摘 要：
新疆2010—2030规划建设的近百座大中型水库坝型主要是沥青混凝土心墙坝，建设中面临缺乏碱性骨料、坝体接触问题复杂和变形控制难度大、施工环境恶劣等关键技术难题。为此，依托工程建设实践，采用室内试验、现场试验和数值模拟相结合的方法，对独特筑坝环境下的上述难题开展了研究。结果表明：采用合适的填料可以实现天然砾石作骨料的沥青混凝土黏附性不小于4级、水稳定系数不小于0.9的要求，天然砾石可以用作心墙沥青混凝土骨料；采用指数函数的形式可以较好地描述破坏主应力差、初始泊松比与围压力的关系，改进了沥青混凝土心墙材料特性的本构模式；沥青混凝土心墙与坝基采用不设廊道的连接方式有利于大坝防渗体系安全，现场试验-物理模拟-数值模拟相结合的抗震安全评价方法可以有效评价大坝和地基系统的抗震性能。低温、高温和大风环境下沥青混凝土性能测试表明，将碾压层面施工控制温度由规范规定的70～90℃拓展到50～100℃仍可保证沥青混凝土心墙的碾压质量。坝体施工区风场监测表明，采用合适的坝体防风结构可有效降低风速，从而降低热量散失速率，能够满足大风环境下沥青混凝土心墙施工需要。
关键词：
沥青混凝土心墙坝;心墙材料;坝体结构;抗震安全;连续施工;
作者简介：
李江(1971—),男,正高级工程师,硕士,主要从事水利水电工程规划设计研究工作。E-mail:lj635501@126.com;
基金：
国家重点研发计划(2016YFC0401601);
新疆维吾尔自治区天山雪松创新领军人才计划(2018XS22);
天山英才工程第二期(2016-2018);
引用：
李江，柳莹，何建新，等．新疆高沥青混凝土心墙坝建设关键技术与应用［Ｊ］.水利水电技术（中英文），２０２１，５２（１１）：８５⁃９７.
LI Jiang, LIU Ying, HE Jianxin, etal. Key construction technologies and application practices of high asphalt concrete core dam in Xinjiang [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, ２０２１， ５２（１１） ： ８５⁃ ９７.
0 引 言
水库大坝的建设对干旱缺水的新疆地区的社会经济发展和长治久安具有重要意义，但新疆坝工建设普遍面临“高(高地震、高海拔)、深(深厚覆盖层、深切河谷)、软(软弱地基、软岩)、透(透水地基、渗透变形)、难(低温、高温、大风恶劣施工条件)”的特点及缺乏防渗土料的难题。沥青混凝土心墙砂砾石坝由于具有适应地基变形能力强、施工工艺简单、不易受天气影响，以及工程量小、造价低等优点，且符合就地取材的土石坝建设理念，成为防渗土料缺乏、砂砾料储量丰富的新疆地区极具竞争力的坝型。据中国大坝工程学会统计，截至2019年，新疆已建沥青混凝土心墙坝71座，分别占中国已建119座和全球已建217座该坝型的60%和33%。目前，新疆在建的高沥青混凝土心墙坝包括大石门(设防烈度为Ⅸ度，坝高为128.5 m)、尼雅(设防烈度为Ⅷ度，坝高为134 m)等，其趋势是坝高、建设难度和复杂性越来越大，大坝建设和运行安全也相应地愈加成为工程界关注的焦点。
一些研究者结合工程实践，对沥青混凝土心墙材料特性及采用邓肯-张模型描述其应力应变关系的适用性、采用天然砾石酸性骨料的适用性、材料设计和结构设计优化、沥青混凝土心墙施工控制、大坝运行安全性状等进行了研究。在运行性状方面，研究者通过对监测资料的分析发现，沥青混凝土心墙的压缩性大于过渡料，沉降较大，心墙与过渡料间通常存在错位，靠近岸坡部位也容易发生较大错位。而对发生漏水的若干沥青混凝土心墙坝的调查表明，沥青混凝土心墙与基座、岸坡等的连接部位处理不当是发生漏水的主要原因。
