1.4 水工沥青混凝土的发展

水工沥青混凝土的发展是从人类发现自然界天然沥青和开采出石油后对石油副产品石油沥青的研究开始的，随着沥青加工技术水平的提高，沥青的品质性能越来越稳定。沥青混凝土配合比设计和试验不断优化，施工机械的快速发展，使水工沥青混凝土作为防渗体，在国外和国内的水利水电工程中得到广泛的应用和快速发展。

1.4.1 国外应用发展情况

国外沥青混凝土在土石坝面板防渗中应用较早，20世纪20年代，德国的阿姆克尔（Amecker）坝开始采用黏土心墙作为防渗体，由于坝体出现渗漏，为了堵漏，1934年在1：2的上游坝面铺筑了厚6cm的沥青混凝土防渗层，对已建成的坝作表面防渗处理，为世界上最早采用沥青混凝土作为面板防渗体的大坝。

沥青混凝土心墙在土石坝中应用稍晚，1949年葡萄牙建成的瓦勒多盖奥（Vale de Gain）坝，坝高45m；1954年原德国建成的汉堡（Henne）坝，坝高58m，都是在上游设置斜墙防渗体后，又在坝内部增设半渗透性的沥青混凝土阻水体作为附加安全措施，当上游斜墙遭到破坏时，也能确保坝体安全。于是出现了沥青混凝土心墙防渗体。

国外已建成的有代表性的沥青混凝土心墙坝有1980年建成的奥地利芬斯特尔（Finstertal）坝，坝高150m，沥青混凝土心墙高149m；1987年建成的挪威斯图尔法特恩坝，坝高100m,沥青混凝土心墙高90m；1997年建成的挪威Storglomvoatn沥青混凝土心墙堆石坝，坝高125m，心墙高120m。苏联的特尔曼斯卡亚坝和伊尔加赖卡斯亚坝，坝高分别为140m、100m，均为沥青混凝土心墙坝。

国外已建成的有代表性的沥青混凝土面板工程有1934年德国首先建成阿姆克尔（Amecker）沥青混凝土面板堆石坝。1952年德国建成的Genkel沥青混凝土复式结构面板坝，是世界上第一座沥青混凝土复式面板坝。1957年建成的美国蒙哥马利沥青混凝土简式结构面板坝，坝高34m,是世界上第一座沥青混凝土简式面板坝。1992年建成的日本八汐沥青混凝土面板坝，最大坝高91.5m。

国外水工沥青混凝土施工专用施工机械和技术及结构理论不断发展，具体表现为土石坝沥青混凝土防渗心墙的高度越来越高，很多已经突破百米大关；防渗面积也越来越大，特别是抽水蓄能电站的上库底板及岸边防渗面积均在增加；同时，工程施工的相对成本也逐步降低。

1.4.2 国内应用发展情况

20世纪50年代，甘肃玉门和新疆奎屯等地区将沥青混凝土用于渠道衬砌，江西上犹江水电站混凝土坝上游面采用沥青砂浆防渗层。20世纪70年代沥青混凝土开始应用在土石坝工程防渗中，1973年建成的吉林白河水电站拦河坝，坝高24.5m，堆石坝采用沥青混凝土防渗心墙。1977年竣工的九里坑水库拦河坝，坝高44m，采用沥青混凝土防渗心墙。1980年完成的碧流河水库，左岸堆石坝坝高32.3m，右岸土坝坝高38.3m，都采用沥青混凝土防渗心墙。1984年完工车坝一级水库拦河坝为石渣坝，坝高66.2m，采用沥青混凝土防渗面板。1989年投入运行的牛头山水库拦河坝为砂砾石坝，坝高49.3m，采用沥青混凝土防渗面板。

在20世纪90年代以前，我国沥青混凝土施工为国内自主发展时期，多数采用人工与机械摊铺相结合或使用自制简易摊铺机摊铺的施工技术，从原材料生产、施工机械设备配置到现场施工，总体施工技术水平相对落后，施工质量不令人满意。沥青混凝土防渗心墙出现墙体开裂、层间渗漏问题，沥青混凝土防渗面板出现裂缝、层间鼓包、斜坡流淌、封闭层老化等问题，致使工程界人士对沥青混凝土防渗工程的安全性和耐久性产生了疑虑。20世纪80年代后期，水工沥青混凝土在土石坝工程的应用进入一个停滞期。

