【摘 要】 沥青混凝土以其优良的防渗性能、适应变形能力、裂缝自愈能力， 在水电工程， 尤其是土石坝工程中有着广泛的应用前景。挪威在水工沥青混凝土的研究及应用方面技术领先。本文介绍了挪威沥青混凝土土石坝的发展历程， 沥青混凝土心墙坝的设计方法和特点， 以及挪威水工沥青混凝土的设计和试验方法， 对我国水工沥青混凝土的设计和研究应用具有借鉴意义。
【关键词】 水工沥青混凝土 防渗 变形 裂缝 自愈 挪威
1 前言
我国水工沥青混凝土的研究应用始于20世纪70年代， 起步较晚， 随着浙江天荒坪抽水蓄能电站上库沥青混凝土面板工程及三峡茅坪溪沥青混凝土心墙工程的成功建设， 我国水工沥青混凝土的应用技术得到了较大的发展。为提高我国水工沥青混凝土的研究及应用水平， 指导和规范我国水工沥青混凝土技术的推广应用，国家启动了水工沥青混凝土施工规范及试验规程的编制工作。为了学习借鉴国际先进的水工沥青混凝土技术， 成功地完成水工沥青混凝土施工规范及试验规程的编制， 加强国际交流与合作， 由中国电力企业联合会发起， 国内有关水电开发、科研设计单位的科技管理人员9人，组成水工沥青混凝土考察团， 于2005年9月赴挪威进行水工沥青混凝土技术考察。
在挪威首都奥斯陆， 考察团参观了挪威土工研究所， 了解了挪威水工沥青混凝土土石坝的设计和运行概况， 及水工沥青混凝土的设计、试验研究方法。
2 挪威的沥青混凝土土石坝
2.1 概况
挪威有着丰富的水力资源，其全部可开发的水资源约为3100万千瓦。现在挪威全境已建起了1000 多座水电站， 水力资源开发程度已达90%之多。目前挪威全年的发电总量超过1200亿度，人均约3万度左右，名列世界第一。水电工业的发展对于挪威的经济繁荣起着决定性的作用，被称为“走向繁荣的动力”。
水电站通常修建在河流的上游，因此许多大坝座落于人迹罕至且有着漫长冬季的地区，气候以及工程物资的供应对工程的设计、施工影响很大。从1890年建成第一座大坝起，目前挪威境内高于15m的大坝共计有290多座。1930年以前混凝土和石块是主要的筑坝材料， 1930年至1960年，随着钢筋混凝土的发展，重力坝逐渐被拱坝所取代。土石坝的兴建则始于1924 年， 但在1965年以后修建的大坝中，土石坝占了五分之四。目前高于15m的290座大坝中，有174座是各种不同坝型的土石坝（见表1） 。
由于冰碛或冰碛物，各种粒级的石头、砾石、砂子、粘土和淤泥，在挪威的大多数坝址附近都可以找到，因此是筑坝的首选材料。在1960年至1980年期间，土石坝主要采用冰碛心墙作为大坝的防渗结构（见表1） 。1978 年， Aurland计划中的三座大坝采用了沥青混凝土心墙，这三座大坝位于挪威西部高海拔的山区，坝址附近的冰碛物很少，气候恶劣，且有很深的几乎是永久的冻结带，因此很难进行土心墙的施工。截止目前，挪威有一座堆石坝采用了沥青混凝土面板作为大坝的防渗体，有10座土石坝采用了沥青混凝土心墙，沥青混凝土心墙的统计资料如表2所示。沥青混凝土心墙配合比的统计资料如表3所示，大坝各分区所用材料性能及浇注工艺如表4所示。
挪威部分沥青混凝土心墙坝的观测资料：
Storvatn坝：最高蓄水位时的总渗漏量仅为10 l/ s，且其中部分并非来源于水库。大坝建成5年后，心墙顶部的最大沉降为165mm 或0.18%的坝高。心墙的最大位移发生在下游坝壳的中部， 为580mm， 水平位移206mm， 垂直位移520mm。
Berdalsbatn坝： 总渗漏量很小，小于2.5 l/ s。大坝建成3年后，心墙顶部的最大沉降为70mm
或0.1%的坝高。
Styggevatn坝：最高蓄水位时的总渗漏量为20 l/ s，其中大部分并非来源于水库。大坝建成1年后，心墙顶部的最大沉降为35mm或0.18%的坝高。心墙的最大位移发生在下游坝壳的中部，水平位移68mm，垂直位移67mm。
