俄罗斯沥青砼心墙堆石坝特点分析

　　沥青砼用于水电、灌溉、供水、防洪及其他工程的防渗体已有40多年历史。现在已建成了70多座沥青砼心墙坝。奥地利的非斯捷勒塔勒坝坝高150米，是最高的坝，其沥青心墙高98米。挪威斯托勒哥罗木瓦特坝有最高的沥青心墙，高128米。

　　1988年6月在美国萨—弗朗西斯科召开的第16届国际大坝会议上，世界各国的专家提交了50个报告，会议认为，在未来的最高坝中，使用沥青斜墙或砼斜墙堆石坝，亦或使用沥青心墙堆石坝是有前景的坝型。1992年在弗列捷—84国际大坝会议上又重复了上述主张。

　　历史：

　　使用沥青可以认为已有5000多年。在印度河谷可以看到最古老的，到现在还在使用的小型砌石蓄水池，砌石就是使用了由天然沥青作成的粘液。伊拉克、埃及、南美的秘鲁等都广泛的使用沥青，用于建筑业的防水。

　　1962年“施特拉巴格”公司首次采用现代化的机械施工，修建了沥青心墙堆石坝。1970年中国的专家建成了第一座沥青心墙坝。现在中国已建成13座这类坝型。俄罗斯建设了2座薄沥青砼心墙坝。

　　1978年挪威建成了第一座沥青砼心墙坝。到现在挪威的几乎所有大的堆石坝都采用这种工艺。沥青砼心墙与土料心墙相比，沥青砼心墙的优越性在于施工工艺与天气条件无关。甚至雨天或者严寒时都可保证有高的不透水性、塑性、抗腐蚀和抗冻性。

　　工艺和设备：

　　第一次采用沥青砼心墙施工时还使用了模板。向模板中填漏干净和干的石料，然后将热沥青注入，达到心墙体积的30-40%为止。高的工程造价，填注空隙率难于掌握，而心墙的不透水落石出性也难使人满意。俄罗斯专家对三联单座坝高140米的大型堆石坝的施工中，提出了另一种沥青砼心墙的施工方法。将高浓沥青（从10%到14%）的沥青砼浇注到高1米的钢模板中，当沥青刚刚凝固，将钢模板拆除，这时开始填铺心墙两侧的过滤层。这种多次工序的浇注沥青砼方法，无需专门的施工机械。这种分层浇注的沥青砼心墙，对修建在深的、可压缩总和层地基上的填筑坝是适宜的，因为这类坝基会引起不均匀沉陷和坝体内变位。

　　现在的工艺是沥青砼的机械化浇注和两侧过渡层的填筑同时进行，而无需模板。沥青砼含沥青6-7%。这个既经济又可靠的方法，保证了工程质量，可以检查沥青砼心墙各处的不透水性。标准的挪威沥青砼施工机械，涵盖了两侧过渡层和沥青心墙，总宽3.5米。对于标准的沥青砼尽墙厚0.5米，每侧过渡层厚1.5米，这种机械是适用的。对于有更宽的沥青心墙，可适当的减小过渡层厚度或者采用其他施工机械。沥青工厂生产的沥青，才能用于沥青砼心墙的配置的沥青。空隙率达到3个百分点的地方，沥青砼心墙的透水性达到10-11厘米/秒。大坝粘土心墙量测的不透水性为10-7-10-9厘米/秒。

　　仅仅从不透水性要求出发，理论上沥青砼心墙可以很薄。实际上最小厚度很少选用小于0.5米。对于岩基上坝高60-70米的坝，且石料填筑良好的沥青砼心墙厚度，挪威常采用50厘米。在严格要求沥青砼质量下，并能保持不透水性和塑性时，心墙厚度和沥青用量可以减少。

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　　包古查坝一期坝高45米，坝基为良好岩基。如果坝体石料填筑的密实度达到应有要求，那么坝体堆石的变形应不会大。如果按照沥青砼心墙制备和浇注的严格要求，其厚度应是50厘米。因为沥青砼和沥青的价格高，沥青砼心墙厚如果设计成100-120厘米，则应减少其厚度。密实的沥青砼的塑性性质，在任何气候条件下都能保持。在冬季温度达到-57℃时，应采用足够软的沥青，标号低于175。从工厂到大坝施工现场的运输，沥青砼应放在隔热的料箱或卡车中。拌合温度与沥青标号有关。标号145到210的沥青，拌合温度应低于160℃，这可以防止沥青氧化。

　　沥青砼心墙可以在任何天气下施工，这对修建堆石坝是合适的。土料心墙由于天气原因就会停止施工，而沥青砼心墙就可以缩短工期，从而可降低工程造价。沥青砼的浇注可以在低于-10℃时进行，浇注时的气温以沥青砼不凝固为限。

