北美興建的首座瀝青心墻壩

[挪威] H.薩克加德 等

魁北克水電局修建的大部分壩都是堆石壩,以冰磧土作防滲心墻的填料。但是,目前正在評價(jià)和設(shè)計(jì)的新工程所在地區(qū)缺少良好的土質(zhì)心墻材料,因此魁北克水電局打算對這些工程的其他設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià),并在作出新壩設(shè)計(jì)決策之前進(jìn)行一項(xiàng)足尺試驗(yàn)工程。

詹姆斯灣能源公司(詹姆斯灣能源公司)是魁北克水電局完全擁有的子公司,參加過開發(fā)伊斯特梅恩 1A工程、薩爾塞勒電站和魯珀特引水工程,已有多年的工程施工經(jīng)驗(yàn)。為了進(jìn)行足尺試驗(yàn),已決定將該地區(qū)在建壩中的一座壩重新設(shè)計(jì)成一座具有中央瀝青心墻的堆石壩。在歐洲和其他國家已建成多座此類壩,但在北美洲,迄今還沒有建造過。

挪威巖土工程學(xué)院和科洛維德克公司受魁北克水電局委托,參與了該壩的設(shè)計(jì)和規(guī)范的制定。需要做大量工作把歐洲的通用規(guī)范和質(zhì)量要求轉(zhuǎn)化成加拿大的標(biāo)準(zhǔn)。

魁北克北部的冬季氣候嚴(yán)寒,最低溫度 -50°,因此值得關(guān)注的問題是溫度拉應(yīng)力可能導(dǎo)致心墻開裂。在這樣的氣候條件下,溫度裂縫是公路和機(jī)場的常見問題。幸運(yùn)的是,有關(guān)這種現(xiàn)象的科研報(bào)告有很多,其中大部分出自加拿大。由于大壩心墻受到大壩填方的保護(hù),因此溫度梯度平緩。相比厚護(hù)面,薄護(hù)面更容易產(chǎn)生裂縫。在這方面,約0.5 m的厚度即被認(rèn)為是很厚的。因此,加拿大魁北克的標(biāo)準(zhǔn)瀝青(P G 52-34)被認(rèn)為適合該工程;這種瀝青的灌入度為 180～220(A S T MD 5-73)。

2007年,完成了規(guī)范的制定,同年底,詹姆斯灣能源公司與科洛維德克公司就施工合同進(jìn)行了協(xié)商。為了從有關(guān)當(dāng)局獲得必需的各種施工許可證,科洛維德克公司成立了加拿大子公司,即科洛維德克魁伯克公司。科洛維德克公司還與當(dāng)?shù)氐膬?nèi)米斯凱 1號壩的瀝青承包商 P a v e x儀器公司簽訂了合作與分包合同。

2007年底開始在施工現(xiàn)場進(jìn)行骨料生產(chǎn),并在挪威奧斯陸的科洛維德克實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了瀝青配合比設(shè)計(jì),在 P a v e x儀器公司的實(shí)驗(yàn)室,按加拿大規(guī)范進(jìn)行了骨料和瀝青標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。

圖 1為該壩的橫斷面。由于大壩最大壩高僅為15 m,因此心墻厚度為 0.4m即可滿足要求。其下游側(cè)也有高水位。壩頂高程約為 300 m,壩頂長 336 m。

圖 1 大壩橫斷面

基巖條件一般極好,在清除覆蓋層后做了一個(gè)3.9 m寬的混凝土底座,并分成3排進(jìn)行了灌漿。除2B區(qū)外,其他所有填筑區(qū)均按標(biāo)準(zhǔn)的詹姆斯灣能源公司規(guī)范用軋石和爆破石料進(jìn)行施工。2B過渡區(qū)原打算采用 0～80mm粒徑已經(jīng)加工好的礫石,但在施工期間改用了 0～80mm粒徑的破碎石料。

1 瀝青配合比設(shè)計(jì)

瀝青骨料用 10～100mm粒徑的當(dāng)?shù)氐[石加工成 3種規(guī)格的骨料:0～5mm,5～10mm,10～20mm。骨料一般都是優(yōu)質(zhì)的,取洛杉磯值為 20～25,吸水性中等。

