瀝青混凝土防滲面板的鼓包缺陷調研及成因分析

馬保東，郝巨濤，孫志恒，汪正興，董旭龍

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

1 前言

土石壩瀝青混凝土防滲結構具有防滲性能優異、適應變形能力強、不需設置接縫、易于修繕補強等優點，且在嚴寒高山地區或潮濕多雨地帶可快速施工，利于工程早日發揮效益，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要求較高，工程中應對不當可出現不同程度的缺陷，嚴重的可影響面板正常運行。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日并網發電，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，水位變幅區高程范圍為795～810m。為盡可能減少滲漏水進入基礎，使基礎軟弱夾層盡可能處于天然狀態，同時能夠及時準確地監測防滲系統的運行情況，并節省投資，上水庫瀝青混凝土面板采用了新型復式斷面設計，將下防滲層與整平膠結層合并為一層，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≤1×10-8cm/s，孔隙率≤3%）、8cm/10cm厚排水層（庫坡8cm，庫底10cm，滲透系數≥1×10-1cm/s，孔隙率≥16%）和8cm厚防滲整平層（滲透系數≤5×10-5cm/s，孔隙率≤5%）。在坡面與庫底面交界處、面板與廊道、進水塔等剛性結構接頭部位設置了5cm厚的加厚防滲層，并在加厚層與防滲層之間設置了加強網格。上水庫庫底設置了完備的排水檢查廊道系統，包括庫底周邊廊道、庫底中間廊道、進出水口周邊廊道、外排廊道、北端與南端通風交通廊道。全庫面板排水共分成68個區，其中庫坡32個區，庫底36個區。分區以隔條帶分割，各自獨立[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發現一些缺陷，如不規則鼓包和裂縫，局部較為集中，鼓包直徑一般10～40cm，裂縫長度5～40cm，引起了人們關注，并對缺陷進行了處理。2009～2014年共處理缺陷500余處。根據以往經驗，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。因此，迫切需要查找鼓包成因，以便為根治可能出現的鼓包提供依據。本文介紹了張河灣瀝青混凝土面板的缺陷情況，同時對國內外的相關同類缺陷進行了介紹，對鼓包成因進行了分析，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

2014年缺陷處理后，2016年4月下旬對張河灣當前缺陷情況又進行了一次全面普查，共計發現缺陷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0+000～0+600，占鼓包總數的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高程鼓包數量達41個（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（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

現場對位于樁號0+325、高程801m、直徑40cm的鼓包進行了取芯，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，鼓包處涌出壓力水。取出的芯樣也發現在表面以下4～5cm處的上防滲層內出現分層，見圖4，分層下側的防滲層完好。因鼓包直徑大于芯樣直徑，鉆孔內壁仍可見分層痕跡。

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

3 國內外瀝青混凝土防滲面板的鼓包缺陷

瀝青混凝土面板出現鼓包時有發生，鼓包通常是由包裹在瀝青混凝土面板中的水引起，當水形成水蒸氣，且防滲層黏度降低變軟就會發生鼓包[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，出現的鼓包范圍也不一樣。

除了上述的面板結構、材料導致鼓包的原因外，施工不當也會引發鼓包。攤鋪層碾壓時，為防止粘碾常需灑水。振動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，因此施工中應盡可能減小灑水量。由于目前主要采用具有熨平壓實梁的攤鋪機攤鋪，其高壓實度可以最大限度地封閉攤鋪層表面，防止水滴進入，工程中此類灑水形成的鼓包已不常見。對于瀝青混凝土配合比，采用較高含量的細粒料，包括填料和細砂，以及足夠的瀝青，也可以減小水滴進入攤鋪層[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，導致在664～665.5m高程偏右岸范圍出現8個不同大小的鼓包，其中1號鼓包最大，直徑約為3m，高度達17cm，頂部裂縫寬9cm。經分析，鼓包是由反水壓造成的。因水庫蓄水時帷幕灌漿尚未完成，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3.7m，導致面部發生鼓包。事后將鼓包范圍內的瀝青混凝土全部挖除，再按原設計層次和瀝青混合料分層回填、壓實。鋪設前周邊采用遠紅外線加熱器加熱，以確保接縫結合緊密。修補完成后，帷幕灌漿也已完成，運用中也嚴格控制庫水位下降速率不大于2m/d，面板運行后再無鼓包發生[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。建成后數年間面板出現鼓包。鼓包破壞了上防滲層，并影響到下防滲層。經分析認為，鼓包是因防滲層層間的蒸汽壓力所致。把鼓包鉆開后發現，鼓包內的冰凍和凍融循環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的整個厚度。鼓包修補時將上防滲層切開，并清理干凈，邊緣噴涂熱瀝青，并用新瀝青混凝土回填。但是修補一段時間后，在修補部位斜坡向下處又出現了新的鼓包，這可能是潮氣沿著防滲層層間通道遷移所致。用加熱—壓實方法修補鼓包的效果并不好，由于周圍還會出現新的鼓包，還需進行修補。現場曾耗時3年在鼓包上涂刷Kemperol彈性涂膜進行防滲修復，但因鼓包在涂膜下還在活動，導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備破壞瀝青砂漿面，庫坡采用人工攤鋪和1t碾壓設備，可使骨料最大粒徑8mm的瀝青混合料孔隙率達到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出現高約1m的大鼓包，待面板底部氣壓調整后鼓包消失，且沒有傷害面板。水庫運行3年后，1961年初面板發生鼓包，鼓包是由滲水進入兩層防滲層之間，在溫差和氣壓下產生氣泡造成的。1961年還只有少量的鼓包，1962年鼓包明顯增加，到第一個十年末，鼓包再沒有增加的趨勢[3]。在第一個十年后，面板條帶間又出現了裂縫，到20世紀70年代末又發現了個別鼓包。1985～1986年對庫岸面板進行了翻修，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歷經十年于1978年建成，上水庫堆石體采用黏土狀硅酸鹽膠結的海相砂巖填筑，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，膠結層厚10cm。工程運行三年后，1981年面板首次出現鼓包，鼓包直徑5～10cm，裂口深3～5cm。鼓包每年都有新的出現，位于24h水位變幅區。經分析，鼓包碎屑來自風化的玄武巖骨料。該骨料在大氣環境下易于分化解體。電子顯微鏡檢查發現玄武巖顆粒分布有微裂紋，在滲水作用下可加速弱化。當骨料侵蝕產物在庫水位下降時沿面板縫隙析出后，面板內會逐漸形成空腔，進而形成鼓包。取芯檢查發現，表層瀝青混凝土壓實很差，內部含有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約1.5萬個，因此需要更有效的修補方法[7]。

