【摘 要】 瀝青混凝土以其優(yōu)良的防滲性能、適應(yīng)變形能力、裂縫自愈能力， 在水電工程， 尤其是土石壩工程中有著廣泛的應(yīng)用前景。挪威在水工瀝青混凝土的研究及應(yīng)用方面技術(shù)領(lǐng)先。本文介紹了挪威瀝青混凝土土石壩的發(fā)展歷程， 瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計方法和特點， 以及挪威水工瀝青混凝土的設(shè)計和試驗方法， 對我國水工瀝青混凝土的設(shè)計和研究應(yīng)用具有借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】 水工瀝青混凝土 防滲 變形 裂縫 自愈 挪威
1 前言
我國水工瀝青混凝土的研究應(yīng)用始于20世紀70年代， 起步較晚， 隨著浙江天荒坪抽水蓄能電站上庫瀝青混凝土面板工程及三峽茅坪溪瀝青混凝土心墻工程的成功建設(shè)， 我國水工瀝青混凝土的應(yīng)用技術(shù)得到了較大的發(fā)展。為提高我國水工瀝青混凝土的研究及應(yīng)用水平， 指導(dǎo)和規(guī)范我國水工瀝青混凝土技術(shù)的推廣應(yīng)用，國家啟動了水工瀝青混凝土施工規(guī)范及試驗規(guī)程的編制工作。為了學習借鑒國際先進的水工瀝青混凝土技術(shù)， 成功地完成水工瀝青混凝土施工規(guī)范及試驗規(guī)程的編制， 加強國際交流與合作， 由中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)起， 國內(nèi)有關(guān)水電開發(fā)、科研設(shè)計單位的科技管理人員9人，組成水工瀝青混凝土考察團， 于2005年9月赴挪威進行水工瀝青混凝土技術(shù)考察。
在挪威首都奧斯陸， 考察團參觀了挪威土工研究所， 了解了挪威水工瀝青混凝土土石壩的設(shè)計和運行概況， 及水工瀝青混凝土的設(shè)計、試驗研究方法。
2 挪威的瀝青混凝土土石壩
2.1 概況
挪威有著豐富的水力資源，其全部可開發(fā)的水資源約為3100萬千瓦。現(xiàn)在挪威全境已建起了1000 多座水電站， 水力資源開發(fā)程度已達90%之多。目前挪威全年的發(fā)電總量超過1200億度，人均約3萬度左右，名列世界第一。水電工業(yè)的發(fā)展對于挪威的經(jīng)濟繁榮起著決定性的作用，被稱為“走向繁榮的動力”。
水電站通常修建在河流的上游，因此許多大壩座落于人跡罕至且有著漫長冬季的地區(qū)，氣候以及工程物資的供應(yīng)對工程的設(shè)計、施工影響很大。從1890年建成第一座大壩起，目前挪威境內(nèi)高于15m的大壩共計有290多座。1930年以前混凝土和石塊是主要的筑壩材料， 1930年至1960年，隨著鋼筋混凝土的發(fā)展，重力壩逐漸被拱壩所取代。土石壩的興建則始于1924 年， 但在1965年以后修建的大壩中，土石壩占了五分之四。目前高于15m的290座大壩中，有174座是各種不同壩型的土石壩（見表1） 。
由于冰磧或冰磧物，各種粒級的石頭、礫石、砂子、粘土和淤泥，在挪威的大多數(shù)壩址附近都可以找到，因此是筑壩的首選材料。在1960年至1980年期間，土石壩主要采用冰磧心墻作為大壩的防滲結(jié)構(gòu)（見表1） 。1978 年， Aurland計劃中的三座大壩采用了瀝青混凝土心墻，這三座大壩位于挪威西部高海拔的山區(qū)，壩址附近的冰磧物很少，氣候惡劣，且有很深的幾乎是永久的凍結(jié)帶，因此很難進行土心墻的施工。截止目前，挪威有一座堆石壩采用了瀝青混凝土面板作為大壩的防滲體，有10座土石壩采用了瀝青混凝土心墻，瀝青混凝土心墻的統(tǒng)計資料如表2所示。瀝青混凝土心墻配合比的統(tǒng)計資料如表3所示，大壩各分區(qū)所用材料性能及澆注工藝如表4所示。