　　采用机械浇注沥青砼或者采用手工（在边缘范围有不大的浇注量）时，应较快的用轻型振荡器密实，以达到密实的表层。一般的降雨不影响沥青砼的浇注和工程质量。这个优点在挪威的工程实践中得到充分证实。

　　中国正在修建的依野列（译音）坝，坝高140米，考虑到极端的潮湿天气条件，高山和只有局部的密实坝基，采用沥青砼心墙坝是唯一的选择了。包古查大坝工地全年平均昼夜气温只有140天在0℃以上。这样就是延长了大坝防渗体每年只有较短的施工期，这是具有很大意义的。

　　采用粘土心墙的大坝，反滤料采用要有严格的技术条件。实际上可以认为沥青砼心墙是不透水的，对沥青砼心墙反滤料（或者是过渡层）的要求，就不太严格了。过渡层的填筑应与沥青砼心墙的浇注同时进行，但应尽快给沥青砼提供侧面支护。沥青砼心墙的浇注可以在严寒气温和雨季进行，所以有沥青砼心墙的大坝，其施工期要比用土料心墙的坝短。在过去的坝工设计中，任何时候都没有限制修建沥青砼心墙坝。

　　长的包古查坝，从沥青心墙建设者看，是理想的。沥青砼心墙每天浇注层厚相当高。延伸浇注面的尺寸，可以促使有效的天然冷却。在沥青砼正常生产情况下，每天可浇注沥青砼1~2层，每层厚20厘米。而包古查坝，下面还要谈到，每天浇注3-4层。为此采用了两套浇注机械，这样也增大了大坝的施工强度。

　　结构特点：坝体内的沥青，由于基本上是不变的温度和没有阳光照射，差不多是理想的保存条件。甚至过了40多年以后，仍没有发现沥青氧化和硬化。

　　沥青砼心墙适用于有坝内变形和坝基有不均匀沉陷的情况。调整沥青成份和粘性与当地条件有关，这样才能保持柔性和不透水性。1968年奥地利建成了坝高28米的埃别勒拉斯捷堆石坝，大坝采用了强柔性的沥青砼心墙。大坝坝基为深的非均匀冲积物。施工时地基下沉约2.2米。在以后的两年中又发生了20厘米的沉陷，但是，在沥青砼心墙中没有发现任何渗水。这表明，沥青砼心墙适合于大的差别沉降，在受拉时水受巨大压力和剪切变形，并能避免形成裂缝或者是增大透水性。沥青材料的塑性性质和自愈性能，在试验中已得到验证，这一点在工程实践中会明显看到。

　　对于填筑密实的沥青砼心墙堆石坝，又有良好岩石地基时，大坝边坡可以达到1∶1.3，非斯捷勒塔勒坝正是这样。

　　当沥青砼浇注密实后的孔隙率不大于3%时，可以认为心墙是不透水的。这一点已为资料所证实。沥青砼的塑性—粘弹性质能适应当地的具体条件和气候，特别适用于地震区，而良好地基上的砼斜墙坝或者碟压砼坝不宜采用。沥青砼心墙还没有因地震或诱发原因而破坏的先例。

　　沥青砼心墙坝可以随其施工进度而蓄水，而一般来说，钢筋混凝土斜墙坝就不能这样。施工期可以通过沥青砼心墙溢流，而不会引起可怕的后果，粘土心墙或者斜墙就不能这样。应力值可以用有限元法计算和用有沥青砼适用条件的模型试验得到。最近几年挪威地质科学研究院和“科龙—维依捷克”公司合作进行了大量研究分析工作。岩石各项受压试验和分析认为，沥青砼适合于堆石坝。技术条件和控制参数应与当地条件相适应。

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　　加快修建：在挪威地质科学研究院、“科龙—维依捷克”公司和挪威拨款调查委员会共同完成的科学研究工作，在四年的研究中，研究了由当地材料修建的沥青砼心墙坝，沥青砼不透水心墙的性质和状态，研究还包括了设计、修建和质量控制。沥青砼心墙修建表明，与设计的其他坝型相比，能满足各方面的技术要求和运用条件，具有竞争力。

　　应用在填筑坝体中心部位的沥青砼心墙，可以和坝体的其他部分，一层层的同时施工。有些业主，甚至总承包人都担心，沥青施工的严格条件，会使大坝修建拖延进度。在过去的40年中还没有任何一项工程记载，由于采用了沥青砼心墙而减慢了大坝进度。如果在设计之初就担心，那么可以不采用沥青砼心墙。分析结果表明，如果必须，在保持规定不透水心墙质量，不增大支出的情况下，提高沥青的生产率。

