王櫻畯，王登銀，趙 琳

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省抽水蓄能工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311122)

0 引 言

瀝青混凝土具有良好的抗?jié)B性、極佳的柔性變形特點(diǎn)以及自愈閉合的功能，因此瀝青混凝土在水利水電工程中應(yīng)用廣泛，特別是作為壩體或水庫(kù)庫(kù)盆的防滲體，其特點(diǎn)得到了極大的發(fā)揮。抽水蓄能電站水庫(kù)的瀝青混凝土面板在運(yùn)行期由于受庫(kù)水位頻繁大幅升降的影響，同時(shí)遭受匯流水(包括壩頂噴淋水、雨水等)沖刷，其面板封閉層在數(shù)年后就可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象。封閉層具有保護(hù)防滲層、提高面板抗?jié)B性、延緩瀝青混凝土老化等作用，因此對(duì)瀝青混凝土老化性能、工作性態(tài)開(kāi)展深入研究很有意義。

天荒坪抽水蓄能電站上水庫(kù)采用瀝青混凝土面板防滲，為了解面板封閉層運(yùn)行多年后的老化程度，2015年在上水庫(kù)取芯進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明，瀝青混凝土面板常年裸露區(qū)、水位波動(dòng)區(qū)的封閉層出現(xiàn)較為嚴(yán)重的老化現(xiàn)象。

本項(xiàng)目依托天荒坪電站上水庫(kù)防滲工程，開(kāi)展瀝青混凝土面板封閉層老化研究，并針對(duì)抽水蓄能電站水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)提出相應(yīng)治理對(duì)策，可為后續(xù)類似工程提供較好的實(shí)踐參考和指導(dǎo)。

1 天荒坪抽蓄工程上水庫(kù)概況[1- 6]

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)。電站裝機(jī)容量1 800 MW，電站樞紐主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群和地面開(kāi)關(guān)站組成。上水庫(kù)利用天然洼地挖填而成，四周布置有1座主壩和4座副壩，主壩最大壩高72 m，主、副壩均為土石壩，設(shè)計(jì)最高蓄水位(正常蓄水位)905.2 m，總庫(kù)容919.2萬(wàn)m3，工作深度42.2 m[1- 6]。1998年9月底第1臺(tái)機(jī)組開(kāi)始發(fā)電運(yùn)行，2000年12月6臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

上水庫(kù)采用全庫(kù)盆瀝青混凝土面板防滲，面板為簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu)，包括封閉層、防滲層、整平膠結(jié)層。封閉層厚2 mm，防滲層厚10 cm，整平膠結(jié)層庫(kù)底部位厚8 cm，庫(kù)岸及壩坡部位厚10 cm。在坡腳反弧段和進(jìn)/出水口前圓弧段設(shè)置有厚5 cm的防滲加厚層。防滲層和整平膠結(jié)層及庫(kù)底封閉層采用沙特阿拉伯B80瀝青，封閉層采用沙特阿拉伯B45瀝青。圖1為上水庫(kù)瀝青混凝土面板典型剖面。

圖1 上水庫(kù)瀝青混凝土面板典型剖面(單位：m)

2 瀝青混凝土防滲面板封閉層取樣

2.1 封閉層現(xiàn)狀

經(jīng)對(duì)封閉層現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，整個(gè)上水庫(kù)庫(kù)盆封閉層均發(fā)生了不同程度的破壞。破壞以主壩區(qū)域最為嚴(yán)重，其次為北庫(kù)岸和東庫(kù)岸，西庫(kù)岸相對(duì)最輕。

根據(jù)封閉層破損情況，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)可將封閉層按高程分為2個(gè)區(qū)， 898.00 m高程以上為A區(qū)，為封閉層破損區(qū)；898.00 m高程以下為B區(qū)，為封閉層外觀完整區(qū)。根據(jù)破損情況可將A區(qū)進(jìn)一步分成A1區(qū)(常年裸露區(qū))和A2區(qū)(水位變幅區(qū))。A1區(qū)封閉層呈豎向條帶型破損，未受水流作用的部位破損相對(duì)較小，受匯流水(包括噴淋水、雨水、溫泉排放水等)沖刷部位相對(duì)嚴(yán)重，見(jiàn)圖2。A2區(qū)為水位變動(dòng)區(qū)，封閉層破損情況比A1區(qū)更為嚴(yán)重，該區(qū)除經(jīng)受A1區(qū)所受的陽(yáng)光照射和匯流水沖刷外，還承受庫(kù)水位變動(dòng)沖刷作用。

