馬保東，郝巨濤，孫志恒，汪正興，董旭龍

（1.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北省井陘縣 050300；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京市 100038；3.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京市 100038）

1 前言

土石壩瀝青混凝土防滲結(jié)構(gòu)具有防滲性能優(yōu)異、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、不需設(shè)置接縫、易于修繕補(bǔ)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且在嚴(yán)寒高山地區(qū)或潮濕多雨地帶可快速施工，利于工程早日發(fā)揮效益，因而在工程中尤其是抽水蓄能電站蓄水庫中得到越來越廣泛的應(yīng)用。從1994年開始，抽水蓄能電站上、下庫開始采用瀝青混凝土面板防滲型式，國內(nèi)已建工程有天荒坪、西龍池、張河灣、寶泉、呼蓄等抽水蓄能電站。

瀝青混凝土面板防滲技術(shù)要求較高，工程中應(yīng)對(duì)不當(dāng)可出現(xiàn)不同程度的缺陷，嚴(yán)重的可影響面板正常運(yùn)行。常見的缺陷包括面板開裂、斜坡流淌、鼓包等。張河灣抽水蓄能電站2007年12月30日并網(wǎng)發(fā)電，其上水庫采用全庫盆瀝青混凝土面板防滲，2006年開工，庫底防滲面積13.7萬m2，庫坡20.0萬m2，庫坡1∶1.75。庫頂高程812m，正常蓄水位810m，死水位779m，水位變幅區(qū)高程范圍為795～810m。為盡可能減少滲漏水進(jìn)入基礎(chǔ)，使基礎(chǔ)軟弱夾層盡可能處于天然狀態(tài)，同時(shí)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測防滲系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并節(jié)省投資，上水庫瀝青混凝土面板采用了新型復(fù)式斷面設(shè)計(jì)，將下防滲層與整平膠結(jié)層合并為一層，稱為防滲整平層。全庫襯砌面板自上而下分別為：2mm厚瑪蹄脂封閉層、10cm厚防滲面層（滲透系數(shù)≤1×10-8cm/s，孔隙率≤3%）、8cm/10cm厚排水層（庫坡8cm，庫底10cm，滲透系數(shù)≥1×10-1cm/s，孔隙率≥16%）和8cm厚防滲整平層（滲透系數(shù)≤5×10-5cm/s，孔隙率≤5%）。在坡面與庫底面交界處、面板與廊道、進(jìn)水塔等剛性結(jié)構(gòu)接頭部位設(shè)置了5cm厚的加厚防滲層，并在加厚層與防滲層之間設(shè)置了加強(qiáng)網(wǎng)格。上水庫庫底設(shè)置了完備的排水檢查廊道系統(tǒng)，包括庫底周邊廊道、庫底中間廊道、進(jìn)出水口周邊廊道、外排廊道、北端與南端通風(fēng)交通廊道。全庫面板排水共分成68個(gè)區(qū)，其中庫坡32個(gè)區(qū)，庫底36個(gè)區(qū)。分區(qū)以隔條帶分割，各自獨(dú)立[4]。

自2009年9月起直至2015年，張河灣上水庫瀝青混凝土面板陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些缺陷，如不規(guī)則鼓包和裂縫，局部較為集中，鼓包直徑一般10～40cm，裂縫長度5～40cm，引起了人們關(guān)注，并對(duì)缺陷進(jìn)行了處理。2009～2014年共處理缺陷500余處。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，瀝青混凝土面板鼓包的成因主要有反水壓、蒸汽壓、斜坡流淌等。2014年11月，在庫頂瀝青混凝土面板深入排水層安裝了?76mm排氣管，以減小排水層可能存在的蒸汽壓。但安裝排氣管后，仍有鼓包出現(xiàn)。因此，迫切需要查找鼓包成因，以便為根治可能出現(xiàn)的鼓包提供依據(jù)。本文介紹了張河灣瀝青混凝土面板的缺陷情況，同時(shí)對(duì)國內(nèi)外的相關(guān)同類缺陷進(jìn)行了介紹，對(duì)鼓包成因進(jìn)行了分析，以為工程界參考。

2 張河灣瀝青混凝土面板的鼓包缺陷特點(diǎn)