国内外在沥青混凝土心墙坝建设实践中部分发生廊道断裂、渗水严重等问题的案例，说明高沥青混凝土心墙坝筑坝技术仍然尚未成熟，有部分关键问题尚待进一步研究。尤其是新疆“高、深、软、透、难” 的复杂筑坝环境，给高沥青混凝土心墙坝建设和运行安全带来了更大的挑战。本文针对近年来特殊环境及地质条件下新疆高沥青混凝土心墙坝建设实践，重点对以下关键问题开展研究：(1)对沥青混凝土心墙材料配制技术及沥青混凝土心墙本构模式开展研究，以解决就地取材充分利用砾石骨料的问题，以及更好地描述沥青混凝土心墙性质和工作性态预测的难题。(2)针对不同结构功能分区变形协调控制设计难度大、已建工程中常发生廊道断裂、渗水严重的问题，对沥青混凝土心墙与坝基连接方式进行论证比较；针对复杂深厚覆盖层上坝体不同分区刚度差异大、接触复杂带来的抗震安全评价难题，研发能够考虑覆盖层原位结构效应、考虑心墙-过渡、心墙-岸坡、心墙-坝基等接触带不同接触剪切特征的抗震安全评价方法。(3)对低温、高温和大风等恶劣环境下沥青混凝土的性能开展研究，以解决恶劣环境下沥青混凝土施工的难题。
1 天然砂砾料用作沥青混凝土骨料的机理及沥青混凝土性态描述
传统的沥青混凝土心墙多采用碱性骨料，往往由灰岩骨料通过人工破碎获取，料源匮乏、运距远、成本高。新疆天然砂砾石料广泛分布，储量很大，可就地取材，若可用作心墙骨料，则能够显著降低工程造价，缩短工期。《土石坝沥青混凝土防渗面板与心墙设计规范》(SL 501-2010)规定，碾压式沥青混凝土心墙应满足防渗、适应变形、耐久性等性能要求。在进行碾压式沥青混凝土配合比设计时，为保证沥青混凝土心墙的防渗安全性，规范对粗骨料与沥青黏附性的要求是不小于4级，对沥青混凝土心墙水稳定系数的要求是不小于0.9。因此，首先需研究砾石与沥青的黏附性是否满足要求，还需研究沥青混凝土是否满足水稳定性要求。对沥青混凝土心墙材料性态的描述，是通过数值模拟预测心墙工作性状的关键，直接影响预测和评价结果的正确性。因此，有必要研究能更好地描述沥青混凝土心墙应力-应变特征的本构模式，以便为沥青心墙工作性态预测和不同功能分区之间的变形协调评价提供依据。
1.1 天然砾石骨料与沥青的黏附性研究
当选定沥青品种后，沥青与填料的相互作用主要取决于填料的性质。为论证砾石作为沥青混凝土心墙骨料的可行性，选择石粉和水泥作为填料，进行不同填料下砾石骨料与沥青黏附性的作用机理研究。图1给出了石粉和水泥作为填料时沥青混凝土的微观图像，图2给出了不同填料制作的混凝土试件的抗拉强度与试验温度和填料浓度的关系。
图1 不同填料下沥青混凝土微观图像
图2 抗拉强度与试验温度和填料浓度的关系
由图1可知，用水泥做填料比用石粉做填料制作的沥青混凝土试件孔隙率更小，结构更加紧密。试验分析表明，水泥作为填料可使沥青混凝土的结构更加密实，且砾石骨料与沥青的黏附性也能够满足规范要求。由图2可知，不同填料制作的混凝土试件的抗拉强度均随试验温度的增高而减小，随填料浓度的增大而增大，相同试验温度或填料浓度下，水泥填料制作的混凝土试件抗拉强度明显更大。
从机理上来说，采用水泥作填料既可改善沥青胶浆的性质，与骨料拌和后还可改善砾石骨料的表面特性。近代胶浆理论认为沥青混凝土是由骨料和沥青胶浆逐级填充的空间网状结构分散体系，沥青与填料的化学吸附作用强于物理吸附，碱性填料比酸性骨料对沥青的吸附性强。从微观角度出发，沥青与骨料在分子力的作用下产生黏附现象，且沥青与碱性物质接触时会发生化学反应，产生化学吸附作用很强的皂类化合物。经水泥处理过的砾石骨料表面会含有Ca2+等盐类，可与沥青反应，生成皂类化合物，从而可显著改善沥青与砾石骨料的黏附性。
