高坝碾压式沥青心墙混凝土配合比试验和碾压工艺研究及应用

高坝碾压式沥青心墙混凝土配合比试验和碾压工艺研究及应用

王存成路瑞博陈志强

中国水利水电第四工程局有限公司四川成都610091

摘要：本文通过对四川巴中红鱼洞水库百米高坝碾压式沥青心混凝土从室内配合比试验设计、碾压工艺复核实验、施工过程质量检测等资料数据进行整理、归纳、分析及对比，全过程、全方位、多角度、成系统地论述高坝碾压式沥青心墙混凝土配合比试验及碾压工艺及研究应用成果，对其他相似工程试验及施工具有良好的借鉴意义。

关键词：红鱼洞；心墙堆石坝；沥青配合比；碾压工艺；研究应用

1、工程概述

四川巴中红鱼洞水库枢纽大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，正常蓄水位650.00m，坝顶高程652.80m，心墙基础最低高程548.00m，最大坝高104.80m，坝顶宽10.00m，坝顶全长290.0m，最大坝底宽420.8m，水库总库容1.67亿m3。大坝坝体上游坝坡1∶2.5，下坝坡1∶1.7，坝体堆石填筑主要采用弱风化灰岩及强风化灰岩。

2、工程水文地质及气象

（一）水文条件

巴河（南江河）流域，属亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量丰沛,区域降雨量具有年际变化大，年内分配极不均匀的特点，多年平均降雨量在970～1462mm之间，雨量主要集中在汛期5～10月，占年雨量的85%，11～4月降雨量仅占15%，每年夏秋暴雨频繁，具有强度大、历时短的特点。

（二）气象条件

据南江和巴中气象站至2007年实测资料统计，多年平均气温16.0～16.9℃，极端最高气温39.5～40.3℃，极端最低气温-7.1～-5.3℃，多年平均风速1.6～0.8m/s，历史最大风速16.7～16.0m/s，多年平均最大风速10.7m/s，多年平均蒸发量1283.9～942.0mm，多年平均日照时数1574.5～1402.4小时，多年平均相对湿度77～79%，具有冬长夏短、夏秋多雨、春冬多风、霜雪稍多等特点。

（三）地质条件

红鱼洞大坝心墙基座设计置于弱风化砂质页岩，其中左岸岸坡不顺直，岩层陡倾，薄层状结构，岩体透水带厚度（q＞3Lu）47.3～84.0m；右岸岸坡舒缓，薄层状结构，属横向坡，岩体透水带厚度（q＞3Lu）31.2～97.4m；河床弱风化岩体完整性差～较完整，岩体质量属CⅣ类，透水带厚度（q＞3Lu）51.9～66.3m。

3、坝体心墙混凝土设计要求及特点

大坝坝基左岸陡峭，右岸舒缓，不对称。沥青混凝土心墙布置于坝轴线上游2.0m处，基座为C25厚2.0m钢筋混凝土，宽6.0～10.0m，坝基设单排帷幕防渗体，并距离帷幕灌浆轴线15cm设置1道拉通的铜片止水。沥青心墙顶高程652.50m，心墙宽0.80~2.4m，在底部水平2.00m高范围内心墙厚度扩大系数为2。心墙过渡料采用新鲜灰岩，最大粒径控制为80mm，孔隙率≤20%，设计干密度2.18g/cm3，渗透系数>1×10-3cm/s。坝体心墙沥青混凝土设计密度不小于2.35t/m3,孔隙率小于2%，渗透系数小于1×10-8cm/s，水稳定系数大于0.9。坝体结构见图1及图2所示。

4、心墙沥青配合比设计及试验

红鱼洞坝体沥青心墙配合比设计及试验，经历了室内配合比设计试验及碾压施工工艺试验两个阶段，先通过对工程选取实际原材料进行室内配合比试验，优化矿料级配及沥青用量等，在满足设计技术指标要求下从中优选出一种或多种配合比，再通过对室内配合比进行现场碾压工艺试验，检验满足设计技术要求后确定施工配合比指导坝体心墙施工。

