大型造雪蓄水設施瀝青混凝土面板防滲設計及應用

趙 青 任少輝 張曉娟

（1 水電水利規劃設計總院；2 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司）

1 工程概況

崇禮太舞滑雪場蓄水池工程位于河北省張家口市崇禮縣東南部的營岔村上游溝谷內。工程所在地區屬東南部濕潤寒溫區，該區海拔高度在1700m，年平均氣溫3.6℃，全年最冷的月平均氣溫-18.4℃，全年最暖的月平均氣溫19.3℃；極端最低氣溫-40℃，極端最高氣溫39℃。

蓄水池由土石壩、池底排水系統、池體瀝青混凝土防滲面板、池周地表排洪系統、地表進水口、底部放空系統、池頂結構等組成。壩體采用瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程為1710m，最大壩高15m，上、下游壩坡均為1：2，池頂長692.8m，蓄水池總庫容21.2×104m3。全池采用瀝青混凝土面板防滲，面板坡度為1：2，防滲面積為2.8×104m2。

工程所在地張家口崇禮區，周邊其它滑雪場修建的采用土工膜+鋼筋混凝土防護層防滲的蓄水池均不同程度出現裂縫，滲漏嚴重。本工程設計初，甲方提出造一個“不漏”的蓄水池；經嚴格論證分析，最終采用全池瀝青混凝土面板防滲方案，為國內首個采用水工瀝青混凝土進行防滲的滑雪場蓄水池。蓄水池于2014 年5 月開工建設，2015 年10 月初完工，同年10 月底開始蓄水運行，經過2015～2016 年冬季運行，防滲、抗冰凍效果達到了預期效果。

2 雪場蓄水池建設必要性

滑雪運動對雪質要求較高，在我國，由于大多數滑雪場修建在北方高山、丘陵地帶，不受海洋季風的影響，具有天氣干燥、寒冷、風大的特點。大自然中雪態多為粒狀雪、殼狀雪、冰狀雪一般很難達到雪道雪質要求；而且目前國內大多滑雪場均在每年11 月初開滑，但我國冬季降雪量主要集中在次年的1 月至2 月間。國內滑雪場中，不論是競技類滑雪和休閑滑雪，雪道表面雪層必須是人造雪；初期雪道覆蓋也均為人造雪。因此人工造雪系統是滑雪場正常運營的必要條件，也是提升雪道品質的重要保證。

目前，國內已建雪場均根據雪道長度、雪道面積及初雪覆蓋厚度及人工造雪率等條件，建造人工造雪供水系統及一定容量的蓄水設施。蓄水池容積根據雪場規模，一般在20×104～70×104m3。

3 雪場蓄水池防滲方案選擇

3.1 雪場蓄水池需運行條件

滑雪場蓄水池一般建造在雪場周邊，主要為造雪系統供水兼給市政、景觀供水需要。其必須具備如下條件：

⑴北方地區水資源短缺，滑雪場造雪用水價格較高，故蓄水池具備較好的防滲性能；

⑵蓄水池地處嚴寒地區，防滲結構必須具有良好的抗低溫、抗冰凍性能；

⑶雪場造雪時段一般在初冬季節及雪場運行期的夜間，蓄水池一般在冬季水位頻繁變動，要求防滲體具有良好的適應變形能力；

⑷蓄水池蓄水后一旦發生滲漏要便于檢查和處理。

根據上述條件及滑雪場蓄水池運行特點，合理的設計方案是滑雪場蓄水池建造成功的關鍵。

3.2 雪場蓄水池防滲方案的選擇

國內已建成和運行的滑雪場蓄水池工程多采用土工膜+混凝土防護面板防滲方案，未有采用瀝青混凝土面板防滲的工程。由于本工程蓄水池體量較小，根據類似已建成的雪場蓄水池運行情況和結合相關工程經驗，對土工膜防滲方案和瀝青混凝土面板防滲方案進行比較。

3.2.1 防滲效果

根據防滲材料性能，土工膜和瀝青混凝土其滲透系數均能達到1×10-8㎝/s 以下。

從防滲性能上來看，瀝青混凝土與土工膜防滲效果相當；但土工膜施工過程中接縫較多，施工處理過程中很難控制其質量。土工膜材料質量本身受生產廠家制約，質量缺陷很難檢查。從已建成的類似工程來看，土工膜施工能完全達到設計要求的鳳毛麟角，張家口地區已建雪場采用土工膜防滲的蓄水池均滲漏嚴重，不能滿足運行需要。

瀝青混凝土面板按照正常的施工條件進行施工，容易達到設計要求。國內具有代表性的工程包括山西西龍池抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板、呼和浩特抽水蓄能電站——國內極端氣溫最低（-41.8℃）條件下采用的瀝青混凝土面板工程均已經順利建設，并運行多年。

從防滲效果和質量保證方面，瀝青混凝土面板防滲方案較優。

3.2.2 防滲材料適應基礎變形能力

土工膜適應基礎變形能力尚可，但表層上部保護層屬剛性，變形模量大，對基礎不均勻沉陷變形適應能力較差，受溫度、干縮等影響容易產生裂縫。本工程建成后運行環境惡劣，如果上部保護層一旦破壞，土工膜防滲體很快就會破壞，影響防滲效果。

