抽水蓄能電站瀝青混凝土防滲面板裂縫處理及防治措施

王櫻畯，趙 琳

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 310014）

0 引言

瀝青混凝土的物理、力學性質較復雜，其特性取決于變形和溫度條件。組成瀝青混凝土的骨料和瀝青是特性完全不同的兩種材料，骨料主要呈彈性，瀝青在高溫狀態(tài)下或長歷時荷載作用下呈黏塑性，而在低溫狀態(tài)下或短歷時荷載作用下呈彈性。因此瀝青混凝土既具有塑性特性也有彈性特性，在高溫和長歷時荷載作用下呈塑性，在低溫和短歷時荷載作用下呈彈性。

瀝青混凝土面板因其防滲性能好、適應變形能力強、能抵抗酸堿等侵蝕及對水質無污染等優(yōu)點已被許多抽水蓄能電站工程采用[1]。

施工質量良好、致密的瀝青混凝土面板幾乎是不漏水的，最易出現(xiàn)面板裂縫和缺陷的時期是蓄水初期，過快的水位上升或下降速率極易引起過大的基礎層變形，從而導致面板出現(xiàn)裂縫。另外，地基不均勻沉降變形也是造成面板裂縫的重要原因之一。

瀝青混凝土面板的裂縫處理比較容易和快速。對深層裂縫，需把裂縫一定范圍內的防滲層和整平膠結層挖除，重新回填新拌的瀝青混凝土。對于面板上的淺層細微裂縫，經過表面簡單清理后，覆蓋一層新拌的瀝青混凝土加厚層即可。

瀝青混凝土面板裂縫能夠得到及時有效處理的關鍵是：在面板施工完畢后必須儲備一定數(shù)量的瀝青和混凝土骨料，當運行期出現(xiàn)裂縫后就能及時處理。一般從修補到重新蓄水，一個星期的時間就可以完成。

1 瀝青混凝土面板裂縫處理

1.1 瀝青混凝土防滲面板初期蓄水裂縫檢修標準[2]

瀝青混凝土防滲面板初期蓄水裂縫檢修標準歸納如下：

（1）通過地質雷達預判檢修日期。瀝青混凝土修補較其他防滲型式簡單快捷，為了防患于未然，可以參考已建抽水蓄能電站的經驗，對在建、已建的瀝青混凝土面板防滲工程，每兩年采用地質雷達進行一次基礎全面脫空情況檢測。

（2）排水廊道出現(xiàn)集中滲漏或觀測點滲漏量發(fā)生明顯突變，應進行放水檢查，根據檢查情況確定是否檢修。

（3）抽水蓄能電站庫盆日滲漏量超過庫容的1/2000～1/5000時，宜擇時或盡快進行放水檢修。

1.2 瀝青混凝土面板裂縫處理方法

根據裂縫大小、位置和發(fā)育情況的不同采用不同的處理方法：

（1）微細而不裂穿的裂縫。

對于微細而不裂穿防滲層的裂縫，鏟除封閉層，鋪設聚酯網和加厚層，施工封閉層。具體結構型式見圖1。

圖1 細微而不裂穿的裂縫處理示意圖（單位：cm）Figure 1 Schematic diagram of crack treatment without crack （unit：cm）

聚酯網格是瀝青混凝土的一種加筋材料，是一種高強度的聚酯材料，在瀝青混凝土中鋪設聚酯網格，可大大提高抗拉強度，改善瀝青混凝土的內部應力，使得瀝青混凝土的抗變形能力更強。

（2）一般規(guī)模的裂縫。

一般規(guī)模的裂縫指未貫穿瀝青混凝土防滲層或整平膠結層，對下臥排水層等未產生破壞的裂縫。

對一般規(guī)模的裂縫，鑿除瀝青防滲層及整平膠結層，逐層回填瀝青混凝土膠結層及防滲層（中間鋪一層聚酯網），鋪設聚酯網和加厚層，施工封閉層。根據工程實際情況，當原瀝青防滲層瀝青含量低于7%時，可適當加大修補瀝青混凝土中瀝青的含量。具體結構型式見圖2。

