瀝青混凝土心墻的變形特性與施工控制杜治華 李友華(葛洲壩集團(tuán))摘要：瀝青混凝土心墻的變形是不可避免的，但應(yīng)力求使心墻變形與壩體變形協(xié)調(diào)一致、在分析了三峽工程茅坪溪土石壩瀝青混凝土心墻的變形特性后，提出了如何通過施工過程的控制使心墻變形與壩體變形相協(xié)調(diào)，即使在最大剪應(yīng)變作用下也能發(fā)揮其良好的抗?jié)B性能，從而保證工程安全穩(wěn)定的運行。關(guān)鍵詞：瀝青混凝土心墻；變形特性；施工控制三峽工程茅坪溪土石壩(簡稱茅坪壩)大壩采用瀝青混凝土心墻土石壩壩型，心墻厚度0.53m墻體最大高度94m，墻頂軸線長880m，瀝青混凝土防滲面積約4.63萬m2，計4.85萬m3。其壩高和填筑量為國內(nèi)已建和在建同類工程之最，在國際上也位居前列。針對這一規(guī)模巨大的工程，本文提出了如何通過施工過程的控制，使心墻變形與壩體變形相協(xié)調(diào)，即使在最大剪應(yīng)變作用下也能發(fā)揮其良好的抗?jié)B性能。1 瀝青混凝土心墻的變形特性瀝青混凝土心墻是一種薄壁柔性結(jié)構(gòu)，本身的變形主要取決于心墻在壩體中所受的約束條件，總是隨壩體起變形，對壩體變形影響較小，但對心墻兩側(cè)壩體應(yīng)力分布有較大影響。茅坪壩瀝青混凝土心墻在施工期，隨著墻體兩側(cè)壩體的均衡上升，承受兩側(cè)壩體對等土壓力和墻體上部自重荷載，其變形表現(xiàn)為墻體沉降及厚度的變化，心墻軸線位移很小。非線性有限元分析表明，壩體填筑到高程185m時，心墻最大沉降量可達(dá)138cm。瀝青混合料是由瀝青和骨料組成的復(fù)合材料，它具有粘彈性質(zhì)，具性狀隨溫度及加荷時間(變形速度)而變化。在低溫或短時間載荷情況下顯出彈性性質(zhì)，在高溫或長時間載荷情況下呈現(xiàn)粘彈性或粘性性質(zhì)。由于心墻材料的這一特性，使心墻在長時間自重載荷作用下表現(xiàn)出明顯的流變特性，引起側(cè)向膨脹，導(dǎo)致心墻高度的明顯降低和壩體水平應(yīng)力的顯著增大。瀝青混凝土心墻的水平位移主要發(fā)生在水庫蓄滿后，并且在壩頂具有最大值；豎向位移主要發(fā)生在施工期，與水平位移樣隨土壩的高度而變化，外且取決于支撐壩體土料的物理力學(xué)特性、當(dāng)支撐壩體中填料的變形模量大于心墻的變形模量時，心墻的應(yīng)力就降低，這時瀝青混凝土就好象“懸掛”在支撐壩體上，在上游壓力作用下垂直應(yīng)力v降低，當(dāng)靜水壓力大于心墻的垂直應(yīng)力和抗拉強度之和時，心墻就有被水力擊穿發(fā)生水力劈裂的可能。當(dāng)支撐壩體填料的變形模量低于瀝青混凝土的變形模量，即采用干硬性混凝土?xí)r，就發(fā)生如同支撐壩體懸掛于瀝青混凝土心墻之上的現(xiàn)象，并且瀝青混凝土中應(yīng)力增加的程度，取決于瀝青混凝土變形模量(Ea)與支撐壩體填料的變形模量(Er0)的比。研究表明，當(dāng)Ea/Erp=3時，瀝青混凝土心墻內(nèi)的應(yīng)力約提高4050，而當(dāng)Era=l.9時，瀝青混凝土心墻內(nèi)的應(yīng)力增大2030。因此，當(dāng)瀝青混凝土心墻的變形模量與壩體填料變形模量在數(shù)值上接近時，瀝青混凝土與壩體變形相適應(yīng)，此時，瀝青混凝土能達(dá)到最佳防滲效果。2 施工控制2.1 瀝青混凝土心墻的施工控制瀝青混凝上性能敏感性較強，施工中瀝青混凝土的礦料級配、瀝青含量、溫度等因素都直接影響瀝青混凝土的力學(xué)和變形性能。因此，為保證瀝青混凝土的性能穩(wěn)定性和可靠性，使瀝青混凝土的各項物理力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計要求，施工中瀝青混凝土質(zhì)量控制顯得格外重要。茅坪壩瀝青混凝土生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程的關(guān)鍵控制點應(yīng)從以下幾個方面著手。2.1.1 原材料的質(zhì)量控制組成瀝青混凝土的原材料主要有瀝青和礦料，礦料包括粗骨料、細(xì)骨料和填充料：茅坪壩瀝青混凝土粗骨料為堿性骨料，由石灰?guī)r加工而成，粒徑分為2010mm、105mm、52.5mm三級。細(xì)骨料是用堿性骨料加工的人工砂(粒徑2.50.074nm)或天然河砂。