規(guī)范包括通過試驗(yàn)和按照加拿大魁北克運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)的要求確定骨料和瀝青之間的粘結(jié)力。試驗(yàn)結(jié)果表明,可能需要一種粘結(jié)劑。所有常規(guī)粘接試驗(yàn),包括加拿大所做試驗(yàn),其目的都是研究敞開式護(hù)面層內(nèi)瀝青和骨料之間的粘結(jié)力,在這種情況下,水和空氣容易透入護(hù)面層中。在挪威進(jìn)行的新試驗(yàn)和王博士的博士論文均證明 ,粘結(jié)劑不能改善用于作瀝青混凝土心墻的那種稠密瀝青的物理特性,因?yàn)榭諝夂退荒芡溉氲匠砻転r青中。此外,王博士還指出:按德州弗騰試驗(yàn)(A S T MD 3625-2000)或其他類似試驗(yàn)證實(shí)的對瀝青的粘結(jié)性能指標(biāo)值較差的骨料,可用于致密瀝青混凝土心墻的施工,不會(huì)對瀝青心墻的性能產(chǎn)生不利影響。為此,決定在為內(nèi)米斯凱 1號壩生產(chǎn)瀝青時(shí)不使用粘結(jié)劑。

魁北克水電局優(yōu)先考慮的主要問題之一是瀝青心墻的施工速度。最好每天至少鋪筑 3層或更多(每層壓實(shí)厚度22.5 cm),因此,特別強(qiáng)調(diào)要生產(chǎn)易于壓實(shí)的瀝青混合料。通過按富勒氏級配曲線選用骨料的級配達(dá)到了此目的,這種級配曲線的填料所占百分比(13%)和瀝青含量(占總重量的7.3%)比常用的高。必須指出的是,當(dāng)確定瀝青含量時(shí),還必須考慮到這樣一個(gè)事實(shí),在拌和過程中,瀝青含量存在某些偏差。這個(gè)偏差隨瀝青攪拌站的配料控制精度而有所不同,通常估計(jì)為 ±0.3%。

使用水泥和軋碎骨料作填料在奧斯陸進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果證明,兩種填料的效果相同。出于經(jīng)濟(jì)原因,后來采用了骨料填料。

滲透試驗(yàn)在試驗(yàn)室制作的 2個(gè) M a r s h a l l試樣上進(jìn)行,試樣瀝青含量 7%。這種心墻試樣即使經(jīng)過12 h的 1MPa水壓試驗(yàn)仍能保證完全不滲水。

瀝青配合比設(shè)計(jì)三軸試驗(yàn)在挪威巖土工程學(xué)院進(jìn)行。試驗(yàn)溫度為 5℃ ,維持恒定側(cè)向應(yīng)力0.5MPa,應(yīng)變速率為每小時(shí)2.3%。應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明,延展性達(dá)到較大軸向應(yīng)變,在剪切試驗(yàn)期間只有小量的膨脹。

2 試驗(yàn)段

2008年 7月初,在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)段施工。第1試驗(yàn)段包括在混凝土底座上鋪瀝青瑪脂和一層機(jī)械攤鋪層,厚度為22.5 cm(壓實(shí)后)。第 2試驗(yàn)段包括 1 d(9 h)內(nèi)鋪筑 4層,每層厚22.5 cm(壓實(shí)后)。

次日進(jìn)行第 2試驗(yàn)段施工,包括鋪筑 4層,每層壓實(shí)后厚度約 30 cm。

這 2個(gè)試驗(yàn)段的層厚比預(yù)期的稍薄。主要是由于心墻的寬度(即厚度——譯注)只有 40 cm。若采用稍寬的心墻,很容易使層厚增加。為了便于大壩施工而選擇22.5 cm的層厚,以便與其他壩區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)填筑層厚相適應(yīng)。

恰當(dāng)?shù)卮_定了瀝青滲透率與孔隙率之間的關(guān)系?？紫堵蕿?3%的芯樣的滲透率約為 10-11cm/s。目前,普遍認(rèn)為瀝青心墻在鋪筑和壓實(shí)后的孔隙率應(yīng)低于 3%,并且應(yīng)根據(jù)瀝青心墻鉆孔芯樣孔隙率的測量結(jié)果進(jìn)行日施工質(zhì)量控制。