挪威部分瀝青混凝土心墻壩的觀測資料：
Storvatn壩：最高蓄水位時的總滲漏量僅為10 l/ s，且其中部分并非來源于水庫。大壩建成5年后，心墻頂部的最大沉降為165mm 或0.18%的壩高。心墻的最大位移發(fā)生在下游壩殼的中部， 為580mm， 水平位移206mm， 垂直位移520mm。
Berdalsbatn壩： 總滲漏量很小，小于2.5 l/ s。大壩建成3年后，心墻頂部的最大沉降為70mm
或0.1%的壩高。
Styggevatn壩：最高蓄水位時的總滲漏量為20 l/ s，其中大部分并非來源于水庫。大壩建成1年后，心墻頂部的最大沉降為35mm或0.18%的壩高。心墻的最大位移發(fā)生在下游壩殼的中部，水平位移68mm，垂直位移67mm。
Riskallvatn壩： 1986年8月，剛開始蓄水時大壩的總滲漏量隨著水位的增加迅速增加，當水位達到海拔971m時，總滲漏量達到106 l/ s，但其中大部分滲漏是從心墻的混凝土基礎(chǔ)以下通過。6年后，在最高水位下大壩的總滲漏量僅為20 l/ s。大壩未做補充灌漿，滲漏量的大幅度降低是由于基礎(chǔ)巖石裂縫的逐漸阻塞和閉合。大壩建成6年后，心墻頂部的最大垂直沉降為45mm 或0.1%的壩高。
Katlavatn壩：最高蓄水位時的總滲漏量穩(wěn)定在0.4 l/ s。大壩建成12年后，心墻頂部的最大垂直沉降為35mm或0.18%的壩高。
Vestredalstjern壩：最高蓄水位時的總滲漏量穩(wěn)定在0.2 l/ s。大壩建成12年后，心墻頂部的最大垂直沉降為44mm或0.14%的壩高。
Langavatn壩：最高蓄水位時的總滲漏量穩(wěn)定在0.4 l/ s。大壩建成12年后，心墻頂部的最大垂直沉降小于0.1%的壩高。
3 瀝青混凝土心墻的特點
瀝青混凝土材料是一種人工設(shè)計的材料，與土心墻相比，它具有可以根據(jù)不同要求進行配合比設(shè)計，以使其性能滿足特殊要求的優(yōu)勢。
瀝青混凝土心墻和過渡層同時鋪筑壓實的施工工藝和設(shè)備的成熟應(yīng)用，使采用瀝青混凝土心墻作為大壩防滲體的單位成本不斷下降，使瀝青混凝土心墻的應(yīng)用非常具有吸引力。
瀝青混凝土的不透水性、柔性、抗侵蝕性、耐久性、優(yōu)良的工作性、無縫的層間結(jié)合、以及由粘塑性和延展性所帶來的裂縫自愈合性能，使得瀝青混凝土心墻非常適用于地質(zhì)條件差的河谷或地震區(qū)。
與土心墻相比，惡劣天氣對瀝青混凝土心墻施工的影響要小得多。如雨季幾乎不影響瀝青混凝土心墻的施工。因此采用瀝青混凝土心墻，可節(jié)約工程工期。
瀝青混凝土心墻的厚度較小，一般最大不超過1m，且直心墻更為適用，因此成本較低。
4 挪威瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計原理和要求
瀝青混凝土心墻的主要功能是抗?jié)B， 要求在剪切膨脹和裂縫產(chǎn)生的情況下， 滲透量無大的增加。因此要求瀝青混凝土心墻具有很好的適應(yīng)土石壩的變形及壩基位移的能力。在土石壩施工期間和水庫蓄水期間， 壩體的固結(jié)和蠕變， 水庫水位的波動， 地震或斷層運動， 都會引起位移的積累。對于建在巖基上的大壩， 影響其變形的關(guān)鍵因素是壩體填筑材料的物理力學性質(zhì)， 特別是過渡料及壩殼的壓實性能。如果壩體修建在可壓縮的覆蓋層上， 則地基的不均勻沉陷將是產(chǎn)生沿河谷縱橫交錯的變形差的主要原因。