填充料則是由石灰?guī)r加工的礦粉，粒徑小于0.074mm。施工中，為獲得優(yōu)質(zhì)瀝青混凝土，骨料的超遜徑、針片狀顆粒含量、含泥量、礦料級配等都要滿足規(guī)定要求。對選用的克拉瑪依煉油廠的水上瀝青每批到場瀝青，其物理化學(xué)指標(biāo)不盡相同。因此，每批到場都要進(jìn)行全面檢測。2.1.2 施工配合比的控制瀝青混合料正式生產(chǎn)前，必須對拌和系統(tǒng)的稱量系統(tǒng)的精度進(jìn)行檢測，拌和瀝青混凝土?xí)r，必須嚴(yán)格按照瀝青混凝土配料單配料，配合比誤差應(yīng)控制在以下范圍內(nèi)：瀝青10.3%、骨料12%、填料1%，并及時以施工現(xiàn)場攤鋪完后未碾壓之前的抽提試驗成果來調(diào)整施工配合比。對每批到場的瀝青，也應(yīng)根據(jù)其物理化學(xué)指標(biāo)通過試驗調(diào)整配合比。2.1.3 施工的溫度控制瀝青混凝土溫度敏感性較強。瀝青的熔化和脫水溫度、礦料的加熱溫度、瀝青混合料機口溫度、瀝青混凝土碾壓溫度都應(yīng)按試驗選定的最佳溫度進(jìn)行。特別是碾壓溫度對碾壓效果影響較大。試驗表明，在130170的碾壓溫度范圍內(nèi)，碾壓溫度低，壓實后瀝青混凝土的性能較好。但碾壓溫度過低又使瀝青混凝土較難壓實，不利于施工。因此，茅坪壩瀝青混凝土心墻碾壓溫度宜控制在140150范圍內(nèi)。2.1.4 現(xiàn)場攤鋪和碾壓控制瀝青混凝土攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓方式及碾壓機具都直接影響瀝青混凝土性能。為確保瀝青混凝土具備良好的物理力學(xué)性能，應(yīng)嚴(yán)格按要求的鋪筑厚度、次序、方向、鋪筑溫度、碾壓遍數(shù)等進(jìn)行分層施工。鋪筑厚度應(yīng)小于25cm、壓實厚度控制在202cm、攤鋪速度為13m/min。2.2 過渡層施工控制茅坪壩心墻上下游分別設(shè)2m、3m厚的過渡層，它對心墻的作用有：與瀝青混凝土心墻緊密結(jié)合，并填充到鄰近壩殼的孔隙內(nèi)，防止瀝青混凝土受力壓入壩殼內(nèi)而產(chǎn)生滲透變形；防止填筑體流失，排除可能經(jīng)過心墻的滲透水；變形模量界于瀝青混凝土和壩殼填料之間，均勻傳遞應(yīng)力，防止心墻發(fā)生應(yīng)力集中而開裂；上游側(cè)過渡層給后期可能出現(xiàn)的滲漏處理提供級配良好的灌漿區(qū)。過渡層的砂礫料必須級配良好、致密堅硬，具有較強的抗風(fēng)化性和抗風(fēng)化能力，滿足設(shè)計要求的最大粒徑不超過80mm、中值粒徑d50=912mm、含泥量5，壓實滲透系數(shù)不小于l10-2cm/s、壓實后相對密度不低于0.85，以給墻體提供均勻支撐；同時減小瀝青混凝土嵌入過渡層數(shù)量，使上游側(cè)過渡層能使瀝青混凝土產(chǎn)生自愈效應(yīng)，避免可能產(chǎn)生的裂縫部位的滲漏，使下游側(cè)過渡層能排水通暢。為了實現(xiàn)過渡層與心墻邊界顆粒的精密結(jié)合，過渡層應(yīng)與心墻同時鋪筑碾壓，使二者相互膠結(jié)，避免形成孤立墻或運行期因墻體過大水平位移而產(chǎn)生空隙。2.3 瀝青混凝土心墻與周邊結(jié)構(gòu)的連接施工控制心墻下部防滲體受基礎(chǔ)約束，心墻底部接頭處一般存在較大的剪應(yīng)力。對于岸坡部位，將會因壩體的不均勻沉降而產(chǎn)生縱向剪切變形。茅坪壩采用工程中普遍采用的擴(kuò)大瀝青混凝土底部橫截面的方法，將底部3m高瀝青混凝土擴(kuò)大到心墻厚度的2.5倍，瀝青混凝土與周邊結(jié)構(gòu)弧式連接，不僅延長了滲徑，也允許產(chǎn)生微小位移。為保證瀝青混凝土與常態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合緊密，混凝土表面必須平整、粗糙，其表面的浮碴、乳皮、廢渣及粘著污物等需清理干凈，保證混凝土表面干凈和干燥。對作為瀝青混凝土與常態(tài)混凝土的結(jié)合面過渡材料的2.0cm厚砂質(zhì)瀝青瑪?shù)僦┕ぶ杏纫⒁狻r青瑪?shù)僦呐浜媳取佋O(shè)方法和時間等，均應(yīng)采用現(xiàn)場試驗所提供的相應(yīng)參數(shù)，選用的砂必須為堿性人工砂。瀝青瑪?shù)僦佋O(shè)前，應(yīng)在已清理干凈的瀝青混凝土表面均勻地涂刷12遍冷底子