新疆嚴(yán)寒地區(qū)瀝青面板壩應(yīng)用技術(shù)支撐與展望

李 江，夏世法，汪正興，李秀琳

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國水利水電科學(xué)研究院材料研究所，北京 100038)

1 概述

新疆地區(qū)土石壩防滲型式從材料角度來看主要有4種：①土工膜防滲(壩體內(nèi)直心墻、壩面防滲)，在低壩上(壩高≤30m)應(yīng)用較為廣泛。②黏土防滲體(直心墻、斜心墻)，如大西溝水庫、白楊河水庫等；③混凝土防滲體(鋼筋混凝土面板、壩內(nèi)混凝土防滲墻)，通常面板堆石壩/砂礫石壩都在鋼筋混凝土面板壩內(nèi)采用混凝土防滲墻的一般用于水庫除險加固；④瀝青防滲體(直心墻、面板防滲)，采用直心墻的有伯斯阿木水庫、奴爾水庫，而面板防滲尚未有建成實例。

當(dāng)前新疆壩工在壩型選擇方面出現(xiàn)了一些新特點，如黏土防滲體受黏土來源限制，應(yīng)用實例越來越少。盡管土工膜防滲施工簡單且造價低廉，在平原水庫、調(diào)蓄水池建設(shè)上得到大量應(yīng)用，但也存在焊縫易開裂、膜體局部撕裂、整體滑脫(奎屯水庫、烏什縣中衛(wèi)調(diào)節(jié)池)等問題。鋼筋混凝土面板在施工期受嚴(yán)寒區(qū)氣候條件影響控制裂縫難度較大，在蓄水過程中壩體沉降可能導(dǎo)致面板擠壓破壞，通常需要經(jīng)過大修后才能控制水庫的滲漏量；在運行期，由于氣候條件惡劣，混凝土面板更容易出現(xiàn)碳化、鋼筋銹蝕、凍融剝蝕等影響耐久性的病害；冬季水庫結(jié)冰，混凝土面板表層止水受冰拔、冰推影響容易失效，導(dǎo)致整體防滲效果不佳，需要定期對表層止水和破壞面板進行修補，耗資耗時較大。

瀝青混凝土心墻自20世紀(jì)90年代以來在新疆地區(qū)發(fā)展迅速，僅2012年建設(shè)的27座定居興牧水源工程中就有15座瀝青心墻壩，壩高從30～69m不等。截至2020年，全疆(含兵團)已建、在建澆筑式瀝青心墻壩及碾壓式瀝青心墻壩70座，均為壩內(nèi)直心墻布置形式。壩高超過百米的達11座，其中典型的完建工程有石門水電站(壩高106m)、阿拉溝水庫(壩高105.5m)、五一水庫(壩高102.5m)，建設(shè)中的有大石門水利樞紐(壩高128.8m)[1]。新疆在瀝青選材方面開展了水工瀝青、道路瀝青的比選，研究發(fā)現(xiàn)道路瀝青來源廣泛，性能基本接近水工瀝青；在瀝青心墻配合比研究方面創(chuàng)新突破了礫石骨料的應(yīng)用，擴展了材料的選擇范圍；在瀝青心墻筑壩技術(shù)與工藝等方面開展了高溫季節(jié)(40℃)、低溫℃季節(jié)(-25℃)、大風(fēng)環(huán)境(8級)的施工技術(shù)創(chuàng)新，進行了大量有益的探索與實踐，積累了豐富的建設(shè)經(jīng)驗[2]。

瀝青心墻壩對地形地質(zhì)條件的適應(yīng)較好，適應(yīng)壩體和基礎(chǔ)變形能力強，防滲性能好，可以充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，是高地震區(qū)首選壩型。鑒于新疆地區(qū)壩基覆蓋層普遍較深，雖然施工期采取了一定的應(yīng)對措施，但蓄水及運行后壩體不均勻沉降普遍存在，導(dǎo)致心墻在壩肩及底座部位應(yīng)力復(fù)雜，容易出現(xiàn)滲漏問題。由于瀝青心墻位于壩體內(nèi)部，漏水后很難確定滲漏位置，維修費用高且效果不佳，給壩體運行帶來安全隱患，成為制約瀝青心墻應(yīng)用不可忽視的因素，有必要探索新的防滲型式。