1.2 天然砾石骨料沥青混凝土的水稳定性研究
浸水时间和浸水温度是影响沥青混凝土水稳定性的重要因素，分别采用以水泥、石粉做填料制作的沥青混凝土试件，通过延长浸水时间和提高浸水温度，研究天然砾石骨料沥青混凝土的长期水稳定性。
图3给出了水泥和石粉做填料时沥青混凝土试件的水稳定系数随浸水时间的变化曲线，前者的水稳定系数随浸水时间的延长逐渐增大且均大于1.0,而后者的水稳定系数却逐渐减小。这是因为随着浸水时间的增长，水泥填料产生水化硅酸钙和氢氧化钙，与沥青发生化学反应，从而提高了沥青混凝土的水稳定性。石灰岩矿粉则恰恰相反，浸水时间越长，试件遭受的水损害作用越强，导致水稳定系数逐渐减小。因此，与石灰岩矿粉相比，水泥可在很大程度上改善沥青混凝土的水稳定性。
图3 水稳定系数随浸水时间的变化
表1和图4给出了12%石灰石粉、6%水泥+6%石灰石粉和12%水泥配制的沥青混凝土在80 ℃时的水稳定系数随浸水时间的变化情况。从表1和图4可知，将浸水温度提高到80 ℃后，随浸水时间的延长，12%石灰石粉制作的沥青混凝土试件水稳定系数呈现单调减小趋势，且均小于0.9,不符合规范要求；6%水泥+6%石灰石粉和12%水泥制作的沥青混凝土试件水稳定系数均随浸水时间的延长呈现出先增长后减小的趋势，且都大于0.9,满足规范对沥青混凝土心墙水稳定性的要求。
图4 80 ℃时水稳定系数随浸水时间的变化
1.3 适用于沥青混凝土心墙材料的本构模式
通过三轴试验得到的沥青混凝土应力应变关系(见图5)可知，沥青混凝土的应力应变曲线为应变软化型，但(σ1-σ3)f破坏前的应力应变关系仍可采用双曲线关系来描述，提出采用指数函数形式来描述破坏主应力差与小主应力σ3的关系如下
式(1)中采用无量纲参数H、P代替传统的强度参数摩擦角φ和黏聚力c。将式(1)作为强度关系式代入邓肯-张修正模型的切线模量方程，有
分别采用邓肯张模型和式(2)提出的修正后的邓肯张模型对沥青混凝土大型三轴试验结果进行理论计算，结果显示修正后的邓肯-张模型计算的相对误差较小，能更准确地描述沥青混凝土的应力-应变关系。
图5 沥青混凝土应力-应变曲线(20 ℃)
邓肯-张模型中，假定材料的轴应变εa与侧应变εr呈双曲线关系，本次沥青混凝土大型三轴试验结果显示其轴应变εa与侧应变εr不符合上述假定，两者呈线性关系(见图6),且沥青混凝土的初始泊松比随围压增加而降低，在半对数坐标系中初始泊松比和围压呈线性关系，可用指数函数来表示
式中，A、B均为无量纲参数，由试验确定。
图6 沥青混凝土轴应变-侧应变关系
将式(1)、式(3)代入但尼尔公式，得出切线泊松比的表达式为
采用式(4)计算沥青混凝土的体变关系，与试验值的对比如图7所示，可见式(4)能很好地描述沥青混凝土的轴应变与侧应变关系。
图7 沥青混凝土轴应变-侧应变关系对比
2 沥青混凝土心墙与坝基连接方式研究
沥青混凝土心墙与基础防渗体之间的连接型式是制约沥青混凝土心墙坝防渗效果的重要因素之一，早期的100 m级沥青混凝土心墙坝均考虑设置底部灌浆廊道，以便于灌浆施工和检修，如20世纪90年代建设的茅坪溪水库、冶勒水电站及21世纪初建设的新疆下坂地水库。但在已建设廊道的工程中，有很多发生廊道断裂产生严重漏水的案例，如新疆下坂地沥青混凝土心墙坝后期运行中廊道断裂，渗水严重。当前在建的新疆尼雅、大石门沥青混凝土心墙坝则取消了廊道。因此，是否设置廊道成为当前具有争议的问题。
