沥青混凝土面板防渗技术在呼蓄上库的应用

韩 瑞，夏世法，杨明成

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100000)

1 国内外沥青混凝土面板的应用现状

沥青混凝土面板具有良好的防渗能力、优异的适应基础变形和温度变形能力,自身不需设置结构接缝，施工速度快，且无毒、环保，耐久性优异，非常适宜用作大坝防渗体。国外将沥青混凝土面板用于大坝防渗开始于20世纪30年代，1988年第16届国际大坝会议将沥青混凝土防渗堆石坝列入了未来最高坝的适宜坝型。因为防渗性能优异且能较好适应较差的地形条件和较大的水位变幅，国外抽水蓄能电站上水库防渗大多采用沥青混凝土面板[1]，如瓦尔杰克(德国)、Goldisthal (德国)、斯澳卡(美国)、台劳奇·黑尔(英国)、库一特罗一波恩斯(比利时)、格兰德·麦宗(法国)、坝尔尼—伐格(捷克斯洛伐克)、黑福努(奥地利)、萨比加瓦电站(日本)。值得注意的是：西欧地区自1975年以来修建的抽水蓄能电站上水库都采用了沥青混凝土面板防渗[2]。中国于20世纪70年代开始堆石坝沥青混凝土面板防渗工程建设，截至90年代初期已经建成沥青混凝土面板坝26座，1990年以后沥青混凝土面板多用于抽水蓄能电站蓄水库防渗，如天荒坪、张河湾、宝泉上库工程及西龙池上、下库工程等。

据不完全统计，全世界已超过80座抽水蓄能电站采用沥青混凝土面板作为防渗体，主要分布在德国、瑞典、挪威、法国、美国、日本及中国。

沥青混凝土面板在中国的发展大体经历了自觉探索阶段、国内外合作阶段及自主创新阶段。目前仍属于第3阶段的起步应用阶段，应用率仍处较低水平。

2 呼蓄上库防渗形式比选与确定

2.1 钢筋混凝土面板与沥青混凝土面板的比较

(1) 防渗性能

寒冷地区年温差、日温差较大，寒潮频繁，再加上水库运行时频繁的水位涨落，因此对混凝土面板的防渗要求很高。钢筋混凝土面板本身的渗透系数为1.0×10-9cm/s，但面板间存在接缝止水，且面板本身在施工及运行过程中容易出现裂缝，一般要经过1～2次放空水库，对面板裂缝和止水大规模处理后才能满足钢筋混凝土面板综合渗透系数在1.0×10-7cm/s、日渗漏量不大于总库容1/2000的要求。如北京十三陵抽水蓄能电站上库经2次放空水库，对面板裂缝及接缝止水进行大规模处理后，渗漏量一般在10 L/s左右，最大渗漏量曾达16.7 L/s；江苏宜兴抽水蓄能电站上库在 2007 年 6 月开始蓄水后也放空水库进行了一次大修，至2009年5月份实测最大渗漏量约28.5 L/s。相比较在寒冷地区抽水蓄能电站上水库采用钢筋混凝土面板控制裂缝渗透的难度更大，接缝止水易被破坏，极易导致防渗效果不佳。

沥青混凝土渗透系数小于1.0×10-8cm/s，沥青混凝土面板可以做到“滴水不漏”。河北张河湾抽水蓄能电站上水库于2007年8月开始蓄水，2008年9月28日蓄到正常蓄水位810 m，截至2009年底，实测最大渗漏量7.34 L/s，出现在2008年12月19日，渗漏主要产生于进/出水口周边廊道(2.05 L/s)和外排廊道(5.29 L/s)，外排廊道渗流量主要为山体渗水，沥青混凝土面板渗漏量为0。山西西龙池抽水蓄能电站上水库于2007年4月开始蓄水，截至2009年底，实测最大渗流量出现在2008年12月15日，当时库水位为1 478.2 m(正常蓄水位为1 492.5 m)，库盆排水廊道渗流量为3.39 L/s，全部发生在进出水口，沥青混凝土面板渗漏量为0。

可见，沥青混凝土面板适应基础不均匀变形能力强，不存在结构缝之类的薄弱环节，自愈能力强，防渗性能好。沥青混凝土面板也可能产生裂缝，但维修简单，易于快速修补。钢筋混凝土面板则属刚性结构，变形模量大，适应地基不均匀变形能力差，结构缝多，被拉开后易形成渗漏通道。

在北方寒冷地区，因气温较低，如采用传统的钢筋混凝土面板防渗，一是施工期和运行期面板本身极易出现裂缝，二是面板的接缝止水在外界严酷环境下容易失效，导致防渗效果不佳，而沥青混凝土面板因为无接缝，并可有效抵抗低温裂缝，因此，近年来成为寒冷地区库盆防渗的首选。