圖2 一般規(guī)模的裂縫處理示意圖（單位：cm）Figure 2 General scale fracture treatment diagram （unit：cm）

（3）對于寬、大的裂縫。

寬、大裂縫指裂縫發(fā)育達到一定規(guī)模，已經貫穿防滲層及整平膠結層，對下臥層（含排水墊層、反濾層和地基，下同）產生了一定程度破壞的裂縫。

對于較長、較寬、規(guī)模大的裂縫：鑿除瀝青防滲層、整平膠結層，排水墊層、反濾層及已被水流淘刷的全風化地基，逐層回填反濾層、排水墊層、瀝青混凝土膠結層及防滲層（中間鋪一層聚酯網），鋪設聚酯網和加厚層，施工封閉層。具體結構型式見圖3。

圖3 較長、較寬、規(guī)模大的裂縫處理示意圖（單位：cm）Figure 3 Schematic diagram of crack treatment with long，wide and large scale （unit：cm）

1.3 天荒坪抽水蓄能電站工程瀝青混凝土面板裂縫處理[3～7]

天荒坪抽水蓄能電站上水庫從1997年開始初次蓄水和投入運行以來至2001年5月，瀝青混凝土面板出現(xiàn)5次裂縫，共計34條（處），總長約50m，其中貫穿性裂縫14條，由于瀝青混凝土局部施工缺陷產生的滲水點11處，詳見表1。裂縫分布地點相對集中，34條裂縫中21條（其中9條發(fā)生在已修補的瀝青混凝土面上）分布在4號排水觀測廊道以北、水平截水墻以西的南庫底，7條（其中2條為滲水點）在瀝青混凝土護面與水平截水墻頂相連接的部位，4條集中在北截水墻與水平截水墻交點附近。從總的趨勢看，裂縫的總長度、裂縫的寬度和貫穿性裂縫的條數(shù)，一次比一次短，一次比一次小，一次比一次少（直至無），即趨于收斂。

表1 上水庫瀝青混凝土護面裂縫一覽表Table 1 Schedule of cracks on asphalt concrete cover of upper reservoir

經分析研究認為，裂縫產生的原因主要有：

（1）水庫回沖水速率過快。

第二次蓄水前后水位過快的降落和隨后過快的蓄高水位惡化了地基土層人為不均質性和瀝青混凝土質量缺陷造成的后果。

第一次蓄水平均速率0.61m/天，只發(fā)現(xiàn)一條非貫穿性裂縫。第二次蓄水平均速率高達15.32m/天，結果使瀝青混凝土防滲護面產生了5次裂縫中最多的貫穿性裂縫（9條，占5次裂縫中貫穿性裂縫總數(shù)的64%），導致庫底滲水條數(shù)量陡增10倍，帶來了最為嚴重的后果。過大的變幅（水位變幅與水深的比值高達36.7%～52.4%）引起過大的作用于護面的反復荷載，無疑對第三次、第四次、第五次裂縫產生具有促進作用。因此，在地基變形完全穩(wěn)定前，必須嚴格控制上水庫充排水速率，同樣運行中的水位變幅的控制也是十分必要的。

（2）地基不均質性和瀝青混凝土防滲護面基礎的不均勻沉降。

盡管地基中天然全風化巖（土）層的不均質性是存在的，但是現(xiàn)場所挖掘的探坑和探槽未發(fā)現(xiàn)因設計開挖線以下天然地基或設計填筑線以下回填土地基的不均質性造成瀝青混凝土防滲護面開裂的例子。