2014年缺陷處理后，2016年4月下旬對(duì)張河灣當(dāng)前缺陷情況又進(jìn)行了一次全面普查，共計(jì)發(fā)現(xiàn)缺陷282處，其中鼓包193處，局部小范圍流淌87處，流淌范圍10～100cm不等，長40cm的水平向裂縫1處及直徑30cm的封閉層鼓包破損1處。從鼓包密度方面，面板鼓包主要分布在樁號(hào)0+000～0+600，占鼓包總數(shù)的60%。在高度分布方面，鼓包大都分布在800～810m高程之間（占98%），其中808～809m高程鼓包數(shù)量達(dá)41個(gè)（見圖1）。在鼓包大小方面，主要是直徑10～30cm的鼓包占78%，其中直徑10cm的鼓包最多，約為42個(gè)（見圖2）。在外觀方面，有的鼓包外表開裂（見圖3），有的未開裂，數(shù)量各占一半，且開裂的鼓包有大有小，未開裂的也大小都有，差別不大。

圖1 鼓包沿高程分布圖Fig.1 Blister numbers with elevation

圖2 鼓包大小分布圖Fig.2 Blister sizes versus their numbers

圖3 面板典型鼓包Fig.3 Typical blister appearance

現(xiàn)場對(duì)位于樁號(hào)0+325、高程801m、直徑40cm的鼓包進(jìn)行了取芯，該鼓包外表有未漏水裂口，取芯直徑30cm。在打膨脹螺栓孔鉆至5cm深時(shí)，鼓包處涌出壓力水。取出的芯樣也發(fā)現(xiàn)在表面以下4～5cm處的上防滲層內(nèi)出現(xiàn)分層，見圖4，分層下側(cè)的防滲層完好。因鼓包直徑大于芯樣直徑，鉆孔內(nèi)壁仍可見分層痕跡。

圖4 面板鼓包芯樣Fig.4 Core drilled from blister position

張河灣瀝青面板鼓包數(shù)量較多，40cm直徑以下的鼓包占約95%，芯樣檢查也發(fā)現(xiàn)這類小鼓包所在的上防滲層并沒有被整體抬動(dòng)，鼓包成因可能與排水層是否承壓（水壓或汽壓）關(guān)系不大。另外，鼓包的高程分布顯示其形成與庫水位的日程變動(dòng)有直接關(guān)系，圖1中給出809m高程的鼓包最多，該處在水位變幅區(qū)中的暴露時(shí)間較長，夏季時(shí)溫度較高，表明鼓包的形成與庫水作用和日照作用有關(guān)。其深層次原因還有待研究。

3 國內(nèi)外瀝青混凝土防滲面板的鼓包缺陷

瀝青混凝土面板出現(xiàn)鼓包時(shí)有發(fā)生，鼓包通常是由包裹在瀝青混凝土面板中的水引起，當(dāng)水形成水蒸氣，且防滲層黏度降低變軟就會(huì)發(fā)生鼓包[1]。水既可以包裹在上下防滲層之間，也可以包裹在防滲層自身中，出現(xiàn)的鼓包范圍也不一樣。

除了上述的面板結(jié)構(gòu)、材料導(dǎo)致鼓包的原因外，施工不當(dāng)也會(huì)引發(fā)鼓包。攤鋪層碾壓時(shí)，為防止粘碾常需灑水。振動(dòng)碾灑水的水滴在碾壓過程中可能被封閉入防滲層表面，后在蒸汽壓下形成鼓包，因此施工中應(yīng)盡可能減小灑水量。由于目前主要采用具有熨平壓實(shí)梁的攤鋪機(jī)攤鋪，其高壓實(shí)度可以最大限度地封閉攤鋪層表面，防止水滴進(jìn)入，工程中此類灑水形成的鼓包已不常見。對(duì)于瀝青混凝土配合比，采用較高含量的細(xì)粒料，包括填料和細(xì)砂，以及足夠的瀝青，也可以減小水滴進(jìn)入攤鋪層[6]。

3.1 反水壓形成的鼓包

石砭峪定向爆破堆石壩1978年5月蓄水，其瀝青混凝土防滲面板采用簡式斷面，防滲層厚度根據(jù)水壓采用10、15、20cm三種厚度，高程690m以下防滲層厚度為20cm，整平膠結(jié)層厚12cm。同年8月、9月兩次放水期間，庫水位每日下降4～5m，導(dǎo)致在664～665.5m高程偏右岸范圍出現(xiàn)8個(gè)不同大小的鼓包，其中1號(hào)鼓包最大，直徑約為3m，高度達(dá)17cm，頂部裂縫寬9cm。經(jīng)分析，鼓包是由反水壓造成的。因水庫蓄水時(shí)帷幕灌漿尚未完成，繞壩滲流量很大；其次爆破堆石體平均滲透系數(shù)為1×10-4cm/s，排水能力差，致使在庫水位快速下降中，面板后來不及排水，反向水頭達(dá)3.7m，導(dǎo)致面部發(fā)生鼓包。事后將鼓包范圍內(nèi)的瀝青混凝土全部挖除，再按原設(shè)計(jì)層次和瀝青混合料分層回填、壓實(shí)。鋪設(shè)前周邊采用遠(yuǎn)紅外線加熱器加熱，以確保接縫結(jié)合緊密。修補(bǔ)完成后，帷幕灌漿也已完成，運(yùn)用中也嚴(yán)格控制庫水位下降速率不大于2m/d，面板運(yùn)行后再無鼓包發(fā)生[9]。

