水工沥青混凝土防渗技术

2023-06-28 来源：飒榕旅游知识分享网

　2006年第四期　总第100期　　　　　　　　　水利水电施工61

水工沥青混凝土防渗技术

张怀生

(中国长江三峡工程开发总公司　湖北宜昌　443002)

【内容摘要】本文全面论述水工沥青混凝土施工设备(拌和、运输、摊铺、碾压设备等)。【关键词】水工沥青　防渗技术　工艺

1　前言

随着石油工业的发展、沥青路面铺设技术的进步和工程界对沥青性能认识的加深,水工沥青混凝土应用的范围越来越广泛。沥青混凝土以其极佳的防渗性能及无可比拟的适应变形能力、甚至在裂缝产生后的自愈能力,正逐步发展成为土石坝防渗主体结构类型。近年来,国外水工沥青技术得到了迅速发展,其主要特点如下:⑴应用范围越来越广泛;

⑵型式越来越多,结构趋向简单化;

⑶工程规模不断扩大,机械化施工程度、施工机械专业化程度越来越高;

⑷随着施工应用技术及结构理论不断发展,工程规模也在不断扩大,与此同时工程施工的成本逐步降低。

我国进入上世纪70年代后,沥青混凝土被普遍地应用于土石坝心墙防渗,土石坝、混凝土坝、砌石坝及蓄水池等面板防渗,土石坝及混凝土坝防渗修复,船闸、围堰、渠道衬砌、蓄水池衬砌防渗,水库库底及库岸补漏,过水土坝护面及土坝护坡等水利工程建设中,但采用的是浇筑式沥青混凝土。

上世纪90年代以后,随着由我国工程技术人员独立设计、德国斯特拉堡(STRBAG)公司承建的浙江天荒坪抽水蓄能电站全面采用沥青混凝土面板防渗并完成碾压式沥青混凝土施工,则全部由中国人自己设计、监理和施工三峡工程茅坪溪土石坝的顺利完建,标志着我国在水工沥青混凝土施工技术应用方面,已进入世界先进水平。

目前,在以上两个标志性工程成功兴建的推动

下,四川冶勒、河北张河湾、山西的兴龙池、河南的保泉等一批沥青混凝土防渗工程相继启动,有效地推动了我国水工沥青混凝土施工技术的发展。

2　施工设备水工沥青混凝土施工设备主要包括沥青混凝土拌和、运输、摊铺及碾压施工等主要设备及其配套设备等。

2.1　拌和设备

沥青混凝土拌和设备的发展,经历了人工拌和、小型机械化及机电液一体化发展过程,在结构方面,也经历了单滚筒结构、强制式间歇式结构、单滚筒结构、双滚筒结构的发展。

根据拌和工艺的不同,沥青混凝土拌和楼可以划分为强制式间歇式及滚筒式两种类型。

(1)强制式间歇式沥青混凝土拌和楼　目前,强

制间歇式沥青混凝土拌和楼,在道路沥青混凝土、水工沥青混凝土生产中占有主导地位。它是先将各种级配的冷骨料包括人工骨料及天然骨料,在干燥筒内加热、烘干后,经过二次筛分储存,对每级骨料重新配重,与单独称量计量的填充料、沥青,按照设定的配合比进行强制搅拌,形成需要的沥青混合料。工艺流程如图1。

(2)滚筒式沥青混凝土拌和设备　70年代后,国外出现了一种新型的拌和工艺,即采用冷骨料的烘干、加热及与热沥青的拌和是在同一滚桶内进行的,它依靠骨料在旋转筒内的自行跌落而实现沥青材料对骨料的裹覆。滚筒式沥青混凝土拌和生产的工艺流程如图2。

收稿日期:2006-12-26

作者简介:张怀生(1963-),男,高级工程师,从事专业24年。

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图1　强制间歇式沥青混凝土拌和工艺流程方框图

图2　滚筒式沥青混凝土拌和设备工艺流程方框图

　　据有统计资料表明,同等能力的特别是高生产力的沥青混凝土拌和设备,滚筒式的设备成本低15～

25%,设备的操作、维修费用降低5～12%,动力消耗

早期在沥青混凝土应用于水工结构建设的浇筑,其摊铺生产都是将沥青混合料用简易器具或用汽车运至现场摊铺部位,由人工对沥青混合料进行摊铺的。

心墙沥青混凝土与面板沥青混凝土所使用的摊铺设备相差较大,下面分别介绍:

2.3.1　面板摊铺设备　对于斜坡的沥青混凝土摊

降低25～30%;由于设备简化,使其安装拆卸便利,易于搬迁;粉尘排量小,容易达到环境保护的要求。

滚筒式沥青混凝土拌和设备多为移动式。

(3)双滚筒沥青混凝土拌和设备　双滚筒式(DOUBLEBARREL)沥青混凝土拌和设备使用了沥青

铺,基本上可使用牵引设备和桥式摊铺机进行摊铺。

应用牵引设备施工,主要是在斜坡上进行的,通常可以采用斜坡喂料机进行喂料,也可以采用移动式斜坡供料机直接供料,只不过直接供料一般适用于斜坡较短沥青混凝土面板摊铺施工。

对面板沥青混凝土的摊铺有牵引式沥青混凝土斜坡摊铺机、桥式摊铺机几种。

2.3.2　心墙摊铺设备　沥青混凝土心墙与沥青混凝

混凝土回收加工技术,不仅降低了生产成本,更重要的是使难以降解的沥青混凝土,通过回收加工重新应用,极大地减轻了对的环境破坏。

(4)沥青混凝土拌和设备发展趋势　对于沥青混

凝土拌和系统,其发展呈现如下趋势:①生产能力系列化。②技术性能先进化。③控制操作自动化。④注重滚筒连续式搅拌设备的技术进步。

2.2　运输设备

土面板在摊铺要求上,有以下两个主要方面的不同。其一,沥青混凝土摊铺宽度较窄,要求具备宽度可调功能,通常在50～120cm之间变化;其二,沥青混凝土摊铺厚度略厚,压实厚度通常为20cm,并且要求在进行沥青混合料摊铺时,具备同时摊铺过渡料的功能。

德国STRABAG公司开发研制并生产的最新的沥青混凝土心墙专用摊铺机的结构及工作原理如图3。

目前我国也有类似产品。我国西安理工大学成

沥青混凝土运输设备都是使用可以自卸并且具有保温功能的汽车,有些地方如特别寒冷地区则必须采用专门设计的保温汽车。

沥青混凝土施工运输设备,除了专用汽车外,还有必不可少的专用卸料设备。

2.3　摊铺设备

　2006年第四期　总第100期　　　　　　　　　水利水电施工功地研制了一台简易的、小型的沥青混凝土摊铺机,葛洲坝集团公司就成功地应用于道路沥青混凝土的摊铺机进行改造,并成功地应用于四川冶勒沥青混凝土心墙的施工。

2.4　碾压设备

应用于水工沥青混凝土的碾压施工设备,与应用于道路沥青混凝土的碾压施工设备基本相同,只是其振动碾的重量、击振力、击振频率有所不同。

图3　STRABAG公司生产的最新的心墙专用摊铺机剖面图

　　进入机械化、规模化施工的今天,可选用小型振动碾进行摊铺碾压。

在沥青混凝土面板工程的施工中,存在斜坡碾压的问题,需要配置牵引设备及斜坡振动碾。

为保证边角部位振动碾压,工程应用中也使用了几种小型振动碾。

2.5　其它施工设备

施,一方面可以补充细粒径的填充料,使沥青混凝土的填充料粒径分布均匀合理,更重要的是可以保护环境。

2.5.2　其他附属施工设备　对于沥青混凝土面板施

工,通常需要配置沥青洒布车、沥青玛蹄脂专用拌和机、沥青玛蹄脂专用施工设备、沥青混凝土斜坡施工牵引设备、沥青混凝土人工摊铺使用的红外线加热设备、简易的煤气燃气加热设备及沥青混凝土钻孔取芯设备等。

