我國水工瀝青混凝土防滲面板的裂縫現(xiàn)狀與成因分析

周世華

(長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北武漢430010)

0 引 言

瀝青混凝土面板由于具有防滲性能好、適應(yīng)壩體變形能力強(qiáng)、不需設(shè)置接縫且易于修補(bǔ)等特點(diǎn)，在國內(nèi)外水利水電防滲工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]，尤其是寒冷地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，在國際大壩委員會(ICOLD)注冊的已完建的瀝青混凝土面板土石壩已超過300座，其中建壩較多的國家有德國、中國、西班牙、意大利和日本[3]。

我國將瀝青混凝土作為土石壩的防滲面板起步于20世紀(jì)70年代初，目前已建成瀝青混凝土面板壩工程近40項(xiàng)[4]。這些工程的興建促進(jìn)了我國瀝青混凝土面板防滲技術(shù)的發(fā)展，特別是環(huán)境溫度最低的呼和浩特抽蓄電站的成功建設(shè)，表明我國在寒冷地區(qū)瀝青混凝土面板防滲技術(shù)方面達(dá)到世界領(lǐng)先水平[5]。

瀝青混凝土面板作為我國土石壩主要防滲結(jié)構(gòu)之一，近十多年來，取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步。本文主要總結(jié)了我國瀝青混凝土防滲面板的裂縫現(xiàn)狀，分析了裂縫產(chǎn)生的成因，旨為我國后續(xù)瀝青混凝土面板壩建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 防滲面板裂縫現(xiàn)狀

瀝青混凝土防滲面板是將瀝青混凝土通過澆筑或碾壓的方式，在迎水面壩坡形成一層防滲層，依靠壩體壩坡承擔(dān)由瀝青混凝土傳來的外力荷載的一種水工結(jié)構(gòu)形式。瀝青混凝土防滲面板施工技術(shù)復(fù)雜，投入運(yùn)行后面板需要經(jīng)受極端的運(yùn)行的條件，如極端的溫度、水位的周期性頻繁變化等，故防滲面板的最大技術(shù)難題就是如何防止其開裂。表1列出了我國部分面板防滲工程的瀝青混凝土裂縫情況及主要誘因。

表1 我國部分面板防滲工程的瀝青混凝土裂縫情況及其主要誘因[6-15]

從表1可以看出，20世紀(jì)90年代之前瀝青混凝土防滲面板裂縫現(xiàn)象比較嚴(yán)重，且產(chǎn)生的主要原因是瀝青混凝土質(zhì)量和施工技術(shù)。

20世紀(jì)90年代后，在已有工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過積極引進(jìn)并吸收國外先進(jìn)技術(shù)，我國瀝青混凝土面板防滲技術(shù)水平有了很大提高，特別是天荒坪抽蓄電站(1997年，壩高72 m，防滲面板由德國Strabag公司承建)的建成，推動了瀝青混凝土面板在我國抽水蓄能電站中的應(yīng)用，此后建成了寶泉抽水蓄能(2007年，壩高72 m)、西龍池抽水蓄能(2007年，壩高97 m)、張河灣抽水蓄能(2008年，壩高57 m)、呼和浩特抽水蓄能(2014年，壩高43.9 m)、沂蒙抽水蓄能(在建，壩高117.4 m)等電站。從這一時期的工程運(yùn)行情況來看，瀝青混凝土面板裂縫出現(xiàn)得不多，且產(chǎn)生的主要原因是基礎(chǔ)局部不均勻沉降。由于工程運(yùn)行期相對較短，考慮到瀝青具有老化特性，瀝青混凝土面板的抗裂性與耐久性還需加強(qiáng)關(guān)注。

2 裂縫成因分析

暴露在自然環(huán)境中的防滲面板，因氣溫變化、反向蒸汽壓/水壓、基礎(chǔ)沉降等因素發(fā)生的變形，由于面板自身或基礎(chǔ)的變形約束作用就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過自身拉伸強(qiáng)度時，瀝青混凝土就會產(chǎn)生開裂。從裂縫產(chǎn)生的主要誘因來劃分，面板裂縫主要分為沉降裂縫、鼓包裂縫、低溫收縮裂縫、高溫流淌裂縫、材料老化裂縫等。

2.1 基礎(chǔ)不均勻沉降

與水泥混凝土相比，瀝青混凝土的變形能力好，故瀝青混凝土面板適應(yīng)基礎(chǔ)變形能力較強(qiáng)。面板基礎(chǔ)由構(gòu)造發(fā)育程度不同、顆粒大小不一的人工碎石、天然卵石及土組成，變形條件非常復(fù)雜，當(dāng)基礎(chǔ)不均勻沉降變形超出瀝青混凝土的變形能力時，面板受到約束而開裂。

