沥青混凝土心墙的变形特性与施工控制.doc

沥青混凝土心墙的变形特性与施工控制杜治华 李友华(葛洲坝集团)摘要：沥青混凝土心墙的变形是不可避免的，但应力求使心墙变形与坝体变形协调一致、在分析了三峡工程茅坪溪土石坝沥青混凝土心墙的变形特性后，提出了如何通过施工过程的控制使心墙变形与坝体变形相协调，即使在最大剪应变作用下也能发挥其良好的抗渗性能，从而保证工程安全稳定的运行。关键词：沥青混凝土心墙；变形特性；施工控制三峡工程茅坪溪土石坝(简称茅坪坝)大坝采用沥青混凝土心墙土石坝坝型，心墙厚度0.53m墙体最大高度94m，墙顶轴线长880m，沥青混凝土防渗面积约4.63万m2，计4.85万m3。其坝高和填筑量为国内已建和在建同类工程之最，在国际上也位居前列。针对这一规模巨大的工程，本文提出了如何通过施工过程的控制，使心墙变形与坝体变形相协调，即使在最大剪应变作用下也能发挥其良好的抗渗性能。1 沥青混凝土心墙的变形特性沥青混凝土心墙是一种薄壁柔性结构，本身的变形主要取决于心墙在坝体中所受的约束条件，总是随坝体起变形，对坝体变形影响较小，但对心墙两侧坝体应力分布有较大影响。茅坪坝沥青混凝土心墙在施工期，随着墙体两侧坝体的均衡上升，承受两侧坝体对等土压力和墙体上部自重荷载，其变形表现为墙体沉降及厚度的变化，心墙轴线位移很小。非线性有限元分析表明，坝体填筑到高程185m时，心墙最大沉降量可达138cm。沥青混合料是由沥青和骨料组成的复合材料，它具有粘弹性质，具性状随温度及加荷时间(变形速度)而变化。在低温或短时间载荷情况下显出弹性性质，在高温或长时间载荷情况下呈现粘弹性或粘性性质。由于心墙材料的这一特性，使心墙在长时间自重载荷作用下表现出明显的流变特性，引起侧向膨胀，导致心墙高度的明显降低和坝体水平应力的显著增大。沥青混凝土心墙的水平位移主要发生在水库蓄满后，并且在坝顶具有最大值；竖向位移主要发生在施工期，与水平位移样随土坝的高度而变化，外且取决于支撑坝体土料的物理力学特性、当支撑坝体中填料的变形模量大于心墙的变形模量时，心墙的应力就降低，这时沥青混凝土就好象“悬挂”在支撑坝体上，在上游压力作用下垂直应力v降低，当静水压力大于心墙的垂直应力和抗拉强度之和时，心墙就有被水力击穿发生水力劈裂的可能。当支撑坝体填料的变形模量低于沥青混凝土的变形模量，即采用干硬性混凝土时，就发生如同支撑坝体悬挂于沥青混凝土心墙之上的现象，并且沥青混凝土中应力增加的程度，取决于沥青混凝土变形模量(Ea)与支撑坝体填料的变形模量(Er0)的比。研究表明，当Ea/Erp=3时，沥青混凝土心墙内的应力约提高4050，而当Era=l.9时，沥青混凝土心墙内的应力增大2030。因此，当沥青混凝土心墙的变形模量与坝体填料变形模量在数值上接近时，沥青混凝土与坝体变形相适应，此时，沥青混凝土能达到最佳防渗效果。2 施工控制2.1 沥青混凝土心墙的施工控制沥青混凝上性能敏感性较强，施工中沥青混凝土的矿料级配、沥青含量、温度等因素都直接影响沥青混凝土的力学和变形性能。因此，为保证沥青混凝土的性能稳定性和可靠性，使沥青混凝土的各项物理力学指标满足设计要求，施工中沥青混凝土质量控制显得格外重要。茅坪坝沥青混凝土生产工艺、生产过程的关键控制点应从以下几个方面着手。2.1.1 原材料的质量控制组成沥青混凝土的原材料主要有沥青和矿料，矿料包括粗骨料、细骨料和填充料：茅坪坝沥青混凝土粗骨料为碱性骨料，由石灰岩加工而成，粒径分为2010mm、105mm、52.5mm三级。