为提高我国水工沥青混凝土防渗技术水平，保证施工质量，1987年6月原水利电力部颁发了《土石坝碾压式沥青混凝土防渗墙施工规范（试行）》（SD 220—87）,该规范是我国沥青混凝土技术指导文件，也是对我国当时沥青混凝土施工的技术总结。

在进入20世纪90年代以后，针对我国沥青混凝土施工存在的问题，采用国际合作和自主研发改造方式，从设计到施工大量引用国外先进技术、设备和管理经验，我国沥青混凝土在土石坝防渗体应用施工技术方面得到了很快的发展，取得了很好的效果，设计和施工水平得到了全面提高。在此基础上我国对引进国外先进技术和设备进行研究和试验，解决了高寒地区快速施工、夜间和雨季施工等很多现场施工中的技术问题。在国外先进的第三代摊铺机和斜坡移动式牵引台车的基础上，研究改造出能够满足工程使用的先进沥青混凝土心墙摊铺机和斜坡移动式牵引台车，并制造适合沥青混凝土防渗体施工所用的中小型摊铺设备、运输设备、斜坡面牵引台车等专用设备，使我国的沥青混凝土防渗体施工技术、设备制造水平都取得了很大进步，采用沥青混凝土作为土石坝防渗体的工程项目不断增多，规模也不断扩大。

我国已建成的有代表性的沥青混凝土面板防渗工程是1997年建成的天荒坪抽水蓄能电站，最大坝高72m，其上库的库岸边坡、库底，采用沥青混凝土面板防渗。2007年建成的张河湾抽水蓄能电站，坝高57m，其上水库全池采用沥青混凝土面板防渗；西龙池抽水蓄能电站，上库坝高50m，下库坝高97m，其上水库全池、下水库库底和坝坡均采用沥青混凝土面板防渗；宝泉抽水蓄能电站，上水库坝高93.9m,其上水库和库岸也是采用沥青混凝土面板防渗。

我国已建成的有代表性的沥青混凝土心墙坝有1994年建成的党河水库沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高74m，沥青混凝土心墙最大高度为70.5m。2003年建成的三峡水利枢纽工程茅坪溪土石坝，最大坝高104m，沥青混凝土心墙最大高度为94m。2005年6月建成的尼尔基水利枢纽沥青混凝土心墙主坝，最大坝高41.5m，沥青混凝土心墙最大高度为36.26m，心墙顶部长1676m。2005年11月建成的冶勒水电站碾压沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高124.5m，沥青混凝土心墙最大高为120m。2014年2月截流，即将开始施工的世界级高坝，去学水电站沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高171.2m，沥青混凝土心墙最大高度为153.5m。

国内外部分工程采用沥青混凝土心墙防渗体特性见表1-1，国内外部分工程采用沥青混凝土面板防渗体特性见表1-2。

随着我国沥青混凝土应用施工技术、装备水平的提高及水工沥青混凝土施工工艺的改进和创新，水利水电行业对1987年颁发的《土石坝碾压式沥青混凝土防渗墙施工规范（试行）》（SD 220—87）进行修订，由《水工碾压式沥青混凝土施工规范》（DL/T 5363—2006）替代，并且不断完善设计和施工标准，2006年颁发了《水工沥青混凝土试验规程》（DL/T 5362—2006）；2009年颁发了《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（DL/T 5411—2009），2010年颁发了《土石坝浇筑式沥青混凝土防渗墙施工技术规范》（DL/T 5258—2010）和《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL 501—2010）；2012年颁发了《水电水利基本建设工程 单元工程质量等级评定标准 第10部分：沥青混凝土工程》（DL/T 5113.10—2012）和《水利水电工程单元工程施工质量验收评定标准——混凝土工程》（SL 632—2012）；2013年颁发了《沥青混凝土面板堆石坝及库盆施工规范》（DL/T 5310—2013）和《水工沥青混凝土施工规范》（SL 514—2013）。这些标志着我国沥青混凝土应用施工技术从设计到施工有了比较全面和完整的执行标准，质量控制标准进入了新的阶段。