1998年的6號探坑和2000年在7號裂縫往北延伸的新裂縫處開挖的探槽發(fā)現(xiàn)，本是開挖區(qū)的地基中卻出現(xiàn)了回填料，并夾雜著強弱風化塊石。6號探坑中，出現(xiàn)粒徑為55～65cm的塊石。2000年的17號探槽中也發(fā)現(xiàn)塊石，7號和8號裂縫交叉點的正下方，發(fā)現(xiàn)90cm×50cm×35cm大的塊石，18號探坑也發(fā)現(xiàn)了塊石。1998年、1999年、2000年所有的探坑和探槽發(fā)現(xiàn)排水墊層和反濾層的總厚度均未達到設計值60cm（反濾層20cm，排水層40cm）。6號探坑和10號探坑處分別為41～42cm和39～40cm，17號探槽和18號探坑處分別為21～35cm（局部49cm）和36～41cm，均約比設計值小三分之一。

裂縫部位的探坑、探槽揭示了地基土層的人為不均質性（夾雜塊石）和反濾層、排水墊層總厚度的不足與裂縫間的直接聯(lián)系。在大粒徑塊石存在的情況下，加大了土層變位的不均勻性，垂直向壓縮量的差異在排水墊層和反濾層總厚度不足的情況下，無法消散和緩解這些垂直向的壓縮量差異，并以局部不均勻沉降的方式反映出來，使瀝青混凝土防滲護面遭受了剪切破壞而開裂。

（3）1998年瀝青混凝土防滲護面開裂后的高壓滲水沖蝕影響。

比較1997年8月瀝青混凝土防滲護面竣工時的測量資料、1998年10月水庫放空時的測量資料和1999年9月水庫再次放空的測量資料，有跡象表明，第二次開裂時大量流過反濾層和排水墊層的壓力水，可能引起反濾層與土層間界面的沖刷淘空以及反濾層和排水墊層中的沖蝕淘空，加劇了瀝青混凝土防滲護面不均勻沉降。10號裂縫就是一個例子。也就是說第二次開裂時，壓力水對全風化土基的沖刷和對反濾層、排水墊層沖蝕可能是1999年、2000年和2001年某些裂縫產生的原因。

主要處理措施如下：

（1）對一般規(guī)模的裂縫如1～2號裂縫等，將開裂瀝青護面鑿除，鑿槽寬35cm，裂縫兩端的槽邊定在由縫端外推50cm處，槽壁中瀝青混凝土護面的切口成45°。鑿槽發(fā)現(xiàn)排水墊層和反濾層內有大塊石時，應加清除，而后按整平段膠結層及防滲層的要求逐層回填瀝青混凝土。

（2）對于規(guī)模大的裂縫如3～8號裂縫及17號和18號裂縫，除裂縫部位瀝青護面鑿槽［槽寬至少50～60cm，根據裂縫的分布及瀝青混凝土護面下臥層的實際情況，槽寬按需要在現(xiàn)場確定，其余同（1）外，還要將排水墊層和反濾層鑿除，探查其下有否塊石，清除塊石后，由下而上按設計要求依次回填全風化巖（土），實際施工中回填全風化巖（土）部位代之以回填反濾料］、反濾層和排水墊層，而后回填瀝青混凝土的整平膠層和防滲層。若裂縫端部外延50cm后，發(fā)現(xiàn)防滲護面或下臥層，仍有裂縫或縫隙，則繼續(xù)延伸鑿槽，直至裂縫或縫隙消失處再外推50cm。

（3）適當加大修補瀝青混凝土中瀝青的含量。

（4）裂縫修補部位設加厚層5～10cm厚，并鋪聚酯網加筋。聚酯網和加厚層的范圍，由槽邊線向兩側外推80～100cm作為側邊線，由縫端的槽邊線外推200cm作為端邊線；加厚層必須平緩（至少1：5）過渡到原瀝青混凝土面。

