生產(chǎn)的瀝青，才能用于瀝青砼心墻的配置的瀝青?？障堵蔬_(dá)到3個(gè)百分點(diǎn)的地方，瀝青砼心墻的透水性達(dá)到10-11厘米/秒。大壩粘土心墻量測(cè)的不透水性為10-7-10-9厘米/秒。

　　僅僅從不透水性要求出發(fā)，理論上瀝青砼心墻可以很薄。實(shí)際上最小厚度很少選用小于0.5米。對(duì)于巖基上壩高60-70米的壩，且石料填筑良好的瀝青砼心墻厚度，挪威常采用50厘米。在嚴(yán)格要求瀝青砼質(zhì)量下，并能保持不透水性和塑性時(shí)，心墻厚度和瀝青用量可以減少。

[Page]

　　包古查壩一期壩高45米，壩基為良好巖基。如果壩體石料填筑的密實(shí)度達(dá)到應(yīng)有要求，那么壩體堆石的變形應(yīng)不會(huì)大。如果按照瀝青砼心墻制備和澆注的嚴(yán)格要求，其厚度應(yīng)是50厘米。因?yàn)闉r青砼和瀝青的價(jià)格高，瀝青砼心墻厚如果設(shè)計(jì)成100-120厘米，則應(yīng)減少其厚度。密實(shí)的瀝青砼的塑性性質(zhì)，在任何氣候條件下都能保持。在冬季溫度達(dá)到-57℃時(shí)，應(yīng)采用足夠軟的瀝青，標(biāo)號(hào)低于175。從工廠到大壩施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸，瀝青砼應(yīng)放在隔熱的料箱或卡車中。拌合溫度與瀝青標(biāo)號(hào)有關(guān)。標(biāo)號(hào)145到210的瀝青，拌合溫度應(yīng)低于160℃，這可以防止瀝青氧化。

　　瀝青砼心墻可以在任何天氣下施工，這對(duì)修建堆石壩是合適的。土料心墻由于天氣原因就會(huì)停止施工，而瀝青砼心墻就可以縮短工期，從而可降低工程造價(jià)。瀝青砼的澆注可以在低于-10℃時(shí)進(jìn)行，澆注時(shí)的氣溫以瀝青砼不凝固為限。

　　采用機(jī)械澆注瀝青砼或者采用手工（在邊緣范圍有不大的澆注量）時(shí)，應(yīng)較快的用輕型振蕩器密實(shí)，以達(dá)到密實(shí)的表層。一般的降雨不影響瀝青砼的澆注和工程質(zhì)量。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在挪威的工程實(shí)踐中得到充分證實(shí)。

　　中國正在修建的依野列（譯音）壩，壩高140米，考慮到極端的潮濕天氣條件，高山和只有局部的密實(shí)壩基，采用瀝青砼心墻壩是唯一的選擇了。包古查大壩工地全年平均晝夜氣溫只有140天在0℃以上。這樣就是延長了大壩防滲體每年只有較短的施工期，這是具有很大意義的。

　　采用粘土心墻的大壩，反濾料采用要有嚴(yán)格的技術(shù)條件。實(shí)際上可以認(rèn)為瀝青砼心墻是不透水的，對(duì)瀝青砼心墻反濾料（或者是過渡層）的要求，就不太嚴(yán)格了。過渡層的填筑應(yīng)與瀝青砼心墻的澆注同時(shí)進(jìn)行，但應(yīng)盡快給瀝青砼提供側(cè)面支護(hù)。瀝青砼心墻的澆注可以在嚴(yán)寒氣溫和雨季進(jìn)行，所以有瀝青砼心墻的大壩，其施工期要比用土料心墻的壩短。在過去的壩工設(shè)計(jì)中，任何時(shí)候都沒有限制修建瀝青砼心墻壩。

　　長的包古查壩，從瀝青心墻建設(shè)者看，是理想的。瀝青砼心墻每天澆注層厚相當(dāng)高。延伸澆注面的尺寸，可以促使有效的天然冷卻。在瀝青砼正常生產(chǎn)情況下，每天可澆注瀝青砼1~2層，每層厚20厘米。而包古查壩，下面還要談到，每天澆注3-4層。為此采用了兩套澆注機(jī)械，這樣也增大了大壩的施工強(qiáng)度。

　　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：壩體內(nèi)的瀝青，由于基本上是不變的溫度和沒有陽光照射，差不多是理想的保存條件。甚至過了40多年以后，仍沒有發(fā)現(xiàn)瀝青氧化和硬化。