尽管我国沥青混凝土设计与施工水平取得了很大的进步，但与世界先进水平仍然存在差距，特别是在成套施工机械设备的开发、基础应用理论研究等方面，需要进一步努力，才能全面达到世界先进水平。

1.4.3 施工技术展望

随着水工沥青混凝土防渗技术在工程中大量的成功应用，促进了沥青混凝土的理论研究和施工机械技术的不断发展。

（1）沥青混凝土的理论研究。目前，世界上对沥青混凝土应用技术本身的研究主要是以马歇尔试验为基础。国内外很多沥青混凝土应用研究的学者都对其产生的基础条件提出了质疑，认为马歇尔理论是基于经验的设计方法，无法反映新的沥青混合料（如改性沥青、水工沥青混凝土）的力学性能，马歇尔稳定度反映的物理意义不明确，不能反映沥青混凝土实际的受力状态，不能很好地反映沥青混合料的骨架结构与恰当评估沥青混凝土的抗剪切强度等，马歇尔试验在试件成型方法上与实际运用的模拟性也不强。

针对马歇尔试验存在的问题，欧美一些国家已经在寻找其替代方法。美国于20世纪90年代组织大量的人力物力，实施SHIP试验计划，提出了一套完整的沥青混凝土设计理论及试验方法，只是基于设备的稀缺和价格的昂贵，目前尚难以推广，但其理论基础已为广大学者所接受。尽管一些学者主张放弃马歇尔理论，但马歇尔理论及其相应的试验方法在设计理念上并没有错误，还具有可操作性。因此，目前尚还不具备全部否定马歇尔理论的基础，而新的设计理论也需要得到生产实践的进一步验证，故目前沥青混凝土设计理论仍以采用马歇尔理论为主流。

随着研究人员、工程技术人员工程实践的增加且实践经验不断丰富，技术理论的发展与生产实践的结合日趋紧密。目前，沥青混凝土试验方法及设计理论都在朝着不断完善的方向发展，特别是沥青混凝土试件成型、试验方法，都在尽量模拟工程实际的施工过程或工程运行期沥青混凝土的实际荷载情况，使得试验具有针对性，试验结果具有说服力，回避如马歇尔试验中试验条件、物理意义不太明确或者试件成型方式受质疑的问题。

另外，对于土石坝的结构计算，在处理沥青防渗体时，目前国内外均采用有限元法进行计算，并在此基础上建立了多个较好的模型，如Duncan-Chang即E-μ力学模型。大量的工程实践证明这些模型是可靠的。

（2）主要施工设备。水工沥青混凝土主要施工设备由沥青混凝土拌和设备、运输设备、摊铺设备及碾压施工设备，以及其他设备组成。随着施工要求不断提高，主要施工设备也相应地不断改进和发展，今后的发展趋势根据施工要求向着先进成套的方向发展。

1）沥青混凝土拌和设备将向着系列化、技术性能先进化、控制操作自动化发展。型号规格齐全，产品已形成系列，每小时产量从几吨到上千吨不等。在水利水电工程中，还是以使用间歇式的拌和设备为主。

2）运输设备除了专用自卸汽车外，还有必不可少的专用卸料设备。如在沥青混凝土面板施工中，在水平面上施工时，可以釆用汽车直接向摊铺机供料的方式，在进行斜坡摊铺施工时，采用牵引式设备配备能向摊铺机卸料的移动绞车。

3）摊铺设备。在沥青混凝土面板施工中，沥青混凝土混合料摊铺将使用专用斜坡摊铺机，斜坡上的运料、摊铺、碾压机械采用移动式卷扬台车牵引。在沥青混凝土心墙施工中，沥青混凝土混合料摊铺采用能够同时进行心墙沥青混凝土混合料和两侧过渡料摊铺，前面装有红外线加热器，具备摊铺高度和摊铺宽度可调功能，设有预压实装置的第三代履带式摊铺机。