根據(jù)已建工程的實測資料，通過對比分析的方法，結(jié)合有限元分析，預(yù)測新建工程可能產(chǎn)生的變形與扭曲，是目前最行之有效的方法。心墻應(yīng)力應(yīng)變的大小，必須根據(jù)試驗室得出的數(shù)據(jù)進行有限元分析計算。試驗室試樣應(yīng)近似地代表工地實際原樣，研究特性包括膨脹性，滲漏，柔性，抗裂性能，剛度，強度及裂縫自愈能力等。對于瀝青混凝土，很難提出一個合適、等效的變形模量。因為在施加載荷時，瀝青混凝土的模量值受溫度和應(yīng)力應(yīng)變影響很大。所以在有限元應(yīng)力應(yīng)變分析中，不采用考慮時間的粘性模型，一般采用分段模擬壩體施工的非線性分析。
1）心墻
瀝青混凝土心墻及其相鄰的過渡料鋪筑層厚度為0.2m，并同時被壓實。這種施工方法能使心墻與過渡帶的界面給熱瀝青混凝土以及時的側(cè)向支承和緊密結(jié)合。現(xiàn)場觀測到的鋪筑壓實后的界面輪廓是鋸齒狀的。這是由于熱瀝青混凝土受頂部輕微擠壓而膨脹造成的。
心墻的厚度按0.1m的間距從基礎(chǔ)向頂部減小?，F(xiàn)代化的施工設(shè)備能夠建成有一定坡度的傾心墻，但除非有必要且在經(jīng)濟上可行，一般不選擇臺階型的。
心墻的最小厚度一般為上下游水位差的1%，這已成為一個不成文的重要規(guī)則。在已建的碾壓式瀝青混凝土心墻大壩中，心墻頂部的最小厚度為0.4m，最大厚度為1.2m。對于高壩，在現(xiàn)代化的施工方法和質(zhì)量控制情況下，這看起來還是一個很保守的經(jīng)驗。根據(jù)挪威的經(jīng)驗，心墻最小厚度0.5m，最大一般不必超過1.0m，除非在特殊的環(huán)境下，例如地震區(qū)，或在壩基沉陷，有滑移的情況，心墻厚度可大于1.0m。
盡管瀝青混凝土斜心墻的防滲方式對傳遞水壓有利，但相比之下，垂直心墻所受剪應(yīng)力作用較小。另外，在例外情況下產(chǎn)生裂縫時，如果需要進行灌漿修補，垂直心墻要比斜心墻容易，可在滲水部位的上游側(cè)過渡帶中鉆孔灌漿填補裂縫。
在兩岸陡峭的狹窄V形河谷，特別是當壩體坐落在可壓縮性的覆蓋層上時，河谷的拱效應(yīng)是非常重要的，必須加以研究分析。此外還要檢查心墻在平面上的應(yīng)力，估算其剪切扭曲、膨脹和有無出現(xiàn)潛在裂縫的可能。
2）反濾過渡帶
瀝青混凝土攤鋪機實際上限制了攤鋪施工時心墻和過渡帶的同時鋪筑總寬度。外圍部分的過渡帶就不得不使用其他設(shè)備單獨進行鋪筑。一般情況，心墻和過渡料同時鋪筑的最小寬度不得小于1.0m。
過渡帶的材料最好選擇新鮮堅硬的人工碎石， 最大粒徑60mm， 其中d50 > 10mm， d15 <10mm，有棱角的碎石比天然圓滑的卵石更能為心墻和攤鋪機提供穩(wěn)定的支撐。過渡材料級配曲線在施工過程中很容易發(fā)生偏差，因此必須對粒徑的分布情況定期進行監(jiān)測和控制。另外， 心墻， 過渡帶和壩殼之間的骨料粒徑差異也不能過大。國際大壩委員會（ 1992） 給出的控制指標是：
心墻d100 > =過渡帶d10 ，
過渡帶的d100 > =壩殼1 /4d100。
一些設(shè)計者提出上游過渡帶增加細顆粒，理由是如果心墻出現(xiàn)破壞或者產(chǎn)生裂縫時，這些細顆粒就會進入裂縫內(nèi)而減少滲漏直到瀝青混凝土的粘塑性流動使裂縫愈合。然而， 有爭議認為，細顆粒進入裂縫后將削弱瀝青心墻的自愈能力并對其長期運行產(chǎn)生損害。
