韓 瑞，夏世法，楊明成

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100000)

1 國內(nèi)外瀝青混凝土面板的應(yīng)用現(xiàn)狀

瀝青混凝土面板具有良好的防滲能力、優(yōu)異的適應(yīng)基礎(chǔ)變形和溫度變形能力,自身不需設(shè)置結(jié)構(gòu)接縫，施工速度快，且無毒、環(huán)保，耐久性優(yōu)異，非常適宜用作大壩防滲體。國外將瀝青混凝土面板用于大壩防滲開始于20世紀(jì)30年代，1988年第16屆國際大壩會議將瀝青混凝土防滲堆石壩列入了未來最高壩的適宜壩型。因為防滲性能優(yōu)異且能較好適應(yīng)較差的地形條件和較大的水位變幅，國外抽水蓄能電站上水庫防滲大多采用瀝青混凝土面板[1]，如瓦爾杰克(德國)、Goldisthal (德國)、斯澳卡(美國)、臺勞奇·黑爾(英國)、庫一特羅一波恩斯(比利時)、格蘭德·麥宗(法國)、壩爾尼—伐格(捷克斯洛伐克)、黑福努(奧地利)、薩比加瓦電站(日本)。值得注意的是：西歐地區(qū)自1975年以來修建的抽水蓄能電站上水庫都采用了瀝青混凝土面板防滲[2]。中國于20世紀(jì)70年代開始堆石壩瀝青混凝土面板防滲工程建設(shè)，截至90年代初期已經(jīng)建成瀝青混凝土面板壩26座，1990年以后瀝青混凝土面板多用于抽水蓄能電站蓄水庫防滲，如天荒坪、張河灣、寶泉上庫工程及西龍池上、下庫工程等。

據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界已超過80座抽水蓄能電站采用瀝青混凝土面板作為防滲體，主要分布在德國、瑞典、挪威、法國、美國、日本及中國。

瀝青混凝土面板在中國的發(fā)展大體經(jīng)歷了自覺探索階段、國內(nèi)外合作階段及自主創(chuàng)新階段。目前仍屬于第3階段的起步應(yīng)用階段，應(yīng)用率仍處較低水平。

2 呼蓄上庫防滲形式比選與確定

2.1 鋼筋混凝土面板與瀝青混凝土面板的比較

(1) 防滲性能

寒冷地區(qū)年溫差、日溫差較大，寒潮頻繁，再加上水庫運行時頻繁的水位漲落，因此對混凝土面板的防滲要求很高。鋼筋混凝土面板本身的滲透系數(shù)為1.0×10-9cm/s，但面板間存在接縫止水，且面板本身在施工及運行過程中容易出現(xiàn)裂縫，一般要經(jīng)過1～2次放空水庫，對面板裂縫和止水大規(guī)模處理后才能滿足鋼筋混凝土面板綜合滲透系數(shù)在1.0×10-7cm/s、日滲漏量不大于總庫容1/2000的要求。如北京十三陵抽水蓄能電站上庫經(jīng)2次放空水庫，對面板裂縫及接縫止水進(jìn)行大規(guī)模處理后，滲漏量一般在10 L/s左右，最大滲漏量曾達(dá)16.7 L/s；江蘇宜興抽水蓄能電站上庫在 2007 年 6 月開始蓄水后也放空水庫進(jìn)行了一次大修，至2009年5月份實測最大滲漏量約28.5 L/s。相比較在寒冷地區(qū)抽水蓄能電站上水庫采用鋼筋混凝土面板控制裂縫滲透的難度更大，接縫止水易被破壞，極易導(dǎo)致防滲效果不佳。

瀝青混凝土滲透系數(shù)小于1.0×10-8cm/s，瀝青混凝土面板可以做到“滴水不漏”。河北張河灣抽水蓄能電站上水庫于2007年8月開始蓄水，2008年9月28日蓄到正常蓄水位810 m，截至2009年底，實測最大滲漏量7.34 L/s，出現(xiàn)在2008年12月19日，滲漏主要產(chǎn)生于進(jìn)/出水口周邊廊道(2.05 L/s)和外排廊道(5.29 L/s)，外排廊道滲流量主要為山體滲水，瀝青混凝土面板滲漏量為0。山西西龍池抽水蓄能電站上水庫于2007年4月開始蓄水，截至2009年底，實測最大滲流量出現(xiàn)在2008年12月15日，當(dāng)時庫水位為1 478.2 m(正常蓄水位為1 492.5 m)，庫盆排水廊道滲流量為3.39 L/s，全部發(fā)生在進(jìn)出水口，瀝青混凝土面板滲漏量為0。