　　瀝青砼心墻適用于有壩內(nèi)變形和壩基有不均勻沉陷的情況。調(diào)整瀝青成份和粘性與當(dāng)?shù)貤l件有關(guān)，這樣才能保持柔性和不透水性。1968年奧地利建成了壩高28米的埃別勒拉斯捷堆石壩，大壩采用了強(qiáng)柔性的瀝青砼心墻。大壩壩基為深的非均勻沖積物。施工時(shí)地基下沉約2.2米。在以后的兩年中又發(fā)生了20厘米的沉陷，但是，在瀝青砼心墻中沒有發(fā)現(xiàn)任何滲水。這表明，瀝青砼心墻適合于大的差別沉降，在受拉時(shí)水受巨大壓力和剪切變形，并能避免形成裂縫或者是增大透水性。瀝青材料的塑性性質(zhì)和自愈性能，在試驗(yàn)中已得到驗(yàn)證，這一點(diǎn)在工程實(shí)踐中會(huì)明顯看到。

　　對(duì)于填筑密實(shí)的瀝青砼心墻堆石壩，又有良好巖石地基時(shí)，大壩邊坡可以達(dá)到1∶1.3，非斯捷勒塔勒壩正是這樣。

　　當(dāng)瀝青砼澆注密實(shí)后的孔隙率不大于3%時(shí)，可以認(rèn)為心墻是不透水的。這一點(diǎn)已為資料所證實(shí)。瀝青砼的塑性—粘彈性質(zhì)能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐木唧w條件和氣候，特別適用于地震區(qū)，而良好地基上的砼斜墻壩或者碟壓砼壩不宜采用。瀝青砼心墻還沒有因地震或誘發(fā)原因而破壞的先例。

　　瀝青砼心墻壩可以隨其施工進(jìn)度而蓄水，而一般來說，鋼筋混凝土斜墻壩就不能這樣。施工期可以通過瀝青砼心墻溢流，而不會(huì)引起可怕的后果，粘土心墻或者斜墻就不能這樣。應(yīng)力值可以用有限元法計(jì)算和用有瀝青砼適用條件的模型試驗(yàn)得到。最近幾年挪威地質(zhì)科學(xué)研究院和“科龍—維依捷克”公司合作進(jìn)行了大量研究分析工作。巖石各項(xiàng)受壓試驗(yàn)和分析認(rèn)為，瀝青砼適合于堆石壩。技術(shù)條件和控制參數(shù)應(yīng)與當(dāng)?shù)貤l件相適應(yīng)。

[Page]

　　加快修建：在挪威地質(zhì)科學(xué)研究院、“科龍—維依捷克”公司和挪威撥款調(diào)查委員會(huì)共同完成的科學(xué)研究工作，在四年的研究中，研究了由當(dāng)?shù)夭牧闲藿ǖ臑r青砼心墻壩，瀝青砼不透水心墻的性質(zhì)和狀態(tài)，研究還包括了設(shè)計(jì)、修建和質(zhì)量控制。瀝青砼心墻修建表明，與設(shè)計(jì)的其他壩型相比，能滿足各方面的技術(shù)要求和運(yùn)用條件，具有競(jìng)爭力。

　　應(yīng)用在填筑壩體中心部位的瀝青砼心墻，可以和壩體的其他部分，一層層的同時(shí)施工。有些業(yè)主，甚至總承包人都擔(dān)心，瀝青施工的嚴(yán)格條件，會(huì)使大壩修建拖延進(jìn)度。在過去的40年中還沒有任何一項(xiàng)工程記載，由于采用了瀝青砼心墻而減慢了大壩進(jìn)度。如果在設(shè)計(jì)之初就擔(dān)心，那么可以不采用瀝青砼心墻。分析結(jié)果表明，如果必須，在保持規(guī)定不透水心墻質(zhì)量，不增大支出的情況下，提高瀝青的生產(chǎn)率。

　　通常瀝青砼心墻的技術(shù)條件規(guī)定是在試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到的。這些規(guī)定是在每20-30厘米澆注層冷卻4-5天期間，取振蕩試樣，作不透水試驗(yàn)中得到的。另一些技術(shù)條件規(guī)定，要求一天只能澆注20厘米厚兩層，并考慮冷卻和穩(wěn)定，這是為使下一層密實(shí)。澆注的工作面愈大，則生產(chǎn)率愈高，例如，包古查水電站的最后幾年，更換了機(jī)械，改善了工藝和管理，這就要重新考慮技術(shù)條件規(guī)定。

　　研究計(jì)劃是基于多方面的試驗(yàn)，并采用標(biāo)準(zhǔn)的瀝青砼澆注機(jī)和“維依捷克”設(shè)備。設(shè)計(jì)和工藝過程是標(biāo)準(zhǔn)的。心墻瀝青砼的配制采用標(biāo)號(hào)180的瀝青，含量6%-7%，這個(gè)標(biāo)號(hào)相當(dāng)于美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)的D5標(biāo)準(zhǔn)。填充料為片麻巖（角閃巖）碎石，并按富列拉級(jí)配曲線選用。細(xì)粒級(jí)的允填料量為13%，細(xì)粒級(jí)充填料是從干碎石中得到（粉粒），并加入推動(dòng)水分的磨細(xì)石炭石。瀝青澆注和密實(shí)時(shí)的溫度為145℃～160℃。這就是說，制備瀝青時(shí)的溫度為150℃～160℃。心墻過渡層的碎石為0-60毫米，過渡層要同瀝青心墻同時(shí)填筑和密實(shí)。