沥青混凝土施工生产必须配备如沥青专用的脱桶脱水设备、骨料加工系统设备、沥青除尘设备、施工牵引设备等,其种类繁多。

2.5.1　沥青混凝土拌和楼附属设备　沥青混凝土拌

3　施工工艺

水工沥青混凝土的施工工艺发展,是在道路沥青混凝土施工工艺进步的基础上发展起来的,与石油化学工业的发展进步也是密不可分。

3.1　小型施工设备阶段

和系统的附属设备,是与沥青混凝土拌和生产相配套的系列设备,包括沥青加热设备或沥青脱桶脱水设备、矿料加工系统及粉料分选设备、除尘设施等。

沥青混凝土拌和施工的另一主要配套设备,就是骨料生产系统———矿料加工与骨料筛分设备。

三峡工程茅坪溪沥青混凝土坝的整个骨料加工系统由矿料受料设施、一次破碎、二次破碎、骨料筛分楼、分级骨料仓库及粉料筛分楼组成。在大型工程应用中,人工砂与矿粉采用常规的筛分手段是难以实现的,而通常采用负压旋转的办法进行分选。

沥青混凝土骨料加工系统应具有配套的除尘设

图4为小型机械化施工设备阶段沥青混凝土摊铺的施工流程。

3.2　成套施工设备阶段

进入成套施工设备施工技术阶段的最明显的标志,就是施工设备大型化与系列化、施工过程的机械化、沥青混凝土的摊铺生产能力及生产效率明显提高。

图5为成套设备施工阶段沥青混凝土施工工艺流程。

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　　图6及图7分别为沥青混凝土心墙摊铺施工流程图及沥青混凝土面板斜坡摊铺流程示意图,沥青混凝

土面板平面摊铺与斜面施工基本相同,其主要区别就是无需牵引设备。

图6成套机械化施工阶段沥青混凝土心墙摊铺流程图

(a)平面图　　　　　　(b)立视图　　　　　　(c)摊铺机

1-过渡料上料设备;2-过渡料料斗;3-过渡料整平杆;4-振平器;5-轮胎;6-振动板(中间一个有加热

设备);7-过渡料填料;8-沥青混合料熨平板;9-滑动模板;10-沥青混合料转运设备;11-沥青混合料料斗;

12-填筑方向;13-加热器;14-摊铺机;15-保温运输车;16-过渡料带;17-轮式运料机;18-沥青混凝土心

墙;19-过渡料专用振动碾;20-沥青混凝土专用振动碾。

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4　企业专业化

从20世纪20年代开始,人类已经开始对水工沥青混凝土施工技术进行探索和研究,并于1939年在美国建成的索推里坝,是全世界第一座采用沥青材料防渗的坝。在近100年的发展历程中,尤其在最近的50年,水工沥青混凝土施工技术取得了长足的发展。

我国于1972年在东北和西北地区,同时兴建两座采用沥青混凝土作为筑坝防渗材料的水库,分别是吉林省安图县的白河水电站及甘肃省敦煌县的党河水

库。虽然起步较晚,也在较广泛的范围内开始了水工沥青混凝土防渗技术应用,发展也很迅猛,至二十世纪末,我国水工沥青混凝土防渗技术应用水平逐步赶超世界先进水平。

最初的水工沥青混凝土由于各方面原因的限制,采用的都是工程通用设备,施工人员、施工设备并不具有极强的专业性。随着施工机械设备大型化系列化、工程规模不断增大、施工强度日益提高,对施工人员的专业素质、施工设备的适应性提出了挑战,这就对施工队伍的专业化提出了更高的要求。

图7　沥青混凝土面板工程(斜面)摊铺施工流程图

　　在国外尤其是在沥青混凝土防渗应用技术领先的德国、挪威,已经拥有专业化的公司,因此在专业化施工设备的研制方面,这两个国家仍处于世界领先地位。如德国斯特拉堡(STRBAG)公司,利用道路工程成熟的机械设备,研制(包括改造)了沥青混凝土心墙摊铺机及其系列设备、沥青混凝土平面摊铺设备、沥青混凝土斜面摊铺机牵引设备、先进的沥青混凝土桥式摊铺机、沥青玛蹄脂施工专用设备及一系列的配套专用施工设备,为水工沥青混凝土防渗应用技术的不断发展进步增添了无限动力。与此同时,抢占了整个欧洲市场及全世界市场的大部分。

在我国,至今仍没有一家专门的沥青混凝土施工企业,多数情况下是在工程建设即将开始时临时组建队伍,虽然也不乏精英分子,不能实现开始就具备良好的专业素质,始终需要重复开始摸索的过程,很多优秀的技术管理人员在干完一个工程后,就没有机会再次接触同类工程,

施工队伍的专业化分工是未来水工沥青混凝土防渗技术应用发展的必然趋势。在这个方面,我国同国外存在很大的差距,也许更大的是体制和观念的差距。这个问题在我国相对较为突出,我们还没有一家专门的水工沥青混凝土试验单位,也没有一家专门的

