韓 瑞，夏世法，楊明成

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

1 國內外瀝青混凝土面板的應用現(xiàn)狀

瀝青混凝土面板具有良好的防滲能力、優(yōu)異的適應基礎變形和溫度變形能力,自身不需設置結構接縫，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70年代開始堆石壩瀝青混凝土面板防滲工程建設，截至90年代初期已經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)展大體經歷了自覺探索階段、國內外合作階段及自主創(chuàng)新階段。目前仍屬于第3階段的起步應用階段，應用率仍處較低水平。

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2次放空水庫，對面板裂縫及接縫止水進行大規(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，滲漏主要產生于進/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基礎不均勻變形能力強，不存在結構縫之類的薄弱環(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構，變形模量大，適應地基不均勻變形能力差，結構縫多，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酷環(huán)境下容易失效，導致防滲效果不佳，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(簡式結構)施工速度平均為2.9萬m2/月，西龍池下庫(簡式結構但弧面多，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(復式結構)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?？梢姡瑸r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，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、止水結構復雜、防裂措施多有較大關系。

(4) 國內技術水平

鋼筋混凝土面板的施工，中國已有成熟的施工技術。瀝青混凝土面板的施工，中國經歷了天荒坪、張河灣、西龍池抽水蓄能工程與國外公司的合作，通過國內科研和施工單位的努力，已具備自主設計、自主施工的能力。寶泉抽水蓄能工程是中國第1座完全由國內企業(yè)自行設計、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的國內施工單位數(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，建設單位組織有關專家研究論證，最終決定委托呼和浩特抽水蓄能電站(簡稱：呼蓄)主體設計單位進行上水庫庫盆防滲形式的研究比選工作(原可研、初設階段均為鋼筋混凝土面板防滲形式)。主體工程招標后進行的全庫盆防滲形式重大設計變更，為此設計單位從樞紐布置、工程量與投資、建筑材料、防滲材料對基礎變形的適應性、防滲效果、施工條件、運行檢修條件、施工技術可行性等十多個方面進行了大量設計技術研究工作，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，并經過三峽集團總工程師張超然院士為首的內部專家組反復研究報原設計審批單位審查后，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的應用情況

3.1 防滲結構形式

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構，從內至外依次為整平膠結層、(加厚層)、防滲層、封閉層組成，庫底與進出水口周邊剛性構造物連接采用瀝青砂漿柔性連接。其主要結構組成要求見表1。

表1 瀝青混凝土面板結構組成要求表

說明：加厚層設在瀝青混凝土面板與混凝土結構接縫的上部、斜坡與庫底連接弧面處及庫盆開挖回填分界等基礎介質彈模差異較大部位。

3.2 面板各層主要技術要求

整平層、防滲層、封閉層的各項技術要求詳見表2～4。

表2 整平膠結層技術要求表

表3 防滲層技術要求表

表4 改性瀝青封閉層技術要求表

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

通過設計院等多家科研院所的反復試驗研究以及施工單位多次現(xiàn)場試驗驗證推敲，最終確定了各結構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準表

項 目防滲層和加厚層改性瀝青混凝土整平膠結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℃

拌和樓所有稱量設備都應進行校準、測試。測試的誤差應在總的稱量能力的0.2%以內。設備每月都應予以校驗，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)

有關瀝青混凝土各環(huán)節(jié)溫度控制標準見表9，攤鋪后碾壓分初碾、復碾、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準表

表10 瀝青混凝土碾壓參數(shù)表(振動碾：SW330)

有關設備選型和施工控制方面的詳細內容未在此敘述，可參閱相關資料。

3.5 施工質量評價

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、滲透等試驗結果表明，上水庫瀝青混凝土的孔隙率、密度、真空度指標、滲透系數(shù)、斜坡流淌值、水穩(wěn)定系數(shù)、拉伸應變、彎曲應變等指標滿足設計及規(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)滿足了技術質量控制標準，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，北側庫岸布置有1個監(jiān)測斷面。監(jiān)測結果分析匯總如下。

(1) 抗凍性能：經歷了-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?shù)膬?yōu)勢。

(2) 瀝青混凝土變形：經過外水荷載、嚴冬收縮、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)域瀝青混凝土內部溫度差異最大可達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，其變形值與應變值均在較小范圍內，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 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歷了極端不利氣候條件的考驗，我們可以認為：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。

參考文獻:

[1] 邱彬如..抽水蓄能電站上水庫庫盆防滲形式比選——對瀝青混凝土面板防滲的再認識[C]//抽水蓄能電站工程建設論文集.北京：中國電力出版社,2009.

[2] 張恒軍,譯.國外建設抽水蓄能電站的經驗[J].山西水利科技,1995,(4):92-96.

[3] 肖貢元.宜興抽水蓄能電站上水庫設計的幾項決策[C]//抽水蓄能電站工程建設文集—紀念抽水蓄能電站專業(yè)委員會成立十周年.北京：中國電力出版社，2006.

[4] 我國抽水蓄能電站建設現(xiàn)狀與前景分析[OL].北極星智能電網在線，2012-6-26，11:57:48，http://www.chinasmartgrid.com.cn/news/20120626/369042.shtml.