可見，瀝青混凝土面板適應(yīng)基礎(chǔ)不均勻變形能力強，不存在結(jié)構(gòu)縫之類的薄弱環(huán)節(jié)，自愈能力強，防滲性能好。瀝青混凝土面板也可能產(chǎn)生裂縫，但維修簡單，易于快速修補。鋼筋混凝土面板則屬剛性結(jié)構(gòu)，變形模量大，適應(yīng)地基不均勻變形能力差，結(jié)構(gòu)縫多，被拉開后易形成滲漏通道。

在北方寒冷地區(qū)，因氣溫較低，如采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土面板防滲，一是施工期和運行期面板本身極易出現(xiàn)裂縫，二是面板的接縫止水在外界嚴(yán)酷環(huán)境下容易失效，導(dǎo)致防滲效果不佳，而瀝青混凝土面板因為無接縫，并可有效抵抗低溫裂縫，因此，近年來成為寒冷地區(qū)庫盆防滲的首選。

(2) 施工速度

據(jù)統(tǒng)計，西龍池抽水蓄能電站上庫瀝青混凝土面板(簡式結(jié)構(gòu))施工速度平均為2.9萬m2/月，西龍池下庫(簡式結(jié)構(gòu)但弧面多，影響施工速度)和張河灣抽水蓄能電站上庫瀝青混凝土面板(復(fù)式結(jié)構(gòu))施工速度平均為2.4萬m2/月；全庫盆采用鋼筋混凝土面板防滲的十三陵抽水蓄能電站上庫和宜興抽水蓄能電站上庫施工速度平均為1.3萬m2/月。可見，瀝青混凝土面板施工速度大約是鋼筋混凝土面板的2倍。如考慮到鋼筋混凝土面板防滲工程在蓄水后，一般需放空水庫1～2次進(jìn)行面板裂縫及接縫的大規(guī)模處理，而瀝青混凝土面板在蓄水后基本不需要處理，即使處理，也只是針對進(jìn)出水口，則瀝青混凝土面板的施工速度更快。寒冷地區(qū)冬季停工，每年的可施工期短，面板施工速度對工期的影響較大，因此，瀝青混凝土面板更具優(yōu)勢。

(3) 綜合造價

據(jù)統(tǒng)計，張河灣、西龍池、宜興抽水蓄能電站上庫每平方米面板(包括墊層)的綜合造價(為便于比較，將價格統(tǒng)一到2008年水平) 基本相當(dāng)，說明鋼筋混凝土面板單位面積投資和瀝青混凝土面板單位面積投資相差并不明顯。這與全庫盆鋼筋混凝土面板防滲工程中接縫長度長、止水結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防裂措施多有較大關(guān)系。

(4) 國內(nèi)技術(shù)水平

鋼筋混凝土面板的施工，中國已有成熟的施工技術(shù)。瀝青混凝土面板的施工，中國經(jīng)歷了天荒坪、張河灣、西龍池抽水蓄能工程與國外公司的合作，通過國內(nèi)科研和施工單位的努力，已具備自主設(shè)計、自主施工的能力。寶泉抽水蓄能工程是中國第1座完全由國內(nèi)企業(yè)自行設(shè)計、自行施工的大型瀝青混凝土面板工程，并且運行良好。但與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土面板相比，掌握瀝青混凝土面板施工技術(shù)的國內(nèi)施工單位數(shù)量較少，競爭性不強。

2.2 呼蓄電站瀝青混凝土面板方案的選擇

根據(jù)以上分析，建設(shè)單位組織有關(guān)專家研究論證，最終決定委托呼和浩特抽水蓄能電站(簡稱：呼蓄)主體設(shè)計單位進(jìn)行上水庫庫盆防滲形式的研究比選工作(原可研、初設(shè)階段均為鋼筋混凝土面板防滲形式)。主體工程招標(biāo)后進(jìn)行的全庫盆防滲形式重大設(shè)計變更，為此設(shè)計單位從樞紐布置、工程量與投資、建筑材料、防滲材料對基礎(chǔ)變形的適應(yīng)性、防滲效果、施工條件、運行檢修條件、施工技術(shù)可行性等十多個方面進(jìn)行了大量設(shè)計技術(shù)研究工作，重點攻克了滿足抗極端低溫凍斷(低于-45 ℃)要求的瀝青混凝土材料關(guān)，并經(jīng)過三峽集團(tuán)總工程師張超然院士為首的內(nèi)部專家組反復(fù)研究報原設(shè)計審批單位審查后，最終選擇了瀝青混凝土面板防滲方案。