为研究廊道对沥青混凝土心墙结构安全的影响，以尼雅水库施工期为例，采用大型有限元分析软件ABAQUS对有无廊道两种布置方案进行了计算分析(见图8),计算结果汇总如表2所列。根据数值模拟计算结果可知：当设置廊道时，最大压应力为1.96 MPa, 出现在廊道两侧和底部；最大拉应力达到4.86 MPa, 出现在廊道顶拱部位，极易造成廊道拉裂破坏。同时，通过本次计算也很好地印证了廊道容易断裂的现实。当不设廊道时，基座的最大拉应力和最大压应力较有廊道方案均有减小，分别为3.34 MPa和0.53 MPa。采用无廊道方案，防渗结构简单，可改善基座的应力应变状态，沥青混凝土心墙和帷幕主要承受压应力，有廊道方案沥青心墙的大小主应力极值比无廊道方案略有减小，但其相差不大；有廊道方案帷幕的大小主应力极值分别为0.18 MPa和0.56 MPa, 而无廊道方案中帷幕的大小主应力极值分别为0.17 MPa和0.52 MPa, 由此可见取消廊道也可改善帷幕的受力条件。设置廊道时便于灌浆施工、干扰少，基础出现问题便于检修，但是廊道容易出现大变形、易开裂、渗水等情况。对于是否设置廊道，工程界至今还未达成共识，在实践中仍需根据工程实际情况做充分的论证。
图8 廊道或基座大主应力云图(单位：MPa)
3 原位试验-数值模拟-物理模拟相结合的抗震安全评价方法
新疆地处高地震烈度区，高沥青混凝土心墙坝的抗震安全性是关注的关键问题之一。但由于覆盖层具有显著的原位结构效应，传统的室内试验方法很难准确确定其工程力学参数，且坝体不同分区尤其是沥青混凝土心墙与不同结构分区和岸坡的接触带力学性质复杂，这给坝壳-沥青混凝土心墙-覆盖层地基系统的抗震安全评价带来了困难。结合工程实践，提出了现场试验-物理模拟-数值模拟相结合的高沥青混凝土心墙坝抗震安全评价方法，其要点如下。
3.1 覆盖层原位力学指标特征值的确定
对坝基覆盖层开展原位试验，确定坝基覆盖层工程力学特性代表值，并结合室内试验确定覆盖层原位干密度(相对密度),开展基于原位干密度的室内试验，进行室内外试验联合分析，考虑原位结构效应确定坝基覆盖层土体本构模型参数。
3.2 坝基覆盖层局部稳定性评价
基于坝基覆盖层工程力学特性代表值和考虑原位结构效应确定的本构模型参数，对坝基覆盖层建坝后的局部稳定性进行评价。如当坝基存在砂层时，提出采用非线性化方法代替规范中原有的线性化方法进行坝基砂层地震液化评价，能够避免原规范线性化方法判别结果在上覆有效应力增大时偏于危险、在上覆有效应力减小时过于保守的不足。非线性化方法评价公式如下
式中，N为标准贯入试验贯入点的标准贯入锤击数；Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N′为实测标准贯入锤击数；σν为工程正常运行时标准贯入试验点有效上覆应力；σ′ν为进行标准贯入试验时标准贯入点有效上覆应力，σ′ν取值不应小于35 kPa, 且不大于300 kPa。
3.3 数值模拟与振动台物理模拟相结合进行高沥青混凝土心墙坝抗震安全评价
考虑不同结构功能分区接触特性，基于考虑原位结构效应确定的坝基覆盖层土体本构模型参数进行地震动力反应分析，同时在模型相似设计的基础上开展坝壳-沥青混凝土心墙-覆盖层地基系统振动台模型试验，从物理模拟和数值模拟相结合、局部稳定性与整体安全相结合的角度评价坝壳-沥青混凝土心墙-覆盖层地基系统抗震安全性。
4 恶劣环境下沥青混凝土性能研究
