新疆严寒地区沥青面板坝应用技术支撑与展望

李 江，夏世法，汪正兴，李秀琳

(1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆寒旱区水资源与生态水利工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国水利水电科学研究院材料研究所，北京 100038)

1 概述

新疆地区土石坝防渗型式从材料角度来看主要有4种：①土工膜防渗(坝体内直心墙、坝面防渗)，在低坝上(坝高≤30m)应用较为广泛。②黏土防渗体(直心墙、斜心墙)，如大西沟水库、白杨河水库等；③混凝土防渗体(钢筋混凝土面板、坝内混凝土防渗墙)，通常面板堆石坝/砂砾石坝都在钢筋混凝土面板坝内采用混凝土防渗墙的一般用于水库除险加固；④沥青防渗体(直心墙、面板防渗)，采用直心墙的有伯斯阿木水库、奴尔水库，而面板防渗尚未有建成实例。

当前新疆坝工在坝型选择方面出现了一些新特点，如黏土防渗体受黏土来源限制，应用实例越来越少。尽管土工膜防渗施工简单且造价低廉，在平原水库、调蓄水池建设上得到大量应用，但也存在焊缝易开裂、膜体局部撕裂、整体滑脱(奎屯水库、乌什县中卫调节池)等问题。钢筋混凝土面板在施工期受严寒区气候条件影响控制裂缝难度较大，在蓄水过程中坝体沉降可能导致面板挤压破坏，通常需要经过大修后才能控制水库的渗漏量；在运行期，由于气候条件恶劣，混凝土面板更容易出现碳化、钢筋锈蚀、冻融剥蚀等影响耐久性的病害；冬季水库结冰，混凝土面板表层止水受冰拔、冰推影响容易失效，导致整体防渗效果不佳，需要定期对表层止水和破坏面板进行修补，耗资耗时较大。

沥青混凝土心墙自20世纪90年代以来在新疆地区发展迅速，仅2012年建设的27座定居兴牧水源工程中就有15座沥青心墙坝，坝高从30～69m不等。截至2020年，全疆(含兵团)已建、在建浇筑式沥青心墙坝及碾压式沥青心墙坝70座，均为坝内直心墙布置形式。坝高超过百米的达11座，其中典型的完建工程有石门水电站(坝高106m)、阿拉沟水库(坝高105.5m)、五一水库(坝高102.5m)，建设中的有大石门水利枢纽(坝高128.8m)[1]。新疆在沥青选材方面开展了水工沥青、道路沥青的比选，研究发现道路沥青来源广泛，性能基本接近水工沥青；在沥青心墙配合比研究方面创新突破了砾石骨料的应用，扩展了材料的选择范围；在沥青心墙筑坝技术与工艺等方面开展了高温季节(40℃)、低温℃季节(-25℃)、大风环境(8级)的施工技术创新，进行了大量有益的探索与实践，积累了丰富的建设经验[2]。

沥青心墙坝对地形地质条件的适应较好，适应坝体和基础变形能力强，防渗性能好，可以充分利用当地材料，是高地震区首选坝型。鉴于新疆地区坝基覆盖层普遍较深，虽然施工期采取了一定的应对措施，但蓄水及运行后坝体不均匀沉降普遍存在，导致心墙在坝肩及底座部位应力复杂，容易出现渗漏问题。由于沥青心墙位于坝体内部，漏水后很难确定渗漏位置，维修费用高且效果不佳，给坝体运行带来安全隐患，成为制约沥青心墙应用不可忽视的因素，有必要探索新的防渗型式。

沥青混凝土面板具有良好的防渗性能，适应基础变形和抗低温开裂能力优异，自身不设结构接缝，机械化施工速度快，环保无毒，耐久性更优。同时，沥青混凝土面板位于坝体表面，局部出现缺陷后易于检修。已在国内外抽蓄电站水库防渗得到成功应用。同时疆内通过沥青心墙坝的建设实践也积累了丰富的沥青混凝土科研、技术、施工经验，这些都为新疆严寒地区采用沥青面板作为大坝防渗体选择提供了大量技术支撑。

