水庫運行期瀝青混凝土面板封閉層老化及治理對策研究

王櫻畯，王登銀，趙 琳

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，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庫盆的防滲體，其特點得到了極大的發(fā)揮。抽水蓄能電站水庫的瀝青混凝土面板在運行期由于受庫水位頻繁大幅升降的影響，同時遭受匯流水(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，因此對瀝青混凝土老化性能、工作性態(tài)開展深入研究很有意義。

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

本項目依托天荒坪電站上水庫防滲工程，開展瀝青混凝土面板封閉層老化研究，并針對抽水蓄能電站水庫運行特點提出相應(yīng)治理對策，可為后續(xù)類似工程提供較好的實踐參考和指導(dǎo)。

1 天荒坪抽蓄工程上水庫概況[1- 6]

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)。電站裝機容量1 800 MW，電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群和地面開關(guān)站組成。上水庫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)計最高蓄水位(正常蓄水位)905.2 m，總庫容919.2萬m3，工作深度42.2 m[1- 6]。1998年9月底第1臺機組開始發(fā)電運行，2000年12月6臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。

上水庫采用全庫盆瀝青混凝土面板防滲，面板為簡式結(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)層庫底部位厚8 cm，庫岸及壩坡部位厚10 cm。在坡腳反弧段和進/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為上水庫瀝青混凝土面板典型剖面。

圖1 上水庫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)對封閉層現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，整個上水庫庫盆封閉層均發(fā)生了不同程度的破壞。破壞以主壩區(qū)域最為嚴(yán)重，其次為北庫岸和東庫岸，西庫岸相對最輕。

根據(jù)封閉層破損情況，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)可將封閉層按高程分為2個區(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)沖刷部位相對嚴(yán)重，見圖2。A2區(qū)為水位變動區(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)所受的陽光照射和匯流水沖刷外，還承受庫水位變動沖刷作用。

圖2 常年裸露區(qū)(A1)封閉層外觀

在水庫西北角庫岸，由于溫泉水排放導(dǎo)致的封閉層破壞情況見圖3。

圖3 溫泉水排放造成的封閉層破壞

綜上所述，上水庫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)場情況，取樣部位根據(jù)上水庫A1區(qū)的外觀老化程度，選取具代表性的a點(樁號1+260)、b點(樁號0+710)和c點(樁號0+420)，每個部位取樣面積1～2 m2，高程905.00 m，其中b點、c點老化程度較輕。

3 封閉層老化性能試驗

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

3.1 封閉層取樣試驗

a點、b點和c點3個部位的封閉層瀝青瑪蹄脂樣品回收瀝青的性能檢測結(jié)果見表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結(jié)果

試驗成果表明，從現(xiàn)場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，軟化點已升至90 ℃左右，說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可能脫落。

3.2 室內(nèi)紫外加速老化試驗

為了研究太陽輻射對封閉層老化的影響，在室內(nèi)進行了瀝青瑪蹄脂的紫外光加速老化試驗。上水庫封閉層瀝青瑪蹄脂采用的瀝青為沙特阿拉伯B45瀝青，試驗采用性能指標(biāo)與B45瀝青相近的中海油公司生產(chǎn)的道路50號瀝青，按照上水庫封閉層配合比(瀝青：礦粉=3∶7)拌制。室內(nèi)紫外加速老化試驗在美國Q-lab公司生產(chǎn)的Q-uv紫外老化試驗機上進行，試驗光源采用UVA-340熒光燈(波長范圍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)備具有輻照度自動控制系統(tǒng)，可自動監(jiān)測燈管輻照度。

為模擬現(xiàn)場情況，封閉層測試樣品厚度按照2 mm涂刷。一般夏季正午時分，地面接收到的太陽紫外輻射強度為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。受紫外老化試驗機的限制，采用45、50、55 ℃ 3種溫度組合進行試驗。

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行比較，因此封閉層紫外老化試驗中針入度測試溫度調(diào)整為35 ℃。試驗結(jié)果如表2、圖4。

圖4 針入度、軟化點、黏度與紫外老化時間關(guān)系(55 ℃)

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

4 封閉層老化預(yù)測

4.1 封閉層的紫外老化方程

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

一般老化過程中，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為老化時間。

對于熱老化，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為絕對溫度。

對于紫外老化，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為紫外輻射強度；α為與溫度無關(guān)的常數(shù)；Eu為紫外活化能。

由于在溫度小于80 ℃時，溫度對老化速率的影響很小，因此在溫度小于80 ℃時，Eu/R≈0，k≈CUα，表明紫外老化速率與紫外輻射強度之間為指數(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)驗公式，對于紫外老化的經(jīng)驗公式為

P=Aexp(CUαt)+B

(4)

式中，A、B為擬合系數(shù)。

對不同紫外輻射強度條件下的老化數(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)

