努尔加水库大坝沥青混凝土心墙设计及施工分析

陈 刚

（昌吉市三屯河流域管理处，新疆 昌吉831100）

拦河大坝的防渗性、 安全稳定性是水库工程正常运行的重要保证， 而目前经常利用沥青混凝土心墙技术来提高坝身防渗性， 其具有厚度小、 防渗性好、综合成本低、施工迅速且质量易控制等优点，心墙的参数设计和施工要点是大坝质量的基础。

1 工程概况

努尔加水库位于新疆昌吉市境内三屯河上，控制流域面积1933.5km2， 是三屯河山区最末一级反调节水利枢纽工程。 工程主要任务是以供水和防洪为主，兼顾灌溉。水库总库容6844万m3，属中型水库。水库拦河大坝设计为碾压式土石坝， 利用沥青混凝土防渗心墙技术，坝底高程802.00m，顶高程883.00m，防浪墙高程884.20m；坝顶宽10m，长486.7m。 在此主要对沥青混凝土心墙的设计和施工要点进行分析。

2 沥青混凝土心墙设计分析

2.1 心墙厚度及布置设计

DL/T5411—2009 《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》要求：碾压式沥青混凝土心墙顶部宽度不宜小于0.4m， 心墙底部厚度宜为坝高的1/70～1/130。 本项目根据规范并考虑方便施工，设计心墙厚度变化采用阶梯式，具体设计如下：

（1）顶部高程881.00m至860.00m段，心墙厚度设计为0.4m；高程860.00m至高程840.00m段，厚度设计为0.6m；高程840.00m至建基面，厚度设计为0.7m。

（2）心墙底部设计台阶状扩大，宽度扩至1.95m并与混凝土基座相连。

（3）心墙与左、右岸岸坡采用渐变放大连接，根据沥青心墙的厚度按1∶2渐变放大至1.9m。

（4）心墙高程范围881.00～802.80m，总高度78.2m。心墙轴线偏向上游侧（距坝轴线3.2m），以便与坝体防浪墙连接［1］。

2.2 心墙原材料设计

沥青混凝土心墙所需原材料包括：沥青、粗骨料、细骨料、填料，本项目严格按照DL/T5411—2009《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》技术要求确定。

2.2.1 沥青

本项目选用克拉玛依沥青AH-70， 该沥青具有质地优良、低温延度大、蜡含量低、脆点低、黏度大、抗老化性能好、温度稳定性和低温性较好等优点，经测定满足工程要求，其具体技术指标如表1［2］。

表1 克拉玛依沥青的技术指标对比

2.2.2 粗骨料

本项目选用P1灰岩石料场作为沥青混凝土粗骨料料场， 粗骨料最大粒径19mm， 最小粒径大于2.5mm，形状呈方形，针片状粒料含量小于15%，其他技术指标如表2［3］。

表2 粗骨料技术要求

2.2.3 细骨料

本项目选用的细骨料从C1砂砾石料场开采加工，级配良好，粒径组成符合试验提出的级配曲线要求，粒径小于2.5mm，并不大于0.074mm，其他技术指标如表3。

表3 细骨料技术要求

2.2.4 填料

填料选用距工程区较近的屯河水泥厂矿料，要求不含泥土、有机物杂质、结块和团粒，碳酸钙含量大于95%，其他技术指标如表4［4］。

表4 填料技术要求

2.3 心墙与混凝土底板连接设计

沥青混凝土心墙与混凝土坝基底板的连接处，往往是渗漏问题的多发部位，必须进行严格处理，才能保证耐久性和抗渗性，本项目具体设计要点如下：

为增大连接面黏结力并适应心墙水平变形，设计在心墙底部与混凝土基座连接处之间使用沥青涂料和沥青玛蹄脂进行处理， 即在干净底板表面先涂刷一层沥青浆（即冷底子油），再喷涂一层厚10mm沥青玛蹄脂， 并在沥青心墙与基座混凝土间设铜片止水连接［5］。