圖2 常年裸露區(qū)(A1)封閉層外觀

在水庫(kù)西北角庫(kù)岸，由于溫泉水排放導(dǎo)致的封閉層破壞情況見(jiàn)圖3。

圖3 溫泉水排放造成的封閉層破壞

綜上所述，上水庫(kù)瀝青混凝土面板封閉層已出現(xiàn)較大范圍破壞。

2.2 取樣部位

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，取樣部位根據(jù)上水庫(kù)A1區(qū)的外觀老化程度，選取具代表性的a點(diǎn)(樁號(hào)1+260)、b點(diǎn)(樁號(hào)0+710)和c點(diǎn)(樁號(hào)0+420)，每個(gè)部位取樣面積1～2 m2，高程905.00 m，其中b點(diǎn)、c點(diǎn)老化程度較輕。

3 封閉層老化性能試驗(yàn)

首先對(duì)取樣的瀝青瑪蹄脂樣品進(jìn)行3大指標(biāo)檢測(cè)，然后采用新拌制的瀝青瑪蹄脂進(jìn)行室內(nèi)紫外線加速老化試驗(yàn)。

3.1 封閉層取樣試驗(yàn)

a點(diǎn)、b點(diǎn)和c點(diǎn)3個(gè)部位的封閉層瀝青瑪蹄脂樣品回收瀝青的性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 封閉層瀝青瑪蹄脂回收瀝青性能

表2 瀝青瑪蹄脂加速老化試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)成果表明，從現(xiàn)場(chǎng)取回的瀝青瑪蹄脂中回收的瀝青在常溫下已相當(dāng)硬、脆。瀝青的針入度和延度幾乎都降為0，軟化點(diǎn)已升至90 ℃左右，說(shuō)明這些部位的封閉層瀝青瑪蹄脂壽命已基本完結(jié)，在雨水沖刷或溫度變化的情況下隨時(shí)可能脫落。

3.2 室內(nèi)紫外加速老化試驗(yàn)

為了研究太陽(yáng)輻射對(duì)封閉層老化的影響，在室內(nèi)進(jìn)行了瀝青瑪蹄脂的紫外光加速老化試驗(yàn)。上水庫(kù)封閉層瀝青瑪蹄脂采用的瀝青為沙特阿拉伯B45瀝青，試驗(yàn)采用性能指標(biāo)與B45瀝青相近的中海油公司生產(chǎn)的道路50號(hào)瀝青，按照上水庫(kù)封閉層配合比(瀝青：礦粉=3∶7)拌制。室內(nèi)紫外加速老化試驗(yàn)在美國(guó)Q-lab公司生產(chǎn)的Q-uv紫外老化試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)光源采用UVA-340熒光燈(波長(zhǎng)范圍295～365 nm，峰值340 nm)，輻照度可在0.35 ～1.55 W/m2(@340 nm)之間調(diào)節(jié)，溫度可在45～65 ℃之間調(diào)節(jié)。設(shè)備具有輻照度自動(dòng)控制系統(tǒng)，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)燈管輻照度。

為模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，封閉層測(cè)試樣品厚度按照2 mm涂刷。一般夏季正午時(shí)分，地面接收到的太陽(yáng)紫外輻射強(qiáng)度為0.6～0.7 W/m2(@340 nm)，因此采用1.55 W/m2(@340 nm，約為2倍太陽(yáng)輻射)、0.68 W/m2(@340 nm，夏季正午)、0.35 W/m2(@340 nm，相當(dāng)于3/9月的日光)3種紫外光強(qiáng)。受紫外老化試驗(yàn)機(jī)的限制，采用45、50、55 ℃ 3種溫度組合進(jìn)行試驗(yàn)。

考慮到原樣瀝青的25 ℃針入度較小，不利于和老化的針入度進(jìn)行比較，因此封閉層紫外老化試驗(yàn)中針入度測(cè)試溫度調(diào)整為35 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如表2、圖4。

圖4 針入度、軟化點(diǎn)、黏度與紫外老化時(shí)間關(guān)系(55 ℃)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在45～55 ℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)老化的影響很小。這和以往的研究結(jié)論較為符合。在同一溫度條件下，針入度隨著老化時(shí)間逐漸降低，軟化點(diǎn)和黏度隨著老化時(shí)間逐漸升高。老化速度隨著紫外光輻射強(qiáng)度的升高而升高。