瀝青混凝土面板具有良好的防滲性能，適應(yīng)基礎(chǔ)變形和抗低溫開裂能力優(yōu)異，自身不設(shè)結(jié)構(gòu)接縫，機械化施工速度快，環(huán)保無毒，耐久性更優(yōu)。同時，瀝青混凝土面板位于壩體表面，局部出現(xiàn)缺陷后易于檢修。已在國內(nèi)外抽蓄電站水庫防滲得到成功應(yīng)用。同時疆內(nèi)通過瀝青心墻壩的建設(shè)實踐也積累了豐富的瀝青混凝土科研、技術(shù)、施工經(jīng)驗，這些都為新疆嚴(yán)寒地區(qū)采用瀝青面板作為大壩防滲體選擇提供了大量技術(shù)支撐。

2 瀝青面板防滲體在國內(nèi)外大壩應(yīng)用

2.1 國外應(yīng)用情況

國外將瀝青混凝土面板用于大壩水庫防滲始于20世紀(jì)30年代，且發(fā)展迅速，20世紀(jì)70年代開始進入應(yīng)用高峰期。第16屆國際大壩會議還將瀝青混凝土防滲壩列入了未來高壩的適宜壩型之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界建成的采用瀝青混凝土面板防滲的土石壩已有400余座。如1937年建成的阿爾及利亞埃爾·格力布大壩為第一座瀝青面板壩(壩高56m)；最高的瀝青面板壩為奧地利的Oschenik(壩高106m)；德國的蓋斯特(Geeste)水庫為防滲面積最大的瀝青面板工程，防滲面積達184萬m2[3]。

瀝青面板具有的防滲性能優(yōu)異、適應(yīng)較差的地形條件和較大的水位變幅特點，使其在國外抽水蓄能電站水庫防滲得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)初步統(tǒng)計，國外采用瀝青混凝土面板防滲的抽水蓄能電站上水庫超過80座，如德國的瓦爾杰克和高迪斯塞爾(全庫盆防滲面積95.8萬m2)，美國的路丁頓(上庫防滲面積27萬m2)，英國的臺勞奇·黑爾，比利時的庫-特羅-波恩斯，法國的格蘭德·麥宗，捷克斯洛伐克的壩爾尼-伐格、奧地利的黑福努，日本的薩比加瓦電站等[3]。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

我國在20世紀(jì)70年代開始瀝青混凝土面板的研究與應(yīng)用，至90年代初修建了大量瀝青混凝土面板堆石壩，見表1。由于早期國產(chǎn)瀝青品質(zhì)較差，施工設(shè)備落后，瀝青混凝土配合比和施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)研究不足，致使不少瀝青混凝土面板出現(xiàn)了高溫流淌、低溫開裂、接頭脫開等嚴(yán)重問題。有些水庫滲漏嚴(yán)重，影響了效益發(fā)揮，還引起了業(yè)界對瀝青混凝土面板防滲型式的質(zhì)疑，推廣應(yīng)用受到限制。部分工程不得不將瀝青面板拆除，改用其他防滲形式，如浙江牛頭山水庫大壩和湖北車壩河水庫大壩[4]。

表1 1970—1990年我國修建瀝青混凝土面板堆石壩統(tǒng)計表

1995—2006年，隨著抽水蓄能電站建設(shè)的開展，國內(nèi)開始引進國外水工瀝青及施工技術(shù)。如浙江天荒坪、河北張河灣、山西西龍池抽蓄電站瀝青面板的建設(shè)，由國外施工企業(yè)承包或中外合作承建完成，施工關(guān)鍵技術(shù)由國外企業(yè)主導(dǎo)。此階段，國內(nèi)的設(shè)計、科研單位也開始系統(tǒng)開展瀝青混凝土面板原材料檢測、配合比設(shè)計、施工設(shè)備研制及質(zhì)量控制技術(shù)的研究與應(yīng)用工作，瀝青混凝土面板技術(shù)逐漸成熟。2006年河南寶泉抽水蓄能電站上庫瀝青面板工程成為第一個由中國國內(nèi)企業(yè)自行設(shè)計、施工的大型瀝青防滲面板工程，寶泉上庫瀝青混凝土面板坡比1∶1.7，其坡度之陡居世界上瀝青面板前15%，2009年蓄水發(fā)電，運行十多年后最大滲漏量只有3.3L/s，效果良好[5-6]。2013年完成的內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板要求-45℃不開裂，通過改性瀝青技術(shù)和嚴(yán)寒區(qū)施工質(zhì)量控制技術(shù)的應(yīng)用，運行至今最大滲漏量只有4.3L/s，標(biāo)志著我國在瀝青混凝土面板低溫抗裂技術(shù)方面走到世界前列[7]。瀝青混凝土面板和剛性建筑物連接的滑動式接頭也在山西西龍池、河南寶泉和內(nèi)蒙古呼和浩特等抽水蓄能電站工程中得到了成功的應(yīng)用。至此，困擾瀝青混凝土面板質(zhì)量的三大技術(shù)難題(高溫流淌、低溫開裂、接頭脫開)都得到了解決。此階段建設(shè)的瀝青面板防滲壩見表2。