(2) 施工速度

据统计，西龙池抽水蓄能电站上库沥青混凝土面板(简式结构)施工速度平均为2.9万m2/月，西龙池下库(简式结构但弧面多，影响施工速度)和张河湾抽水蓄能电站上库沥青混凝土面板(复式结构)施工速度平均为2.4万m2/月；全库盆采用钢筋混凝土面板防渗的十三陵抽水蓄能电站上库和宜兴抽水蓄能电站上库施工速度平均为1.3万m2/月。可见，沥青混凝土面板施工速度大约是钢筋混凝土面板的2倍。如考虑到钢筋混凝土面板防渗工程在蓄水后，一般需放空水库1～2次进行面板裂缝及接缝的大规模处理，而沥青混凝土面板在蓄水后基本不需要处理，即使处理，也只是针对进出水口，则沥青混凝土面板的施工速度更快。寒冷地区冬季停工，每年的可施工期短，面板施工速度对工期的影响较大，因此，沥青混凝土面板更具优势。

(3) 综合造价

据统计，张河湾、西龙池、宜兴抽水蓄能电站上库每平方米面板(包括垫层)的综合造价(为便于比较，将价格统一到2008年水平) 基本相当，说明钢筋混凝土面板单位面积投资和沥青混凝土面板单位面积投资相差并不明显。这与全库盆钢筋混凝土面板防渗工程中接缝长度长、止水结构复杂、防裂措施多有较大关系。

(4) 国内技术水平

钢筋混凝土面板的施工，中国已有成熟的施工技术。沥青混凝土面板的施工，中国经历了天荒坪、张河湾、西龙池抽水蓄能工程与国外公司的合作，通过国内科研和施工单位的努力，已具备自主设计、自主施工的能力。宝泉抽水蓄能工程是中国第1座完全由国内企业自行设计、自行施工的大型沥青混凝土面板工程，并且运行良好。但与传统的钢筋混凝土面板相比，掌握沥青混凝土面板施工技术的国内施工单位数量较少，竞争性不强。

2.2 呼蓄电站沥青混凝土面板方案的选择

根据以上分析，建设单位组织有关专家研究论证，最终决定委托呼和浩特抽水蓄能电站(简称：呼蓄)主体设计单位进行上水库库盆防渗形式的研究比选工作(原可研、初设阶段均为钢筋混凝土面板防渗形式)。主体工程招标后进行的全库盆防渗形式重大设计变更，为此设计单位从枢纽布置、工程量与投资、建筑材料、防渗材料对基础变形的适应性、防渗效果、施工条件、运行检修条件、施工技术可行性等十多个方面进行了大量设计技术研究工作，重点攻克了满足抗极端低温冻断(低于-45 ℃)要求的沥青混凝土材料关，并经过三峡集团总工程师张超然院士为首的内部专家组反复研究报原设计审批单位审查后，最终选择了沥青混凝土面板防渗方案。

3 呼蓄电站上库盆沥青混凝土防渗技术的应用情况

3.1 防渗结构形式

呼和浩特抽水蓄能电站上水库采用沥青混凝土面板防渗，防渗面积24.48万m2，其中库底防渗面积为10.11万m2，库岸防渗面积为14.37万m2。沥青混凝土面板采用简式结构，从内至外依次为整平胶结层、(加厚层)、防渗层、封闭层组成，库底与进出水口周边刚性构造物连接采用沥青砂浆柔性连接。其主要结构组成要求见表1。

表1 沥青混凝土面板结构组成要求表

说明：加厚层设在沥青混凝土面板与混凝土结构接缝的上部、斜坡与库底连接弧面处及库盆开挖回填分界等基础介质弹模差异较大部位。

3.2 面板各层主要技术要求

整平层、防渗层、封闭层的各项技术要求详见表2～4。

表2 整平胶结层技术要求表

表3 防渗层技术要求表

表4 改性沥青封闭层技术要求表

其中，防渗层沥青混凝土冻断温度低于-45 ℃，斜坡流淌值在1∶1.75坡小于0.8 mm，在中国同类电站中尚属首次。

3.3 施工配合比

通过设计院等多家科研院所的反复试验研究以及施工单位多次现场试验验证推敲，最终确定了各结构层沥青混凝土施工配合比，主要参数如下。

(1) 整平层：沥青含量4.2%，骨料最大粒径19 mm，矿粉用量为矿料总用量的6.5%，天然砂掺用量按与人工砂等比例控制，占矿料总量的10.7%。具体见表5。

(2) 防渗层：沥青含量7.3%，骨料最大粒径16 mm，矿粉用量为矿料总用量的11%，天然砂掺用量按占矿料总量的33%控制。具体见表6。

表6 防渗层施工配合比表

(3) 沥青砂浆：沥青含量12%、矿粉含量20%、骨料含量68%，骨料为经拌和站热筛后1号热料仓中天然砂与人工砂等比例混合的混合料。具体见表7。

表7 沥青砂浆施工配合比表

3.4 施工工艺参数

3.4.1 拌和工艺参数

工艺参数主要包括：原材料的温度、出机口温度、称量精度、拌和时间。具体控制参数见表8。

表8配料及拌和温度控制标准表

项 目防渗层和加厚层改性沥青混凝土整平胶结层普通沥青混凝土沥青(加热罐)160～180℃150～170℃骨料(烘干加热筒出口)180～200℃170～190℃混合料(出机口)160～180℃150～170℃