將不同紫外輻射強度下的lnk與紫外輻射強度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，不同紫外輻射強度下的老化參數(shù)見表3，lnk與lnU關(guān)系擬合成果見圖5。

表3 不同紫外輻射強度下的老化參數(shù)

圖5 lnk與lnU關(guān)系擬合曲線(55 ℃)

可以計算出，C=-0.001 516、α=0.728 08。對于參數(shù)A、B可取3個紫外輻射強度下的平均值，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紫外輻射情況

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

當(dāng)無法進行直接測量的情況下，任意平面上得到的太陽輻射還可以采用數(shù)學(xué)模型計算，直接輻照度按下式計算：

Id=Idn(cosθsinβ+sinθcosβcos(γ-α))

(7)

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

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

由于天荒坪抽水蓄能電站上水庫并未安裝太陽輻射觀測設(shè)備，因此太陽輻射只能通過離電站最近的太陽輻射觀測站——杭州市氣象觀測站的數(shù)據(jù)進行初步估算。

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

圖6 上水庫太陽輻射量

根據(jù)計算分析結(jié)果，上水庫一周不同部位面板接收的太陽輻射量差異較大，在630 000～1 330 000 Wh/m2之間。輻射最強的北庫岸的輻射量約為輻射最弱的主壩部位的2倍。

若紫外線在太陽光譜中的比例按5%計算，則天荒坪抽水蓄能電站上水庫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估

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

根據(jù)計算結(jié)果整理成果見圖7。天荒坪抽水蓄能電站上水庫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)。上水庫輻射最強(方位角38°)和最弱(方位角-110°)兩個部位的封閉層瀝青針入度在前3年內(nèi)差異較大，第3～8年時差異逐漸減小，8年后基本趨于一致。此時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 上水庫封閉層瀝青逐年針入度計算值

天荒坪抽水蓄能電站上水庫封閉層A2區(qū)已基本脫落，說明封閉層的歷時已經(jīng)超過了其老化壽命。同時A1區(qū)3個取樣點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，說明A1區(qū)歷時也達到或超過了其老化壽命，因此如果用針入度(35 ℃)作為評判標(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。

按照圖7的計算結(jié)果和此壽命閾值，可以推算出天荒坪抽蓄工程上水庫輻射最強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判的唯一指標(biāo)，研究成果及計算模型存在一定的局限性，這些都需要進一步的深入探討。

5 抽水蓄能電站面板封閉層運行特點及治理對策

(1)多個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行條件影響明顯，常年裸露區(qū)最為顯著，水位波動區(qū)老化速率次之，常年水下區(qū)老化最弱[9]。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，整個天荒坪抽蓄工程上水庫庫盆封閉層均發(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。試驗成果表明，從現(xiàn)場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。因此對于抽水蓄能電站而言，運行期應(yīng)重點關(guān)注水位變幅區(qū)和常年裸露區(qū)的面板封閉層運行情況。

(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)因方面來說，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早老化。從外因方面來說，庫水位的頻繁變化主要由水庫運行條件決定，幾乎無法改變，但可以盡量降低庫盆匯流水對面板的沖刷，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瀝青混凝土面板防滲工程，針對封閉層開展室內(nèi)配合比試驗，對比了6種瀝青材料與填料的不同配比共14組試驗，施工期根據(jù)現(xiàn)場試驗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并未安裝太陽輻射觀測設(shè)備，本次研究只能參照附近地區(qū)的監(jiān)測成果，初步估算其紫外光輻射強度。為了便于開展瀝青混凝土面板老化研究，建議在工程區(qū)設(shè)置太陽輻射設(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)抽水蓄能電站水庫運行特點，建議每隔5年進行面板封閉層老化研究，以及時掌握其老化情況。

(6)通過對天荒坪抽水蓄能電站上水庫年裸露區(qū)、水位波動區(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，對封閉層的修補時機，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)場發(fā)現(xiàn)有一定程度的裂縫發(fā)育時，應(yīng)盡快開展封閉層老化修補工作。若是條件具備，對于已接近壽命周期的封閉層，能早日進行修補，對水庫安全運行更加有利。

6 結(jié) 語

依托天荒坪抽蓄上水庫瀝青混凝土面板防滲工程，在現(xiàn)場取芯的基礎(chǔ)上，開展了瀝青混凝土封閉層的性能指標(biāo)檢測，并開展了紫外光強的室內(nèi)加速老化試驗研究，探究了其老化規(guī)律，同時建立老化預(yù)測方程，對其運用壽命進行了預(yù)測分析，并結(jié)合抽水蓄能電站水庫運行特點提出相應(yīng)的治理對策。

2019年6月，天荒坪公司對老化的上水庫瀝青混凝土面板瑪蹄脂封閉層進行大修，通過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，達到了良好的修復(fù)效果。