《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(SL501—2010)对碾压式沥青混凝土心墙的沥青混凝土的要求是孔隙率不大于3%,渗透系数应不大于1×10-8 cm/s。为保证水工沥青混凝土的施工质量，《水工沥青混凝土施工规范》(SL514—2013)对施工时环境条件、沥青混合料施工温度有一定的要求。对于环境条件，要求沥青混凝土施工时风力宜小于4级，日降雨量宜小于5 mm。碾压式沥青混凝土应在非降雨(雪)时段施工，碾压式心墙施工时气温宜在0 ℃以上。对于沥青混合料的施工温度，要求根据不同环境温度通过试验确定入仓温度(宜为140～165 ℃),考虑施工时的气候条件按试验确定碾压温度，规定初碾、终碾温度分别不宜低于130 ℃、110 ℃。对于沥青混凝土心墙碾压层面处理，当碾压层面温度低于70 ℃时，摊铺覆盖层前宜将层面加热到70℃以上。连续施工时，下一层沥青混凝土铺筑需等待底层沥青混凝土表面温度降低到90 ℃以下，且不低于70 ℃。
从新疆的气候环境来看，其多年平均气温低于5 ℃,冬季严寒且历时较长；夏季6—8月平均温度也在30 ℃左右，最高温度可达40 ℃;部分地区经常为大风天气，如著名的“百里风区”和“三十里风区”。在高沥青混凝土心墙坝建设时，有时为保证坝体来年度汛安全、大坝工期等要求，心墙需要在低温、大风等恶劣环境下施工，或者在高温环境下连续施工。而沥青混凝土心墙的施工方法一般为热施工，低温、高温、大风环境等不满足规范规定的施工环境条件，容易带来施工质量问题。包括：(1)低温环境下散热速度快，进行上层沥青混合料摊铺时，基层沥青混凝土表面温度很容易低于70℃,现场采用保温或升温措施的效果通常也不理想。(2)高温环境下沥青混凝土降温缓慢，底层沥青混凝土表面温度降到90℃以下的等待时间较长，第二、第三层在温度较高的软沥青混凝土面上进行连续铺筑时，会降低压实效果。(3)大风有显著的降温作用，严重影响沥青混合料入仓后温度均匀性；大风导致运输过程沥青混合料温度散失快，入仓后几乎没有排气时间，导致碾压后气孔增多，影响施工质量；大风环境下，沥青混合料表面降温速度过快，容易在其表面形成一个硬壳层，既影响当前层的碾压，也影响与基层沥青混凝土的结合，形成薄弱面影响防渗安全；大风环境也容易导致心墙作业面受扬尘污染，影响施工进度和碾压质量。
因此，结合工程实践，重点开展了低温、高温和大风环境下沥青混凝土性能研究，在此基础上对相应恶劣环境下沥青混凝土心墙坝施工工艺开展了研究。
4.1 低温环境下沥青混凝土结合层面性能研究
为研究温度对浇筑沥青混凝土碾压结合层面质量的影响，进行不同基层温度、不同上层沥青混合料温度下沥青混凝土的浇筑，对结合面沥青混凝土试件开展劈裂试验、抗剪断试验、小梁弯曲试验和拉伸试验。浇筑沥青混凝土的温度条件包括：(1)基层温度分别为-25 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃,上层沥青混合料以160 ℃浇筑；(2)基层温度为50 ℃和70 ℃,上层沥青混合料以120 ℃、140 ℃和160 ℃浇筑。
不同基层温度下，沥青混凝土结合面的力学性能测试结果如图9和图10所示，随基层温度的升高，结合层面的劈裂抗拉强度、抗剪断强度、抗弯强度以及抗拉强度均增大，且对应的最大试验位移也有一定程度增大。基层温度达到30 ℃时，破坏型式由脆性破坏转变为延性破坏。基层温度达到50 ℃以后，继续增大基层温度时，结合面沥青混凝土试件强度和位移增长速率很慢，趋于平稳。两种基层温度(50 ℃和70 ℃)下，上层沥青混合料温度对碾压结合层面的质量影响规律如图11和图12所示，上层沥青混合料温度对结合层面的力学性能影响较大，当基层温度为50 ℃和70 ℃时，随上层沥青混合料温度的下降，结合层面的劈裂抗拉强度、抗剪断强度、抗弯强度以及抗拉强度均呈现出不同程度的下降，说明上层沥青混合料温度较低时，相应的试件结合质量较差，抗变形能力较弱。
图9 不同温度下劈裂抗拉(剪断)强度分布规律
图10 不同基层温度下抗弯(拉)强度分布规律
图11 上层沥青混合料温度与劈裂抗拉(剪断)强度的关系
