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)摘要：瀝青混凝土心墻的變形是不可避免的，但應力求使心墻變形與壩體變形協調一致、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調，即使在最大剪應變作用下也能發揮其良好的抗滲性能，從而保證工程安全穩定的運行。關鍵詞：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調，即使在最大剪應變作用下也能發揮其良好的抗滲性能。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構，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，但對心墻兩側壩體應力分布有較大影響。茅坪壩瀝青混凝土心墻在施工期，隨著墻體兩側壩體的均衡上升，承受兩側壩體對等土壓力和墻體上部自重荷載，其變形表現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138cm。瀝青混合料是由瀝青和骨料組成的復合材料，它具有粘彈性質，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，在高溫或長時間載荷情況下呈現粘彈性或粘性性質。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出明顯的流變特性，引起側向膨脹，導致心墻高度的明顯降低和壩體水平應力的顯著增大。瀝青混凝土心墻的水平位移主要發生在水庫蓄滿后，并且在壩頂具有最大值；豎向位移主要發生在施工期，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特性、當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力v降低，當靜水壓力大于心墻的垂直應力和抗拉強度之和時，心墻就有被水力擊穿發生水力劈裂的可能。當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時，就發生如同支撐壩體懸掛于瀝青混凝土心墻之上的現象，并且瀝青混凝土中應力增加的程度，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Ea/Erp=3時，瀝青混凝土心墻內的應力約提高4050，而當Era=l.9時，瀝青混凝土心墻內的應力增大2030。因此，當瀝青混凝土心墻的變形模量與壩體填料變形模量在數值上接近時，瀝青混凝土與壩體變形相適應，此時，瀝青混凝土能達到最佳防滲效果。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和變形性能。因此，為保證瀝青混凝土的性能穩定性和可靠性，使瀝青混凝土的各項物理力學指標滿足設計要求，施工中瀝青混凝土質量控制顯得格外重要。茅坪壩瀝青混凝土生產工藝、生產過程的關鍵控制點應從以下幾個方面著手。2.1.1 原材料的質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，由石灰巖加工而成，粒徑分為2010mm、105mm、52.5mm三級。細骨料是用堿性骨料加工的人工砂(粒徑2.50.074nm)或天然河砂。填充料則是由石灰巖加工的礦粉，粒徑小于0.074mm。施工中，為獲得優質瀝青混凝土，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，其物理化學指標不盡相同。因此，每批到場都要進行全面檢測。2.1.2 施工配合比的控制瀝青混合料正式生產前，必須對拌和系統的稱量系統的精度進行檢測，拌和瀝青混凝土時，必須嚴格按照瀝青混凝土配料單配料，配合比誤差應控制在以下范圍內：瀝青10.3%、骨料12%、填料1%，并及時以施工現場攤鋪完后未碾壓之前的抽提試驗成果來調整施工配合比。對每批到場的瀝青，也應根據其物理化學指標通過試驗調整配合比。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按試驗選定的最佳溫度進行。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，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。2.1.4 現場攤鋪和碾壓控制瀝青混凝土攤鋪厚度、碾壓遍數、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性能，應嚴格按要求的鋪筑厚度、次序、方向、鋪筑溫度、碾壓遍數等進行分層施工。鋪筑厚度應小于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合，并填充到鄰近壩殼的孔隙內，防止瀝青混凝土受力壓入壩殼內而產生滲透變形；防止填筑體流失，排除可能經過心墻的滲透水；變形模量界于瀝青混凝土和壩殼填料之間，均勻傳遞應力，防止心墻發生應力集中而開裂；上游側過渡層給后期可能出現的滲漏處理提供級配良好的灌漿區。過渡層的砂礫料必須級配良好、致密堅硬，具有較強的抗風化性和抗風化能力，滿足設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量，使上游側過渡層能使瀝青混凝土產生自愈效應，避免可能產生的裂縫部位的滲漏，使下游側過渡層能排水通暢。為了實現過渡層與心墻邊界顆粒的精密結合，過渡層應與心墻同時鋪筑碾壓，使二者相互膠結，避免形成孤立墻或運行期因墻體過大水平位移而產生空隙。2.3 瀝青混凝土心墻與周邊結構的連接施工控制心墻下部防滲體受基礎約束，心墻底部接頭處一般存在較大的剪應力。對于岸坡部位，將會因壩體的不均勻沉降而產生縱向剪切變形。茅坪壩采用工程中普遍采用的擴大瀝青混凝土底部橫截面的方法，將底部3m高瀝青混凝土擴大到心墻厚度的2.5倍，瀝青混凝土與周邊結構弧式連接，不僅延長了滲徑，也允許產生微小位移。為保證瀝青混凝土與常態混凝土結構結合緊密，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混凝土的結合面過渡材料的2.0cm厚砂質瀝青瑪蒂脂，施工中尤要注意。瀝青瑪蒂脂的配合比、鋪設方法和時間等，均應采用現場試驗所提供的相應參數，選用的砂必須為堿性人工砂。瀝青瑪蒂脂鋪設前，應在已清理干凈的瀝青混凝土表面均勻地涂刷12遍冷底子