表2 1990—2013年我國修建瀝青混凝土面板防滲壩統(tǒng)計表

隨著瀝青混凝土面板技術(shù)的成熟，2010年后瀝青混凝土面板防滲體系已得到國內(nèi)工程界的普遍認可，越來越多的抽蓄電站水庫開始采用瀝青面板防滲。目前正在建設(shè)中的抽蓄電站瀝青混凝土面板防滲工程有山東沂蒙、濰坊，江蘇句容，陜西鎮(zhèn)安，內(nèi)蒙古芝瑞、烏海，河北易縣，山西渾源、垣曲，遼寧莊河，甘肅玉門等。隨著我國“碳達峰”“碳中和”目標(biāo)的提出，我國在“十四五”至“十六五”期間又規(guī)劃了大量的抽水蓄能電站，可以預(yù)見，瀝青混凝土面板在我國抽蓄電站的應(yīng)用具有廣闊的市場前景。

綜上所述，國內(nèi)瀝青混凝土面板目前主要應(yīng)用于抽水蓄能電站上水庫防滲，而作為常規(guī)大壩水庫的面板防滲已30多年未有應(yīng)用案例，主要是受國內(nèi)早期一些失敗的瀝青面板壩工程的影響。新疆地處嚴(yán)寒地區(qū)，氣候條件嚴(yán)酷，建壩條件較差，瀝青混凝土面板本身優(yōu)異性能對解決本地區(qū)大壩土工膜、鋼筋混凝土面板，瀝青心墻等防滲體系面臨的問題具有重要的現(xiàn)實意義。瀝青混凝土面板原材料檢驗、配合比、拌合、施工設(shè)備及質(zhì)量控制技術(shù)的日益完善為在新疆地區(qū)采用瀝青面板作為防滲體創(chuàng)造了有利的條件。

3 新疆嚴(yán)寒區(qū)應(yīng)用瀝青面板的技術(shù)支撐

3.1 瀝青面板防滲體的優(yōu)勢

與鋼筋混凝土面板和瀝青心墻防滲形式相比，在新疆嚴(yán)寒地區(qū)，瀝青混凝土面板具有以下優(yōu)勢：

(1)適應(yīng)變形。新疆地區(qū)眾多工程存在深厚覆蓋層、濕陷性黃土、挖填結(jié)合處不均勻沉降變形等問題，對防滲體系抗變形能力要求高。面板在壩體不均勻沉降較大時河床部位容易出現(xiàn)擠壓破壞，而壩頂及周邊面板容易出現(xiàn)受拉破壞；瀝青心墻在基座及壩肩部位容易出現(xiàn)受剪漏水現(xiàn)象。瀝青混凝土面板防滲體可較好解決這些問題，普通瀝青混凝土的彎曲應(yīng)變可以達到2%～3%之間，改性瀝青瀝青混凝土彎曲應(yīng)變可達4%～7%，適應(yīng)變形能力更強。柔性試驗表明：常溫條件下，瀝青混凝土面板撓曲變形達到撓跨比10%時仍能保證防滲性能，即使壩體出現(xiàn)不均勻沉降也不會產(chǎn)生擠壓破壞和受拉破壞。在瀝青面板與岸坡、防滲墻等剛性建筑物連接時，采用滑動式接頭，可適應(yīng)接頭處較大的變形而不漏水。在抵抗變形方面，瀝青面板整體上要大大優(yōu)于鋼筋混凝土面板和瀝青心墻防滲體系。

