俄羅斯瀝青砼心墻堆石壩特點分析

　　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。現(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屆國際大壩會議上，世界各國的專家提交了50個報告，會議認為，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國際大壩會議上又重復了上述主張。

　　歷史：

　　使用瀝青可以認為已有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?，F(xiàn)在中國已建成13座這類壩型。俄羅斯建設了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。甚至雨天或者嚴寒時都可保證有高的不透水性、塑性、抗腐蝕和抗凍性。

　　工藝和設備：

　　第一次采用瀝青砼心墻施工時還使用了模板。向模板中填漏干凈和干的石料，然后將熱瀝青注入，達到心墻體積的30-40%為止。高的工程造價，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，當瀝青剛剛凝固，將鋼模板拆除，這時開始填鋪心墻兩側的過濾層。這種多次工序的澆注瀝青砼方法，無需專門的施工機械。這種分層澆注的瀝青砼心墻，對修建在深的、可壓縮總和層地基上的填筑壩是適宜的，因為這類壩基會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械化澆注和兩側過渡層的填筑同時進行，而無需模板。瀝青砼含瀝青6-7%。這個既經(jīng)濟又可靠的方法，保證了工程質(zhì)量，可以檢查瀝青砼心墻各處的不透水性。標準的挪威瀝青砼施工機械，涵蓋了兩側過渡層和瀝青心墻，總寬3.5米。對于標準的瀝青砼盡墻厚0.5米，每側過渡層厚1.5米，這種機械是適用的。對于有更寬的瀝青心墻，可適當?shù)臏p小過渡層厚度或者采用其他施工機械。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_到3個百分點的地方，瀝青砼心墻的透水性達到10-11厘米/秒。大壩粘土心墻量測的不透水性為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。實際上最小厚度很少選用小于0.5米。對于巖基上壩高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。在嚴格要求瀝青砼質(zhì)量下，并能保持不透水性和塑性時，心墻厚度和瀝青用量可以減少。

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　　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度達到應有要求，那么壩體堆石的變形應不會大。如果按照瀝青砼心墻制備和澆注的嚴格要求，其厚度應是50厘米。因為瀝青砼和瀝青的價格高，瀝青砼心墻厚如果設計成100-120厘米，則應減少其厚度。密實的瀝青砼的塑性性質(zhì)，在任何氣候條件下都能保持。在冬季溫度達到-57℃時，應采用足夠軟的瀝青，標號低于175。從工廠到大壩施工現(xiàn)場的運輸，瀝青砼應放在隔熱的料箱或卡車中。拌合溫度與瀝青標號有關。標號145到210的瀝青，拌合溫度應低于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，這對修建堆石壩是合適的。土料心墻由于天氣原因就會停止施工，而瀝青砼心墻就可以縮短工期，從而可降低工程造價。瀝青砼的澆注可以在低于-10℃時進行，澆注時的氣溫以瀝青砼不凝固為限。

　　采用機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，應較快的用輕型振蕩器密實，以達到密實的表層。一般的降雨不影響瀝青砼的澆注和工程質(zhì)量。這個優(yōu)點在挪威的工程實踐中得到充分證實。

　　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，反濾料采用要有嚴格的技術條件。實際上可以認為瀝青砼心墻是不透水的，對瀝青砼心墻反濾料（或者是過渡層）的要求，就不太嚴格了。過渡層的填筑應與瀝青砼心墻的澆注同時進行，但應盡快給瀝青砼提供側面支護。瀝青砼心墻的澆注可以在嚴寒氣溫和雨季進行，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。在過去的壩工設計中，任何時候都沒有限制修建瀝青砼心墻壩。

　　長的包古查壩，從瀝青心墻建設者看，是理想的。瀝青砼心墻每天澆注層厚相當高。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械，這樣也增大了大壩的施工強度。

