張向前

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

瀝青混凝土是以瀝青為膠結(jié)材料，與骨料 （碎石、砂、填充料等）按規(guī)定配合比拌制、固結(jié)而成的建筑材料。交通部門在高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道建設(shè)上有著廣泛的應(yīng)用。因其防滲性能好，也用于水利水電行業(yè)的土石壩、蓄水池、渠道、河道、堤防、護(hù)岸 （坡）等的防滲體。20世紀(jì)50、60年代，歐洲已將瀝青混凝土用于水庫(kù)大面積防滲。近年來(lái)，隨著天荒坪、張河灣、西龍池、寶泉等抽水蓄能電站瀝青混凝土防滲工程的陸續(xù)建成，國(guó)內(nèi)水工瀝青混凝土防滲設(shè)計(jì)和施工技術(shù)得到了快速發(fā)展。

1 瀝青混凝土防滲面板結(jié)構(gòu)

瀝青混凝土面板防滲斷面形式一般有簡(jiǎn)式和復(fù)式之分，根據(jù)工程的重要程度、安全要求、地質(zhì)條件等因素，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求選用。

1.1 復(fù)式斷面

傳統(tǒng)的復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)一般分5層，從上往下分別為封閉層、上防滲層、排水層、下防滲層、整平膠結(jié)層，復(fù)式斷面簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，各結(jié)構(gòu)層的作用及設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 簡(jiǎn)式斷面

考慮到瀝青混凝土防滲層本身滲透系數(shù)可以達(dá)到1×10-8cm/s以下，防滲性能很好，幾乎可以認(rèn)為是不透水的，除非發(fā)生破壞，復(fù)式斷面中的排水層和下防滲層發(fā)揮作用的幾率很小。因此，很多工程選擇了省掉復(fù)式斷面中的排水層和下防滲層的結(jié)構(gòu)形式，這就是簡(jiǎn)式斷面，簡(jiǎn)式斷面簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

表1 傳統(tǒng)瀝青混凝土防滲面板復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 簡(jiǎn)式斷面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 應(yīng)用情況

歐美國(guó)家大多采用簡(jiǎn)式斷面， 德國(guó)的金谷（Goldisthal）、 瑞本勒特 （Rabenleite）、 蓋斯特哈赫特 （Geesthacht）、 埃格貝格 （Eggberg）、 瓦爾德克（Waldeck） 上庫(kù)， 西班牙的費(fèi)德羅 （EI Federal）、科爾斯特-拉穆埃拉 （Cortes-La Muela）上庫(kù)，盧森堡的菲安登（Vianden）上庫(kù)，比利時(shí)的特魯瓦蓬（Coo-Trois Ponts）上庫(kù)，意大利的歐雅斯托（Ogliastro）水庫(kù)、車西瑪 （Cesima）上庫(kù)，希臘的皮爾諾斯 （Pyrnos Valley）水庫(kù)，斯洛文尼亞的阿夫斯 （Avce）上庫(kù)，美國(guó)的路丁頓 （Ludington）上庫(kù)，都采用簡(jiǎn)式斷面。德國(guó)的金谷下水庫(kù)、格萊姆斯（Glems）上庫(kù)則采用了復(fù)式斷面。

日本多采用復(fù)式斷面，沼原壩、雙葉壩、蛇尾川 （鹽原）八汐壩、京極等工程都采用了復(fù)式斷面。

國(guó)內(nèi)天荒坪、西龍池、寶泉等電站都采用了簡(jiǎn)式斷面，張河灣電站采用復(fù)式斷面。

實(shí)踐證明，很多采用簡(jiǎn)式斷面結(jié)構(gòu)的工程實(shí)際運(yùn)行效果很好，但是在某些情況下，如：基礎(chǔ)條件不均勻、地下水位較低等，防滲面板有時(shí)會(huì)發(fā)生破壞，但由于簡(jiǎn)式斷面不能很好地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到漏水情況，無(wú)法及時(shí)作出處理反應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果和重大損失。