2 沥青面板防渗体在国内外大坝应用

2.1 国外应用情况

国外将沥青混凝土面板用于大坝水库防渗始于20世纪30年代，且发展迅速，20世纪70年代开始进入应用高峰期。第16届国际大坝会议还将沥青混凝土防渗坝列入了未来高坝的适宜坝型之一。据不完全统计，目前全世界建成的采用沥青混凝土面板防渗的土石坝已有400余座。如1937年建成的阿尔及利亚埃尔·格力布大坝为第一座沥青面板坝(坝高56m)；最高的沥青面板坝为奥地利的Oschenik(坝高106m)；德国的盖斯特(Geeste)水库为防渗面积最大的沥青面板工程，防渗面积达184万m2[3]。

沥青面板具有的防渗性能优异、适应较差的地形条件和较大的水位变幅特点，使其在国外抽水蓄能电站水库防渗得到了广泛应用。据初步统计，国外采用沥青混凝土面板防渗的抽水蓄能电站上水库超过80座，如德国的瓦尔杰克和高迪斯塞尔(全库盆防渗面积95.8万m2)，美国的路丁顿(上库防渗面积27万m2)，英国的台劳奇·黑尔，比利时的库-特罗-波恩斯，法国的格兰德·麦宗，捷克斯洛伐克的坝尔尼-伐格、奥地利的黑福努，日本的萨比加瓦电站等[3]。

2.2 国内应用情况

我国在20世纪70年代开始沥青混凝土面板的研究与应用，至90年代初修建了大量沥青混凝土面板堆石坝，见表1。由于早期国产沥青品质较差，施工设备落后，沥青混凝土配合比和施工质量控制关键技术研究不足，致使不少沥青混凝土面板出现了高温流淌、低温开裂、接头脱开等严重问题。有些水库渗漏严重，影响了效益发挥，还引起了业界对沥青混凝土面板防渗型式的质疑，推广应用受到限制。部分工程不得不将沥青面板拆除，改用其他防渗形式，如浙江牛头山水库大坝和湖北车坝河水库大坝[4]。

表1 1970—1990年我国修建沥青混凝土面板堆石坝统计表

1995—2006年，随着抽水蓄能电站建设的开展，国内开始引进国外水工沥青及施工技术。如浙江天荒坪、河北张河湾、山西西龙池抽蓄电站沥青面板的建设，由国外施工企业承包或中外合作承建完成，施工关键技术由国外企业主导。此阶段，国内的设计、科研单位也开始系统开展沥青混凝土面板原材料检测、配合比设计、施工设备研制及质量控制技术的研究与应用工作，沥青混凝土面板技术逐渐成熟。2006年河南宝泉抽水蓄能电站上库沥青面板工程成为第一个由中国国内企业自行设计、施工的大型沥青防渗面板工程，宝泉上库沥青混凝土面板坡比1∶1.7，其坡度之陡居世界上沥青面板前15%，2009年蓄水发电，运行十多年后最大渗漏量只有3.3L/s，效果良好[5-6]。2013年完成的内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板要求-45℃不开裂，通过改性沥青技术和严寒区施工质量控制技术的应用，运行至今最大渗漏量只有4.3L/s，标志着我国在沥青混凝土面板低温抗裂技术方面走到世界前列[7]。沥青混凝土面板和刚性建筑物连接的滑动式接头也在山西西龙池、河南宝泉和内蒙古呼和浩特等抽水蓄能电站工程中得到了成功的应用。至此，困扰沥青混凝土面板质量的三大技术难题(高温流淌、低温开裂、接头脱开)都得到了解决。此阶段建设的沥青面板防渗坝见表2。

表2 1990—2013年我国修建沥青混凝土面板防渗坝统计表

随着沥青混凝土面板技术的成熟，2010年后沥青混凝土面板防渗体系已得到国内工程界的普遍认可，越来越多的抽蓄电站水库开始采用沥青面板防渗。目前正在建设中的抽蓄电站沥青混凝土面板防渗工程有山东沂蒙、潍坊，江苏句容，陕西镇安，内蒙古芝瑞、乌海，河北易县，山西浑源、垣曲，辽宁庄河，甘肃玉门等。随着我国“碳达峰”“碳中和”目标的提出，我国在“十四五”至“十六五”期间又规划了大量的抽水蓄能电站，可以预见，沥青混凝土面板在我国抽蓄电站的应用具有广阔的市场前景。