(2)抗凍、抗冰及抗低溫。新疆嚴(yán)寒區(qū)由于寒潮、低溫、冰拔冰推等問題導(dǎo)致鋼筋混凝土面板極易出現(xiàn)裂縫、表層止水破壞失效等病害問題，修補完幾年后同樣的問題又會出現(xiàn)，整個施工期及運行期維修費用較大。而瀝青混凝土由于孔隙率小(防滲層孔隙率控制在3%以下)，水難以進入，因此不存在混凝土工程中常見的凍脹、凍融破壞。由于瀝青的憎水性，也不會產(chǎn)生冰拔破壞等問題，這些在抽水蓄能電站的運行過程中得到了充分驗證。瀝青混凝土的粘彈性特性，使得其具有較強的松弛能力，可以部分消除寒潮及低溫引起的溫度應(yīng)力，在施工期和運行期不會產(chǎn)生溫度裂縫。普通瀝青混凝土就可以做到極端最低氣溫-30℃下不出現(xiàn)低溫開裂，通過開發(fā)改性瀝青及優(yōu)化配合比，還可以進一步拓展低溫應(yīng)用的范圍。如山西西龍池抽水蓄能電站上庫采用的改性瀝青混凝土可以達到-35℃不開裂[8]；呼蓄上庫實際凍斷溫度達到-45℃不開裂[9-10]。針對內(nèi)蒙古芝瑞及山西渾源抽水蓄能電站，開發(fā)了專用的改性瀝青，在室內(nèi)試驗階段，凍斷溫度可達-50℃以下。研究表明瀝青面板可以保證整個防滲體系在-50℃低溫條件下不開裂，也不會出現(xiàn)由凍融造成的剝蝕破壞和冰拔、冰推等病害問題，比較適宜用作新疆嚴(yán)寒區(qū)水庫面板防滲。

(3)施工速度快。瀝青面板施工在整個大壩填筑完成且沉降基本完成后進行，施工時采用專門設(shè)備，施工工藝成熟。據(jù)統(tǒng)計，瀝青混凝土面板施工速度約為鋼筋混凝土面板的2倍，這對于可施工期短(每年4月初至10月底)的新疆地區(qū)具有一定的優(yōu)勢。

(4)長期耐久性。在新疆嚴(yán)酷氣候條件下，鋼筋混凝土面板混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融剝蝕等老化病害嚴(yán)重，且防護難度大，防護費用高，而瀝青混凝土面板自身耐久性良好。瀝青混凝土面板的耐久性可以分為水上部分和水下部分，水上部分的工況為在日照、溫度作用下的老化；水下部分的工況為水長期浸泡下的水穩(wěn)定性。國內(nèi)外研究成果表明：瀝青混凝土面板在運行20～30年后，面板表層的2mm封閉層會出現(xiàn)嚴(yán)重的老化、脫落，但對于防滲層，其老化深度只有5～8mm(防滲層厚度10cm)。如法國trapan瀝青混凝土壩，運行11年后進行檢測，防滲層表層0～5mm、5～10mm、防滲層中部針入度分別由66下降到29、46、45。如考慮施工過程中的老化效應(yīng)，則防滲層5～10mm深度和中部的瀝青性質(zhì)幾乎沒有變化，僅在表層部位(0～5mm)有微小的變化。日本沼原抽水蓄能電站上水庫采用瀝青混凝土面板防滲，壩高38m，防滲面積19.7萬m2，1973年投入使用。運行30年后面板取芯檢測(厚度40mm，分成3段)表明：面板沿厚度方向呈現(xiàn)上段>中段≈下段的老化程度，同時表面封閉層未剝落的芯樣上部瀝青針入度約為下部的90%，說明封閉層可以延緩防滲層瀝青混凝土的老化。天荒坪抽水蓄能電站瀝青面板在運行18年后，取芯檢測表明瀝青混凝土在表面1cm以下部分幾乎沒有老化[11]。

(5)易于檢查和維修。瀝青混凝土面板位于壩體表面，即使局部出現(xiàn)缺陷，也容易檢測發(fā)現(xiàn)并且易于維修。從天荒坪、呼蓄、西龍池等瀝青面板工程來看，在施工期或蓄水后出現(xiàn)的局部少量裂縫修復(fù)工藝簡單，且修復(fù)后效果良好[12-15]。這一特點克服了瀝青心墻滲漏后檢測困難，維修難度大的難點。