3.2 兩次攤鋪防滲層的鼓包

奧地利Innerfragant水庫和Haselstein水庫的瀝青混凝土面板壩分別建成于1966年和1967年。大壩瀝青混凝土面板均采用簡式斷面，整平膠結(jié)層厚6cm，防滲層分兩次攤鋪，厚度為2×4cm。瀝青為B80/100，瀝青含量為7.7%和8.5%，骨料最大粒徑為10mm。建成后數(shù)年間面板出現(xiàn)鼓包。鼓包破壞了上防滲層，并影響到下防滲層。經(jīng)分析認(rèn)為，鼓包是因防滲層層間的蒸汽壓力所致。把鼓包鉆開后發(fā)現(xiàn)，鼓包內(nèi)的冰凍和凍融循環(huán)正逐漸侵蝕到下防滲層，有些鼓包已侵蝕到下防滲層幾乎4～5cm的整個(gè)厚度。鼓包修補(bǔ)時(shí)將上防滲層切開，并清理干凈，邊緣噴涂熱瀝青，并用新瀝青混凝土回填。但是修補(bǔ)一段時(shí)間后，在修補(bǔ)部位斜坡向下處又出現(xiàn)了新的鼓包，這可能是潮氣沿著防滲層層間通道遷移所致。用加熱—壓實(shí)方法修補(bǔ)鼓包的效果并不好，由于周圍還會(huì)出現(xiàn)新的鼓包，還需進(jìn)行修補(bǔ)?，F(xiàn)場曾耗時(shí)3年在鼓包上涂刷Kemperol彈性涂膜進(jìn)行防滲修復(fù)，但因鼓包在涂膜下還在活動(dòng)，導(dǎo)致涂膜局部與瀝青混凝土脫開[8]。

圖5 面板鼓包及芯樣外觀（Tschernutter，1988）a-整平膠結(jié)層;b-防滲底層;c-防滲表層Fig.5 Blister and its core appearancea-Binder layer;b-Lower impervious layer;c-Top impervious layer

德國的Geesthacht抽水蓄能電站上庫建成于1958年，庫坡面積8萬m2，庫底22萬m2。庫岸填筑體由含礫中粗砂組成，壓實(shí)后平均孔隙率為38%。瀝青混凝土面板底部為5cm厚的瀝青砂漿，以確保填筑體被滲水侵蝕；表層為分兩次攤鋪的防滲層，且上下層錯(cuò)縫以防滲漏，其中庫坡厚2×3.5cm，庫底厚2×3.0cm；最后表面涂刷瀝青瑪蹄脂封閉層。施工中為防止施工設(shè)備破壞瀝青砂漿面，庫坡采用人工攤鋪和1t碾壓設(shè)備，可使骨料最大粒徑8mm的瀝青混合料孔隙率達(dá)到2.6%。施工期間，已攤鋪的庫底瀝青混凝土面板曾在大氣氣壓驟降時(shí)出現(xiàn)高約1m的大鼓包，待面板底部氣壓調(diào)整后鼓包消失，且沒有傷害面板。水庫運(yùn)行3年后，1961年初面板發(fā)生鼓包，鼓包是由滲水進(jìn)入兩層防滲層之間，在溫差和氣壓下產(chǎn)生氣泡造成的。1961年還只有少量的鼓包，1962年鼓包明顯增加，到第一個(gè)十年末，鼓包再?zèng)]有增加的趨勢[3]。在第一個(gè)十年后，面板條帶間又出現(xiàn)了裂縫，到20世紀(jì)70年代末又發(fā)現(xiàn)了個(gè)別鼓包。1985～1986年對(duì)庫岸面板進(jìn)行了翻修，清除了4.5cm厚的老防滲層并除去了上下層之間界面，將保留的2.5cm厚老防滲層面鑿成楞條狀，并在其上噴灑改性乳化瀝青，一次性攤鋪的8cm厚新防滲層（0/11mm）中采用了改性瀝青，以提高抗拉能力[6]。