4 封閉層老化預(yù)測(cè)

4.1 封閉層的紫外老化方程

在同一溫度條件下，針入度隨著老化時(shí)間逐漸降低，軟化點(diǎn)和黏度隨著老化時(shí)間逐漸升高。老化速度隨著紫外輻射強(qiáng)度的升高而升高。

一般老化過(guò)程中，材料的物性與老化速率關(guān)系為[7]

f(P)=kt

(1)

式中，f(P)為物性函數(shù)；k為反應(yīng)速率；t為老化時(shí)間。

對(duì)于熱老化，反應(yīng)速率通常采用修正的阿雷尼烏斯公式，反應(yīng)速率為

(2)

式中，A為頻率因子；m為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，不大于4的整數(shù)或半整數(shù)；Ea為反應(yīng)活化能；R為普適氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

對(duì)于紫外老化，反應(yīng)速率可以采用如下類似形式[8]

(3)

式中，C為速率常數(shù)；U為紫外輻射強(qiáng)度；α為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)；Eu為紫外活化能。

由于在溫度小于80 ℃時(shí)，溫度對(duì)老化速率的影響很小，因此在溫度小于80 ℃時(shí)，Eu/R≈0，k≈CUα，表明紫外老化速率與紫外輻射強(qiáng)度之間為指數(shù)關(guān)系。

材料的物性函數(shù)f(P)一般采用指數(shù)或?qū)?shù)形式的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于紫外老化的經(jīng)驗(yàn)公式為

P=Aexp(CUαt)+B

(4)

式中，A、B為擬合系數(shù)。

對(duì)不同紫外輻射強(qiáng)度條件下的老化數(shù)據(jù)按式(4)擬合，可以得到老化速率k與不同紫外輻射U的函數(shù)關(guān)系

k=CUα

(5)

lnk=α·lnU+lnC

(6)

將不同紫外輻射強(qiáng)度下的lnk與紫外輻射強(qiáng)度U按直線擬合即可得到指數(shù)α和常數(shù)C，從而得到紫外老化方程。

以針入度為例，建立封閉層的紫外老化方程，不同紫外輻射強(qiáng)度下的老化參數(shù)見(jiàn)表3，lnk與lnU關(guān)系擬合成果見(jiàn)圖5。

表3 不同紫外輻射強(qiáng)度下的老化參數(shù)

圖5 lnk與lnU關(guān)系擬合曲線(55 ℃)

可以計(jì)算出，C=-0.001 516、α=0.728 08。對(duì)于參數(shù)A、B可取3個(gè)紫外輻射強(qiáng)度下的平均值，得到A=90.099，B=9.358。于是得到以針入度(35 ℃)為參數(shù)的封閉層紫外老化方程為P=90.099exp(-0.001 516U0.728 08t)+9.358。

4.2 天荒坪抽蓄工程上水庫(kù)紫外輻射情況

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一般用輻照度表示，為單位面積通過(guò)的能量。直射與散射之和就是到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射。太陽(yáng)總輻射一般采用總輻射表測(cè)量，可以測(cè)量280～3 000 nm波長(zhǎng)范圍。如果只關(guān)心太陽(yáng)輻射中某一波段的輻射強(qiáng)度，比如紫外波段的輻射強(qiáng)度，可以采用分光輻射表來(lái)測(cè)量。

當(dāng)無(wú)法進(jìn)行直接測(cè)量的情況下，任意平面上得到的太陽(yáng)輻射還可以采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算，直接輻照度按下式計(jì)算：

Id=Idn(cosθsinβ+sinθcosβcos(γ-α))

(7)

式中，Id為任意平面上太陽(yáng)直射輻照度，W/m2；Idn為與太陽(yáng)光線垂直的平面上的太陽(yáng)直射輻照度，W/m2；θ為任意平面的傾角，(°)；β為太陽(yáng)高度角，指某地太陽(yáng)光線與通過(guò)該地與地心相連的地表切線的夾角；γ為太陽(yáng)方位角，(°)；α為任意平面的方位角，(°)；其中Idn、θ、α通過(guò)實(shí)測(cè)獲得。

以上數(shù)學(xué)模型計(jì)算的是280～3 000 nm范圍內(nèi)的輻照度，如要計(jì)算其中紫外部分(280～400 nm)的輻照度還需要知道紫外輻射在太陽(yáng)輻射中的比例，一般紫外線在太陽(yáng)光譜中的比例為3%～7%。