综上所述，国内沥青混凝土面板目前主要应用于抽水蓄能电站上水库防渗，而作为常规大坝水库的面板防渗已30多年未有应用案例，主要是受国内早期一些失败的沥青面板坝工程的影响。新疆地处严寒地区，气候条件严酷，建坝条件较差，沥青混凝土面板本身优异性能对解决本地区大坝土工膜、钢筋混凝土面板，沥青心墙等防渗体系面临的问题具有重要的现实意义。沥青混凝土面板原材料检验、配合比、拌合、施工设备及质量控制技术的日益完善为在新疆地区采用沥青面板作为防渗体创造了有利的条件。

3 新疆严寒区应用沥青面板的技术支撑

3.1 沥青面板防渗体的优势

与钢筋混凝土面板和沥青心墙防渗形式相比，在新疆严寒地区，沥青混凝土面板具有以下优势：

(1)适应变形。新疆地区众多工程存在深厚覆盖层、湿陷性黄土、挖填结合处不均匀沉降变形等问题，对防渗体系抗变形能力要求高。面板在坝体不均匀沉降较大时河床部位容易出现挤压破坏，而坝顶及周边面板容易出现受拉破坏；沥青心墙在基座及坝肩部位容易出现受剪漏水现象。沥青混凝土面板防渗体可较好解决这些问题，普通沥青混凝土的弯曲应变可以达到2%～3%之间，改性沥青沥青混凝土弯曲应变可达4%～7%，适应变形能力更强。柔性试验表明：常温条件下，沥青混凝土面板挠曲变形达到挠跨比10%时仍能保证防渗性能，即使坝体出现不均匀沉降也不会产生挤压破坏和受拉破坏。在沥青面板与岸坡、防渗墙等刚性建筑物连接时，采用滑动式接头，可适应接头处较大的变形而不漏水。在抵抗变形方面，沥青面板整体上要大大优于钢筋混凝土面板和沥青心墙防渗体系。

(2)抗冻、抗冰及抗低温。新疆严寒区由于寒潮、低温、冰拔冰推等问题导致钢筋混凝土面板极易出现裂缝、表层止水破坏失效等病害问题，修补完几年后同样的问题又会出现，整个施工期及运行期维修费用较大。而沥青混凝土由于孔隙率小(防渗层孔隙率控制在3%以下)，水难以进入，因此不存在混凝土工程中常见的冻胀、冻融破坏。由于沥青的憎水性，也不会产生冰拔破坏等问题，这些在抽水蓄能电站的运行过程中得到了充分验证。沥青混凝土的粘弹性特性，使得其具有较强的松弛能力，可以部分消除寒潮及低温引起的温度应力，在施工期和运行期不会产生温度裂缝。普通沥青混凝土就可以做到极端最低气温-30℃下不出现低温开裂，通过开发改性沥青及优化配合比，还可以进一步拓展低温应用的范围。如山西西龙池抽水蓄能电站上库采用的改性沥青混凝土可以达到-35℃不开裂[8]；呼蓄上库实际冻断温度达到-45℃不开裂[9-10]。针对内蒙古芝瑞及山西浑源抽水蓄能电站，开发了专用的改性沥青，在室内试验阶段，冻断温度可达-50℃以下。研究表明沥青面板可以保证整个防渗体系在-50℃低温条件下不开裂，也不会出现由冻融造成的剥蚀破坏和冰拔、冰推等病害问题，比较适宜用作新疆严寒区水库面板防渗。

(3)施工速度快。沥青面板施工在整个大坝填筑完成且沉降基本完成后进行，施工时采用专门设备，施工工艺成熟。据统计，沥青混凝土面板施工速度约为钢筋混凝土面板的2倍，这对于可施工期短(每年4月初至10月底)的新疆地区具有一定的优势。