　　結構特點：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?shù)貤l件有關，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，大壩采用了強柔性的瀝青砼心墻。大壩壩基為深的非均勻沖積物。施工時地基下沉約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，在試驗中已得到驗證，這一點在工程實踐中會明顯看到。

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

　　當瀝青砼澆注密實后的孔隙率不大于3%時，可以認為心墻是不透水的。這一點已為資料所證實。瀝青砼的塑性—粘彈性質(zhì)能適應當?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，而不會引起可怕的后果，粘土心墻或者斜墻就不能這樣。應力值可以用有限元法計算和用有瀝青砼適用條件的模型試驗得到。最近幾年挪威地質(zhì)科學研究院和“科龍—維依捷克”公司合作進行了大量研究分析工作。巖石各項受壓試驗和分析認為，瀝青砼適合于堆石壩。技術條件和控制參數(shù)應與當?shù)貤l件相適應。

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　　加快修建：在挪威地質(zhì)科學研究院、“科龍—維依捷克”公司和挪威撥款調(diào)查委員會共同完成的科學研究工作，在四年的研究中，研究了由當?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)，研究還包括了設計、修建和質(zhì)量控制。瀝青砼心墻修建表明，與設計的其他壩型相比，能滿足各方面的技術要求和運用條件，具有競爭力。

　　應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，一層層的同時施工。有些業(yè)主，甚至總承包人都擔心，瀝青施工的嚴格條件，會使大壩修建拖延進度。在過去的40年中還沒有任何一項工程記載，由于采用了瀝青砼心墻而減慢了大壩進度。如果在設計之初就擔心，那么可以不采用瀝青砼心墻。分析結果表明，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條件規(guī)定是在試驗基礎上得到的。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，作不透水試驗中得到的。另一些技術條件規(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。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，更換了機械，改善了工藝和管理，這就要重新考慮技術條件規(guī)定。

　　研究計劃是基于多方面的試驗，并采用標準的瀝青砼澆注機和“維依捷克”設備。設計和工藝過程是標準的。心墻瀝青砼的配制采用標號180的瀝青，含量6%-7%，這個標號相當于美國材料試驗協(xié)會的D5標準。填充料為片麻巖（角閃巖）碎石，并按富列拉級配曲線選用。細粒級的允填料量為13%，細粒級充填料是從干碎石中得到（粉粒），并加入推動水分的磨細石炭石。瀝青澆注和密實時的溫度為145℃～160℃。這就是說，制備瀝青時的溫度為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填筑和密實。

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

　　試驗主要結果表明，瀝青砼心墻的所有技術特征，包括孔隙率（作為主要質(zhì)量指標）都超過了技術條件規(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，對要澆注的下一層瀝青砼的密實，產(chǎn)生任何問題。當天天中澆注如此厚層時，為了心墻兩側過渡層的穩(wěn)定性，應考慮采用高穩(wěn)定性材料，高穩(wěn)定性材料應能保證密實心墻時有良好的側向支撐。標準的澆注設備是針對澆注層厚20厘米，如果澆注層厚30厘米，那么應重新設計澆注設備和過渡層的模具。

　　從為了提高生產(chǎn)效率所作的試驗分析中，可以清楚的得出結論：瀝青砼心墻任何時候都沒有成為妨礙當?shù)夭牧蠅涡藿ǖ脑颍踔廉斠蠹涌煨藿ㄋ俣葧r，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備；8-過渡區(qū)材料裝載設備；9-過渡區(qū)材料料斗；10-過渡區(qū)材料平整梁；11-預密實瀝青砼裝置；12-氣壓動力輪；13-三個振動板；14-心墻護板；15-已填筑的過渡區(qū)材料；16-瀝青砼心墻；17-移動履帶；18-瀝青砼料。

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

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

　　根據(jù)對所有瀝青砼壩的統(tǒng)計，瀝青砼壩的特點是良好的運用，通過心墻的滲透很少，另外是沒有一座壩對心墻進行過修理。