由于天荒坪抽水蓄能電站上水庫(kù)并未安裝太陽(yáng)輻射觀測(cè)設(shè)備，因此太陽(yáng)輻射只能通過(guò)離電站最近的太陽(yáng)輻射觀測(cè)站——杭州市氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步估算。

以下是用杭州氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)計(jì)算出的天荒坪抽水蓄能電站上水庫(kù)面板太陽(yáng)輻射結(jié)果，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以大致看出不同朝向的面板之間接收的太陽(yáng)輻射的差異，見(jiàn)圖6。

圖6 上水庫(kù)太陽(yáng)輻射量

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，上水庫(kù)一周不同部位面板接收的太陽(yáng)輻射量差異較大，在630 000～1 330 000 Wh/m2之間。輻射最強(qiáng)的北庫(kù)岸的輻射量約為輻射最弱的主壩部位的2倍。

若紫外線在太陽(yáng)光譜中的比例按5%計(jì)算，則天荒坪抽水蓄能電站上水庫(kù)1年的紫外輻射量在31 500～66 500 Wh/m2之間。

4.3 封閉層老化壽命初步評(píng)估

根據(jù)數(shù)學(xué)模型和觀測(cè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出天荒坪抽水蓄能電站上水庫(kù)不同部位不同時(shí)刻紫外輻射強(qiáng)度，利用封閉層老化模型，就可以初步計(jì)算出其封閉層的逐年老化狀態(tài)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果整理成果見(jiàn)圖7。天荒坪抽水蓄能電站上水庫(kù)封閉層瀝青的針入度(35 ℃)在最初2～3年內(nèi)迅速下降，老化速度很快。第3～8年仍在緩慢下降，8年后基本趨于平穩(wěn)。上水庫(kù)輻射最強(qiáng)(方位角38°)和最弱(方位角-110°)兩個(gè)部位的封閉層瀝青針入度在前3年內(nèi)差異較大，第3～8年時(shí)差異逐漸減小，8年后基本趨于一致。此時(shí)封閉層瀝青針入度指標(biāo)已不能反映封閉層老化程度的差異。

圖7 上水庫(kù)封閉層瀝青逐年針入度計(jì)算值

天荒坪抽水蓄能電站上水庫(kù)封閉層A2區(qū)已基本脫落，說(shuō)明封閉層的歷時(shí)已經(jīng)超過(guò)了其老化壽命。同時(shí)A1區(qū)3個(gè)取樣點(diǎn)封閉層回收瀝青的針入度(35 ℃)在13～14之間、且外觀剝離嚴(yán)重，說(shuō)明A1區(qū)歷時(shí)也達(dá)到或超過(guò)了其老化壽命，因此如果用針入度(35 ℃)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，其閾值應(yīng)不小于13～14，考慮一定安全度，建議針入度(35 ℃)閾值按16考慮。

按照?qǐng)D7的計(jì)算結(jié)果和此壽命閾值，可以推算出天荒坪抽蓄工程上水庫(kù)輻射最強(qiáng)和最弱部位的封閉層壽命都在8～9年之間。目前的封閉層已超過(guò)了其老化壽命。

本文以瀝青混凝土針入度作為封閉層老化研究及壽命評(píng)判的唯一指標(biāo)，研究成果及計(jì)算模型存在一定的局限性，這些都需要進(jìn)一步的深入探討。

5 抽水蓄能電站面板封閉層運(yùn)行特點(diǎn)及治理對(duì)策

(1)多個(gè)工程瀝青混凝土面板的老化狀況表明，瀝青混凝土的老化受運(yùn)行條件影響明顯，常年裸露區(qū)最為顯著，水位波動(dòng)區(qū)老化速率次之，常年水下區(qū)老化最弱[9]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，整個(gè)天荒坪抽蓄工程上水庫(kù)庫(kù)盆封閉層均發(fā)生了不同程度的破壞，其中以水位變幅區(qū)和常年裸露區(qū)最為嚴(yán)重。試驗(yàn)成果表明，從現(xiàn)場(chǎng)取回的瀝青瑪蹄脂中回收的瀝青針入度和延度幾乎都降為0。因此對(duì)于抽水蓄能電站而言，運(yùn)行期應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水位變幅區(qū)和常年裸露區(qū)的面板封閉層運(yùn)行情況。