图12 上层沥青混合料温度与抗弯(拉)强度的关系
分析不同基层温度、不同上层沥青混合料温度下沥青混凝土的浇筑试件试验结果表明，基层沥青混凝土温度达到30～50 ℃时，上层沥青混合料对基层沥青混凝土升温效果显著，且防渗性能满足规范要求，当基层温度达到50 ℃时，继续升高基层温度对结合面试件性能的改善并不明显。因此，将结合层面温度由规范的70 ℃降至50 ℃,仍可以保证碾压层面的质量，这为低温环境下有效加快碾压沥青混凝土心墙的施工进度及进行质量控制提供了依据。
4.2 高温环境下沥青混凝土性能研究
研究内容如下：通过室内击实试验、现场碾压试验研究高温环境下基层温度对沥青混凝土侧胀变形的影响；通过室内和现场碾压沥青混凝土试件密度、孔隙率和单轴压缩试验，研究基层温度对上层和基层沥青混凝土压实质量和力学性能的影响；通过碾压结合层面试件的密度、小梁弯曲、拉伸和渗透试验，研究基层温度对碾压结合层面压实质量和力学性能的影响。
4.2.1 基层温度对心墙侧胀变形的影响
图13给出了不同基层温度的沥青混凝土心墙基层相对侧胀量，随基层温度的提高，侧胀量随结合面温度的升高而增大，基层温度由90 ℃增大到100 ℃时，相对侧胀量增大速率很大，相对侧胀量较90 ℃时高了4.8%,基层温度为110 ℃时相对侧胀量更大，较90 ℃时高了近8%。基层温度在100 ℃时的相对侧胀量未超过5%。
图13 相对侧胀量与基层温度关系
4.2.2 心墙侧胀变形对结合区孔隙率的影响
在沥青混凝土心墙碾压结合区(结合面上下各取20 mm高)进行孔隙率的测定，分别测定沥青混凝土上层(CT-1)、结合面(CT-2)、基层(CT-3)心墙两侧侧胀区(CT-4)的孔隙率，各测点孔隙率随基层温度的变化规律如图14所示。
图14 基层温度对沥青混凝土孔隙率的影响
由图14可见，随基层温度的升高，上层和基层沥青混凝土孔隙率变化不大，碾压结合区和侧胀部位沥青混凝土孔隙率均有所增加。当基层温度由90 ℃升高到100 ℃时，上层和基层沥青混凝土孔隙率仅分别增大0.16%和0.13,结合面(CT-2)和心墙两侧侧胀区(CT-4)的孔隙率分别增大0.53%和0.98,均满足规范规定孔隙率不大于3%的要求。当基层温度继续升高到110 ℃时：上层和基层沥青混凝土孔隙率较100 ℃时变化很小，孔隙率分别为1.59%和1.76%,仍然满足规范不大于3%的要求；结合面(CT-2)和心墙两侧侧胀区(CT-4)的孔隙率较100 ℃时分别增大1.01%和0.65%,达到了3.42%和3.22%,超出了规范规定孔隙率不大于3%的要求。如图15所示渗透试验表明，渗透系数随孔隙率增大呈幂函数形式增大，当孔隙率小于3%时，沥青混凝土渗透系数基本处于10-8 cm/s左右，满足规范碾压式沥青混凝土心墙沥青混凝土渗透系数应不大于1×10-8 cm/s的要求。
图15 沥青混凝土渗透系数与孔隙率的关系
4.2.3 基层温度对沥青混凝土力学性能的影响
图16给出了室内击实和现场碾压沥青混凝土单轴试验最大抗压强度和受压变形模量随基层温度的变化关系，图17给出了碾压结合面抗弯/拉强度随基层温度的变化关系。由图16可见，随基层温度的升高，击实成型的上层沥青混凝土的最大抗压强度和受压变形模量减小，当基层温度由90 ℃时升高到100 ℃时，最大抗压强度和受压变形模量分别降低4.8%和5.9%,基层温度升高到110 ℃时，相应值较90 ℃时分别降低14.8%和21.7%,降幅很大。对于现场碾压沥青混凝土试件，基层温度由90 ℃时升高到110 ℃时，上层和基层沥青混凝土的抗压强度和受压变形模量均变化不大。由图17可见，随基层温度的升高，沥青混凝土碾压结合面抗弯和抗拉强度均呈现下降的趋势，基层温度由90 ℃升高到100 ℃时，抗弯和抗拉强度下降不到10%,基层温度继续升高到110 ℃时，相应值较90 ℃时下降50%左右。