（5）對判斷可能有隱裂縫的部位，可不鑿槽，僅設聚酯網和加厚層。

（6）對于微細而不裂穿防滲層的裂縫，則直接用“蓋不漏”粘貼縫面封閉裂縫。

（7）對已被水流淘刷的全風化土層及過水后密實度降低的反濾層和排水墊層必須挖除，用合格料重新回填密實。

經過裂縫處理，再次蓄水后，上水庫滲漏量明顯減少至2L/s左右，目前運行良好[7]。

1.4 寶泉抽水蓄能電站工程瀝青混凝土面板裂縫處理[8]

寶泉抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板坡比為1：1.7，面板為簡式結構，由封閉層、防滲層、整平膠結層組成，下臥層為碎石排水墊層。為進一步提高面板對基礎不均勻沉降的適應，在主壩反弧段底部、主壩與庫岸連接段等應力應變集中區(qū)設置高分子加強網格，同時增設5cm厚瀝青混凝土防滲加厚層。

上水庫主壩于2007年6月下旬開始進行瀝青混凝土整平膠結層填筑，于同年7月完成整個壩面的整平膠結層鋪筑和主壩下部反弧水平段的防滲層鋪筑。7月28～31日，工地遭遇大暴雨。8月3日，發(fā)現(xiàn)主壩瀝青混凝土局部出現(xiàn)沉降、塌陷、脫空及拉裂現(xiàn)象。隨后經普查發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土沉降、塌陷、脫空及拉裂出現(xiàn)在以下四個區(qū)域：

（1）壩0+150.46～壩0+155.96，高程743.76～785.07m整平膠結層。

（2）壩0+342 .52～壩0+351.04，高程757.552～770.368m整平膠結層。

（3）壩0+354.20～壩0+363.00，高程743.576～757.552m整平膠結層。

（4）主壩庫底水平段壩0+271.02～壩0+600段壩防滲層出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。拉裂影響區(qū)寬為2～4m。

經過對主壩施工過程中沉降觀測資料、地形地質條件、基礎處理措施以及施工期氣候條件等分析，認為7月28～31日的暴雨沖垮基礎墊層，是造成主壩瀝青混凝土面板局部出現(xiàn)沉降、塌陷、脫空、拉裂現(xiàn)象的主要原因。

主要處理措施如下：

（1）在進行主壩整平膠結層沉降、脫空及拉裂處理之前，做好相應的防雨水沖刷措施。

（2） 進行地質雷達檢測及瀝青混凝土芯樣檢測。

（3）對主壩壩坡整平膠結層外觀已出現(xiàn)沉陷、脫空及裂縫的瀝青混凝土全部拆除。

（4）拆除后應先對基礎墊層料進行檢測。基礎檢測完畢后，對基礎墊層料進行整坡碾壓。

（5）拆除修補完后，再重新按設計要求鋪筑整平膠結層、防滲層及封閉層。

經過裂縫處理，上水庫蓄水后，滲漏量較小，目前主壩壩后量水堰蓄水池基本干燥無水。

2 瀝青混凝土面板裂縫防治措施[2]

根據以上對瀝青混凝土防滲護面開裂原因的分析和工程建設、運行經驗，對瀝青混凝土面板裂縫防治措施歸納如下：

（1）嚴格控制水庫初期蓄水速率。

國內外因初期蓄水過快導致瀝青混凝土防滲面板出現(xiàn)裂縫的工程案例較多，那么初次蓄水對面板到底產生何種影響，下面借用數(shù)值分析手段進行計算分析，探討蓄水速率對面板應變的影響。

圖4為天荒坪抽水蓄能電站上水庫有限元計算網格及假定單元，計算時選取的蓄水速率分別為1m/天、3m/天、5m/天，計算過程中分別模擬了蓄水速率對瀝青混凝土面板、堆石體的影響。

