天荒坪抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板防渗层老化试验研究

周俊杰，赵毅锋，王亮春，田 伟

（华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省安吉县 313302）

1 前言

天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县天荒坪镇，电站装机容量为1800MW。电站上水库利用天然洼地挖填而成，四周布置“一主四副”五座土石坝，全库盆采用沥青混凝土面板防渗结构。沥青混凝土面板为简式结构，由沥青玛蹄脂封闭层、防渗层、整平胶结层组成。

上水库开挖和填筑工程由中国水利水电第五工程局有限公司承建，沥青混凝土防渗面板工程系国际标，由德国特拉堡公司（Strabag）承建。为我国20世纪末引进国外先进技术建造的第一座全库盆沥青混凝土面板堆石坝，对我国后续沥青混凝土防护工程的设计、施工等提供了宝贵的工程价值。为探索沥青混凝土的老化情况，开展了本文的研究工作。

2 小梁弯曲试验

2.1 试验方法和条件

对切割的弯曲试件测定密度，计算孔隙率。将试件在温度5℃条件下恒温不少于4h，将试验机置于恒温室中，通过调频电源可进行无级调速，控制位移速率，利用计算机控制系统采集荷载和位移。

施工期间开展的防渗层芯样小梁弯曲试验时，芯样弯曲试件尺寸为250mm×35mm×30mm，支点中心距为200mm，小梁跨中位移速率0.5mm/min。跨中弯曲应变率为：6×35×0.5/（200×200）×100%=0.263%/min=4.4×10-5/s。为了便于性能对比，本次小梁弯曲的试验温度和弯曲应变率与施工期保持一致。由于本次芯样弯曲试件尺寸为240mm×40mm×35mm，支点中心距为195mm，则小梁跨中位移速率应设定为：0.00263×195×195/（6×40）=0.42mm/min。

2.2 试验成果

在温度5℃条件下，对18个沥青混凝土弯曲试件的试验结果见表1。

2.3 试验成果对比分析

2.3.1 弯曲强度

从三个区防渗层上下层弯曲强度试验成果比较图1可看出，3个区防渗层上下层经18年运行后的弯曲强度相对变化比较有规律，从常年水下区到水位波动区及常年裸露区强度呈现硬化趋势。就同区上下层比较而言，常年裸露区及水位波动区防渗层上层均比下层弯曲强度有所提高，而常年水下区防渗层上层比下层弯曲强度却略有降低。

表1 小梁弯曲试验成果Tab.1 Dates of bending test

2.3.2 弯曲应变

从最大弯曲强度对应的弯曲应变比较图2可看出，3个区防渗层上下层经18年后的弯曲应变尽管有个别试件数据有些离散，但总的应变相对变化比较有规律。从常年水下区到水位波动区及常年裸露区应变呈现减小趋势。各区防渗层上下层弯曲应变相对变化不甚明显。

图1 3个区防渗层上下层弯曲强度比较（5℃）Fig．1 Comparison of bending strength of the upper and lower layers in 3 zones at different height（5℃）

图2 3个区防渗层上下层弯曲应变比较（5℃）Fig．2 Comparison of bending strain of the upper and lower layers in 3 zones at different height（5℃）

3个区弯曲强度和应变比较可看出，沥青混凝土面板防渗层的硬化老化符合面板运行条件。处在常年裸露区的面板因受阳光、温度、空气等影响最大，面板老化程度也最严重，强度比常年水下区提高21%，应变降低26%；水位波动区的面板老化程度次之，强度比常年水下区提高6%，应变降低17%。各区面板防渗层上下层的弯曲强度和应变变化不明显。

2.4 与施工期试验数据对比分析

1997年8月，特拉堡公司（Strabag）委托西安理工大学防渗研究所进行防渗层沥青混凝土小梁弯曲试验。其中在5℃条件下7个试件的弯曲强度平均值为2.385MPa，弯曲应变平均值为3.738%。

沥青混凝土面板运行18年后，3个区上下层的弯曲强度和应变与施工时的比较见表2。可看出，沥青混凝土面板防渗层经18年运行后，各区都有不同程度的老化。常年裸露区弯曲强度提高22%，弯曲应变降低36%；水位波动区强度提高7%，应变降低28%；常年水下区强度几乎无变化，应变降低12%。应变的降低程度比强度的提高大，这可能与面板在18年的运行过程中已经产生了残余应变有关。

3 小梁拉伸试验

3.1 试样方法和条件

对切割的拉伸试件测定密度，计算孔隙率。将切割好的试件两头用高强度黏结剂粘在夹头上，稳定24h凝固。将试件分3组分别在温度5、20℃水浴中恒温不少于4h。

施工期在进行天荒坪沥青混凝土面板防渗层芯样轴拉试验时，芯样试件尺寸为125mm×40mm×40mm，拉伸速率0.5mm/min。为了便于性能对比，本次拉伸试验试件尺寸、拉伸速率和温度均与1997年的保持一致。沥青混凝土拉伸试验在沥青混凝土专用试验机上进行，通过调频电源可以无级调速，以控制拉伸速率。将试验机置于恒温室中，利用计算机采集控制系统采集试验数据。

表2 防渗层运行18年后的弯曲性能与施工时的性能比较Tab.2 Comparison of the bending properties of the anti-seepage layer before and after 18 years operation

