淺談瀝青混凝土在水利工程中的應用

馬江飛,張劍波

(1.中國水電基礎局有限公司西藏分公司,拉薩 850000;2.中國水電基礎局有限公司,天津 301700)

瀝青混凝土具有抗滲能力強,變形能力強,結構簡單,工程量小,施工速度快,安全可靠,不破壞環境資源等特點,因此,優于其他材料的心墻。瀝青心墻有較好的塑性和柔性,能適應壩體的變形和沉陷,對已產生的裂縫有一定的自愈能力,同時,瀝青混凝土無毒,老化速度慢,是一種比較安全合理的防滲形式。國內外水工與材料領域的學者對瀝青混凝土心墻及面板在材料、設計、施工、修復方面均有較多的研究。如中國水利水電科學研究院的郝巨濤、岳躍真,西北農林科技大學的劉儒博,西安理工大學的王為標、張應波等均對瀝青混凝土在水利工程中的施工有著較全面的研究[1-3]。國內在瀝青混凝土心墻壩設計控制指標、瀝青混凝土心墻壩應力應變分析計算、大壩安全監測設計等方面研究已達到國際水平。本文結合瀝青混凝土在高海拔地區水利工程中的應用實踐,闡述瀝青混凝土的發展,以便于明晰水利工程瀝青混凝土的應用前景。

1 水工瀝青混凝土發展

1.1 水工瀝青混凝土發展歷史

1929年美國建成世界上第一座用瀝青混凝土材料防滲的索推里壩之后,歐洲和日本廣泛地采用瀝青混凝土進行土石壩防滲[4]。我國1974年建成甘肅黨河大壩,這是我國第一座瀝青混凝土心墻壩,隨著茅坪溪、冶勒、天荒坪、尼爾基、寶泉等瀝青混凝土心墻壩的建成,我國在瀝青混凝土防滲方面的研究有了長足的進步。從地域看,國內在高海拔地區應用瀝青混凝土較為廣泛。近幾年西藏地區采用瀝青混凝土心墻的旁多水利樞紐、雅礱水庫、結巴水庫、卓玉水庫、拉洛水利樞紐、DY水庫等海拔均在3 900 m以上,帕古水庫海拔達到了4 600 m。新疆地區也建成了下坂地水庫、大河沿水庫、托帕水庫、五一水庫等瀝青混凝土壩。隨著近些年的工程積累,我國在瀝青混凝土心墻的施工工藝上也有了長足的進步。

1.2 瀝青混凝土心墻發展現狀

目前,國內在瀝青混凝土心墻方面的研究已具備較高水平?？偨Y發現,以往工程中由于沒有專用設備,攤鋪碾壓方面基本均為采用德國等的道路攤鋪機進行改造以適應工程應用。隨著瀝青混凝土的應用日益廣泛,西安理工大學在心墻專用攤鋪機研制方面取得了較好的效果,研制了輪式攤鋪機,可調節攤鋪層厚。但是整體來看,目前,國內攤鋪機仍然比較落后,一些發達國家已經成熟地應用了機、電、液一體化,攤鋪機結構合理、功能完善、可靠性強。國外目前在研究全自動無人駕駛攤鋪機,其可能具備依靠電腦程序控制工作速度、駕駛方向、自動加熱等功能,這也是瀝青混凝土設備研制的趨勢。

瀝青混凝土心墻壩在高寒、強震地區具有明顯的優勢。在我國西部地區一些高壩壩址由于地震烈度高基礎覆蓋層深厚,當地缺乏防滲料,瀝青混凝土由于其適應性強、工程用量小被廣大的水利工程設計者青睞。如目前海拔4 600 m以上的帕古水庫、下巴水庫均為瀝青混凝土心墻壩。