某抽水蓄能電站上水庫(kù)庫(kù)盆為瀝青混凝土面板防滲，采用的是簡(jiǎn)式斷面，首次蓄水后，觀測(cè)到的滲水量不大，水庫(kù)放空后發(fā)現(xiàn)庫(kù)底有一條裂縫；修補(bǔ)后重新蓄水，發(fā)現(xiàn)異常后放空，庫(kù)底發(fā)現(xiàn)9條裂縫；修補(bǔ)完成后再次蓄水，一年后放空檢查又發(fā)現(xiàn)7條裂縫；一年后再次放空再發(fā)現(xiàn)9條裂縫。雖然庫(kù)底設(shè)置了檢查廊道，但大部分滲漏水都直接進(jìn)入山體內(nèi)部，檢查廊道收集到的水量只是實(shí)際滲漏量的很少一部分，較小的滲漏量變化可能會(huì)被忽略，甚至造成誤判。如果庫(kù)底基礎(chǔ)巖層存在遇水敏感的軟弱層，滲水長(zhǎng)期作用可能影響山體穩(wěn)定，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

復(fù)式斷面由于采用上、下兩道防滲層和其間排水層的夾層式結(jié)構(gòu)，可以監(jiān)測(cè)出哪怕是非常小的水庫(kù)滲漏量，對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行具有重要意義。但增加的排水層和下防滲層會(huì)增加材料費(fèi)用和攤鋪施工工作量，對(duì)工程造價(jià)和工期有較大影響。

2 瀝青混凝土面板斷面形式選擇

在實(shí)際應(yīng)用中，瀝青混凝土面板斷面形式選擇應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況、施工技術(shù)水平綜合考慮確定。一般情況下，如果不存在制約工程穩(wěn)定安全的控制性因素，采用簡(jiǎn)式斷面可取得很好的防滲效果，且有很好的經(jīng)濟(jì)性；對(duì)滲漏影響較大，會(huì)改變基礎(chǔ)水文地質(zhì)條件，危及工程安全的，以及特別重要、失事后損失巨大或影響十分嚴(yán)重的，需加強(qiáng)水庫(kù)滲漏控制的工程，一般采用復(fù)式斷面。伴隨設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)工藝水平的發(fā)展進(jìn)步，經(jīng)比較論證，對(duì)面板斷面形式進(jìn)行不斷優(yōu)化改進(jìn)，正在成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

3 張河灣電站上水庫(kù)瀝青混凝土面板設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測(cè)魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上。電站總裝機(jī)容量1 000 MW，裝機(jī)4臺(tái)，單機(jī)容量250 MW。電站樞紐由上水庫(kù)、下水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)等組成，工程等級(jí)為一等。

上水庫(kù)位于下水庫(kù)左岸的老爺廟山頂，采用開(kāi)挖筑壩圍庫(kù)而成。上水庫(kù)采用瀝青混凝土面板全庫(kù)盆防滲，庫(kù)坡防滲面積20萬(wàn)m2，庫(kù)底防滲面積13.7萬(wàn)m2，總防滲面積33.7萬(wàn)m2。

上水庫(kù)正常蓄水位810 m，死水位779 m，工作水深31 m，總庫(kù)容770萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容715萬(wàn)m3， 死庫(kù)容55萬(wàn)m3。

3.2 地質(zhì)條件

3.2.1 地形地貌

老爺廟臺(tái)坪為古夷平面，呈北東－南西向不規(guī)則的條形展布，南北長(zhǎng)約2 km，東西寬250～700 m，總體地勢(shì)東北高，西南低，地面高程740～846 m。臺(tái)坪東、北、西三面受溝谷深切，臺(tái)緣曲折，地形陡峻。

3.2.2 地層巖性

上水庫(kù)地層由寒武系饅頭組與長(zhǎng)城系大紅峪組組成，二者呈平行不整合接觸。寒武系地層大多為薄層狀，其中砂質(zhì)泥巖、砂泥巖夾泥灰?guī)r的性質(zhì)軟弱，強(qiáng)度較低，遇水可軟化，失水易崩解。長(zhǎng)城系大紅峪組石英砂巖質(zhì)地堅(jiān)硬、性脆，強(qiáng)度高，高傾角裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)。因?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)地層中順層發(fā)育有眾多軟弱夾層，強(qiáng)度低，親水性較強(qiáng)，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定不利。

3.2.3 水文地質(zhì)