3.2 瀝青面板材料的環(huán)保性能

瀝青按產(chǎn)品來源不同，可分為石油瀝青和煤瀝青2種。研究表明，石油瀝青不會對水質(zhì)造成污染。但煤瀝青因游離碳含量偏高，在大氣中不夠穩(wěn)定，同時含有酚、苯等少量有毒物質(zhì)，在水利工程中嚴(yán)禁使用[16]。

據(jù)國際大壩委員會統(tǒng)計(1997年)，已建的298座瀝青混凝土面板壩，其中有1/3用于農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水，至今為止尚沒有發(fā)現(xiàn)水質(zhì)有污染的跡象。西班牙修建的9座瀝青混凝土面板堆石壩(5座是供水工程)，美國加州修建的飲用水水庫至今已40多年都沒有出現(xiàn)由于瀝青混凝土而引起的水質(zhì)污染問題。德國工程部門針對瀝青是否導(dǎo)致水質(zhì)污染的一系列試驗也表明對人體健康無害。據(jù)德國斯特拉堡公司統(tǒng)計資料：自1950年以來與引水工程相關(guān)的工程項目有22座瀝青混凝土面板壩、2座瀝青混凝土全池防滲的水庫，都無一出現(xiàn)由于瀝青防滲面板引發(fā)的水質(zhì)和污染問題。我國修建的20余座瀝青混凝土防滲水庫也同樣如此[17-20]。

3.3 瀝青面板對壩體的要求

瀝青混凝土面板對壩體上游邊坡的要求一般不陡于1∶1.7，緩于鋼筋混凝土面板邊坡，但可以比土工膜、瀝青心墻、黏土心墻防滲體壩體上游邊坡陡。因為優(yōu)異的變形性能，瀝青混凝土面板對壩體不均勻沉降變形的要求較鋼筋混凝土面板低。

瀝青防滲面板和壩體之間應(yīng)設(shè)置墊層，墊層材料采用碎石或卵石，墊層的作用是工作面整平、支撐、排水、防凍脹和粒徑過渡等。同時墊層可以協(xié)調(diào)壩體或基礎(chǔ)變形，降低壩體或基礎(chǔ)不均勻沉降對瀝青混凝土面板的影響。瀝青混凝土面板墊層有一些特殊要求與鋼筋混凝土面板不同，對于中等高度的壩，碎石或卵石墊層垂直坡面的厚度應(yīng)不小于50cm，對于重要的工程和高壩，墊層應(yīng)適當(dāng)加厚。在墊層表面應(yīng)噴灑一層乳化瀝青或稀釋瀝青，噴灑量宜控制在0.5～2kg/m2，目的是對墊層料表面進行膠結(jié)，便于后續(xù)瀝青面板的機械化施工。

墊層料應(yīng)質(zhì)地堅硬、級配良好，便于壓實和利于排水。參考SL 228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》對墊層料的最大粒徑要求，瀝青面板墊層最大粒徑Dmax≤80mm，對粒徑D<5mm和D<0.075mm的細粒含量也作出了規(guī)定，以保證墊層的排水效果。當(dāng)采用碎石墊層作為下臥層時，應(yīng)從變形和受力方面提高墊層模量，以減小面板的變形。碎石墊層壓實后墊層模量宜控制在40～120MPa，如天荒坪規(guī)定為60MPa、張河灣要求不小于45MPa、呼蓄工程庫底要求大于60MPa、斜坡要求大于40MPa。

3.4 瀝青面板施工技術(shù)支撐

水工瀝青混凝土面板的施工技術(shù)和瀝青混凝土心墻相比，更為復(fù)雜。瀝青面板施工難點主要在斜坡施工上，需要斜坡專用施工設(shè)備，由施工臺車、斜坡喂料車、攤鋪機、牽引車、振動碾等配套協(xié)同完成作業(yè)，如圖1所示。斜坡施工工序：首先由運料自卸車將混合料卸入主牽引臺車的吊斗，由主卷揚臺車將料斗從軌道提升至喂料車上方，將混合料卸入喂料車，再由喂料車運送至攤鋪機料斗，攤鋪機在臺車的牽引下在斜坡上完成瀝青混合料的攤鋪作業(yè)，最后由臺車牽引振動碾在適宜的溫度條件下完成瀝青混合料的碾壓作業(yè)。