澆筑式瀝青混凝土近些年在新疆地區水利工程中的應用也取得了長足的進步,從模板選擇、瀝青含量控制等方面均有了較多的研究。

在結構應用方面,水工瀝青混凝土防滲體應用于瀝青混凝土斜墻、蓄水池護面、渠道襯砌、瀝青混凝土心墻等多方面,能適用于多種防滲結構。

2 瀝青混凝土心墻面臨的難題及研究方向

2.1 質量控制指標

按中國水利水電科學研究院郝巨濤的研究,目前瀝青混凝土心墻在質量控制標準方面如控制指標、防滲性能檢驗等方面存在著控制指標主次不分、重點不突出的問題。其控制指標合理性還需進一步驗證及完善。特別是斜坡流淌值這一指標在實際工程中基本無法指導工程現場的施工質量控制,缺乏實用性。

2.2 瀝青混凝土材料力學特性研究

主要表現為瀝青混凝土在復雜的高應力條件下的力學特性研究較少。不明確其高應力狀態下的應力變形、強度特性。借助茅坪溪工程,長江水利委員會、西安理工大學等在此方面進行了一定的研究,在應力-應變關系及應力-應變模型參數方面進行了分析。但是,其材料本構模型構建的復雜性也導致了目前很多瀝青混凝土工程依舊無法完整、準確地分析。特別是瀝青品種、含量、材料性質、配合比、試驗溫度、加載速率等均會對結果產生影響,性質極為復雜。近年相關方面有一定的研究成果,但是還需要針對各自工程區特點進行針對性地研究。

2.3 瀝青混凝土心墻的變形特性

瀝青混凝土心墻是柔性結構,本身的變形主要取決于心墻在壩體中所受的約束條件,隨壩體一起變形,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。目前,有很多學者從瀝青混凝土心墻的彈性模量與過渡料彈性模量等方面進行過分析,也有從瀝青混凝土特性進行分析,此項研究一般均為構建數學模型,約定約束條件從而進行受力數學模型分析。由于各工程均有不同的特性,加之材料組成的復雜性,目前,瀝青混凝土心墻的變形特性研究也是比較困難的。

2.4 瀝青心墻與常態混凝土組合壩

部分工程出現采用瀝青混凝土心墻與混凝土組合構筑防滲的研究,由于剛性與柔性的連接容易因為變形能力不一致帶來損傷,因此,瀝青混凝土與混凝土組合連接也是瀝青混凝土心墻研究的難點。

3 瀝青混凝土心墻研究熱點

3.1 施工設備研制

機械化是社會生產力發展的必經途徑,多年以來水工瀝青混凝土心墻攤鋪設備大多采用道路攤鋪機改造,由于水工瀝青混凝土的特殊性,設備對寬度調節、掉頭轉向、過渡料高度調節等方面均出現了較大的不適應性。根據調查,目前在施工機械智能化方面瀝青混凝土施工也有了較大的改變,主要集中在攤鋪設備的智能化、碾壓設備的智能化。從開始的簡單數據收集顯示到目前具備完整的數據收集傳送系統,智能化的技術將帶來數據分析、自動判斷、自動找平、速度調節等功能,這將會是瀝青混凝土心墻施工的研究方向。在施工連續性方面,層面清理、攤鋪碾壓一體化隨著技術的進步也是有可能實現的。隨著瀝青混凝土壩型的增多,以上機械設備的方向也是研究的熱點。

3.2 瀝青混凝土組成材料研究

瀝青混合料包含瀝青、骨料、礦粉等,由于瀝青的特殊性質,骨料的性能特點對瀝青混凝土防滲、耐久方面有著較大的影響,因此,研究工程區瀝青混凝土各組分的性能對瀝青混凝土防滲體的影響是設計、施工過程比較重要的環節,也是需要研究的一個熱點方向。

3.3 瀝青混凝土壩防滲修復

如對防滲體進行鉆孔灌漿處理,鉆孔難度非常大,灌漿材料很難與瀝青混凝土緊密地結合。修補時應該采用加熱好的瀝青,在灌注前需要將鉆孔清理干凈,并對其進行烘干和熱融化處理,如果深度距離表面較淺此方式可行,且前提是能準確定位滲漏點。如不能實現準確定位,其防滲修復一般采用傳統的防滲墻或灌漿的方式。隨著瀝青混凝土心墻壩的增多,此研究方向也是研究的熱點。