　　通常沥青砼心墙的技术条件规定是在试验基础上得到的。这些规定是在每20-30厘米浇注层冷却4-5天期间，取振荡试样，作不透水试验中得到的。另一些技术条件规定，要求一天只能浇注20厘米厚两层，并考虑冷却和稳定，这是为使下一层密实。浇注的工作面愈大，则生产率愈高，例如，包古查水电站的最后几年，更换了机械，改善了工艺和管理，这就要重新考虑技术条件规定。

　　研究计划是基于多方面的试验，并采用标准的沥青砼浇注机和“维依捷克”设备。设计和工艺过程是标准的。心墙沥青砼的配制采用标号180的沥青，含量6%-7%，这个标号相当于美国材料试验协会的D5标准。填充料为片麻岩（角闪岩）碎石，并按富列拉级配曲线选用。细粒级的允填料量为13%，细粒级充填料是从干碎石中得到（粉粒），并加入推动水分的磨细石炭石。沥青浇注和密实时的温度为145℃～160℃。这就是说，制备沥青时的温度为150℃～160℃。心墙过渡层的碎石为0-60毫米，过渡层要同沥青心墙同时填筑和密实。

　　首先分析了一天浇注4层，每层厚20厘米。同一般技术条件下的一天浇注两层相比，使生产效率提高了一倍，每天浇注80厘米。在几个小时中连续浇注4层，这个速度，在大坝的修建中常常是不可能。这样，在试验中看到，在密实下一层时会有热而外国佬的不利层面出现。另一组浇注试验是一天连续浇注3层，每层厚30厘米。这种浇注与一般技术条件下浇注相比，生产效率更高。试验的第一天，地表的温度为-4℃，气温为4℃，有雨、雪和风。另一天表层温度没变，而气温是4℃～5℃，但没有雨或者雪。

　　试验主要结果表明，沥青砼心墙的所有技术特征，包括孔隙率（作为主要质量指标）都超过了技术条件规定。两层之间接触带的孔隙率与沥青砼层内孔隙率相比，未发现有什么不同。没有发现已浇注的前次沥青砼层，对要浇注的下一层沥青砼的密实，产生任何问题。当天天中浇注如此厚层时，为了心墙两侧过渡层的稳定性，应考虑采用高稳定性材料，高稳定性材料应能保证密实心墙时有良好的侧向支撑。标准的浇注设备是针对浇注层厚20厘米，如果浇注层厚30厘米，那么应重新设计浇注设备和过渡层的模具。

　　从为了提高生产效率所作的试验分析中，可以清楚的得出结论：沥青砼心墙任何时候都没有成为妨碍当地材料坝修建的原因，甚至当要求加快修建速度时，也是如此。

沥青砼心墙浇注图

　　a)—沥青砼料斗断面；b）—心墙两侧过渡区材料料斗断面：1-浇注方向；2-加热器；3-沥青砼浇注钢板平面；4-已浇注沥青层平整器；5-两侧过渡区材料；6-沥青砼料斗；7-沥青砼传送装置或者其他类似设备；8-过渡区材料装载设备；9-过渡区材料料斗；10-过渡区材料平整梁；11-预密实沥青砼装置；12-气压动力轮；13-三个振动板；14-心墙护板；15-已填筑的过渡区材料；16-沥青砼心墙；17-移动履带；18-沥青砼料。

　　工程造价比较：最近几年对大坝工程造价进行了详细的比较，并得出了一些趋势。1997年为了坝工建设，挪威对碾压砼坝和沥青砼心墙堆石坝进行了比较。考虑了承包价格和泄水建筑物的附加支出，沥青砼心墙坝的造价大约要低10%。1998年在南非坝工修建中，在设计阶段时对这三种坝型—碾压砼坝、砼斜墙坝和沥青砼心墙坝进行过比较，大坝位于弱稳定性地基的地震区，最后选择了造价低的沥青砼心墙坝。正在中国修建的大坝（三峡设计），曾考虑过选用粘土心墙坝或者沥青砼心墙坝。考虑采用沥青砼心墙坝方案，是由于造价低。

　　不久前在瑞士修建的105米高的大坝，曾考虑过三个方案。将粘土心墙坝和沥青砼心墙坝的造价进行了比较，它们与砼斜坝比较，最大的不同在于造价低很多。最终选用了粘土心墙坝。

　　根据对所有沥青砼坝的统计，沥青砼坝的特点是良好的运用，通过心墙的渗透很少，另外是没有一座坝对心墙进行过修理。