3 沥青混凝土心墙施工要点分析

3.1 沥青混凝土配合比确定

本项目矿料级配采用理论计算结合其他工程经验确定范围，参考丁朴荣公式如式（1）［6］，共设计出如表5所示4个骨料级配参数。

式中 Pi为筛孔di通过率；F为粒径小于0.075mm矿粉含量（%）；Dmax为最大骨料粒径（mm）；di为某一筛孔尺寸（mm）；d0.075为矿粉最大粒径为0.075mm；r为级配指数。

表5 配比正交试验设计中各材料含量

本项目共设计正交试验组数24组，依次编号（1～24#）， 为保证准确率， 通过对比来确定材料最佳配比，对比项目包括：抗拉性、抗压性、抗剪性、水稳定性、弯曲性，由于篇幅限制，在此只列出抗拉性、弯曲性对比结果。

3.1.1 拉伸试验

试件设计尺寸：40mm×40mm×220mm，温度20 ℃，加载拉力速率0.01MPa/min，各试件应变值如图1（部分），由图1可知：各试件最大应变值约为3%，其中8#试件此时拉应力约0.29MPa，表现较好。

图1 各试件拉伸试验曲线（部分）

3.1.2 弯曲试验

试件设计尺寸：35mm×40mm×250mm，温度20 ℃，加载速率1mm/min，各试件应变值如图2（部分），由图2可知：各试件在挠跨比为5%～6%时，载荷达到最大值，约为80～100N；但各试件所能承受最大载荷差别较大，12#试件可达105N，4#试件仅为80N。其中8#试件最大抗弯应力为100N，处于中上位置。

图2 各试件弯曲验曲线（部分）

通过综合对比可知：8#试件在测定中各方面参数表现均良好，因此本项目将其作为最终配合比，即：矿料级配0.42，填料含量12%，沥青含量6.9%。

3.2 心墙施工步骤及要点分析

3.2.1 心墙深度确定

本项目心墙施工槽段分两期进行， 先一期后二期，槽段长6～10m，共20段；同一槽段内造孔分主孔和副孔， 先主孔后副孔。 通过钻孔取芯确定基岩位置，以基岩面以下1.0m作为孔底，心墙最终深度通过相邻两钻孔取芯确定出的基岩深度推算。

3.2.2 施工步骤及要点

心墙施工流程及步骤如下： 造孔→清孔→浇筑混凝土→墙段连接［7］，具体各步骤施工要点如下：

（1）造孔。 采用钻劈法成槽和原浆护壁，施工中随时检查焊补冲击锤、钻机运行及定位对中情况，并适时添加黏土和抽筒清渣。 由专业技术人员测量认证成孔深度是否合规。

（2）清孔。在槽孔终孔验收合格后利用抽筒清孔换浆。换浆结束，在监理旁站见证下检测孔内泥浆密度、黏度、含砂率和孔底沉渣回淤量，验收合格后埋设灌浆管道。

（3）沥青混凝土摊铺。心墙高度应与坝壳料同步上升，最大高度差不大于800mm。 分层摊铺，每层厚度控制在200～300mm，连续摊铺2层以上时，需等下层沥青混凝土温度降至90 ℃以下才可继续。

（4）沥青混凝土碾压。最高采用1.5t振动碾，而且第一遍必须是无振动。 初碾温度不得低于130 ℃，终碾温度不得低于110 ℃。

（5）墙段连接。 采用钻凿法，在一期槽混凝土浇筑结束10h左右进行造孔，完成接头处理，在二期槽清孔时用重锤钢刷清净接头面泥浆，保证一、二期墙段接头达到设计要求。 同时每个槽段混凝土浇筑结束后，适时凿除槽段混凝土顶面，为现浇混凝土截渗墙奠定基础。

4 结语

通过应用沥青混凝土心墙技术， 并且钻芯取样38组，检测了心墙孔隙率、密度、稳定度、流值、油石比和颗粒级配等参数，均满足相关技术要求，有效保证了努尔加水库大坝的防渗安全性。 沥青混凝土防渗心墙技术原理和施工要求简单， 但前期设计工作繁琐，且需结合实际情况，为保证工程质量，应当将“理论、试验、现场”三者有机结合。