(4)长期耐久性。在新疆严酷气候条件下，钢筋混凝土面板混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融剥蚀等老化病害严重，且防护难度大，防护费用高，而沥青混凝土面板自身耐久性良好。沥青混凝土面板的耐久性可以分为水上部分和水下部分，水上部分的工况为在日照、温度作用下的老化；水下部分的工况为水长期浸泡下的水稳定性。国内外研究成果表明：沥青混凝土面板在运行20～30年后，面板表层的2mm封闭层会出现严重的老化、脱落，但对于防渗层，其老化深度只有5～8mm(防渗层厚度10cm)。如法国trapan沥青混凝土坝，运行11年后进行检测，防渗层表层0～5mm、5～10mm、防渗层中部针入度分别由66下降到29、46、45。如考虑施工过程中的老化效应，则防渗层5～10mm深度和中部的沥青性质几乎没有变化，仅在表层部位(0～5mm)有微小的变化。日本沼原抽水蓄能电站上水库采用沥青混凝土面板防渗，坝高38m，防渗面积19.7万m2，1973年投入使用。运行30年后面板取芯检测(厚度40mm，分成3段)表明：面板沿厚度方向呈现上段>中段≈下段的老化程度，同时表面封闭层未剥落的芯样上部沥青针入度约为下部的90%，说明封闭层可以延缓防渗层沥青混凝土的老化。天荒坪抽水蓄能电站沥青面板在运行18年后，取芯检测表明沥青混凝土在表面1cm以下部分几乎没有老化[11]。

(5)易于检查和维修。沥青混凝土面板位于坝体表面，即使局部出现缺陷，也容易检测发现并且易于维修。从天荒坪、呼蓄、西龙池等沥青面板工程来看，在施工期或蓄水后出现的局部少量裂缝修复工艺简单，且修复后效果良好[12-15]。这一特点克服了沥青心墙渗漏后检测困难，维修难度大的难点。

3.2 沥青面板材料的环保性能

沥青按产品来源不同，可分为石油沥青和煤沥青2种。研究表明，石油沥青不会对水质造成污染。但煤沥青因游离碳含量偏高，在大气中不够稳定，同时含有酚、苯等少量有毒物质，在水利工程中严禁使用[16]。

据国际大坝委员会统计(1997年)，已建的298座沥青混凝土面板坝，其中有1/3用于农业灌溉和城市供水，至今为止尚没有发现水质有污染的迹象。西班牙修建的9座沥青混凝土面板堆石坝(5座是供水工程)，美国加州修建的饮用水水库至今已40多年都没有出现由于沥青混凝土而引起的水质污染问题。德国工程部门针对沥青是否导致水质污染的一系列试验也表明对人体健康无害。据德国斯特拉堡公司统计资料：自1950年以来与引水工程相关的工程项目有22座沥青混凝土面板坝、2座沥青混凝土全池防渗的水库，都无一出现由于沥青防渗面板引发的水质和污染问题。我国修建的20余座沥青混凝土防渗水库也同样如此[17-20]。

3.3 沥青面板对坝体的要求

沥青混凝土面板对坝体上游边坡的要求一般不陡于1∶1.7，缓于钢筋混凝土面板边坡，但可以比土工膜、沥青心墙、黏土心墙防渗体坝体上游边坡陡。因为优异的变形性能，沥青混凝土面板对坝体不均匀沉降变形的要求较钢筋混凝土面板低。

沥青防渗面板和坝体之间应设置垫层，垫层材料采用碎石或卵石，垫层的作用是工作面整平、支撑、排水、防冻胀和粒径过渡等。同时垫层可以协调坝体或基础变形，降低坝体或基础不均匀沉降对沥青混凝土面板的影响。沥青混凝土面板垫层有一些特殊要求与钢筋混凝土面板不同，对于中等高度的坝，碎石或卵石垫层垂直坡面的厚度应不小于50cm，对于重要的工程和高坝，垫层应适当加厚。在垫层表面应喷洒一层乳化沥青或稀释沥青，喷洒量宜控制在0.5～2kg/m2，目的是对垫层料表面进行胶结，便于后续沥青面板的机械化施工。