圖4 計算網格及單元假定Figure 4 Calculation grid and element assumption

通過計算分析，得到瀝青混凝土面板典型單元、堆石體典型單元在不同蓄水速率下的變形發(fā)展情況：

1）蓄水速率對瀝青混凝土面板拉應變影響顯著，較于1m/天蓄水速率，5m/天蓄水速率下面板拉應變增長梯度較大、最終面板的拉應變也明顯提升；5m/天蓄水速率最終的拉應變超過面板極限值，面板有拉裂的風險。

2）蓄水速率對堆石體變形影響顯著，變化規(guī)律與面板拉應變規(guī)律性一致；由于瀝青混凝土面板依附在堆石體上部，此規(guī)律體現(xiàn)了壩體各組成部分之間的變形協(xié)調性。

通過整理天荒坪抽水蓄能電站歷次裂縫出現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)：第二次蓄水時貫穿性裂縫最多，庫底滲水量最為嚴重、突變量大，分析原因為本次蓄水平均速率高達15.32m/天，結果導致瀝青混凝土防滲面板產生了9條貫穿性裂縫，占歷次總貫穿性裂縫的64%。 日本沼原抽水蓄能電站初次蓄水時最快蓄水速率為6.5m/天左右，結果導致面板出現(xiàn)了裂縫，隨后提出了沼原抽水蓄能電站上水庫蓄水時水位上升要求：死水位以下每天2m，水位1198～1222m（有水調試水位）每天1m，1222～1226m每2天1m，1198～1238m（滿水位）每4天1m。

以上分析表明，蓄水速率直接影響著防滲面板的安全運行，其為瀝青混凝土面板裂縫形成的主要原因之一。圖5為瀝青混凝土典型單元應變與蓄水速率間的變化關系。

圖5 瀝青混凝土典型單元應變與蓄水速率間的變化關系Figure 5 The relationship between typical unit strain of asphalt concrete and water storage rate

在水庫地基全風化巖（土）或軟基排水固結完成、瀝青混凝土防滲護面基礎沉降穩(wěn)定前，應嚴格限制水位上升和下降的速率及嚴格限制水位變幅的增量、保證足夠的穩(wěn)壓時間、密切注意蓄高水位時和加大水位變幅增量時的水溫等。即使水庫軟弱地基排水固結完成、瀝青混凝土防滲護面基礎沉降穩(wěn)定后，也必須根據運行經驗制訂合理的放水和重新蓄水的速率和程序，對已正常運行的上水庫的放空和重新蓄水進行必要的控制。

（2）防止地基局部不均勻沉降。

天荒坪抽水蓄能電站工程瀝青混凝土面板出現(xiàn)裂縫部位的探坑、探槽揭示了地基土層的人為不均質性（夾雜塊石）和反濾層、排水墊層總厚度的不足與裂縫間的直接聯(lián)系。日本沼原抽水蓄能電站上水庫的地基分布有火山礫層和湖相沉積層等不均質的軟弱地層。瀝青混凝土防滲護面下鋪設50cm厚的排水墊層以排除滲水和增強抵抗局部變形和不均勻沉降的能力。根據目前檢索到的資料，在蓄水初期，由于地層中軟弱夾層的存在，導致了瀝青混凝土防滲面板局部裂縫。

因此，地基的不均質性影響是導致瀝青混凝土防滲面板開裂的主要影響因素之一。設計、施工過程中應予以重視，采取合理的工程措施，防止地基局部不均勻沉降的產生，將地基不均質性影響降至最低，避免因瀝青混凝土防滲護面遭受剪切破壞而開裂。

（3）保證面板基礎墊層碾壓密實。

對瀝青混凝土面板而言，面板為工程的防滲主體，而基礎墊層為荷載的承載體，其施工質量好壞直接影響面板的運行狀況。如果在工程施工中，局部填筑質量差，將會加劇面板局部的不均勻變形，從而引起面板局部拉應力超標，面板被拉裂破壞。