20世紀(jì)90年代之前，我國瀝青混凝土施工技術(shù)較為落后，還處于人工、半機(jī)械化施工階段，加之大壩填筑材料的研究成果與工程經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，使得這一時期工程防滲面板的基礎(chǔ)沉降現(xiàn)象屢有發(fā)生，甚至發(fā)生大面積的塌陷。如1989年建成的牛頭山水庫[11]，自蓄水以來，壩頂垂直最大沉降9.9 cm、水平最大位移1.8 cm，大壩迎水面局部最大凹陷27 cm。

天荒坪抽水蓄能電站的建設(shè)帶動了我國瀝青混凝土面板防滲技術(shù)的進(jìn)步。自此以后，大范圍的基礎(chǔ)沉降變形不再發(fā)生，但局部小范圍的基礎(chǔ)不均勻變形還時有發(fā)生，特別在面板底部反弧段、結(jié)構(gòu)交接處等復(fù)雜部位，如某抽水蓄能電站上庫開始蓄水后[12]，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水口附近的瀝青混凝土面板開裂漏水，經(jīng)有關(guān)單位組織分析鑒定，認(rèn)為開裂原因是由于工期緊張，基礎(chǔ)回填不密實(shí)導(dǎo)致不均勻沉降，造成了開裂。

2.2 反向壓力鼓包

瀝青混凝土防滲面板在運(yùn)行期間因材料性能、氣候、水位等變化而產(chǎn)生由內(nèi)向外的反向力使面板局部隆起甚至開裂的現(xiàn)象，稱之為鼓包。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。如張河灣抽水蓄能電站上庫防滲面板自2009年建成后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)不規(guī)則鼓包和裂縫，2016年開展了全面普查[13]發(fā)現(xiàn)鼓包193處，大多分布在800～810 m高程之間(占98%，見圖1)，其中直徑10～30 cm的鼓包占78%(見圖2)，鼓包開裂的數(shù)量約有50%。從圖1、2可以看出，鼓包的形成與庫水位的日程變動有直接關(guān)系，809 m高程的鼓包最多，該處在水位變幅區(qū)中的暴露時間較長，夏季時溫度較高，故鼓包的形成與庫水作用和日照作用有關(guān)。

圖1 不同高程的鼓包數(shù)量

圖2 不同直徑鼓包的數(shù)量

瀝青混凝土面板的鼓包成因復(fù)雜，主要有排水/汽不暢在面板背面形成的反水/蒸汽壓、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、瀝青混凝土中誤用了病害礦料、施工碾壓時灑水過大等。

2.3 瀝青混凝土低溫凍斷

瀝青混凝土具有柔性好、施工速度快等優(yōu)勢，非常適宜抗裂要求高、施工期短的寒冷地區(qū)防滲工程建設(shè)，如北歐、我國北方等。眾所周知，瀝青混凝土是感溫性材料，其材料性能受溫度影響變化較大，低溫下瀝青混凝土變形性能大幅度下降。當(dāng)遭遇寒潮溫度驟降時，瀝青混凝土冷縮而產(chǎn)生裂縫，甚至斷裂，即凍斷。1976年建成的半城子水庫瀝青混凝土防滲面板，當(dāng)年冬季持續(xù)低溫(低于-20 ℃)，同時由于庫水位較低，面板大部分暴露在大氣中，導(dǎo)致面板出現(xiàn)多條貫穿性裂縫[6]。奧地利的Hoch-wurten瀝青混凝土面板壩于1984年越冬期間也發(fā)生了坡向低溫凍斷[16]。

防止瀝青混凝土面板發(fā)生溫降裂縫的一個主要方法是降低瀝青混凝土材料的感溫性、提高材料的低溫抗裂能力。凍斷試驗(yàn)是評價瀝青混凝土低溫抗裂能力的一種直觀試驗(yàn)方法，其評價指標(biāo)為凍斷溫度。在我國相關(guān)設(shè)計規(guī)范中，凍斷溫度設(shè)計指標(biāo)通常以工程當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁夭⒂嬋胍欢ǖ臏囟劝踩６葋磉x定。如西龍池抽蓄上庫的極端最低氣溫為-34.5 ℃，溫度安全裕度為3.5 ℃，則設(shè)計凍斷溫度為-38 ℃[17]；呼和浩特抽蓄上庫的極端最低氣溫為-41.8 ℃，溫度安全裕度為3.2 ℃，則設(shè)計凍斷溫度為-45 ℃[18]。