垫层料应质地坚硬、级配良好，便于压实和利于排水。参考SL 228—2013《混凝土面板堆石坝设计规范》对垫层料的最大粒径要求，沥青面板垫层最大粒径Dmax≤80mm，对粒径D<5mm和D<0.075mm的细粒含量也作出了规定，以保证垫层的排水效果。当采用碎石垫层作为下卧层时，应从变形和受力方面提高垫层模量，以减小面板的变形。碎石垫层压实后垫层模量宜控制在40～120MPa，如天荒坪规定为60MPa、张河湾要求不小于45MPa、呼蓄工程库底要求大于60MPa、斜坡要求大于40MPa。

3.4 沥青面板施工技术支撑

水工沥青混凝土面板的施工技术和沥青混凝土心墙相比，更为复杂。沥青面板施工难点主要在斜坡施工上，需要斜坡专用施工设备，由施工台车、斜坡喂料车、摊铺机、牵引车、振动碾等配套协同完成作业，如图1所示。斜坡施工工序：首先由运料自卸车将混合料卸入主牵引台车的吊斗，由主卷扬台车将料斗从轨道提升至喂料车上方，将混合料卸入喂料车，再由喂料车运送至摊铺机料斗，摊铺机在台车的牵引下在斜坡上完成沥青混合料的摊铺作业，最后由台车牵引振动碾在适宜的温度条件下完成沥青混合料的碾压作业。

图1 碾压式沥青混凝土面板施工工法示意图

相邻施工条幅之间的接缝，特别是冷接缝(温度在90℃以下)的处理极为关键，在施工前需要先将冷缝的温度加热至100～130℃，并保证加热深度在7cm以上。施工时还应注意严格控制温度和加热时间，防止因沥青混凝土温度过高而造成老化。完成冷缝加热后再摊铺相邻条幅并碾压，对接缝两边进行骑缝压实[19]。

按照设计的结构层完成摊铺、碾压施工，依次为整平胶结层、防渗层沥青混凝土，最后进行封闭层的刮涂。封闭层的涂刷也需要专用的刮涂机，由台车牵引完成刮涂作业，刮涂厚度控制在2mm左右。

3.5 沥青面板投资对比

从近年来已完工的沥青混凝土面板工程综合造价来看，沥青混凝土面板工程综合造价约580～980元/m2，比传统的防渗型式单价高。各个沥青面板工程综合单价与采用的沥青材料、沥青面板结构型式(简式或复式结构)、当地气候条件、斜坡施工占的比重等有关。根据统计，张河湾与西龙池采用沥青面板、宜兴上库采用钢筋混凝土面板，根据设计分析，沥青混凝土面板单位面积投资与钢筋混凝土面板基本接近。类比多数工程，单从坝面防渗角度，沥青混凝土面板投资比钢筋混凝土略高5%～10%，但如果考虑钢筋混凝土面板涂刷防护涂层及后期面板维修等因素，采用沥青面板防渗长期耐久性更优，有的工程投资甚至更省[20]。

另外，采用沥青混凝土面板防渗型式，施工完毕后可以做到“一劳永逸”，基本不需要放空水库维修。呼蓄上库比较方案表明，综合考虑运维节省的维修费用、减少的渗漏水量、维修放空时的发电损失等因素，采用沥青面板方案在运行期可节省费用约500万元/年。

4 典型案例应用分析

4.1 工程概况

喀腊也水库位于新疆塔城地区，工程属Ⅲ等中型，挡水建筑物为沥青混凝土面板坝，由三面围筑而成，坝长2314m，最大坝高50m。坝址所处山区年平均气温小于5.5℃，属于严寒地区，历史最高气温38℃，最低气温-37℃，最大冻土深度140cm，年降水量500～700mm，蒸发量(20cm口径)1756.4mm，降雨时间主要集中在每年的4—7月。坝址区多年平均最大风速14.1m/s，工程区地震设防烈度为Ⅶ度[21-22]。