4.1室内配合比设计试验

沥青选择新疆克拉玛依石化总公司生产的昆仑牌70#A级道路石油沥青，粗骨料采用人工新鲜灰岩料，粗骨料规格为9.5-19mm、4.75-9.5mm、2.36-4.75mm三种，最大粒径19mm，填料为柱磨机加工筛分的新鲜灰岩粉，配合比设计试验温度16℃。

4.1.1试验内容

㈠材料检测：沥青混凝土原材料（粗骨料、细骨料、填料和沥青）检测试验。

㈡配合比设计及优化:根据不同级配指数、油石比、填料用量组成不同配合比。

图1坝体典型横剖面图

图2坝体典型纵剖面图

㈢设计技术指标验证：对选出的一种或多种沥青混凝土配合比，按击实成型方法成型试件，进行沥青混凝土渗透试验、水稳定性试验、静三轴试验、小梁弯曲试验、拉伸试验、单轴压缩试验等，选取性能最优的配合比作为推荐配合比。

4.1.2试验方法

室内配合比设计采用最大密度曲线理论及丁朴荣级配公式，试验矿料分5级，依从空隙最小化原则，选择3种级配指数、5种油石比、5种填料用量组合成不同的配合比进行基本性能试验，从中选出满足要求的1组或多组配合比进行力学性能试验验证，选出最优配合比。试验试块沥青加热温度控制在155℃～165℃之间，骨料加热温度比沥青加热温度高10℃～30℃，混合料出料温度155℃～175℃，现场试验过程中要严格按照温度要求进行。

4.1.3试验结论及成果

㈠原材料检验

沥青配合比设计试验选取的沥青、粗骨料、细骨料、填料检测各项指标符合《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL501及设计技术要求。

㈡沥青混凝土密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验

经过沥青混合料矿料级配的计算选择16组配合比参数的目标级配Pi，并通过沥青混凝土密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验成果数据分析，最终推荐优化配合比参数详见表1。

表1推荐最优沥青混凝土配合比

㈢沥青混凝土渗透、水稳定性能试验

沥青混凝土渗透、水稳定性能试验试验均采取室内用击实法成型试件，最优推荐LQPB-2配合比试验成果见表2。

㈣推荐配合比的变形及力学试验

表2沥青混凝土渗透、水稳定性能试验结果

通过小梁弯曲试验、拉伸实验、单轴压缩实验，最优推荐的LQPB-2沥青配合比变形及力学主要指标实验结果见表3。

表3推荐沥青混凝土配合比变形及力学试验结果

⑷静三轴试验

试件尺寸为Φ100mm×200mm，高度尺寸偏差±2mm，设计试验温度16℃，试验围压为0.6、0.9、1.2、1.5MPa，每级围压应做3个试件，按应变速率0.1%/min控制，最优推荐的LQPB-2配合比沥青混凝土三轴试验E、u模型主要参数结果详见表4。

4.2碾压工艺复核试验

表4沥青混凝土三轴试验E、u模型主要参数结果

试验的目的主要是验证沥青混凝土配合比设计的合理性，检验施工过程中沥青混凝土制备系统、运输系统和摊铺、碾压机具等的运行可靠性和配套性，通过试验确定合理的施工工艺和参数，以指导碾压式沥青混凝土心墙的现场施工。

4.2.1碾压工艺复核试验配比

碾压工艺复核试验配合比选用室内推荐最优LQPB-2配合比，配合比参数详见表1。

4.2.2碾压工艺参数

结合批复的碾压工艺试验方案拟定的碾压设备参数及工艺参数详见表5~表7。

表5碾压及摊铺设备参数

表6过渡料层碾压工艺参数

4.2.3施工工艺及方法

沥青心墙过渡料为人工加工的混合料，25t自卸车拉运，CAT250反铲辅助人工摊铺，3.0t振动碾碾压；沥青混合料采取LB-1000CM型间歇式沥青混凝土拌和站集中供应，运输距离3.0km，自卸车拉运，采取Z50改装装载机及LT3500联合一体摊铺机摊铺,1.5t振动碾碾压，人工铺筑模板为高30cm的定制钢模板。沥青混合料铺筑分人工铺筑和机械铺筑两种方式。

㈠施工工艺

人工铺筑作业顺序：施工准备→测量放线→立模→过渡料摊铺→层面处理→沥青混合料的摊铺→拆模→过渡料预压→沥青混合料预压→沥青混合料和过渡层同步碾压→终碾→成品保护→质量检验。

