我國水工瀝青混凝土防滲面板的裂縫現狀與成因分析

周世華

(長江水利委員會長江科學院，湖北武漢430010)

0 引 言

瀝青混凝土面板由于具有防滲性能好、適應壩體變形能力強、不需設置接縫且易于修補等特點，在國內外水利水電防滲工程中得到廣泛應用[1-2]，尤其是寒冷地區。據統計，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70年代初，目前已建成瀝青混凝土面板壩工程近40項[4]。這些工程的興建促進了我國瀝青混凝土面板防滲技術的發展，特別是環境溫度最低的呼和浩特抽蓄電站的成功建設，表明我國在寒冷地區瀝青混凝土面板防滲技術方面達到世界領先水平[5]。

瀝青混凝土面板作為我國土石壩主要防滲結構之一，近十多年來，取得了巨大的技術進步。本文主要總結了我國瀝青混凝土防滲面板的裂縫現狀，分析了裂縫產生的成因，旨為我國后續瀝青混凝土面板壩建設提供技術參考。

1 防滲面板裂縫現狀

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，依靠壩體壩坡承擔由瀝青混凝土傳來的外力荷載的一種水工結構形式。瀝青混凝土防滲面板施工技術復雜，投入運行后面板需要經受極端的運行的條件，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90年代之前瀝青混凝土防滲面板裂縫現象比較嚴重，且產生的主要原因是瀝青混凝土質量和施工技術。

20世紀90年代后，在已有工程經驗的基礎上，通過積極引進并吸收國外先進技術，我國瀝青混凝土面板防滲技術水平有了很大提高，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行情況來看，瀝青混凝土面板裂縫出現得不多，且產生的主要原因是基礎局部不均勻沉降。由于工程運行期相對較短，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關注。

2 裂縫成因分析

暴露在自然環境中的防滲面板，因氣溫變化、反向蒸汽壓/水壓、基礎沉降等因素發生的變形，由于面板自身或基礎的變形約束作用就會產生拉應力，當拉應力超過自身拉伸強度時，瀝青混凝土就會產生開裂。從裂縫產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基礎變形能力較強。面板基礎由構造發育程度不同、顆粒大小不一的人工碎石、天然卵石及土組成，變形條件非常復雜，當基礎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90年代之前，我國瀝青混凝土施工技術較為落后，還處于人工、半機械化施工階段，加之大壩填筑材料的研究成果與工程經驗較為缺乏，使得這一時期工程防滲面板的基礎沉降現象屢有發生，甚至發生大面積的塌陷。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帶動了我國瀝青混凝土面板防滲技術的進步。自此以后，大范圍的基礎沉降變形不再發生，但局部小范圍的基礎不均勻變形還時有發生，特別在面板底部反弧段、結構交接處等復雜部位，如某抽水蓄能電站上庫開始蓄水后[12]，發現進水口附近的瀝青混凝土面板開裂漏水，經有關單位組織分析鑒定，認為開裂原因是由于工期緊張，基礎回填不密實導致不均勻沉降，造成了開裂。

2.2 反向壓力鼓包

瀝青混凝土防滲面板在運行期間因材料性能、氣候、水位等變化而產生由內向外的反向力使面板局部隆起甚至開裂的現象，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，陸續發現不規則鼓包和裂縫，2016年開展了全面普查[13]發現鼓包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系，809 m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，故鼓包的形成與庫水作用和日照作用有關。

圖1 不同高程的鼓包數量

圖2 不同直徑鼓包的數量

瀝青混凝土面板的鼓包成因復雜，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致滲漏水進入面板夾層、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、施工速度快等優勢，非常適宜抗裂要求高、施工期短的寒冷地區防滲工程建設，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。當遭遇寒潮溫度驟降時，瀝青混凝土冷縮而產生裂縫，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，當年冬季持續低溫(低于-20 ℃)，同時由于庫水位較低，面板大部分暴露在大氣中，導致面板出現多條貫穿性裂縫[6]。奧地利的Hoch-wurten瀝青混凝土面板壩于1984年越冬期間也發生了坡向低溫凍斷[16]。

防止瀝青混凝土面板發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。凍斷試驗是評價瀝青混凝土低溫抗裂能力的一種直觀試驗方法，其評價指標為凍斷溫度。在我國相關設計規范中，凍斷溫度設計指標通常以工程當地最低氣溫并計入一定的溫度安全裕度來選定。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80年代前蘇聯曾將聚合物改性瀝青成功用于-45 ℃嚴寒地區的防滲工程[19]。我國呼和浩特抽水蓄能電站上庫工程設計凍斷溫度-45 ℃，經研究采用了5號改性瀝青，目前工程已運行多年，未出現凍斷現象。

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到70 ℃以上，易產生流動變形導致骨料與瀝青分離，在自重下順坡向流淌，出現向下壅包，壅包上方可出現橫向開裂。面板一旦出現流淌壅包，一般每年都會出現新包，徹底修復難度很大，嚴重時就得拆除重做面板。南谷洞水庫建成后，發生了大面積的流淌現象，且在周邊接頭部位拉裂嚴重。

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

斜坡流淌引起面板變形，可用斜坡流淌試驗評價，我國相關設計規范中規定，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、高低溫循環等外界因素長時間作用下，瀝青變脆、變硬，導致瀝青混凝土柔性降低、變形性能變差，嚴重的會導致瀝青開裂。文獻[20]針對天荒坪抽蓄防滲面板試驗研究了瀝青混凝土性能變化情況，發現運行18年后，各區拉伸應變都有不同程度的降低，常年裸露區降低23%、水位變動區降低6%、常年水下區降低14%。

1989年建成的牛頭山水庫，運行15年后防滲面板出現大量裂縫，甚至貫穿性裂縫。調查發現，瀝青混凝土性能劣化是產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，運行20多年后，均發現大量開裂的現象，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果

3 結 語

防滲面板裂縫直接影響到工程效益的發揮，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進步明顯，基本沒有因低溫凍斷、高溫流淌而產生的開裂，基礎不均勻沉降主要發生反弧段、結構交接處，面板鼓包現象尚需加強研究。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一步關注。