3.4 瀝青混凝土試驗

根據國內外標準對比,瀝青混凝土馬歇爾擊實標準、柔性檢驗標準、耐久性、斜坡流淌值等均有著不統一的意見及檢驗方式。瀝青混凝土配合比試驗包括室內試驗和生產性試驗,是比較顯著的理論到實踐的過程,通過室內試配及現場施工驗證相互論證,有著比較強的實用性,其中,瀝青及骨料的試驗及選擇也是目前比較關注的重點。瀝青混凝土檢驗方式及檢驗標準對工程有著控制性作用,此方面的研究也是目前的研究熱點。

3.5 非堿性骨料瀝青混凝土研究

在瀝青混凝土的設計中,通過巖石化學成分分析并根據成分含量以堿值的大小定量地將巖石分為了酸性和堿性。酸性骨料與酸性的瀝青并不能產生化學反應,只能產生分子間作用力,這種物理吸附的黏結性沒有化學吸附作用力強,因此與瀝青的黏結力要差[5]。蓄水后,當瀝青混凝土心墻長期與水接觸,表面的瀝青會被水置換掉,從骨料表面剝離,嚴重地破壞其結構穩定,產生水損害[5-6]。在一些工程區,可能僅有呈中性或酸性的骨料,如花崗巖和石英巖。隨著工程的需要,以非堿性巖石為骨料的瀝青混凝土心墻會越來越多。

3.6 瀝青混凝土自愈能力研究

道路瀝青中關于瀝青混凝土的自愈合能力研究已經有一定的進展。水工瀝青混凝土由于其瀝青含量更高、膠結材料更豐富等特點為瀝青混凝土自愈提供了較好的基礎。施工過程中部分微小裂縫經過保溫、加熱等方式能夠使得瀝青混凝土進行自愈合。因此,研究長時間水流作用下產生的缺陷通過一定的調節是否能夠使得瀝青混凝土進行自愈合也是有較高的工程實用意義。

3.7 高海拔地區瀝青混凝土溫度控制

瀝青混凝土拌制時原材料加熱溫度過高易導致瀝青老化降低耐久性,在高溫下施工易流淌,低溫下碾壓易開裂、不密實,溫度對整個施工過程均有較大影響。高海拔地區如新疆、西藏等大部分地區一般伴隨大風、高溫差的現象。大風與高溫差容易造成瀝青混凝土溫度消退不均勻,迅速產生外冷內熱現象。研究溫度對工程區的適應性對于瀝青混凝土的施工有著較重要的意義。

4 水利工程瀝青混凝土發展趨勢

通過國內多個工程多年的建造、使用、運行情況總結分析,瀝青混凝土防滲具有其獨特的優勢,雖然在材料及模型分析方面尚需要繼續改進,但多個成功案例已經證明了其價值。特別在高地應力地區、高海拔地區、寒冷地區、防滲材料缺乏地區等均有著較大的發展應用潛力。國內在瀝青混凝土應用于渠道、河岸、污廢水等重要不可泄露結構等方面的應用較少,隨著國內水利建設及環保要求的需求,目前水利工程也趨向于向高海拔、深河谷地區及低滲透要求方面挺進。瀝青混凝土在水利工程中的應用會越來越廣。

隨著越來越多工程中瀝青混凝土心墻的應用,采用加石灰粉、水泥(五一水庫)及抗剝落劑(結巴水庫)等材料改善骨料本身與瀝青粘附性性能的方式越來越多,這也成為了目前比較適用于水利工程前沿的研究趨勢。

5 結語

本文在對國內外瀝青混凝土在水利工程中的發展歷程及現狀介紹的基礎上,分析了目前我國水利工程中瀝青混凝土應用的難點、重點、研究方向、研究熱點,總結了瀝青混凝土在水利工程中的發展趨勢。目前,瀝青混凝土在水利工程中經過多年發展已有了相對完善的設計、施工體系,有著較為廣闊的應用前景,但在結構力學分析、材料研究、質量控制標準、施工控制等方面尚需繼續進行深入研究。通過本文的總結,對于水利工程中瀝青混凝土應用的重難點有了比較系統的認識。