上水庫(kù)周邊為深切溝谷，排泄條件較好，無(wú)地表水體分布。地下水埋藏很深，據(jù)鉆孔ZK1的觀測(cè)資料，地下水埋深284 m，地下水位為523.76 m。

3.2.4 軟弱夾層

通過(guò)勘探揭露，上水庫(kù)地層中普遍發(fā)育有順層的軟弱夾層。其中饅頭組地層有軟弱夾層25條，庫(kù)盆內(nèi)大部分將被挖除，少部分在庫(kù)周壩基下分布；大紅峪組地層有軟弱夾層53條，大多分布在庫(kù)盆下并在臺(tái)緣陡崖上出露。

軟弱夾層按物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征分為兩類：Ⅰ類為泥夾碎屑型，夾層面呈舒緩波狀起伏，起伏差很小，普遍有泥膜，遇水軟化，抗剪強(qiáng)度低；Ⅱ類為碎屑巖片型，夾在軟硬相間巖層內(nèi)，呈舒緩波狀，起伏差較小，主要充填巖片和碎屑，局部見(jiàn)有泥膜，該類夾層長(zhǎng)期受到水的浸泡作用，將逐漸向Ⅰ類夾層轉(zhuǎn)化。

夾層粘土礦物 （X－射線）分析資料表明，在大紅峪組石英砂巖內(nèi)的夾層 （如Rd3－1、Rd3－3等），礦物成分主要為伊利石，含量達(dá)99%～100%；饅頭組內(nèi)的夾層 （如Rm1－4、Rm1－3等）伊利石含量為81.8%～83.9%，蒙脫石含量為7.1%～8.1%，此外還含有9.0%～10.1%的綠泥石和高嶺石。

根據(jù)試驗(yàn)資料，地質(zhì)給出的軟弱夾層抗剪指標(biāo)建議值見(jiàn)表2。

表2 上水庫(kù)軟弱夾層抗剪指標(biāo)建議值

3.3 壩基抗滑穩(wěn)定

上水庫(kù)巖體中普遍發(fā)育的軟弱夾層，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定不利。因此，根據(jù)軟弱夾層抗剪指標(biāo)地質(zhì)建議值，選取飽和狀態(tài)下的摩擦系數(shù)f=0.25計(jì)算壩基深層抗滑穩(wěn)定。結(jié)果表明，正常蓄水位＋7度地震工況下，壩基沿軟弱夾層Rd3－1、Rd3－2的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)不到規(guī)范要求 （k=1.10）；根據(jù)上水庫(kù)三維滲流數(shù)值模擬研究的等水頭線圖，綜合考慮軟弱夾層可能的飽和范圍和飽和狀態(tài)，選取半干燥狀態(tài)下的摩擦系數(shù)f=0.275計(jì)算壩基深層抗滑穩(wěn)定，各工況下計(jì)算結(jié)果可以滿足規(guī)范要求 （k＞1.10），壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

計(jì)算情況表明，軟弱夾層飽水后強(qiáng)度降低，成為壩基抗滑穩(wěn)定的控制因素，這也要求張河灣上水庫(kù)采用防滲性能更好的瀝青混凝土面板防滲形式，并進(jìn)一步研究采用能實(shí)時(shí)監(jiān)控滲漏情況、安全性更高的全庫(kù)防滲系統(tǒng)。

3.4 瀝青混凝土面板設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)階段 （等同可行性研究階段）選擇了瀝青混凝土復(fù)式斷面方案，考慮到瀝青混凝土技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)瀝青混凝土面板復(fù)式斷面和簡(jiǎn)式斷面存在的問(wèn)題，在保證防滲效果的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思路，分析面板各層的工作原理，重點(diǎn)對(duì)整平膠結(jié)層的功能、工作性能、施工條件進(jìn)行了分析和重新設(shè)計(jì)。