德國南部的Langenprozelten抽水蓄能電站上水庫1975年投入運行，采用瀝青混凝土簡式斷面面板防滲，結構為4kg/m2封閉層（分2層涂刷）、7cm厚瀝青混凝土防滲層、6cm厚瀝青混凝土膠結層，底部為20cm石灰巖碎石排水層。經過近20年的運行，各類缺陷導致了滲漏量的增加，遂進行全面翻修，庫坡采用全新瀝青混凝土襯砌，庫底根據需要進行了局部修復。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)面板結構圖;(c)取芯處鼓包斷面1-水位變幅區以上面板;2-鼓包區域;3-上防滲層;4-排水層;5-下防滲層;6-膠結層;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，導致水庫滲漏，面板松散，并沿裂縫發生漸進侵蝕。

（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灰泥塊會產生水蒸氣，并引發鼓包。

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

4 應對鼓包的試驗研究

日本學者早期曾進行了一系列模型試驗（Sawada等，1973）[5]，以指導瀝青混凝土面板壩的面板結構設計。試驗針對復式瀝青混凝土面板進行，其斷面結構自上而下分別為6cm厚細粒級配瀝青混凝土、6cm厚密級配瀝青混凝土、8cm厚開級配瀝青混凝土、6cm厚密級配瀝青混凝土、6cm厚細粒級配瀝青混凝土、3.5cm厚整平層、碎石墊層。試驗所用瀝青針入度為71dmm，軟化點為48℃。試驗中瀝青混凝土的勁度模量（抗壓、抗拉、抗彎）均按照應變等于90%破壞應變時的應力應變比值確定。

當排水層中有水時，其上的防滲層應能夠承受相應的水壓力。為此Sawada等人進行了模型試驗以了解面板防滲層能夠承受的水壓力[5]。模型試驗中采用2.4m×2.4m的正方形原比尺瀝青混凝土復式面板進行，面板四周由角鋼固定，以面板斷面中間的開級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，量測面板中心點撓度值隨時間的變化，直至面板漏水。其典型試驗過程見圖7（文獻未標明溫度），試驗結果見表1。

為了預測方板的撓度，該研究采用彈性板理論進行分析。設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，則有：

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

根據跨度10cm試件的抗彎試驗結果，計算中先統一按90%破壞應變時的應力應變比值作為抗彎勁度E，并將理論計算結果與模型試驗結果進行對比，見表1。從中看出2℃時的撓度計算結果與24℃的撓度試驗結果基本符合，但10℃時二者相差很大。將10℃的抗彎勁度E取值為30%破壞應變時的應力應變比值530kg/cm2，則撓度計算值下降為3.9mm，盡管與1.6mm的試驗值仍有差距，但認為是由試驗中排水層與防滲層之間黏接在一起導致抗彎剛度增大造成的。

通過上述模型試驗和理論分析可知，24℃時12mm厚的面板在0.06kg/cm2的水壓力作用下就會發生26mm高的鼓包。為此面板的排水系統應謹慎設計，以防排水層持水。另外，采用彈性理論分析時，抗彎勁度應小心取值，應在精細的試驗基礎上，根據溫度、變形速率和合適的應變比值下選用[5]。

5 結束語

土石壩瀝青混凝土防滲面板具有防滲性能優異、適應變形能力強、不需設置接縫、易于修繕補強的特點，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用。瀝青混凝土面板運行時因各種原因可能會出現封閉層老化、防水層裂縫、流淌及鼓包。通過調研分析可知，瀝青混凝土面板的鼓包成因復雜，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致滲漏水進入面板夾層（Innerfragant、Haselstein、Geesthacht）、瀝青混凝土中誤用了病害 礦 料（Porabka-Zar、Langenprozelten）、 施 工碾壓時灑水過大等。對于鼓包大小，一般反水（汽）壓形成的鼓包最大，石砭峪直徑可達3m、高17cm，Geesthacht施工期間的庫底汽包高達1m。這類鼓包一旦查明原因，措施得當，消除得也很快。對于其他成因的鼓包，因包裹在防滲層中的水量有限，鼓包通常較小，但因問題暴露時間長，處理時間也較長。張河灣上庫瀝青混凝土面板的鼓包數量較多，為國內罕見，盡管鼓包尺寸較小，處理工作有限，但為積累經驗，有必要對其開展了專門研究，以查明成因，為管理工作中的積極應對提供依據。

表1 面板撓度試驗結果與理論計算結果的對比 [5]Tab.1 Deflection comparisons between test and computation（Sawada，1973）[5]

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