圖1 碾壓式瀝青混凝土面板施工工法示意圖

相鄰施工條幅之間的接縫，特別是冷接縫(溫度在90℃以下)的處理極為關(guān)鍵，在施工前需要先將冷縫的溫度加熱至100～130℃，并保證加熱深度在7cm以上。施工時還應(yīng)注意嚴(yán)格控制溫度和加熱時間，防止因瀝青混凝土溫度過高而造成老化。完成冷縫加熱后再攤鋪相鄰條幅并碾壓，對接縫兩邊進行騎縫壓實[19]。

按照設(shè)計的結(jié)構(gòu)層完成攤鋪、碾壓施工，依次為整平膠結(jié)層、防滲層瀝青混凝土，最后進行封閉層的刮涂。封閉層的涂刷也需要專用的刮涂機，由臺車牽引完成刮涂作業(yè)，刮涂厚度控制在2mm左右。

3.5 瀝青面板投資對比

從近年來已完工的瀝青混凝土面板工程綜合造價來看，瀝青混凝土面板工程綜合造價約580～980元/m2，比傳統(tǒng)的防滲型式單價高。各個瀝青面板工程綜合單價與采用的瀝青材料、瀝青面板結(jié)構(gòu)型式(簡式或復(fù)式結(jié)構(gòu))、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、斜坡施工占的比重等有關(guān)。根據(jù)統(tǒng)計，張河灣與西龍池采用瀝青面板、宜興上庫采用鋼筋混凝土面板，根據(jù)設(shè)計分析，瀝青混凝土面板單位面積投資與鋼筋混凝土面板基本接近。類比多數(shù)工程，單從壩面防滲角度，瀝青混凝土面板投資比鋼筋混凝土略高5%～10%，但如果考慮鋼筋混凝土面板涂刷防護涂層及后期面板維修等因素，采用瀝青面板防滲長期耐久性更優(yōu)，有的工程投資甚至更省[20]。

另外，采用瀝青混凝土面板防滲型式，施工完畢后可以做到“一勞永逸”，基本不需要放空水庫維修。呼蓄上庫比較方案表明，綜合考慮運維節(jié)省的維修費用、減少的滲漏水量、維修放空時的發(fā)電損失等因素，采用瀝青面板方案在運行期可節(jié)省費用約500萬元/年。

4 典型案例應(yīng)用分析

4.1 工程概況

喀臘也水庫位于新疆塔城地區(qū)，工程屬Ⅲ等中型，擋水建筑物為瀝青混凝土面板壩，由三面圍筑而成，壩長2314m，最大壩高50m。壩址所處山區(qū)年平均氣溫小于5.5℃，屬于嚴(yán)寒地區(qū)，歷史最高氣溫38℃，最低氣溫-37℃，最大凍土深度140cm，年降水量500～700mm，蒸發(fā)量(20cm口徑)1756.4mm，降雨時間主要集中在每年的4—7月。壩址區(qū)多年平均最大風(fēng)速14.1m/s，工程區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅶ度[21-22]。

4.2 壩體防滲型式比選

喀臘也庫大壩河道附近有豐富的砂礫石，沒有黏土料，壩體總填筑方量500萬m3左右，首選當(dāng)?shù)夭牧仙暗[石填筑。因土工膜防滲在新疆尚缺乏50m壩高的應(yīng)用經(jīng)驗，不納入比選。從防滲型式角度可以考慮鋼筋混凝土面板、碾壓式瀝青直心墻、碾壓式瀝青面板3種形式，3種型式在新疆有廣泛應(yīng)用，瀝青面板防滲尚屬首次。壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計與防滲型式相關(guān)，上下游壩坡有所不同，壩基處理與選擇的防滲體有關(guān)，與庫盤連接型式各壩型基本相同[21-22]，3種方案特性比較見表3。