Riskallvatn坝： 1986年8月，刚开始蓄水时大坝的总渗漏量随着水位的增加迅速增加，当水位达到海拔971m时，总渗漏量达到106 l/ s，但其中大部分渗漏是从心墙的混凝土基础以下通过。6年后，在最高水位下大坝的总渗漏量仅为20 l/ s。大坝未做补充灌浆，渗漏量的大幅度降低是由于基础岩石裂缝的逐渐阻塞和闭合。大坝建成6年后，心墙顶部的最大垂直沉降为45mm 或0.1%的坝高。
Katlavatn坝：最高蓄水位时的总渗漏量稳定在0.4 l/ s。大坝建成12年后，心墙顶部的最大垂直沉降为35mm或0.18%的坝高。
Vestredalstjern坝：最高蓄水位时的总渗漏量稳定在0.2 l/ s。大坝建成12年后，心墙顶部的最大垂直沉降为44mm或0.14%的坝高。
Langavatn坝：最高蓄水位时的总渗漏量稳定在0.4 l/ s。大坝建成12年后，心墙顶部的最大垂直沉降小于0.1%的坝高。
3 沥青混凝土心墙的特点
沥青混凝土材料是一种人工设计的材料，与土心墙相比，它具有可以根据不同要求进行配合比设计，以使其性能满足特殊要求的优势。
沥青混凝土心墙和过渡层同时铺筑压实的施工工艺和设备的成熟应用，使采用沥青混凝土心墙作为大坝防渗体的单位成本不断下降，使沥青混凝土心墙的应用非常具有吸引力。
沥青混凝土的不透水性、柔性、抗侵蚀性、耐久性、优良的工作性、无缝的层间结合、以及由粘塑性和延展性所带来的裂缝自愈合性能，使得沥青混凝土心墙非常适用于地质条件差的河谷或地震区。
与土心墙相比，恶劣天气对沥青混凝土心墙施工的影响要小得多。如雨季几乎不影响沥青混凝土心墙的施工。因此采用沥青混凝土心墙，可节约工程工期。
沥青混凝土心墙的厚度较小，一般最大不超过1m，且直心墙更为适用，因此成本较低。
4 挪威沥青混凝土心墙坝的设计原理和要求
沥青混凝土心墙的主要功能是抗渗， 要求在剪切膨胀和裂缝产生的情况下， 渗透量无大的增加。因此要求沥青混凝土心墙具有很好的适应土石坝的变形及坝基位移的能力。在土石坝施工期间和水库蓄水期间， 坝体的固结和蠕变， 水库水位的波动， 地震或断层运动， 都会引起位移的积累。对于建在岩基上的大坝， 影响其变形的关键因素是坝体填筑材料的物理力学性质， 特别是过渡料及坝壳的压实性能。如果坝体修建在可压缩的覆盖层上， 则地基的不均匀沉陷将是产生沿河谷纵横交错的变形差的主要原因。
根据已建工程的实测资料，通过对比分析的方法，结合有限元分析，预测新建工程可能产生的变形与扭曲，是目前最行之有效的方法。心墙应力应变的大小，必须根据试验室得出的数据进行有限元分析计算。试验室试样应近似地代表工地实际原样，研究特性包括膨胀性，渗漏，柔性，抗裂性能，刚度，强度及裂缝自愈能力等。对于沥青混凝土，很难提出一个合适、等效的变形模量。因为在施加载荷时，沥青混凝土的模量值受温度和应力应变影响很大。所以在有限元应力应变分析中，不采用考虑时间的粘性模型，一般采用分段模拟坝体施工的非线性分析。
1）心墙
沥青混凝土心墙及其相邻的过渡料铺筑层厚度为0.2m，并同时被压实。这种施工方法能使心墙与过渡带的界面给热沥青混凝土以及时的侧向支承和紧密结合。现场观测到的铺筑压实后的界面轮廓是锯齿状的。这是由于热沥青混凝土受顶部轻微挤压而膨胀造成的。
心墙的厚度按0.1m的间距从基础向顶部减小。现代化的施工设备能够建成有一定坡度的倾心墙，但除非有必要且在经济上可行，一般不选择台阶型的。
心墙的最小厚度一般为上下游水位差的1%，这已成为一个不成文的重要规则。在已建的碾压式沥青混凝土心墙大坝中，心墙顶部的最小厚度为0.4m，最大厚度为1.2m。对于高坝，在现代化的施工方法和质量控制情况下，这看起来还是一个很保守的经验。根据挪威的经验，心墙最小厚度0.5m，最大一般不必超过1.0m，除非在特殊的环境下，例如地震区，或在坝基沉陷，有滑移的情况，心墙厚度可大于1.0m。