瀝青混凝土面板屬柔性防滲，面板變形模量小，一般2℃時可承受1%的拉伸應變不漏水，不需要設置接縫，適應基礎不均勻沉陷變形能力較強，不易產生裂縫。

3.2.3 運行維護

土工膜蓄水后一旦發生滲漏很難進行檢查和處理。本工程由于作用水頭低，運行期土工膜一般不會因水壓力作用或壩體及基礎沉降變形過大而破壞，庫盆發生滲漏主要由土工膜破裂、凍融破壞引起。一旦發生滲漏很難查找滲漏點，即使確定滲漏點也必須將水庫放空后全面維修，維修時間較長。

瀝青混凝土面板在水壓力作用下具有一定的自愈能力，易于維護和維修等，維修時間較短，可降低對水池運行的干擾。瀝青混凝土面板的老化僅限于表面薄層，封閉層可以保護防滲層，阻止其老化，工程運行期間只需定期涂刷封閉層即可。

經過分析比較，最終確定崇禮滑雪場蓄水池采用瀝青混凝土面板防滲方案。

4 蓄水池瀝青混凝土面板設計關鍵問題

4.1 瀝青混凝土原材料選擇及配合比設計

對雪場蓄水池瀝青混凝土面板來說，水位頻繁升級均在冬季進行，面板防滲層低溫抗裂性能是關鍵技術問題，必須首先確定合理的瀝青混凝土原材料和配合比。根據已經建成的呼和浩特抽水蓄能電站（以下簡稱呼蓄）上水庫工程工程經驗[1]；極端最低氣溫達-41.8℃，采用瀝青混凝土面板防滲，防滲層采用改性瀝青混凝土，低溫凍斷溫度達-45℃。

由于本工程氣候條件與呼蓄工程類似-40℃，故在配合比確定階段即確定瀝青混凝土面板防滲層采用改性瀝青，整平膠結層采用普通石油瀝青（SG90），封閉層采用改性瀝青。防滲層瀝青混凝土配合比初選階段將呼蓄施工配合比作為參考配合比見表1。

表1 呼蓄防滲層施工配合比

根據參考配合比，將級配指數與油石比上下浮動組成9 組試驗配合比；改性瀝青采用遼寧盤錦瀝青有限公司的水工改性瀝青、骨料采用崇禮縣新天地砂石料場加工的灰巖骨料、砂采用當地天然砂和砂石料場加工的人工砂，填料采用自制礦粉。通過室內配合比試驗、場外內攤鋪試驗最終確定施工配合比見表2。蓄水池防滲層瀝青混凝土室內試驗主要技術指標成果見表3。

由表3 可見，低溫凍斷溫度達到-48.2℃，孔隙率、滲透系數均能滿足防滲要求。

表2 崇禮蓄水池防滲層配合比

表3 蓄水池防滲層瀝青混凝土室內試驗主要技術指標成果

4.2 瀝青混凝土面板設計

全池采用瀝青混凝土簡式面板防滲，面板坡度為1：2，瀝青混凝土面板防滲層厚度按《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》（DL/T 5411－2009）[2]規定和結合本工程實際情況確定。瀝青混凝土面板結構形式從上到下依次為0.2cm 厚的封閉層、7cm 厚的防滲層、7cm 厚的整平膠結層，面板局部加強部位的結構為加強網格和10cm 防滲層。

4.3 排水系統設計

為將防滲面板后的滲漏水順暢排走，避免面板后出現反向壓力引起面板破壞，保證瀝青混凝土面板及上水庫的安全運行，并便于監測滲水情況及維護檢修，在防滲面板下部設置密集的排水系統，將面板滲漏水和地下水集中收集至排水主管道中排至下游集水井內。

池底、池坡面板后設30cm～60cm 碎石排水墊層，墊層骨料采用尾礦料，粒徑最大8cm，粒徑＜5mm 的含量為20%～35%，碾壓完成后要求滲透系數＞1×10-2cm/s。同時為增強庫底墊層的排水能力，在墊層內水平布置直徑150mm 的塑料排水盲溝。塑料排水盲溝間距5.0m。塑料排水盲溝外包一層200g/m2無紡布，周邊采用粒徑2cm～3cm 碎石保護，塑料盲溝管網直接與池底中間埋設的兩根D500mmPE80 排水管連接，通過該排水管排向下游集水井。蓄水池排水盲溝長約3020m，排水管長約600m。

5 結束語

瀝青混凝土面板具有優異的防滲和適應基礎變形能力、施工速度快、無毒、環保、維修方便等特點，已經廣泛應用于水工建筑物防滲工程中。此次在滑雪場蓄水池工程中的成功應用，拓展了水工瀝青混凝土的應用領域，將對推廣應用水工瀝青混凝土防滲技術產生積極影響。

本工程防滲層瀝青混凝土低溫凍斷溫度室內試驗結果達到-48.2℃，較呼蓄工程相關研究成果（-45℃）低；雖然本工程規模較小，相關成果數據表明，水工改性瀝青混凝土低溫凍斷溫度還有進一步突破的可能。蓄水池瀝青混凝土面板工程的成功建設，為瀝青混凝土防滲技術在極端嚴寒地區的建設做出了初步的探索。