图16 沥青混凝土最大抗压强度和受压变形模量随基层温度的变化
图17 碾压结合面抗弯/拉强度随基层温度的变化
检测不同基层温度下沥青混凝土试件的孔隙率可知，当基层温度从90 ℃升高到100 ℃时，室内击实沥青混凝土试件孔隙率从1.04%增大到2.88%,满足规范规定的孔隙率不大于3%的要求，当基层温度继续升高到110 ℃时，孔隙率增大到3.85%,超出了规范的要求。现场碾压沥青混凝土试件孔隙率检测结果表明，基层温度对上层和基层沥青混凝土的孔隙率影响较小。
试验研究表明，将基层温度上限由规范中的90 ℃提高至100 ℃,结合区孔隙率和渗透系数满足规范要求，且沥青混凝土压实性、结合面的力学性能和防渗性能良好。基层温度上限提高到100 ℃,每层可减少施工等待时间2 h左右，为保证高温季节沥青心墙的连续施工，加快施工进度提供了依据。
4.3 大风环境下沥青混凝土心墙施工防风技术研究
针对大风环境下沥青混凝土心墙坝施工难题，提出了一种可有效降低风速从而降低热量散失速率的防风减风结构(见图18),这种防风结构的效果主要受高差和设置距离的影响。结合“百里风区”大河沿水库进行了防风结构的现场试验，在坝前上风侧选择合适的位置装配自动气象站，每10 min记录一次气象资料，心墙处和迎风侧坝壳料顶部设置风速仪，主要观测大坝施工区的风场情况。
图18 坝体防风结构填筑简图
不同防风结构下各测点风速结果如表3所列。由表3可以看出，三种防风结构均能有效地降低心墙施工区的风速。相同设置距离，高差越大，防风减风效果越好；相同高差时，设置距离越小，防风效果越好。进一步对防风结构设计参数进行优化分析，在8级风(≤20.7 m/s)下，对防风结构设置距离取5.0 m、7.5 m、10.0 m、12.5 m、15.0 m进行有限元分析，分析可知设置距离x与最小高差y的关系为y=0.624x+3.16。综合考虑坝体结构安全、施工条件以及场地布置等因素，建议施工时将防风结构设置距离控制在10 m, 高差控制在9.4 m, 即可满足8级风力下的防风需要。
5 典型工程应用情况
研究建立的新疆高沥青混凝土心墙坝建设关键技术已在新疆诸多典型工程中得到应用，应用情况如表4所列。
6 结 论
(1)天然砾石作骨料时，采用合适的填料能满足规范要求的沥青混凝土黏附性不小于4级、水稳定系数不小于0.9的要求，揭示了天然砂砾料可用作沥青混凝土骨料的机理，提出了天然砾石骨料沥青混凝土配制方法和描述天然砾石骨料沥青混凝土心墙材料特性的改进本构模式，拓宽了沥青混凝土骨料选用范围，为将广泛分布于新疆地区的砂砾料用于高沥青混凝土心墙坝建设提供了理论和和技术依据。
(2)对沥青混凝土心墙与坝基防渗之间有、无廊道的两种连接方式的计算分析表明，不设廊道时基座最大拉压应力较设廊道时明显降低，不设廊道能显著改善沥青混凝土心墙基座的受力状态。论述了现场试验-物理模拟-数值模拟相结合、局部稳定性评价和整体抗震安全评价相结合的抗震安全评价方法。为100 m级高沥青混凝土心墙坝心墙不设廊道的结构设计和抗震设计提供了依据。
(3)基于低温、高温和大风环境条件下沥青混凝土性能研究，提出将低温施工条件下基层温度的下限值由规范规定的70℃降低到50 ℃、高温下连续施工时基层温度的上限值由规范规定的90 ℃提高到100 ℃,仍可保证心墙碾压质量，并提出了适用于大风环境施工的防风新技术。
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