机械铺筑作业顺序：施工准备→层面清理→测量放线→固定钢钉→摊铺机进行摊铺→过渡层的初碾→沥青混合料预压→沥青混合料和过渡层同步碾压→终碾→成品保护→质量检验。

㈡施工方法

⑴基面（接触面）处理：人工辅助小型机具凿毛及打磨处理，采用高压风吹干后人工辅助喷涂一层乳化沥青（0.2kg/m2），待乳化沥青干涸后，在铺设一层2cm沥青砂浆（沥青：填料：细骨料＝1：2：2）。

⑵混合料拌合：沥青拌合由沥青拌合站按批复配合比统一拌制,拌合填料按照粗骨料→细骨料→填料→沥青进行，先将骨料与填料干拌15s~25s，在加入热沥青后拌合时间不少于45s进行控制，骨料加温度控制在170～190℃，沥青加热温度控制为140～160℃；沥青混合料出机口温度控制在150～180℃。

⑶混合料运输：混合料采取改装后的保温式10t自卸车拉运之现场，运输速度控制在20~25km/h。

⑷混合料摊铺：基座扩大段及心墙渐变部位采用喂料机上料辅助人工上料摊铺，其余部位采用装载机改装后的喂料机上料配合一体化摊铺机械进行摊铺，铺筑尽可能由心墙基座接触端向另一接触端往复进行。

⑸混合料碾压：沥青及过渡料碾压设备、碾压遍数、行走速度、入仓温度范围等按照工艺试验确定的参数进行。

⑹基础连接段铺筑：基座连接部位难以碾压部位人工铺筑，沥青铺筑厚度按照5cm控制，并用手持式等振动夯,采用梅花形或矩形设点，加密夯实。

⑺人工铺筑模板：采用钢模，单面长度不大于3m，高度30cm，并每隔1.0m设置能固定墙宽的卡扣装置加固，人工安拆。

⑻结合面处理：沥青混凝土表面停歇时间较长时，采用防雨尼龙布覆盖保护，继续铺筑时应将结合面清理干净，使其干燥并加热至70℃以上后，方可铺筑沥青混合料。必要时可在层面上均匀喷涂一层稀释沥青，待稀释沥青干涸后再铺筑上层沥青混合料。

⑼横向接缝处理：沥青混凝土心墙尽量保证全线均衡上升，保证同一高程施工，减少横缝，当必须出现横缝时，其结合坡度做成缓于1:3的斜坡，且上下层横缝位置错开2m以上。

⑽仓面保护：过渡料摊铺时心墙层面及仓号顶面均采用防雨尼龙布覆盖进行保温及保护，布宽度较心墙宽60~100cm，

⑾污染面处理：污染面采用压缩高压空气喷吹清除，如喷吹不能完全清除，加热烘烤污染面，使其软化后铲除。

⑿钻孔取芯长度宜为30~40cm，取芯采用手持地质钻机，芯样孔回填采用自重不小于10kg的捣棒分层夯实。

㈢质量控制及检测

⑴每层铺筑前进行心墙中心线和墙体宽度尺寸测量。

⑵每层铺筑前按规定对原材进行质量检测，沥青采取供油罐取样，合格后卸车，其他原材储料仓取样。

⑶铺筑过程安排专人对沥青混合料出机口、入仓、摊铺、作业面周边及碾压层面结合温度进行监测记录，并辅助GPS追踪技术对碾压遍数、行走速度、摊铺厚度等碾压参数监测记录。

⑷每层应进行外观检查，如发现裂纹等异常现象，应查明原因，及时处理。

⑸碾压密实度以无损检测为主，应做好雨季及低温季节仓面覆盖遮雨、排水及保温工作。

⑹每升高4m钻取芯样一组（3个芯样）进行密度、孔隙率、抗渗指标、沥青含量和矿料级配等验证性检验，并检查层间结合情况；每升高10~12m钻孔取芯，进行三轴、小梁弯曲、单轴压缩、拉伸等力学性能检验。