拌和楼所有称量设备都应进行校准、测试。测试的误差应在总的称量能力的0.2%以内。设备每月都应予以校验，以保证称量精度。

(1) 整平层沥青混合料拌和时间控制：将骨料和填料投入拌缸进行干拌用时15 s，湿拌用时45 s，卸料用时5 s，每盘总用时65 s；

(2) 防渗层沥青混合料拌和时间控制：将骨料和填料投入拌缸进行干拌用时15 s，湿拌用时70 s，卸料用时5 s，每盘总用时90 s。

3.4.2 摊铺主要施工参数

有关沥青混凝土各环节温度控制标准见表9，摊铺后碾压分初碾、复碾、终碾3道碾压程序，具体碾压参数见表10。

表9 沥青混凝土摊铺、碾压施工温度控制标准表

表10 沥青混凝土碾压参数表(振动碾：SW330)

有关设备选型和施工控制方面的详细内容未在此叙述，可参阅相关资料。

3.5 施工质量评价

呼蓄上水库全库盆沥青混凝土面板施工总历时12个月(含生产性试验所占时间、冬季歇工)，于2013年7月底具备蓄水条件。施工期，整平层取芯样232个，孔隙率为10.2%～14.8%，平均值13.2%；防渗层取芯212个，孔隙率为0.9%～3.0%，平均值2.1%；加厚层取芯28个，孔隙率为1.2%～2.8%，平均值2.0%。现场无损、真空度检测、渗透等试验结果表明，上水库沥青混凝土的孔隙率、密度、真空度指标、渗透系数、斜坡流淌值、水稳定系数、拉伸应变、弯曲应变等指标满足设计及规范要求，说明防渗面板施工所采取的摊铺方法及选用的配套碾压施工机具和施工控制参数满足了技术质量控制标准，防渗面板施工采取的施工接缝处理方法是有效和合适的。

3.6 运行初期监测评价

为监测沥青混凝土面板防渗、抗冻性能及蓄水后变形情况，在上水库沥青混凝土面板主要布置有5个监测断面，其中在库盆西南和东南库岸各布置1个监测断面，大坝布置有2个监测断面，北侧库岸布置有1个监测断面。监测结果分析汇总如下。

(1) 抗冻性能：经历了-27.7 ℃的低温考验，该温度虽高于极端最低温度-41.8 ℃，也高于设计要求温度(平均值<-45 ℃，个别值<-43 ℃)，但通过对监测数据分析，应用于呼蓄电站的改性沥青混凝土在抗冻性能方面表现出相当的优势。

(2) 沥青混凝土变形：经过外水荷载、严冬收缩、春暖膨胀等因素影响后，目前沥青混凝土最大挠曲变形值为74 mm，现场未发现沥青混凝土开裂现象，说明该沥青混凝土具有较强的延展性和拉伸性。

(3) 沥青混凝土温度：沥青混凝土具有较好的吸热作用，冬季向阳区沥青混凝土温度普遍高于背阳区沥青混凝土温度，两类区域沥青混凝土内部温度差异最大可达22.8 ℃。沥青混凝土摊铺后，除去摊铺时沥青混凝土本身拌制时的高温影响外，沥青混凝土温度范围值在-22.1～38.1 ℃之间，最低温度比西龙池抽水蓄能电站上水库2013年最低温度低9.5 ℃。

(4) 防渗性能：布设于库底廊道的量水堰监测数据显示，扣除外排廊道地下水影响，库盆内总渗漏量较蓄水前增加为3.29 L/s，该值小于中国类似沥青混凝土面板渗漏量。

综上，呼蓄电站上库全库盆沥青混凝土面板经历了明显低于中国其它沥青混凝土面板工程的环境温度考验后，其变形值与应变值均在较小范围内，其抗冻性能得到了较好的验证；与中国同期沥青混凝土面板渗漏量相比，呼蓄电站目前渗漏量仍处于较低水平。

4 结 语

通过近些年来天荒坪、张河湾、西龙池、宝泉、呼蓄等抽水蓄能电站的成功实践，特别是呼蓄电站施工期及运行期已经历了极端不利气候条件的考验，我们可以认为：中国已完全具备了水工沥青混凝土防渗系统的研发设计和施工能力，寒冷地区抽蓄电站库盆防渗形式完全可以向改性沥青混凝土面板继续探索实践。

参考文献:

[1] 邱彬如..抽水蓄能电站上水库库盆防渗形式比选——对沥青混凝土面板防渗的再认识[C]//抽水蓄能电站工程建设论文集.北京：中国电力出版社,2009.

[2] 张恒军,译.国外建设抽水蓄能电站的经验[J].山西水利科技,1995,(4):92-96.

[3] 肖贡元.宜兴抽水蓄能电站上水库设计的几项决策[C]//抽水蓄能电站工程建设文集—纪念抽水蓄能电站专业委员会成立十周年.北京：中国电力出版社，2006.

[4] 我国抽水蓄能电站建设现状与前景分析[OL].北极星智能电网在线，2012-6-26，11:57:48，http://www.chinasmartgrid.com.cn/news/20120626/369042.shtml.