尽管沥青混凝土斜心墙的防渗方式对传递水压有利，但相比之下，垂直心墙所受剪应力作用较小。另外，在例外情况下产生裂缝时，如果需要进行灌浆修补，垂直心墙要比斜心墙容易，可在渗水部位的上游侧过渡带中钻孔灌浆填补裂缝。
在两岸陡峭的狭窄V形河谷，特别是当坝体坐落在可压缩性的覆盖层上时，河谷的拱效应是非常重要的，必须加以研究分析。此外还要检查心墙在平面上的应力，估算其剪切扭曲、膨胀和有无出现潜在裂缝的可能。
2）反滤过渡带
沥青混凝土摊铺机实际上限制了摊铺施工时心墙和过渡带的同时铺筑总宽度。外围部分的过渡带就不得不使用其他设备单独进行铺筑。一般情况，心墙和过渡料同时铺筑的最小宽度不得小于1.0m。
过渡带的材料最好选择新鲜坚硬的人工碎石， 最大粒径60mm， 其中d50 > 10mm， d15 <10mm，有棱角的碎石比天然圆滑的卵石更能为心墙和摊铺机提供稳定的支撑。过渡材料级配曲线在施工过程中很容易发生偏差，因此必须对粒径的分布情况定期进行监测和控制。另外， 心墙， 过渡带和坝壳之间的骨料粒径差异也不能过大。国际大坝委员会（ 1992） 给出的控制指标是：
心墙d100 > =过渡带d10 ，
过渡带的d100 > =坝壳1 /4d100。
一些设计者提出上游过渡带增加细颗粒，理由是如果心墙出现破坏或者产生裂缝时，这些细颗粒就会进入裂缝内而减少渗漏直到沥青混凝土的粘塑性流动使裂缝愈合。然而， 有争议认为，细颗粒进入裂缝后将削弱沥青心墙的自愈能力并对其长期运行产生损害。
在强烈的地震作用下，坝体顶部的很大位移有可能使心墙部分剪切破坏。漏水程度将取决于心墙的剪切面宽度，也取决于剪切面库水位以下的深度和靠近心墙的过渡带的抗渗性能。在这种危险的情况下，增加反滤层或过渡带的细粒料是有益的，它将减小漏水程度，以使库水位降低进行修补。
3）坝壳
当坝体建在坚硬的岩基上，过渡带和坝壳料的压实程度、均匀程度以及坝坡的坡度决定薄心墙的变形和扭曲，当坝体建在压缩性基础上，必须估算基础的附加位移与不均匀沉陷。
Kjaernsi等指出了坝体施工期间采用的碾压设备和压实功率，施工摊铺厚度，土料的含水量和堆石的粒径以及冲水压实对减少坝体变形的作用。另外，缓慢均匀的蓄水可给心墙以充分的时间以适应由此产生的载荷及其他的难以预料的不均匀变形，因此沥青混凝土心墙在施工设计过程中允许坝体施工与水库蓄水同时进行，从技术经济上都是有益的。
反滤层的两边作一个压实特别良好的堆石区，堆石采用适当铺筑厚度并晒水振动压实，通常认为可增大该区的变形模量。
心墙可能会发生扭曲变形，设计者针对这一情况可能采用特别柔软的沥青且含量很高的混合料，但这相应地也降低了沥青混凝土的抗剪强度。对这一点，尤其是建在土基或覆盖层上的土石坝，在坝壳进行坝坡稳定分析时必须要加以考虑，因为坝体遇地震时会产生附加孔隙水压力并降低有效应力和强度。
5 挪威水工沥青混凝土的设计及试验研究
5.1 沥青混凝土的设计
沥青混凝土的设计是建立在沥青混凝土的性能研究和工程实践经验之上的。要充分考虑到混凝土的施工和易性，及沥青混凝土的抗渗性、膨胀性、柔性、抗裂性、裂缝自愈能力、强度等一系列性能。具体的设计内容如下：
骨料的质量和粒径组成
骨料的质量等级是根据骨料的片状指数和脆性指数来决定的。片状指数表示骨料针片占骨料总量的含量，脆性指数表示骨料呈脆性而易破碎的特性参数。当沥青含量低于5%时，低质量的骨料之间的接触可能会使混凝土产生裂缝，此时必须对骨料质量提出一定的要求；当沥青含量大于7%时，骨料之间基本不接触，此时骨料质量不影响沥青混凝土的抗渗性能，主要影响混凝土的沥青用量，即要达到同样的孔隙率和渗透性，片状指数越高，沥青用量越高。骨料质量不同，沥青混凝土在应力～应变～强度性能方面的差异很小。