在強烈的地震作用下，壩體頂部的很大位移有可能使心墻部分剪切破壞。漏水程度將取決于心墻的剪切面寬度，也取決于剪切面庫水位以下的深度和靠近心墻的過渡帶的抗?jié)B性能。在這種危險的情況下，增加反濾層或過渡帶的細粒料是有益的，它將減小漏水程度，以使庫水位降低進行修補。
3）壩殼
當壩體建在堅硬的巖基上，過渡帶和壩殼料的壓實程度、均勻程度以及壩坡的坡度決定薄心墻的變形和扭曲，當壩體建在壓縮性基礎(chǔ)上，必須估算基礎(chǔ)的附加位移與不均勻沉陷。
Kjaernsi等指出了壩體施工期間采用的碾壓設(shè)備和壓實功率，施工攤鋪厚度，土料的含水量和堆石的粒徑以及沖水壓實對減少壩體變形的作用。另外，緩慢均勻的蓄水可給心墻以充分的時間以適應(yīng)由此產(chǎn)生的載荷及其他的難以預(yù)料的不均勻變形，因此瀝青混凝土心墻在施工設(shè)計過程中允許壩體施工與水庫蓄水同時進行，從技術(shù)經(jīng)濟上都是有益的。
反濾層的兩邊作一個壓實特別良好的堆石區(qū)，堆石采用適當鋪筑厚度并曬水振動壓實，通常認為可增大該區(qū)的變形模量。
心墻可能會發(fā)生扭曲變形，設(shè)計者針對這一情況可能采用特別柔軟的瀝青且含量很高的混合料，但這相應(yīng)地也降低了瀝青混凝土的抗剪強度。對這一點，尤其是建在土基或覆蓋層上的土石壩，在壩殼進行壩坡穩(wěn)定分析時必須要加以考慮，因為壩體遇地震時會產(chǎn)生附加孔隙水壓力并降低有效應(yīng)力和強度。
5 挪威水工瀝青混凝土的設(shè)計及試驗研究
5.1 瀝青混凝土的設(shè)計
瀝青混凝土的設(shè)計是建立在瀝青混凝土的性能研究和工程實踐經(jīng)驗之上的。要充分考慮到混凝土的施工和易性，及瀝青混凝土的抗?jié)B性、膨脹性、柔性、抗裂性、裂縫自愈能力、強度等一系列性能。具體的設(shè)計內(nèi)容如下：
骨料的質(zhì)量和粒徑組成
骨料的質(zhì)量等級是根據(jù)骨料的片狀指數(shù)和脆性指數(shù)來決定的。片狀指數(shù)表示骨料針片占骨料總量的含量，脆性指數(shù)表示骨料呈脆性而易破碎的特性參數(shù)。當瀝青含量低于5%時，低質(zhì)量的骨料之間的接觸可能會使混凝土產(chǎn)生裂縫，此時必須對骨料質(zhì)量提出一定的要求；當瀝青含量大于7%時，骨料之間基本不接觸，此時骨料質(zhì)量不影響瀝青混凝土的抗?jié)B性能，主要影響混凝土的瀝青用量，即要達到同樣的孔隙率和滲透性，片狀指數(shù)越高，瀝青用量越高。骨料質(zhì)量不同，瀝青混凝土在應(yīng)力～應(yīng)變～強度性能方面的差異很小。
骨料的粒徑組成應(yīng)按富勒級配曲線來選定，小于0.075mm的填料一般占骨料總重的12%。填料、砂、碎石或天然卵石的粒徑一般在0 ～16mm或0 ～18mm之間。填料一般以硅酸鹽水泥、石灰石石粉等來補充骨料石粉的不足。人工骨料石粉的最大含量取決于骨料的酸堿性，必須對骨料酸性進行測定。
瀝青的質(zhì)量和含量
理論上， 瀝青含量只要滿足填滿骨料的孔隙，但通常略大于理論的骨料孔隙。應(yīng)根據(jù)骨料的種類、礦物成分、片狀結(jié)構(gòu)和表面特性、粒徑分布和瀝青的粘性等綜合條件，通過馬歇爾試驗來確定瀝青含量。工程實際采用的瀝青含量都比在馬歇爾壓實試驗中確定的瀝青含量要稍大一些，一般在瀝青混凝土總重的5.5% ～ 6.6%之間。
現(xiàn)場試驗表明，即使應(yīng)用8%的柔軟的低粘稠的瀝青，現(xiàn)有的澆筑設(shè)備和施工方法都能成功使用。但是，當瀝青含量超過10%時，瀝青混凝土呈“流態(tài)”，不能有效壓實，此時應(yīng)考慮采用人工鋪筑和模板施工的方法。