3 第 1試驗(yàn)段的取樣結(jié)果

總共鉆取芯樣 6個(gè),取樣深度約 45 cm。有的芯樣在取樣時(shí)還鉆穿了第 1層,并鉆到了混凝土底座中,目的是為了測試瀝青/瑪脂與混凝土的粘結(jié)力。粘結(jié)力在魁北克的一個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。

將芯樣的每端截?cái)?4 cm后,6個(gè)芯樣各分成 5～6節(jié)(圓盤),并按 A～F的順序,對這些圓盤進(jìn)行編號,A為芯樣的上節(jié),見表 1。

表1 第 1試驗(yàn)段實(shí)測的孔隙率 %

所有的圓盤試件的孔隙率都不大于通則規(guī)定的最大值 3%,每個(gè)芯樣的平均孔隙率均低于2.5%。

4 第 2試驗(yàn)段的取樣結(jié)果

第 2試驗(yàn)段總共鉆取和分析芯樣 5個(gè),取樣的分析方法與第 1試驗(yàn)段相似,結(jié)果見表 2。

表2 第 2試驗(yàn)段實(shí)測孔隙率 %

所有的圓盤試件的孔隙率都不超過通則規(guī)定最大值 3%,每個(gè)芯樣的平均孔隙率均低于2.5%。

2個(gè)試驗(yàn)段鋪筑的瀝青心墻試驗(yàn)均證明,其孔隙率平均值都低于3%,可以認(rèn)為是不滲透的。鋪筑層厚22.5 cm(壓實(shí)后)的第 1試驗(yàn)段與層厚增加到約為 30 cm(壓實(shí)后)的第 2試驗(yàn)段之間的平均孔隙率的測量結(jié)果沒有差別,這 2次試驗(yàn)也證明每天鋪筑 4層并不困難。

對瀝青各項(xiàng)指標(biāo)的分析表明,由瀝青廠生產(chǎn)的瀝青的測量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室制備的瀝青配比設(shè)計(jì)之間的差別可以忽略,因此,決定在下一步大壩施工中維持此配合比的設(shè)計(jì)。

5 現(xiàn)場施工

在施工現(xiàn)場附近建了一座小型瀝青拌和廠以及實(shí)驗(yàn)室。瀝青由裝有專門筒倉的裝載機(jī)運(yùn)至施工現(xiàn)場,過渡區(qū)材料用自動(dòng)卸料車從附近的貯料堆運(yùn)送。詹姆斯灣能源公司也參加了獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室的工作,以便對所鋪筑的所有瀝青進(jìn)行補(bǔ)充分析,并編寫逐日施工報(bào)告。用這種方式,每天都要對所有質(zhì)量要求進(jìn)行雙重檢查。

科洛維德克公司負(fù)責(zé)瀝青心墻和過渡區(qū)的鋪筑,而魁北克水電局負(fù)責(zé)設(shè)備調(diào)配和所有壩區(qū)的壓實(shí)。

在試驗(yàn)段的報(bào)告得到批準(zhǔn)后,2008年 7月 21日開始,進(jìn)行大壩瀝青瑪脂施工。壩基縱剖面有幾個(gè)深坑,在用機(jī)械對整個(gè)大壩長度進(jìn)行鋪筑前,需要由人工鋪瀝青將其填平 。

施工進(jìn)行 1～2周后,鉆取了芯樣,并現(xiàn)場測試孔隙率,然后在施工完成 1月后,再次鉆取芯樣和進(jìn)行測試。對生產(chǎn)的瀝青,每天對實(shí)驗(yàn)室制作的馬歇爾試樣測試 1～3次,以控制組分、瀝青含量和壓實(shí)效果。只有在前一天的檢查結(jié)果符合要求之后,才允許進(jìn)行第 2天的瀝青鋪筑。所有施工于 2008年9月 7日完成,在施工 7周后,已鋪筑了 54層,相當(dāng)于將心墻鋪到了12.1 m高。

內(nèi)米斯凱 1號壩瀝青心墻工程成功建成,比原計(jì)劃提前完工。除了由承包商進(jìn)行常規(guī)質(zhì)量控制外,魁北克水電局和詹姆斯灣能源公司對瀝青心墻鋪筑技術(shù)進(jìn)行了不斷監(jiān)督和評估。