3.3 材料缺陷造成的鼓包

波蘭第一座抽水蓄能電站Porabka-Zar歷經(jīng)十年于1978年建成，上水庫堆石體采用黏土狀硅酸鹽膠結(jié)的海相砂巖填筑，物理性能很差，極易受滲水侵蝕影響，故采用復(fù)式瀝青混凝土面板防滲，表層防滲層厚7cm，中間排水層厚15cm，防滲底層厚6cm，膠結(jié)層厚10cm。工程運(yùn)行三年后，1981年面板首次出現(xiàn)鼓包，鼓包直徑5～10cm，裂口深3～5cm。鼓包每年都有新的出現(xiàn)，位于24h水位變幅區(qū)。經(jīng)分析，鼓包碎屑來自風(fēng)化的玄武巖骨料。該骨料在大氣環(huán)境下易于分化解體。電子顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)玄武巖顆粒分布有微裂紋，在滲水作用下可加速弱化。當(dāng)骨料侵蝕產(chǎn)物在庫水位下降時(shí)沿面板縫隙析出后，面板內(nèi)會(huì)逐漸形成空腔，進(jìn)而形成鼓包。取芯檢查發(fā)現(xiàn)，表層瀝青混凝土壓實(shí)很差，內(nèi)部含有1.7cm×2.9cm大小的空腔，這也與?12mm的玄武巖侵蝕骨料相吻合。破壞涉及幾乎整個(gè)層厚，完好部分厚度僅剩余1cm。由于每年此類鼓包的人工修補(bǔ)約1.5萬個(gè)，因此需要更有效的修補(bǔ)方法[7]。

德國南部的Langenprozelten抽水蓄能電站上水庫1975年投入運(yùn)行，采用瀝青混凝土簡式斷面面板防滲，結(jié)構(gòu)為4kg/m2封閉層（分2層涂刷）、7cm厚瀝青混凝土防滲層、6cm厚瀝青混凝土膠結(jié)層，底部為20cm石灰?guī)r碎石排水層。經(jīng)過近20年的運(yùn)行，各類缺陷導(dǎo)致了滲漏量的增加，遂進(jìn)行全面翻修，庫坡采用全新瀝青混凝土襯砌，庫底根據(jù)需要進(jìn)行了局部修復(fù)。翻修前原襯砌的主要缺陷包括：

圖6 Porabka-Zar大壩瀝青混凝土面板的鼓包（Szling，Z.，1991）[7](a)庫水位晝夜變幅圖;(b)面板結(jié)構(gòu)圖;(c)取芯處鼓包斷面1-水位變幅區(qū)以上面板;2-鼓包區(qū)域;3-上防滲層;4-排水層;5-下防滲層;6-膠結(jié)層;7-反濾層;8-鼓包;9-鼓包;10-鑿除鼓包并清理后回填的熱瀝青混凝土Fig.6 Blisters of asphalt concrete facing of Porabka-Zar Dam（Szling，Z.，1991）[7](a)Daily change of water level;(b)Face cross section;(c)Core cross section with blister1-Face above water level fl uctuation;2-Blister range;3-Top impervious layer;4-Drainage layer;5-Lower impervious layer;6-Binder layer;7-Filter layer;8-Blister;9-Blister;10-Asphalt concrete re fi lled after conditioning

（1）面板與防浪墻間接縫張開。

（2）瀝青混凝土面板坡向條帶施工縫間距5m，施工縫因施工缺陷而張開，導(dǎo)致水庫滲漏，面板松散，并沿裂縫發(fā)生漸進(jìn)侵蝕。

（3）面板鼓包。鼓包部分是由防滲層中摻雜的豌豆粒大小的潮濕灰泥塊引起，在日照下面板升溫時(shí)灰泥塊會(huì)產(chǎn)生水蒸氣，并引發(fā)鼓包。

另外，蓄水位以上也有鼓包發(fā)生，這是雨水通過面板與防浪墻之間張開的縫隙進(jìn)入防滲層和排水膠結(jié)層之間造成的。另外，通過條帶間接縫進(jìn)入的水也會(huì)引發(fā)鼓包，并使接縫處的面板由表及里逐漸松散[2]。

4 應(yīng)對(duì)鼓包的試驗(yàn)研究

日本學(xué)者早期曾進(jìn)行了一系列模型試驗(yàn)（Sawada等，1973）[5]，以指導(dǎo)瀝青混凝土面板壩的面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)針對(duì)復(fù)式瀝青混凝土面板進(jìn)行，其斷面結(jié)構(gòu)自上而下分別為6cm厚細(xì)粒級(jí)配瀝青混凝土、6cm厚密級(jí)配瀝青混凝土、8cm厚開級(jí)配瀝青混凝土、6cm厚密級(jí)配瀝青混凝土、6cm厚細(xì)粒級(jí)配瀝青混凝土、3.5cm厚整平層、碎石墊層。試驗(yàn)所用瀝青針入度為71dmm，軟化點(diǎn)為48℃。試驗(yàn)中瀝青混凝土的勁度模量（抗壓、抗拉、抗彎）均按照應(yīng)變等于90%破壞應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變比值確定。