瀝青混凝土的拌和、壓實溫度根據(jù)所使用瀝青的品種決定。瀝青混凝土壓實后允許的最大孔隙率。
大量的試驗證明，當瀝青混凝土的孔隙率小于3%時，即使在很高的水壓下瀝青混凝土也是不透水的。當孔隙率大于3%時，混凝土滲透性顯著增大，在6%時，滲透系數(shù)大約為10- 5 cm / s。
考慮到室內(nèi)試驗與現(xiàn)場壓實密實度之間的差異，混凝土設(shè)計時，要求瀝青混凝土室內(nèi)馬歇爾試驗的孔隙率小于2%。
5.2 瀝青混凝土性能試驗
水工瀝青混凝土除了標準的馬歇爾試驗外，還需要通過其他試驗來評估和論證瀝青混凝土的各項性能和適用性。
1）馬歇爾試驗
馬歇爾試驗是瀝青混凝土配合比設(shè)計中的主要試驗，測試混凝土的密度和孔隙率，及穩(wěn)定度和流值。
馬歇爾試驗是用高64mm，直徑102mm的標準試件，用規(guī)定的方法加熱、攪拌，并在模具里壓實。馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗是在60℃下，對圓柱形試件加徑向荷載，荷載通過半圓形試模以51mm /min的變形率施加直到破壞。穩(wěn)定度即為記錄的最大荷載，流值就是最大荷載時的總的徑
向變形。
2）三軸試驗
挪威的三軸試驗采用直徑為100mm，高為200mm的試件。試件成型方法為： 將骨料在160℃預(yù)熱4h，瀝青在145℃下預(yù)熱2h，混合料在150℃～160℃下，澆入內(nèi)徑為100mm的預(yù)熱過的模具內(nèi)，每層裝填5cm，用與馬歇爾試驗相同的方法，每層擊振半分鐘。
試驗在規(guī)定的應(yīng)變速率和溫度下進行，一般為2% /h和5℃/h。一般三軸試驗采用軸向壓縮試驗。為了模擬混凝土結(jié)構(gòu)的實際受力條件，也可采用不同的應(yīng)力途徑。試驗可得到混凝土的應(yīng)力應(yīng)變特性、剪脹特性、剪切強度特性，并可根據(jù)混凝土的應(yīng)變特性判斷材料的柔性。
3）抗?jié)B試驗
典型的抗?jié)B試驗中，抗?jié)B試件置于一個敞口容器內(nèi)，四周由瀝青密封，容器底板有小孔，容器連同試件置于壓力水下?，F(xiàn)在還有許多可控制試件水平及垂直應(yīng)力的精心設(shè)計的抗?jié)B儀。
除普通試件外，還可將經(jīng)過較大剪切變形的三軸試件切割成合適試樣，對其進行抗?jié)B試驗，用來測定剪脹和內(nèi)部裂縫對瀝青混凝土抗?jié)B性的影響。
通過滲透試驗可進行瀝青含量及類型與混凝土滲透性的關(guān)系試驗，可測定瀝青混凝土裂縫的自愈程度和速度、滲透性隨時間減弱的關(guān)系。
4）撓曲抗裂性能試驗
在面板瀝青混凝土的設(shè)計中，采用小梁彎曲試驗來研究瀝青混凝土的抗裂性能；在心墻瀝青混凝土的設(shè)計中，采用簡單圓盤撓曲抗裂性能試驗?zāi)M測試不同配合比的瀝青混凝土的撓曲抗裂性能。
圓盤試驗“模擬”由于壩體的不均勻位移或下游側(cè)過渡帶局部支撐的減弱而引起心墻的局
部彎曲的情況。
圓盤試件直徑300mm，厚60mm，支承在圓筒形壓力容器壁上。試件四周用瀝青密封防止?jié)B漏，壓力容器上部可充水加壓，壓力可控。
試驗溫度為5℃，通常使試件上部水壓保持過大的不變壓力，例如500kPa，測出圓板中央撓度隨時間的變化。逐漸出現(xiàn)的裂縫使得抗?jié)B能力減弱并有水透過試件。當裂縫貫穿圓板時，漏水將突然增大。
不同配比的瀝青混凝土的抗裂特性，通過對撓度- 時間曲線的比較和水穿透圓板時中央的撓曲變形對比來反映。
6 結(jié)束語