4）碾压设备。沥青混凝土心墙采用小型自行式和手扶式振动碾。斜坡沥青混凝土面板采用斜坡振动碾。边角部位采用电动或油动振动夯碾压。

（3）施工工艺。

1）在水工沥青混凝土防渗体采用成套设备施工时，对施工全过程的质量要求更高，工艺要求更严格。

A.原材料的选择与控制。从设计阶段就对原材料进行选择、试验、检测，在骨料加工和沥青混合料拌制前对骨料级配进行控制，保证所选择的原材料和拌制的沥青混合料满足沥青混凝土防渗体设计要求。

B.配合比。要求进行沥青混凝土室内配合比复核试验、沥青混凝土现场摊铺试验及沥青混凝土生产性摊铺试验，来确定满足质量和施工要求的配合比。

C.施工参数。要求进行现场摊铺试验以选择合理工艺参数和施工质量控制指标。

D.温度控制。在沥青混合料的生产、运输、沥青混凝土铺筑及检验的全过程中，都要求进行严格温度控制，从而保证沥青混凝土质量。

E.现场检测。采用进行无损检测、钻孔取芯检测两种方式，通过检测结果及时发现和处理施工中存在的缺陷问题。

2）普及提高在高寒地区快速施工技术水平。随着我国水利水电工程逐步向西部发展，也有一些采用沥青混凝土作为防渗体的工程项目，其位置属高原寒冷地区，工程所在地在海拔2000.00～3000.00m，甚至更高。冬季时间长度6～7个月，最低气温在-20～-30℃。雨季为5—10月，多年平均降雨天数也较多。

在高海拔地区施工造成人员和设备存在缺氧问题，-5℃以下低温、雨雪天将造成有效施工时间减少。其施工受高寒、多雨雪、冬季低温时间长等因素影响，存在每年适合进行沥青混凝土防渗体施工的天数较少等困难。高寒地区进行土石坝沥青混凝土防渗体施工，若采用正常气温的技术要求和方法进行施工，其施工质量和进度会受到气候影响的严重制约，很难按期完成。

冶勒水电站大坝碾压沥青混凝土心墙防渗体，尼尔基水利枢纽工程主坝沥青混凝土心墙防渗体，坎儿其水库沥青混凝土心墙砂砾拦河坝等工程都处在高寒地区。这些工程在进行沥青混凝土防渗体施工时，都是根据工程所在地的实际情况，首先通过科学研究和现场试验，研制出适合高寒地区施工的摊铺设备，气温-5℃时沥青混凝土施工方法，摊铺层厚30cm施工方法，当日连续铺筑2～3层及夜间快速施工方法，然后应用到工程施工中。首先保证了沥青混凝土防渗体施工质量，同时加快了施工进度，从而使施工工程能够按期完成。这些成果是我国在高寒地区从事土石坝沥青混凝土防渗体施工的技术人员、试验人员、作业人员，通过不懈的努力得来的，其成果来之不易，需要在今后的土石坝沥青混凝土防渗体工程施工中进行普及，并进一步得到提高。

（4）在其他领域的应用。在国外，水工沥青混凝土除了广泛用于土石坝和水库的防渗面板及防渗墙外，还广泛地用于渠道防渗、蓄水池、防浪堤、垃圾填埋场等，取得较好的经济效益。我国在这方面还是空白，大有发展的空间，为此应积极开展工作，把水工沥青混凝土的技术尽早应用于这些领域。

我国水工沥青混凝土另一个大有发展潜力的应用领域是垃圾填埋场。目前，我国处理垃圾的主要方式是填埋式，填埋场防渗效果不理想。如采用混凝土防渗，混凝土易产生裂缝，形成渗漏，防渗的效果不很理想。垃圾特别是一些有毒的化学垃圾一旦渗漏到地下，将会形成对地下水和环境的污染。而采用沥青混凝土防渗结构，由于沥青混凝土的渗透性极小，适应变形的能力强且出现细微裂缝后又可以自愈。因此，就防止了渗漏的发生。随着国家对环保的重视，沥青混凝土施工机械的国产化带来的沥青混凝土成本的下降，水工沥青混凝土也将逐步用于垃圾填埋场和蓄污池等的防渗处理。

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[1] 压力单位kgf/cm²为非法定计量单位，1kgf/cm²=9.80665×10⁴Pa。本书以下各处同此。