(2)封閉層的老化作用有內(nèi)因和外因兩類。內(nèi)因包括陽(yáng)光照射(主要紫外光)、環(huán)境溫度、濕度等，其結(jié)果是造成封閉層品質(zhì)下降，附著力降低；外因包括庫(kù)水位變化、匯流水(雨水、噴淋水等)沖刷，其結(jié)果是使封閉層剝落。因此，從內(nèi)因方面來(lái)說(shuō)，在工程建設(shè)期應(yīng)早日建成瀝青混凝土面板噴淋系統(tǒng)，盡量降低封閉層的環(huán)境溫度，避免在夏季高溫條件下的過(guò)早老化。從外因方面來(lái)說(shuō)，庫(kù)水位的頻繁變化主要由水庫(kù)運(yùn)行條件決定，幾乎無(wú)法改變，但可以盡量降低庫(kù)盆匯流水對(duì)面板的沖刷，壩頂公路、邊坡上應(yīng)設(shè)置截水溝、排水溝，將匯流水引出至面板以外的地方。

(3)改性瀝青是在普通瀝青的基礎(chǔ)上添加了外加劑，改變了瀝青的某些性能，如延緩了瀝青的老化，提高了抗高溫流淌、低溫脆裂性能，具有更好的柔性，并易于涂刷和噴灑。建議在工程建設(shè)期，對(duì)于重要工程，盡量選用改性瀝青作為封閉層的材料，以提高其抗老化性能。寶泉抽水蓄能電站上水庫(kù)瀝青混凝土面板防滲工程，針對(duì)封閉層開(kāi)展室內(nèi)配合比試驗(yàn)，對(duì)比了6種瀝青材料與填料的不同配比共14組試驗(yàn)，施工期根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最后確定封閉層采用SBS改性瀝青：礦粉=3∶7。

(4)由于天荒坪抽蓄工程上水庫(kù)并未安裝太陽(yáng)輻射觀測(cè)設(shè)備，本次研究只能參照附近地區(qū)的監(jiān)測(cè)成果，初步估算其紫外光輻射強(qiáng)度。為了便于開(kāi)展瀝青混凝土面板老化研究，建議在工程區(qū)設(shè)置太陽(yáng)輻射設(shè)備，以獲得必要的、較為精確的紫外輻射數(shù)據(jù)。

(5)本次研究表明，抽水蓄能電站處于常年裸露區(qū)、水位波動(dòng)區(qū)的瀝青混凝土面板封閉層，其壽命都在10年以下。根據(jù)抽水蓄能電站水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)，建議每隔5年進(jìn)行面板封閉層老化研究，以及時(shí)掌握其老化情況。

(6)通過(guò)對(duì)天荒坪抽水蓄能電站上水庫(kù)年裸露區(qū)、水位波動(dòng)區(qū)的面板防滲層取樣研究發(fā)現(xiàn)，其老化總體不明顯，僅表層10 mm以內(nèi)存在輕微老化。因此，對(duì)封閉層的修補(bǔ)時(shí)機(jī)，也要結(jié)合防滲層的老化情況綜合考慮。若防滲層表面凍斷溫度明顯降低、現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)有一定程度的裂縫發(fā)育時(shí)，應(yīng)盡快開(kāi)展封閉層老化修補(bǔ)工作。若是條件具備，對(duì)于已接近壽命周期的封閉層，能早日進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)水庫(kù)安全運(yùn)行更加有利。

6 結(jié) 語(yǔ)

依托天荒坪抽蓄上水庫(kù)瀝青混凝土面板防滲工程，在現(xiàn)場(chǎng)取芯的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了瀝青混凝土封閉層的性能指標(biāo)檢測(cè)，并開(kāi)展了紫外光強(qiáng)的室內(nèi)加速老化試驗(yàn)研究，探究了其老化規(guī)律，同時(shí)建立老化預(yù)測(cè)方程，對(duì)其運(yùn)用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，并結(jié)合抽水蓄能電站水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)提出相應(yīng)的治理對(duì)策。

2019年6月，天荒坪公司對(duì)老化的上水庫(kù)瀝青混凝土面板瑪蹄脂封閉層進(jìn)行大修，通過(guò)清除處理面板表面殘留的封閉層，基面噴灑乳化瀝青和新瀝青瑪蹄脂封閉層的涂刷處理，達(dá)到了良好的修復(fù)效果。