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建筑物。大坝迎水侧与三峡大坝共同拦蓄长江之水,正常蓄水位µ175.0m,校核洪水位µ180.4m;大坝背水侧拦防茅坪溪河水,按20年一遇洪水标准设计(水位为µ106.4m),按100年一遇洪水进行校核(水位为µ107.5m)。

填料按坝体部位功能不同分为石渣料、石渣混合料、风化砂、心墙两侧过渡料、堆石料、反滤料、护坡垫层料、基础排水垫层料、护坡块石料、砂砾石毛料、及粘壤土料(用于小围堰),各种填料都有其相应的技术要求。坝体标准填筑断面如图8示:

沥青混凝土应用理论、试验设备、专用施工机械等的研究单位,停留在重复的引进上。这个问题需要在国家相关部门的积极扶持下,集中全国的优秀人才,才能保证我国水工沥青混凝土防渗技术应用水平的不断提高,使我国在水工沥青混凝土能够保持在世界先进水平的行列。

5　工程实例

茅坪溪土石坝为两面挡水坝,它是三峡工程的重要组成部分,与三峡水利枢纽工程同属Ⅰ等一级永久

图8　茅坪溪土石坝填筑标准断面图

　　在三峡工程中采用碾压施工工艺并修建目前世界上最高的垂直沥青混凝土心墙,作为一等一级工程———三峡茅坪溪土石坝的防渗建筑材料,在我国还是第一次,缺少可以借鉴的成熟经验、也没有国家或水电行业的规程规范。

5.1　心墙设计

般由顶部高程184.0m处的0.5m渐变至高程94.0m处的1.2m,两侧为近似1:0.0078斜坡面,心墙底部通过3m高渐变扩大段分别与混凝土基座、混凝土垫座、混凝土防渗墙连接,两端局部心墙厚度随扩大段尺寸变化作相应调整,最右端心墙顶部厚度由0.5m渐变至1.68m,底部厚度为1.68m;最左端心墙顶部厚度由

0.5m渐变至1.93m,底部厚度为1.93m。

沥青混凝土材料防渗性能极好(其渗透系数≤

-7

cm/s),沥青混凝土心墙就像一张薄纸片一样,存心墙上、下游侧分别设置2m和3m厚的过渡层,施工时与沥青混凝土同步铺筑上升。

5.1.2　沥青混凝土质量要求　设计遵循我国《土石

在于坝体中心,因此心墙的布置、它本身的物理力学特性、它与坝体填筑料变形协调性就成为该类坝型成功的关键。

5.1.1　心墙外型设计　三峡茅坪溪沥青混凝土心墙

坝沥青混凝土和心墙设计准则SLJ01—08》和《土石坝碾压式沥青混凝土防渗墙施工规范(试行)SD220—

87》并参照有关标准及国内外类似工程经验,进行沥

布置在土石坝桩号0+126.80～1+028.0段,全长

901.2m范围内坝体防渗采用垂直沥青混凝土心墙,心

青混凝土心墙设计和提出质量控制要求。三峡工程沥青混凝土质量标准如表1。

墙顶高程184.0m,底部高程随两岸坝肩地形变化,河谷最低高程91.0m,心墙最大高度93m。心墙厚度一

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表1　沥青混凝土质量要求

序号

123456

△△△△△△

项目(单位)密度(g/cm3)孔隙率(%)渗透系数(cm/s)马歇尔稳定度(N)马歇尔流值(1/100cm)

水稳定性小梁弯曲(%)模量数(K)

)内摩擦角(°

技术要求≈2.4

<2<1×10

-7

备注

室内马歇尔击实试件

60℃60℃

>500030～110>0.85>0.8

78910

16.4℃

≥400

26～350.35～0.5

室内三轴试验:温度16.4℃;静压10MPa,3min

(作为参考控制指标)

凝聚力(MPa)

注:△为施工质量控制和质量评定的保证项目。

5.1.3　配合比　保证沥青混合料配合比符合设计规

心墙专用摊铺机的最大摊铺宽度或心墙摊铺机施工摊铺不到的位置时,就必须采用人工摊铺的施工方式,完成沥青混凝土的摊铺施工任务。沥青混凝土摊铺施工工艺按机械摊铺与人工摊铺流程如下:

心墙沥青混凝土机械摊铺的施工工艺流程见图9。沥青混凝土人工滩铺施工流程如图10。

定要求,是沥青混凝土质量控制的关键。通过大量室内试验研究,经过现场施工试验,选定施工配合比如表2。

5.2　施工工艺

沥青混凝土的摊铺应尽量采用专用摊铺机进行,只有当设计的沥青混凝土心墙宽度大于沥青混凝土表2　沥青混凝土参考配合比

配比参数

工程分期

级配指数r

一二

0.25～0.40.35～0.4

矿料重量百分比

填充料

F(%)1212

最大骨料

Dmax(mm)

2020

沥青含量

B(%)6.3～6.56.3～6.5

粗骨料20～2.5mm(%)

5653

细骨料2.5～

0.074mm(%)

3235

填充料≤

0.074mm(%)

1212

图9　机械摊铺段铺筑工艺流程

5.3　主要施工设备

茅坪溪土石坝沥青混凝土心墙在坝体上的施工始于1997年12月,而作为前期施工准备包括进行沥青混凝土原材料的调研及选择、试验仪器调研及购置、施工及设备的调研及采购、沥青混凝土的室内配

合比复核试验等,则是在1996年就已经开始。

三峡茅坪溪土石坝所应用到的沥青混凝土施工设备,受各种客观因素的限制,并不是国际上最先进的、也不是专业的,多是公路沥青混凝土生产设备改进的,或是普通的土石方生产设备。

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图10　人工摊铺段铺筑工艺流程

5.3.1　试验检测设备　三峡茅坪溪心墙沥青混凝

土监测所使用的主要试验仪器及检测设备有:静水力

学天平、精密电子天平、托盘天平(称量5000g精度0.1g、称量3000g精度0.01g、称量200g精度0.01g)针入度仪、延伸度仪、马歇尔试验仪、马歇尔击实仪、沥青混凝土拌和机、电动脱模仪、摇筛机、薄膜老化烘箱、恒温水浴、恒温水槽、核子密度仪、沥青混凝土取芯机、离心式抽提仪、马歇尔快速抽提仪、沥青筛、沥青混凝土三轴试验仪、分样筛、电热干燥箱、压力试验机、渗透仪、透气仪等。由于部分沥青材料试验外送检验,在工地试验室没有配置。5.3.2　沥青混凝土拌和设备　三峡茅坪溪心墙沥青混凝土生产所使用的沥青混凝土拌和设备是我国西

表3　三峡茅坪坝沥青混凝土铺筑主要施工机械设备表序号

安筑路机械厂生产的LB-1000型强制式、间歇式沥青混凝土拌和楼,其附属设备包括:沥青脱水加热设备、文丘里除尘器、40000L沥青泵、沥青恒温罐、2100L/h柴油泵、导热油加热器、热油泵等。

5.3.3　摊铺及其他主要施工设备　三峡茅坪溪心墙沥青混凝土生产所使用的沥青混凝土摊铺机械,是挪威顾问集团(NGA)根据德国道路沥青混凝土摊铺机进行改装的,具有心墙沥青混凝土与心墙两侧过渡料同时摊铺作业的特点,心墙沥青混凝土的摊铺宽度,根据三峡茅坪溪沥青混凝土心墙设计宽度的实际,从50cm～120cm可以调节。

三峡工程施工所配置的摊铺及其他主要施工设备见表3。

设备名称摊铺机振动碾装载机自卸汽车

型号DF130CBW90AD1.5tBW90AD-2　　1.5tBW120AD-3　　2.7t85Z

CAT980C　　4m

5t10t10tD858t1.0m9.0m3

数量(台、套)

各1

21144621111112

说　　　　明

机械摊铺沥青混凝土,无自振功能

心墙碾压过渡料碾压过渡料备料场装料改装的沥青混凝土保温罐

沥青混凝土运输沥青混凝土运输(改制)

过渡料运输过渡料平整

吊装钢栈桥及卸料平台过渡料装入摊铺机内沥青混凝土层面除灰沥青混凝土边角夯实水泥混凝土表面吸尘沥青混凝土表面加热

456789101112

保温自卸汽车自卸汽车推土机吊车反铲加油车空压机小型打夯机吸尘器远红外加热器

参考文献(略)

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