瀝青混凝土上防滲層已經(jīng)具有很好的防滲性能，一般不會(huì)發(fā)生滲漏。面板在實(shí)際運(yùn)行中，由于基礎(chǔ)不均勻變形，或者施工缺陷可能會(huì)造成局部細(xì)微裂縫漏水，滲漏水通過(guò)上防滲層裂縫進(jìn)入排水層的過(guò)程中，已經(jīng)損失了大部分的水頭，因此，作為第二道防滲層，下防滲層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以大大降低。整平膠結(jié)層本身材料也是瀝青混凝土，只要將其配合比稍作調(diào)整，適當(dāng)加大瀝青和填料含量，完全可以起到下防滲層的作用。經(jīng)過(guò)研究和實(shí)踐，相對(duì)于排水層滲透系數(shù)≥1×10-1cm/s來(lái)說(shuō)，整平膠結(jié)層的滲透系數(shù)控制在5×10-5cm/s以下，即整平膠結(jié)層與排水層滲透系數(shù)相差2 000倍，完全可以起到相對(duì)隔水層的作用，配合排水廊 （管）道系統(tǒng)，可以收集絕大部分的滲漏水。整平膠結(jié)層 （碾壓后）的技術(shù)指標(biāo)確定如表4所示。

表4 防滲整平膠結(jié)層技術(shù)指標(biāo)

同時(shí)，從傳統(tǒng)意義上來(lái)說(shuō)，整平膠結(jié)層的作用只是整平基礎(chǔ)，為上部面板提供一個(gè)機(jī)械作業(yè)的平面，同時(shí)也為瀝青混凝土面板基礎(chǔ)下臥層與面板之間的軟硬過(guò)渡進(jìn)行變形協(xié)調(diào)。基礎(chǔ)軟硬以及攤鋪機(jī)的壓實(shí)效率對(duì)整平膠結(jié)層性能有一定制約，隨著大型攤鋪施工機(jī)械的發(fā)展應(yīng)用，以目前的施工技術(shù)條件，整平膠結(jié)層要達(dá)到孔隙率≤5%，滲透系數(shù)≤5×10-5cm/s的目標(biāo)，完全可以做到。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，張河灣上水庫(kù)最終實(shí)施的方案是：瀝青混凝土防滲面板采用從上往下分別為封閉層、防滲層、排水層、 （防滲）整平膠結(jié)層的4層結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)分層及技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5，斷面簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

相對(duì)于傳統(tǒng)的瀝青混凝土復(fù)式斷面，該方案可減少瀝青混凝土工程量約12%～20%，由于少攤鋪一層，可縮短工期20%。更為重要的是，與庫(kù)底完善的排水檢查廊道系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)了滲漏水的收集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦面板運(yùn)行狀況發(fā)生變化，可確保在第一時(shí)間作出處理反應(yīng)，避免導(dǎo)致嚴(yán)重后果和重大損失。

表5 張河灣上水庫(kù)瀝青混凝土面板結(jié)構(gòu)分層及技術(shù)指標(biāo)

圖3 張河灣上水庫(kù)瀝青混凝土面板斷面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

張河灣上水庫(kù)瀝青混凝土面板施工由日本大成建設(shè)株式會(huì)社與中國(guó)葛洲壩水電工程集團(tuán)組成的聯(lián)營(yíng)體中標(biāo)承建。相對(duì)原傳統(tǒng)復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)形式，減少瀝青混凝土約1.9萬(wàn)m3，節(jié)省投資約5 800萬(wàn)元，縮短工期約3個(gè)月。

張河灣抽水蓄能電站上水庫(kù)于2007年9月開(kāi)始下閘蓄水，并于2008年9月28日成功蓄水至正常蓄水位810 m，經(jīng)過(guò)近兩年的運(yùn)行，水庫(kù)瀝青混凝土面板本身基本無(wú)滲漏，表現(xiàn)出良好的防滲性能，目前運(yùn)行正常。

4 結(jié)語(yǔ)

相比傳統(tǒng)的復(fù)式結(jié)構(gòu)形式，張河灣電站上水庫(kù)改進(jìn)后的瀝青混凝土面板結(jié)構(gòu)，在達(dá)到同樣的防滲效果的前提下，工程造價(jià)相對(duì)較低，且能對(duì)工程的滲漏情況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控和評(píng)價(jià)，對(duì)確保工程的安全運(yùn)行具有重要意義，對(duì)國(guó)內(nèi)其他已經(jīng)或考慮采用瀝青混凝土防滲的工程也具有很好的借鑒作用。