　　首先分析了一天澆注4層，每層厚20厘米。同一般技術(shù)條件下的一天澆注兩層相比，使生產(chǎn)效率提高了一倍，每天澆注80厘米。在幾個(gè)小時(shí)中連續(xù)澆注4層，這個(gè)速度，在大壩的修建中常常是不可能。這樣，在試驗(yàn)中看到，在密實(shí)下一層時(shí)會(huì)有熱而外國佬的不利層面出現(xiàn)。另一組澆注試驗(yàn)是一天連續(xù)澆注3層，每層厚30厘米。這種澆注與一般技術(shù)條件下澆注相比，生產(chǎn)效率更高。試驗(yàn)的第一天，地表的溫度為-4℃，氣溫為4℃，有雨、雪和風(fēng)。另一天表層溫度沒變，而氣溫是4℃～5℃，但沒有雨或者雪。

　　試驗(yàn)主要結(jié)果表明，瀝青砼心墻的所有技術(shù)特征，包括孔隙率（作為主要質(zhì)量指標(biāo)）都超過了技術(shù)條件規(guī)定。兩層之間接觸帶的孔隙率與瀝青砼層內(nèi)孔隙率相比，未發(fā)現(xiàn)有什么不同。沒有發(fā)現(xiàn)已澆注的前次瀝青砼層，對(duì)要澆注的下一層瀝青砼的密實(shí)，產(chǎn)生任何問題。當(dāng)天天中澆注如此厚層時(shí)，為了心墻兩側(cè)過渡層的穩(wěn)定性，應(yīng)考慮采用高穩(wěn)定性材料，高穩(wěn)定性材料應(yīng)能保證密實(shí)心墻時(shí)有良好的側(cè)向支撐。標(biāo)準(zhǔn)的澆注設(shè)備是針對(duì)澆注層厚20厘米，如果澆注層厚30厘米，那么應(yīng)重新設(shè)計(jì)澆注設(shè)備和過渡層的模具。

　　從為了提高生產(chǎn)效率所作的試驗(yàn)分析中，可以清楚的得出結(jié)論：瀝青砼心墻任何時(shí)候都沒有成為妨礙當(dāng)?shù)夭牧蠅涡藿ǖ脑?，甚至?dāng)要求加快修建速度時(shí)，也是如此。

瀝青砼心墻澆注圖

　　a)—瀝青砼料斗斷面；b）—心墻兩側(cè)過渡區(qū)材料料斗斷面：1-澆注方向；2-加熱器；3-瀝青砼澆注鋼板平面；4-已澆注瀝青層平整器；5-兩側(cè)過渡區(qū)材料；6-瀝青砼料斗；7-瀝青砼傳送裝置或者其他類似設(shè)備；8-過渡區(qū)材料裝載設(shè)備；9-過渡區(qū)材料料斗；10-過渡區(qū)材料平整梁；11-預(yù)密實(shí)瀝青砼裝置；12-氣壓動(dòng)力輪；13-三個(gè)振動(dòng)板；14-心墻護(hù)板；15-已填筑的過渡區(qū)材料；16-瀝青砼心墻；17-移動(dòng)履帶；18-瀝青砼料。

　　工程造價(jià)比較：最近幾年對(duì)大壩工程造價(jià)進(jìn)行了詳細(xì)的比較，并得出了一些趨勢(shì)。1997年為了壩工建設(shè)，挪威對(duì)碾壓砼壩和瀝青砼心墻堆石壩進(jìn)行了比較。考慮了承包價(jià)格和泄水建筑物的附加支出，瀝青砼心墻壩的造價(jià)大約要低10%。1998年在南非壩工修建中，在設(shè)計(jì)階段時(shí)對(duì)這三種壩型—碾壓砼壩、砼斜墻壩和瀝青砼心墻壩進(jìn)行過比較，大壩位于弱穩(wěn)定性地基的地震區(qū)，最后選擇了造價(jià)低的瀝青砼心墻壩。正在中國修建的大壩（三峽設(shè)計(jì)），曾考慮過選用粘土心墻壩或者瀝青砼心墻壩?？紤]采用瀝青砼心墻壩方案，是由于造價(jià)低。

　　不久前在瑞士修建的105米高的大壩，曾考慮過三個(gè)方案。將粘土心墻壩和瀝青砼心墻壩的造價(jià)進(jìn)行了比較，它們與砼斜壩比較，最大的不同在于造價(jià)低很多。最終選用了粘土心墻壩。

　　根據(jù)對(duì)所有瀝青砼壩的統(tǒng)計(jì)，瀝青砼壩的特點(diǎn)是良好的運(yùn)用，通過心墻的滲透很少，另外是沒有一座壩對(duì)心墻進(jìn)行過修理。