细骨料是用碱性骨料加工的人工砂(粒径2.50.074nm)或天然河砂。填充料则是由石灰岩加工的矿粉，粒径小于0.074mm。施工中，为获得优质沥青混凝土，骨料的超逊径、针片状颗粒含量、含泥量、矿料级配等都要满足规定要求。对选用的克拉玛依炼油厂的水上沥青每批到场沥青，其物理化学指标不尽相同。因此，每批到场都要进行全面检测。2.1.2 施工配合比的控制沥青混合料正式生产前，必须对拌和系统的称量系统的精度进行检测，拌和沥青混凝土时，必须严格按照沥青混凝土配料单配料，配合比误差应控制在以下范围内：沥青10.3%、骨料12%、填料1%，并及时以施工现场摊铺完后未碾压之前的抽提试验成果来调整施工配合比。对每批到场的沥青，也应根据其物理化学指标通过试验调整配合比。2.1.3 施工的温度控制沥青混凝土温度敏感性较强。沥青的熔化和脱水温度、矿料的加热温度、沥青混合料机口温度、沥青混凝土碾压温度都应按试验选定的最佳温度进行。特别是碾压温度对碾压效果影响较大。试验表明，在130170的碾压温度范围内，碾压温度低，压实后沥青混凝土的性能较好。但碾压温度过低又使沥青混凝土较难压实，不利于施工。因此，茅坪坝沥青混凝土心墙碾压温度宜控制在140150范围内。2.1.4 现场摊铺和碾压控制沥青混凝土摊铺厚度、碾压遍数、碾压方式及碾压机具都直接影响沥青混凝土性能。为确保沥青混凝土具备良好的物理力学性能，应严格按要求的铺筑厚度、次序、方向、铺筑温度、碾压遍数等进行分层施工。铺筑厚度应小于25cm、压实厚度控制在202cm、摊铺速度为13m/min。2.2 过渡层施工控制茅坪坝心墙上下游分别设2m、3m厚的过渡层，它对心墙的作用有：与沥青混凝土心墙紧密结合，并填充到邻近坝壳的孔隙内，防止沥青混凝土受力压入坝壳内而产生渗透变形；防止填筑体流失，排除可能经过心墙的渗透水；变形模量界于沥青混凝土和坝壳填料之间，均匀传递应力，防止心墙发生应力集中而开裂；上游侧过渡层给后期可能出现的渗漏处理提供级配良好的灌浆区。过渡层的砂砾料必须级配良好、致密坚硬，具有较强的抗风化性和抗风化能力，满足设计要求的最大粒径不超过80mm、中值粒径d50=912mm、含泥量5，压实渗透系数不小于l10-2cm/s、压实后相对密度不低于0.85，以给墙体提供均匀支撑；同时减小沥青混凝土嵌入过渡层数量，使上游侧过渡层能使沥青混凝土产生自愈效应，避免可能产生的裂缝部位的渗漏，使下游侧过渡层能排水通畅。为了实现过渡层与心墙边界颗粒的精密结合，过渡层应与心墙同时铺筑碾压，使二者相互胶结，避免形成孤立墙或运行期因墙体过大水平位移而产生空隙。2.3 沥青混凝土心墙与周边结构的连接施工控制心墙下部防渗体受基础约束，心墙底部接头处一般存在较大的剪应力。对于岸坡部位，将会因坝体的不均匀沉降而产生纵向剪切变形。茅坪坝采用工程中普遍采用的扩大沥青混凝土底部横截面的方法，将底部3m高沥青混凝土扩大到心墙厚度的2.5倍，沥青混凝土与周边结构弧式连接，不仅延长了渗径，也允许产生微小位移。为保证沥青混凝土与常态混凝土结构结合紧密，混凝土表面必须平整、粗糙，其表面的浮碴、乳皮、废渣及粘着污物等需清理干净，保证混凝土表面干净和干燥。对作为沥青混凝土与常态混凝土的结合面过渡材料的2.0cm厚砂质沥青玛蒂脂，施工中尤要注意。沥青玛蒂脂的配合比、铺设方法和时间等，均应采用现场试验所提供的相应参数，选用的砂必须为碱性人工砂。沥青玛蒂脂铺设前，应在已清理干净的沥青混凝土表面均匀地涂刷12遍冷底子