4.2.4碾压试验成果

㈠心墙过渡料干密度、渗透系数试验

心墙过渡料干密度、渗透系数试验成果见表8~表9。

表8过渡料碾压试验成果

表9沥青混凝土心墙过渡料渗透试验结果

㈡沥青拌合料混凝土密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验

试验典型层拌合料混凝土密度、孔隙率、马歇尔稳定度和流值试验成果件表10。

表10沥青混凝土马歇尔密度、孔隙率、稳定度和流值试验成果表

㈢沥青混凝土钻孔取芯密度及空隙率检测

各层摊铺碾压完成后满，在试验区域分别钻孔取样，室内进行密度试验、抽提试验，对斜坡段钻孔取样，观察沥青混凝土与常态混凝土接缝部位粘接情况，试验结果见表11。

表11沥青混凝土钻孔取样试验结果

㈣沥青混合料抽提试验

现场对不同的碾压边数实验区分布钻孔取样，用电风扇吹风使其完全干燥，置于烘箱内适当加热成松散状态，进行试验检测，检测结果见表12，

表12沥青混合料抽提试验

㈤沥青混凝土压实密度及真空渗气试验

采用EDG-A型无核密度试验仪进行现场无损检测试验检测，检测结果见表13。

表13沥青混凝土碾压密度无损试验结果

㈥沥青混凝土基本性能试验

对推荐的最优碾压遍数对应区域进行分布钻孔取芯制试进行渗透性能及水稳定性能试验结果间表14~表15。

表14沥青混凝土芯样渗透性检测结果统计

㈦沥青混凝土变形及力学试验

沥青混凝土连续摊铺试验结束后，在沥青混凝土温度降至室温后，对三个碾压区域进行钻孔取样，进行小梁弯曲、拉伸性能、单轴压缩及静三轴试验检测结果见表16~表17。

表16不同碾压区域变形及力学性能检测结果统计表

备注：静三轴试验围压为4级围压，分别为0.6、0.9、1.2、1.5MPa。

5、施工配合比及碾压工艺参数确定及应用

㈠施工配合比及碾压工艺参数确定

根据室内配合比设计试验及现场碾压工艺复核试验试验成果，并结合成都勘测设计研究院等单位专家咨询意见，确定的红鱼洞水库坝体心墙沥青混凝土配合比及碾压工艺参数见表18~表19。

表18心墙沥青施工配合比

备注：振动碾一个往返为1遍。

㈡施工配合比及碾压工艺参数的应用

红鱼洞水库大坝心墙沥青混凝土自2018年5月29日开始施工，截止2018年11月30日，沥青心墙混凝土已累计摊铺施工100层，共计高度26.37m，通过中水电四局实验室及第三方监测机构平行检测，坝体心墙沥青混凝土密度、空隙率、水稳定值、渗透系数等基本指标检测结果满足设计技术要求，沥青混凝土心墙的施工质量良好、可控。

表20沥青基本性能检测结果统计表

㈢百米典型工程沥青配合比参数统计分析

结合目前国内已建及在建百米高坝碾压式沥青配合比统计资料分析，最大骨料粒径均不大于20mm，级配指数多在0.37~0.39；填料含量一般多在11~14%；油石比一般多在6.6%左右；沥青采用克拉玛依70号A级居多；骨料大多采用碱性灰岩或大理岩骨料，但近年来随着砾石骨料的研究进展，部分沥青心墙坝如八大石水库、阿拉沟水库采用了砾石骨料，由于砾石骨料开采加工方便，造价相对较低，其应用正在不断向百米级高坝突破，已

建及在建典型工程高坝沥青配合比统计对照见表21。

表21已建及在建高坝典型工程沥青配合比统计对照表

6、结束语

通过对红鱼洞水库百米高坝碾压式沥青心墙混凝土配合比设计及碾压工艺试验研究，论证及检验了沥青混凝土配合比设计的合理性，检验了沥青混凝土制备系统、运输和摊铺、碾压机具等的运行可靠性和配套性，明确沥青混凝土合理的施工工艺参数，为红鱼洞百米级大坝沥青心墙及坝体填筑施工创造了条件，对国内外高坝碾压式沥青混凝土心墙坝设计及施工提供了宝贵的施工经验。

作者简介

[1]王存成（1985-），男，土建工程师。

[2]路瑞博（1988-），男，土建工程师。陈志强（1986-），男，试验工程师。