骨料的粒径组成应按富勒级配曲线来选定，小于0.075mm的填料一般占骨料总重的12%。填料、砂、碎石或天然卵石的粒径一般在0 ～16mm或0 ～18mm之间。填料一般以硅酸盐水泥、石灰石石粉等来补充骨料石粉的不足。人工骨料石粉的最大含量取决于骨料的酸碱性，必须对骨料酸性进行测定。
沥青的质量和含量
理论上， 沥青含量只要满足填满骨料的孔隙，但通常略大于理论的骨料孔隙。应根据骨料的种类、矿物成分、片状结构和表面特性、粒径分布和沥青的粘性等综合条件，通过马歇尔试验来确定沥青含量。工程实际采用的沥青含量都比在马歇尔压实试验中确定的沥青含量要稍大一些，一般在沥青混凝土总重的5.5% ～ 6.6%之间。
现场试验表明，即使应用8%的柔软的低粘稠的沥青，现有的浇筑设备和施工方法都能成功使用。但是，当沥青含量超过10%时，沥青混凝土呈“流态”，不能有效压实，此时应考虑采用人工铺筑和模板施工的方法。
沥青混凝土的拌和、压实温度根据所使用沥青的品种决定。沥青混凝土压实后允许的最大孔隙率。
大量的试验证明，当沥青混凝土的孔隙率小于3%时，即使在很高的水压下沥青混凝土也是不透水的。当孔隙率大于3%时，混凝土渗透性显著增大，在6%时，渗透系数大约为10- 5 cm / s。
考虑到室内试验与现场压实密实度之间的差异，混凝土设计时，要求沥青混凝土室内马歇尔试验的孔隙率小于2%。
5.2 沥青混凝土性能试验
水工沥青混凝土除了标准的马歇尔试验外，还需要通过其他试验来评估和论证沥青混凝土的各项性能和适用性。
1）马歇尔试验
马歇尔试验是沥青混凝土配合比设计中的主要试验，测试混凝土的密度和孔隙率，及稳定度和流值。
马歇尔试验是用高64mm，直径102mm的标准试件，用规定的方法加热、搅拌，并在模具里压实。马歇尔稳定度和流值试验是在60℃下，对圆柱形试件加径向荷载，荷载通过半圆形试模以51mm /min的变形率施加直到破坏。稳定度即为记录的最大荷载，流值就是最大荷载时的总的径
向变形。
2）三轴试验
挪威的三轴试验采用直径为100mm，高为200mm的试件。试件成型方法为： 将骨料在160℃预热4h，沥青在145℃下预热2h，混合料在150℃～160℃下，浇入内径为100mm的预热过的模具内，每层装填5cm，用与马歇尔试验相同的方法，每层击振半分钟。
试验在规定的应变速率和温度下进行，一般为2% /h和5℃/h。一般三轴试验采用轴向压缩试验。为了模拟混凝土结构的实际受力条件，也可采用不同的应力途径。试验可得到混凝土的应力应变特性、剪胀特性、剪切强度特性，并可根据混凝土的应变特性判断材料的柔性。
3）抗渗试验
典型的抗渗试验中，抗渗试件置于一个敞口容器内，四周由沥青密封，容器底板有小孔，容器连同试件置于压力水下。现在还有许多可控制试件水平及垂直应力的精心设计的抗渗仪。
除普通试件外，还可将经过较大剪切变形的三轴试件切割成合适试样，对其进行抗渗试验，用来测定剪胀和内部裂缝对沥青混凝土抗渗性的影响。
通过渗透试验可进行沥青含量及类型与混凝土渗透性的关系试验，可测定沥青混凝土裂缝的自愈程度和速度、渗透性随时间减弱的关系。
4）挠曲抗裂性能试验
在面板沥青混凝土的设计中，采用小梁弯曲试验来研究沥青混凝土的抗裂性能；在心墙沥青混凝土的设计中，采用简单圆盘挠曲抗裂性能试验模拟测试不同配合比的沥青混凝土的挠曲抗裂性能。
圆盘试验“模拟”由于坝体的不均匀位移或下游侧过渡带局部支撑的减弱而引起心墙的局
部弯曲的情况。
圆盘试件直径300mm，厚60mm，支承在圆筒形压力容器壁上。试件四周用沥青密封防止渗漏，压力容器上部可充水加压，压力可控。
试验温度为5℃，通常使试件上部水压保持过大的不变压力，例如500kPa，测出圆板中央挠度随时间的变化。逐渐出现的裂缝使得抗渗能力减弱并有水透过试件。当裂缝贯穿圆板时，漏水将突然增大。
不同配比的沥青混凝土的抗裂特性，通过对挠度- 时间曲线的比较和水穿透圆板时中央的挠曲变形对比来反映。
6 结束语