當(dāng)排水層中有水時(shí)，其上的防滲層應(yīng)能夠承受相應(yīng)的水壓力。為此Sawada等人進(jìn)行了模型試驗(yàn)以了解面板防滲層能夠承受的水壓力[5]。模型試驗(yàn)中采用2.4m×2.4m的正方形原比尺瀝青混凝土復(fù)式面板進(jìn)行，面板四周由角鋼固定，以面板斷面中間的開級(jí)配瀝青混凝土排水層形成2.05m×1.01m×0.08m的水壓力注水腔。在不同溫度下保持不同的水壓力，量測面板中心點(diǎn)撓度值隨時(shí)間的變化，直至面板漏水。其典型試驗(yàn)過程見圖7（文獻(xiàn)未標(biāo)明溫度），試驗(yàn)結(jié)果見表1。

為了預(yù)測方板的撓度，該研究采用彈性板理論進(jìn)行分析。設(shè)q為均布荷載，W為板的豎向撓度分布，x，y，z為笛卡爾坐標(biāo)，則有：

圖7 排水層施加水壓力時(shí)的中心點(diǎn)撓度值Fig.7 Central deflection by water pressure in drainage layer

根據(jù)跨度10cm試件的抗彎試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算中先統(tǒng)一按90%破壞應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變比值作為抗彎勁度E，并將理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1。從中看出2℃時(shí)的撓度計(jì)算結(jié)果與24℃的撓度試驗(yàn)結(jié)果基本符合，但10℃時(shí)二者相差很大。將10℃的抗彎勁度E取值為30%破壞應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變比值530kg/cm2，則撓度計(jì)算值下降為3.9mm，盡管與1.6mm的試驗(yàn)值仍有差距，但認(rèn)為是由試驗(yàn)中排水層與防滲層之間黏接在一起導(dǎo)致抗彎剛度增大造成的。

通過上述模型試驗(yàn)和理論分析可知，24℃時(shí)12mm厚的面板在0.06kg/cm2的水壓力作用下就會(huì)發(fā)生26mm高的鼓包。為此面板的排水系統(tǒng)應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，以防排水層持水。另外，采用彈性理論分析時(shí)，抗彎勁度應(yīng)小心取值，應(yīng)在精細(xì)的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)溫度、變形速率和合適的應(yīng)變比值下選用[5]。

5 結(jié)束語

土石壩瀝青混凝土防滲面板具有防滲性能優(yōu)異、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、不需設(shè)置接縫、易于修繕補(bǔ)強(qiáng)的特點(diǎn)，因而在工程中尤其是抽水蓄能電站蓄水庫中得到越來越廣泛的應(yīng)用。瀝青混凝土面板運(yùn)行時(shí)因各種原因可能會(huì)出現(xiàn)封閉層老化、防水層裂縫、流淌及鼓包。通過調(diào)研分析可知，瀝青混凝土面板的鼓包成因復(fù)雜，包括因排水（汽）不暢在面板背面形成的反水（汽）壓（石砭峪、Geesthacht）、分層施工面板中因各種缺陷導(dǎo)致滲漏水進(jìn)入面板夾層（Innerfragant、Haselstein、Geesthacht）、瀝青混凝土中誤用了病害 礦 料（Porabka-Zar、Langenprozelten）、 施 工碾壓時(shí)灑水過大等。對(duì)于鼓包大小，一般反水（汽）壓形成的鼓包最大，石砭峪直徑可達(dá)3m、高17cm，Geesthacht施工期間的庫底汽包高達(dá)1m。這類鼓包一旦查明原因，措施得當(dāng)，消除得也很快。對(duì)于其他成因的鼓包，因包裹在防滲層中的水量有限，鼓包通常較小，但因問題暴露時(shí)間長，處理時(shí)間也較長。張河灣上庫瀝青混凝土面板的鼓包數(shù)量較多，為國內(nèi)罕見，盡管鼓包尺寸較小，處理工作有限，但為積累經(jīng)驗(yàn)，有必要對(duì)其開展了專門研究，以查明成因，為管理工作中的積極應(yīng)對(duì)提供依據(jù)。

表1 面板撓度試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比 [5]Tab.1 Deflection comparisons between test and computation（Sawada，1973）[5]

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