針對天荒坪抽水蓄能電站上水庫開展了有限元數(shù)值分析，分別模擬了面板局部基礎墊層取用不同計算參數(shù)對裂縫產生及發(fā)展的影響。

計算成果表明：當基礎墊層局部薄弱區(qū)參數(shù)K值小于520，薄弱區(qū)上覆一定范圍內瀝青混凝土面板拉應變在0.4%以上，接近或超過了其極限值，瀝青混凝土面板局部存在拉裂破損的風險。圖6為不同基礎墊層參數(shù)下面板拉應變。

圖6 不同基礎墊層參數(shù)下面板拉應變Figure 6 Tensile strain of slab under different cushion parameters

對面板基礎墊層而言，在方案設計時，應考慮足夠的墊層厚度，提出合理的壓實控制指標；施工過程中應保證其填筑質量，避免基礎墊層的局部不密實造成面板拉裂。

（4）反弧段等部位采取綜合結構措施提高面板抗裂性能。

用于防滲的瀝青混凝土面板厚度只有幾厘米到十幾厘米，大面積應用于復雜基礎條件庫盆防滲時，對其原材料、結構、施工技術要求更高。為使瀝青混凝土在反弧段應變分布更加均勻，采用鋪設聚酯網格、設置防滲加厚層、加大反弧半徑等綜合措施，同時使用柔性更好的瀝青材料，可有效提高其結構抗裂性能。

計算分析表明，天荒坪抽水蓄能電站工程上水庫主壩上游壩腳反弧段瀝青混凝土轉折點處，在運行過程中會出現(xiàn)較大的拉應變，最大值為0.5%，已超過瀝青混凝土的極限拉伸值0.45%，且施工時該部位不易壓實，在水壓力作用下，易于被拉裂。

通過加大反弧半徑（由初步設計階段30m加大至50m），并在反弧段設置加厚層及柔性聚酯網格等結構措施，三維有限元分析顯示最大拉應變?yōu)?.88‰，小于瀝青混凝土的極限拉伸值。圖7為瀝青混凝土面板反弧段典型剖面。

圖7 瀝青混凝土面板反弧段典型剖面（單位：cm）Figure 7 Typical section of reverse arc section of asphalt concrete face slab （unit：cm）

（5）防止汛期雨水沖刷基礎墊層。

寶泉抽水蓄能電站工程在瀝青混凝土面板施工期間，汛期暴雨沖垮基礎墊層，造成主壩瀝青混凝土面板局部出現(xiàn)沉降、脫空、拉裂等現(xiàn)象。因此，對于有一定集雨面積的水庫庫盆或大壩，施工瀝青混凝土面板前，應先做好防雨水沖刷基礎墊層的工程措施，如設置表面擋水坎、基礎帷幕灌漿等。

（6）運行期加強監(jiān)測。

對在建、已建的瀝青混凝土面板防滲工程，建議每兩年采用地質雷達進行一次基礎全面脫空情況檢測。當庫水位上升時，伴隨著庫底滲漏量的小幅變化，應加強監(jiān)測，密切注意滲漏量的發(fā)展情況。若滲漏量大幅增長超過50%，或庫盆日滲漏量超過庫容的1/2000～1/5000時，則應立即進行放空檢查，根據檢查裂縫情況，擬訂修補措施。

3 結束語

地質條件、水庫的運行條件、不均勻沉降等均可造成瀝青混凝土面板的裂縫，應根據工程的實際條件，并結合裂縫的產狀及發(fā)展情況，對裂縫的成因綜合判斷。

水庫初期蓄水時，一定要嚴格控制充排水速率。瀝青混凝土防滲護面基礎沉降穩(wěn)定前，充排水速率過快，易造成瀝青混凝土護面的裂縫。

瀝青混凝土防滲面板的裂縫修補較為復雜，對工程的后期運行影響較大，因此修補措施應根據工程的實際特點，結合已建工程的裂縫修補經驗，綜合制定修補措施，研究施工工藝。