4.2 坝体防渗型式比选

喀腊也库大坝河道附近有丰富的砂砾石，没有黏土料，坝体总填筑方量500万m3左右，首选当地材料砂砾石填筑。因土工膜防渗在新疆尚缺乏50m坝高的应用经验，不纳入比选。从防渗型式角度可以考虑钢筋混凝土面板、碾压式沥青直心墙、碾压式沥青面板3种形式，3种型式在新疆有广泛应用，沥青面板防渗尚属首次。坝体结构设计与防渗型式相关，上下游坝坡有所不同，坝基处理与选择的防渗体有关，与库盘连接型式各坝型基本相同[21-22]，3种方案特性比较见表3。

表3 不同防渗体大坝特性比较

上述3种坝型都有建坝条件，混凝土面板砂砾石坝整体稳定性较高，防渗面板若出现一些裂缝和渗漏，后期检修及维护较为便利，但需要考虑混凝土面板抗冻设计、面板分缝多，周边缝止水容易损坏，基础处理工程量大、综合考虑防护材料、保温材料等其投资甚至超过沥青面板方案；沥青混凝土心墙砂砾石坝虽与基础防渗墙衔接较好，受环境影响小，但坝段较长，若出现裂缝和渗漏，不便于检查和维修；沥青混凝土面板砂砾石坝基础开挖较少，面板不设分缝，防渗效果较好，易检修，具有适应变形能力强、技术可靠、施工简单等优点。综合以上各方面分析、比较，推荐沥青面板砂砾石坝为设计坝型。作为新疆第一座采用沥青面板防渗的水库大坝，该工程已经开工建设，预计2025年建成投入使用，为其他类似工程起到引领和示范作用。

5 结论及展望

(1)近15年以来，通过国内相关科研、设计单位的技术攻关，攻克了影响沥青混凝土质量的三大难点问题：高温流淌，低温开裂和接头脱开。同时，施工设备、施工质量控制技术也达到了国际先进水平，由国内企业自行设计、自主施工的宝泉、呼蓄抽水蓄能电站上水库沥青面板工程运行多年后效果良好。表明我国的沥青混凝土面板技术已经成熟，具备大规模推广应用的条件。

(2)同传统的防渗形式相比(土工膜、钢筋混凝土面板、沥青心墙)，沥青混凝土面板在适应坝体变形，低温抗裂、抗冻、抗冰，施工速度及易于检查维修方面整体上更优，更加适合新疆严寒区气候条件严酷、坝基覆盖层深厚、可施工期短等特点。虽然工程造价略高，但在可以接受的范围以内。

(3)从已建工程实践来看，运行20年后沥青面板表面2mm厚沥青玛蹄脂封闭层会出现脱落现象，但起关键作用的防渗层(一般10cm左右)老化深度只有0.8mm左右，表明沥青面板耐久性优异。国外的工程一般每8～10年进行一次封闭层的涂刷修复。我国天荒坪抽水蓄能电站上库的封闭层在运行20年后也进行了水上部分的涂刷修复[23]。沥青面板优异的耐久性对其在新疆严寒地区的推广使用是极其有利的。

(4)新疆是我国重要的原油生产基地，南北疆均有工业生产基地。北疆稠油主要产自准噶尔盆地的克拉玛依油田和春风油田，南疆稠油产自库拜盆地，这些油田出产的重质原油属于低硫环烷-中间基原油，密度大、蜡含量低、凝点低、酸值高，是优良的沥青生产原料。当前沥青材料在应用上已经形成了北疆以克拉玛依为主、南疆以库车为主，即“北克南库”的应用格局，新疆本地的沥青从质量和产量上都是有保证的，这对沥青面板在新疆的推广应用提供了原材料保证。

(5)新疆地区自20世纪80年代以来就开始沥青心墙坝的建设，在沥青心墙配合比研究、筑坝技术与工艺等方面进行了大量的探索和实践，积累了极为丰富的建设经验。沥青心墙的技术储备为推广使用沥青面板防渗坝提供了重要技术支撑。

(6)沥青面板在新疆地区具有广阔的应用前景，除用于抽水蓄能电站、常规水库新建土石坝上游防渗体外，还可用于老旧坝体的改造。新疆现有水库大坝656座，60%为平原水库，修建年代较早，普遍存在坝体渗漏等问题，采用沥青面板进行改造防护，具有技术可靠、施工简捷的特点，尤其适合严寒山区土石坝坝面防渗。