表3 不同防滲體大壩特性比較

上述3種壩型都有建壩條件，混凝土面板砂礫石壩整體穩(wěn)定性較高，防滲面板若出現(xiàn)一些裂縫和滲漏，后期檢修及維護較為便利，但需要考慮混凝土面板抗凍設(shè)計、面板分縫多，周邊縫止水容易損壞，基礎(chǔ)處理工程量大、綜合考慮防護材料、保溫材料等其投資甚至超過瀝青面板方案；瀝青混凝土心墻砂礫石壩雖與基礎(chǔ)防滲墻銜接較好，受環(huán)境影響小，但壩段較長，若出現(xiàn)裂縫和滲漏，不便于檢查和維修；瀝青混凝土面板砂礫石壩基礎(chǔ)開挖較少，面板不設(shè)分縫，防滲效果較好，易檢修，具有適應(yīng)變形能力強、技術(shù)可靠、施工簡單等優(yōu)點。綜合以上各方面分析、比較，推薦瀝青面板砂礫石壩為設(shè)計壩型。作為新疆第一座采用瀝青面板防滲的水庫大壩，該工程已經(jīng)開工建設(shè)，預(yù)計2025年建成投入使用，為其他類似工程起到引領(lǐng)和示范作用。

5 結(jié)論及展望

(1)近15年以來，通過國內(nèi)相關(guān)科研、設(shè)計單位的技術(shù)攻關(guān)，攻克了影響瀝青混凝土質(zhì)量的三大難點問題：高溫流淌，低溫開裂和接頭脫開。同時，施工設(shè)備、施工質(zhì)量控制技術(shù)也達到了國際先進水平，由國內(nèi)企業(yè)自行設(shè)計、自主施工的寶泉、呼蓄抽水蓄能電站上水庫瀝青面板工程運行多年后效果良好。表明我國的瀝青混凝土面板技術(shù)已經(jīng)成熟，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。

(2)同傳統(tǒng)的防滲形式相比(土工膜、鋼筋混凝土面板、瀝青心墻)，瀝青混凝土面板在適應(yīng)壩體變形，低溫抗裂、抗凍、抗冰，施工速度及易于檢查維修方面整體上更優(yōu)，更加適合新疆嚴(yán)寒區(qū)氣候條件嚴(yán)酷、壩基覆蓋層深厚、可施工期短等特點。雖然工程造價略高，但在可以接受的范圍以內(nèi)。

(3)從已建工程實踐來看，運行20年后瀝青面板表面2mm厚瀝青瑪蹄脂封閉層會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，但起關(guān)鍵作用的防滲層(一般10cm左右)老化深度只有0.8mm左右，表明瀝青面板耐久性優(yōu)異。國外的工程一般每8～10年進行一次封閉層的涂刷修復(fù)。我國天荒坪抽水蓄能電站上庫的封閉層在運行20年后也進行了水上部分的涂刷修復(fù)[23]。瀝青面板優(yōu)異的耐久性對其在新疆嚴(yán)寒地區(qū)的推廣使用是極其有利的。

(4)新疆是我國重要的原油生產(chǎn)基地，南北疆均有工業(yè)生產(chǎn)基地。北疆稠油主要產(chǎn)自準(zhǔn)噶爾盆地的克拉瑪依油田和春風(fēng)油田，南疆稠油產(chǎn)自庫拜盆地，這些油田出產(chǎn)的重質(zhì)原油屬于低硫環(huán)烷-中間基原油，密度大、蠟含量低、凝點低、酸值高，是優(yōu)良的瀝青生產(chǎn)原料。當(dāng)前瀝青材料在應(yīng)用上已經(jīng)形成了北疆以克拉瑪依為主、南疆以庫車為主，即“北克南庫”的應(yīng)用格局，新疆本地的瀝青從質(zhì)量和產(chǎn)量上都是有保證的，這對瀝青面板在新疆的推廣應(yīng)用提供了原材料保證。

(5)新疆地區(qū)自20世紀(jì)80年代以來就開始瀝青心墻壩的建設(shè)，在瀝青心墻配合比研究、筑壩技術(shù)與工藝等方面進行了大量的探索和實踐，積累了極為豐富的建設(shè)經(jīng)驗。瀝青心墻的技術(shù)儲備為推廣使用瀝青面板防滲壩提供了重要技術(shù)支撐。

(6)瀝青面板在新疆地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，除用于抽水蓄能電站、常規(guī)水庫新建土石壩上游防滲體外，還可用于老舊壩體的改造。新疆現(xiàn)有水庫大壩656座，60%為平原水庫，修建年代較早，普遍存在壩體滲漏等問題，采用瀝青面板進行改造防護，具有技術(shù)可靠、施工簡捷的特點，尤其適合嚴(yán)寒山區(qū)土石壩壩面防滲。