從材料方面提升瀝青混凝土的低溫抗裂性，最有效的方法是使用聚合物改性瀝青，如20世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)曾將聚合物改性瀝青成功用于-45 ℃嚴(yán)寒地區(qū)的防滲工程[19]。我國呼和浩特抽水蓄能電站上庫工程設(shè)計凍斷溫度-45 ℃，經(jīng)研究采用了5號改性瀝青，目前工程已運(yùn)行多年，未出現(xiàn)凍斷現(xiàn)象。

2.4 瀝青混凝土高溫流淌撕裂

瀝青混凝土面板在烈日曝曬下表面溫度可達(dá)到70 ℃以上，易產(chǎn)生流動變形導(dǎo)致骨料與瀝青分離，在自重下順坡向流淌，出現(xiàn)向下壅包，壅包上方可出現(xiàn)橫向開裂。面板一旦出現(xiàn)流淌壅包，一般每年都會出現(xiàn)新包，徹底修復(fù)難度很大，嚴(yán)重時就得拆除重做面板。南谷洞水庫建成后，發(fā)生了大面積的流淌現(xiàn)象，且在周邊接頭部位拉裂嚴(yán)重。

高溫流淌與瀝青品質(zhì)、瀝青混凝土配合比、施工工藝等因素有關(guān)。南谷洞水庫防滲面板采用華60號甲石油瀝青作膠結(jié)材料，軟化點(diǎn)均值小于45 ℃，最低值38 ℃，偏低，使得瀝青混凝土的熱穩(wěn)定性能較差，氣溫高時極易發(fā)生流淌。后來2004年，在修補(bǔ)加固中就采用了90號瀝青，施工表面未發(fā)生斜坡流淌。半城子水庫面板施工采用當(dāng)時國內(nèi)較普遍的半機(jī)械化加人工的方法，施工質(zhì)量不佳，于1976年～1978年夏季發(fā)生流淌，而當(dāng)時壩面溫度約為52～55 ℃，溫度并不高，究其原因是瀝青混凝土拌和、施工質(zhì)量較差。

斜坡流淌引起面板變形，可用斜坡流淌試驗(yàn)評價，我國相關(guān)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，碾壓式瀝青混凝土面板防滲層斜坡流淌值不大于0.8 mm。

2.5 瀝青混凝土性能劣化

石油瀝青具有老化的基本特征，在日照、熱空氣、浸水、高低溫循環(huán)等外界因素長時間作用下，瀝青變脆、變硬，導(dǎo)致瀝青混凝土柔性降低、變形性能變差，嚴(yán)重的會導(dǎo)致瀝青開裂。文獻(xiàn)[20]針對天荒坪抽蓄防滲面板試驗(yàn)研究了瀝青混凝土性能變化情況，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行18年后，各區(qū)拉伸應(yīng)變都有不同程度的降低，常年裸露區(qū)降低23%、水位變動區(qū)降低6%、常年水下區(qū)降低14%。

1989年建成的牛頭山水庫，運(yùn)行15年后防滲面板出現(xiàn)大量裂縫，甚至貫穿性裂縫。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土性能劣化是產(chǎn)生裂縫的主要原因之一[11]，如表2所示。南谷洞水庫、里冊峪水庫[7]的瀝青混凝土防滲面板，運(yùn)行20多年后，均發(fā)現(xiàn)大量開裂的現(xiàn)象，瀝青混凝土性能劣化是其中的主要原因之一。

表2 牛頭山水庫瀝青混凝土材料性能對照結(jié)果

3 結(jié) 語

防滲面板裂縫直接影響到工程效益的發(fā)揮，分析表明，我國瀝青混凝土防滲面板的裂縫成因主要有基礎(chǔ)不均勻沉降、反向壓力鼓包、瀝青混凝土性能，其中，瀝青混凝土性能包括低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性和長期耐久性。自天荒坪抽水蓄能電站建成之后，我國瀝青混凝土防滲面板的防裂技術(shù)進(jìn)步明顯，基本沒有因低溫凍斷、高溫流淌而產(chǎn)生的開裂，基礎(chǔ)不均勻沉降主要發(fā)生反弧段、結(jié)構(gòu)交接處，面板鼓包現(xiàn)象尚需加強(qiáng)研究。此外，鑒于天荒坪抽水蓄能、呼和浩特抽水蓄能等電站服役期還不長，瀝青混凝土的長期耐久性還需進(jìn)一步關(guān)注。