3 呼蓄電站上庫盆瀝青混凝土防滲技術(shù)的應(yīng)用情況

3.1 防滲結(jié)構(gòu)形式

呼和浩特抽水蓄能電站上水庫采用瀝青混凝土面板防滲，防滲面積24.48萬m2，其中庫底防滲面積為10.11萬m2，庫岸防滲面積為14.37萬m2。瀝青混凝土面板采用簡式結(jié)構(gòu)，從內(nèi)至外依次為整平膠結(jié)層、(加厚層)、防滲層、封閉層組成，庫底與進(jìn)出水口周邊剛性構(gòu)造物連接采用瀝青砂漿柔性連接。其主要結(jié)構(gòu)組成要求見表1。

表1 瀝青混凝土面板結(jié)構(gòu)組成要求表

說明：加厚層設(shè)在瀝青混凝土面板與混凝土結(jié)構(gòu)接縫的上部、斜坡與庫底連接弧面處及庫盆開挖回填分界等基礎(chǔ)介質(zhì)彈模差異較大部位。

3.2 面板各層主要技術(shù)要求

整平層、防滲層、封閉層的各項技術(shù)要求詳見表2～4。

表2 整平膠結(jié)層技術(shù)要求表

表3 防滲層技術(shù)要求表

表4 改性瀝青封閉層技術(shù)要求表

其中，防滲層瀝青混凝土凍斷溫度低于-45 ℃，斜坡流淌值在1∶1.75坡小于0.8 mm，在中國同類電站中尚屬首次。

3.3 施工配合比

通過設(shè)計院等多家科研院所的反復(fù)試驗研究以及施工單位多次現(xiàn)場試驗驗證推敲，最終確定了各結(jié)構(gòu)層瀝青混凝土施工配合比，主要參數(shù)如下。

(1) 整平層：瀝青含量4.2%，骨料最大粒徑19 mm，礦粉用量為礦料總用量的6.5%，天然砂摻用量按與人工砂等比例控制，占礦料總量的10.7%。具體見表5。

(2) 防滲層：瀝青含量7.3%，骨料最大粒徑16 mm，礦粉用量為礦料總用量的11%，天然砂摻用量按占礦料總量的33%控制。具體見表6。

表6 防滲層施工配合比表

(3) 瀝青砂漿：瀝青含量12%、礦粉含量20%、骨料含量68%，骨料為經(jīng)拌和站熱篩后1號熱料倉中天然砂與人工砂等比例混合的混合料。具體見表7。

表7 瀝青砂漿施工配合比表

3.4 施工工藝參數(shù)

3.4.1 拌和工藝參數(shù)

工藝參數(shù)主要包括：原材料的溫度、出機口溫度、稱量精度、拌和時間。具體控制參數(shù)見表8。

表8配料及拌和溫度控制標(biāo)準(zhǔn)表

項 目防滲層和加厚層改性瀝青混凝土整平膠結(jié)層普通瀝青混凝土瀝青(加熱罐)160～180℃150～170℃骨料(烘干加熱筒出口)180～200℃170～190℃混合料(出機口)160～180℃150～170℃

拌和樓所有稱量設(shè)備都應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)、測試。測試的誤差應(yīng)在總的稱量能力的0.2%以內(nèi)。設(shè)備每月都應(yīng)予以校驗，以保證稱量精度。

(1) 整平層瀝青混合料拌和時間控制：將骨料和填料投入拌缸進(jìn)行干拌用時15 s，濕拌用時45 s，卸料用時5 s，每盤總用時65 s；

(2) 防滲層瀝青混合料拌和時間控制：將骨料和填料投入拌缸進(jìn)行干拌用時15 s，濕拌用時70 s，卸料用時5 s，每盤總用時90 s。

3.4.2 攤鋪主要施工參數(shù)

有關(guān)瀝青混凝土各環(huán)節(jié)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表9，攤鋪后碾壓分初碾、復(fù)碾、終碾3道碾壓程序，具體碾壓參數(shù)見表10。

表9 瀝青混凝土攤鋪、碾壓施工溫度控制標(biāo)準(zhǔn)表

表10 瀝青混凝土碾壓參數(shù)表(振動碾：SW330)

有關(guān)設(shè)備選型和施工控制方面的詳細(xì)內(nèi)容未在此敘述，可參閱相關(guān)資料。

3.5 施工質(zhì)量評價

呼蓄上水庫全庫盆瀝青混凝土面板施工總歷時12個月(含生產(chǎn)性試驗所占時間、冬季歇工)，于2013年7月底具備蓄水條件。施工期，整平層取芯樣232個，孔隙率為10.2%～14.8%，平均值13.2%；防滲層取芯212個，孔隙率為0.9%～3.0%，平均值2.1%；加厚層取芯28個，孔隙率為1.2%～2.8%，平均值2.0%?，F(xiàn)場無損、真空度檢測、滲透等試驗結(jié)果表明，上水庫瀝青混凝土的孔隙率、密度、真空度指標(biāo)、滲透系數(shù)、斜坡流淌值、水穩(wěn)定系數(shù)、拉伸應(yīng)變、彎曲應(yīng)變等指標(biāo)滿足設(shè)計及規(guī)范要求，說明防滲面板施工所采取的攤鋪方法及選用的配套碾壓施工機具和施工控制參數(shù)滿足了技術(shù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，防滲面板施工采取的施工接縫處理方法是有效和合適的。

3.6 運行初期監(jiān)測評價

為監(jiān)測瀝青混凝土面板防滲、抗凍性能及蓄水后變形情況，在上水庫瀝青混凝土面板主要布置有5個監(jiān)測斷面，其中在庫盆西南和東南庫岸各布置1個監(jiān)測斷面，大壩布置有2個監(jiān)測斷面，北側(cè)庫岸布置有1個監(jiān)測斷面。監(jiān)測結(jié)果分析匯總?cè)缦隆?/p>

(1) 抗凍性能：經(jīng)歷了-27.7 ℃的低溫考驗，該溫度雖高于極端最低溫度-41.8 ℃，也高于設(shè)計要求溫度(平均值<-45 ℃，個別值<-43 ℃)，但通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用于呼蓄電站的改性瀝青混凝土在抗凍性能方面表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

(2) 瀝青混凝土變形：經(jīng)過外水荷載、嚴(yán)冬收縮、春暖膨脹等因素影響后，目前瀝青混凝土最大撓曲變形值為74 mm，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土開裂現(xiàn)象，說明該瀝青混凝土具有較強的延展性和拉伸性。

(3) 瀝青混凝土溫度：瀝青混凝土具有較好的吸熱作用，冬季向陽區(qū)瀝青混凝土溫度普遍高于背陽區(qū)瀝青混凝土溫度，兩類區(qū)域瀝青混凝土內(nèi)部溫度差異最大可達(dá)22.8 ℃。瀝青混凝土攤鋪后，除去攤鋪時瀝青混凝土本身拌制時的高溫影響外，瀝青混凝土溫度范圍值在-22.1～38.1 ℃之間，最低溫度比西龍池抽水蓄能電站上水庫2013年最低溫度低9.5 ℃。

(4) 防滲性能：布設(shè)于庫底廊道的量水堰監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，扣除外排廊道地下水影響，庫盆內(nèi)總滲漏量較蓄水前增加為3.29 L/s，該值小于中國類似瀝青混凝土面板滲漏量。

綜上，呼蓄電站上庫全庫盆瀝青混凝土面板經(jīng)歷了明顯低于中國其它瀝青混凝土面板工程的環(huán)境溫度考驗后，其變形值與應(yīng)變值均在較小范圍內(nèi)，其抗凍性能得到了較好的驗證；與中國同期瀝青混凝土面板滲漏量相比，呼蓄電站目前滲漏量仍處于較低水平。

4 結(jié) 語

通過近些年來天荒坪、張河灣、西龍池、寶泉、呼蓄等抽水蓄能電站的成功實踐，特別是呼蓄電站施工期及運行期已經(jīng)歷了極端不利氣候條件的考驗，我們可以認(rèn)為：中國已完全具備了水工瀝青混凝土防滲系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計和施工能力，寒冷地區(qū)抽蓄電站庫盆防滲形式完全可以向改性瀝青混凝土面板繼續(xù)探索實踐。

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