3.2 试验成果

在温度5、20℃条件下，试件的试验结果分别见表3、表4。

表3 5℃条件下拉伸试验成果Tab.3 Tensile test results at 5℃

表4 20℃条件拉伸试验成果Tab.4 Tensile test results at 20℃

3.3 试验成果对比分析

3.3.1 拉伸强度

两种温度条件下，3个区沥青混凝土面板防渗层上下层拉伸强度比较分别见图3和图4。可看出，尽管20℃下的部分试验数据比较离散，3个区防渗层上下层经18年后的拉伸强度相对变化比较有规律，从常年水下区到水位波动区及常年裸露区强度呈现硬化趋势，上下层拉伸强度没有明显变化。

3.3.2 拉伸应变

两种温度条件下，3个区沥青混凝土面板防渗层上下层拉伸应变比较分别见图5和图6。可看出，试验温度为12℃时，3个区防渗层上层数据比较离散，3个区应变比较略有变化；而防渗层下层数据离散很小，3个区应变比较几乎无变化。试验温度为20℃时，3个区防渗层拉伸应变数据略有离散，应变相对变化比较有规律。从常年水下区到水位波动区及常年裸露区应变略呈减小趋势。

图3 3个区防渗层上下层拉伸强度比较（5℃）Fig．3 Comparison of the tensile strength of the upper and lower layers in 3 zones at different height（5℃）

图4 3个区防渗层上下层拉伸强度比较（20℃）Fig．4 Comparison of the tensile strength of the upper and lower layers in 3 zones at different height（20℃）

3.4 与施工期试验数据比较

1997年施工期，5℃条件下6个试件的平均拉伸强度为1.155 MPa，拉伸应变为1.311%；20℃条件下平均拉伸强度为0.233 MPa，拉伸应变为2.228%。沥青混凝土面板运行18年后，3个区上下层的拉伸强度和应变与上述值比较见表5。

图5 3个区防渗层上下层拉伸应变比较（5℃）Fig．5 Comparison of the tensile strain of the upper and lower layers in 3 zones at different height（5℃）

图6 3个区防渗层上下层拉伸应变比较（20℃）Fig．6 Comparison of the tensile strain of the upper and lower layers in 3 zones at different height（20℃）

表5 防渗层运行18年后的拉伸性能与施工时的比较Tab.5 Comparison of the tensile properties of the anti-seepage layer before and after 18 years operation

从表5可看出，沥青混凝土面板防渗层经18年运行后，在5℃条件下，各区拉伸强度都有较大程度增加，常年裸露区强度提高80%、水位变动区增加71%、常年水下区增加52%；而各区拉伸应变反常增加，可能与试件数量少、试件存在差异性有关。在20℃条件下，各区拉伸强度都有较大程度增加，常年裸露区强度提高93%、水位变动区增加76%、常年水下区增加37%；各区拉伸应变都有不同程度的降低，常年裸露区降低23%、水位变动区降低6%、常年水下区降低14%。

4 沥青混凝土防渗层老化力学性能预测

按室内加热加速老化方法，将加热老化时间分别设定为3.5h（相当于施工过程）、15.25h（相当于面板运行14年）、28.7h（相当于面板运行30年）、45.5h（相当于面板运行50年）的4组沥青混合料制备沥青混凝土小梁弯曲试件，试件尺寸为240mm×40mm×35mm，每组6个试件。小梁弯曲试验条件与前述试验条件相同，即试验温度5℃，中点位移速率0.42mm/min。试验结果见图7。

图7 沥青混合料经不同加热老化时间（运用年限）后的弯曲应力应变Fig．7 Changing process of bending stress and strain of the asphalt concrete when heating（simulating aging process）

从图7可看出，沥青混凝土弯曲强度随着沥青混合料加热老化时间（面板运行年限）增大而增大，弯曲应变随着沥青混合料加热老化时间（面板运行年限）增大而减小。弯曲性能从沥青混合料加热老化时间3.5h（相当于施工过程）到15.25h（相当于面板运行14年）变化较快，弯曲强度从2.5MPa上升到3.34MPa，而弯曲应变由3.1%下降到2.0%。随后弯曲性能变化缓慢，从沥青混合料加热老化时间15.25h到28.7h和45.5h，弯曲强度从3.34MPa上升到3.51MPa和4.0MPa，而弯曲应变2.0%下降到1.70%和1.50%。按此规律，即使沥青混合料加热老化87.3h（面板运行100年），沥青混凝土仍有1.3%弯曲应变。

5 结束语

石油沥青主要由油分、胶质和沥青质组成，其中油分是密度最小的成分。当沥青在日照、热空气、浸水、高低温循环等外界因素长时间作用下，沥青中的轻质成分就会挥发，导致沥青变脆、变硬，严重的会导致沥青开裂，这就是沥青老化的基本特征。沥青混凝土的老化宏观判断：沥青材料失去原有的光泽、强度变高、易碎，对于老化较严重的，会出现网状的细小裂缝。

通过对天荒坪上水库沥青混凝土防渗层开展的小梁弯曲及拉伸试验，从物理试验方面对沥青混凝土的老化情况进行了初步研究，得出以下结论：

（1）沥青混凝土防渗层的小梁弯曲试验不同分区呈现不同的老化规律，常年裸露区弯曲强度提高幅度最大，弯曲应变降低幅度也最大；水位波动区次之、常年水下区防渗层的强度与应变值较为稳定。

（2）沥青混凝土防渗层的小梁拉伸试验不同分区呈现不同的老化规律，同时也受温度影响较为明显。在相同温度下，常年裸露区拉伸强度提高幅度最大，弯曲应变降低幅度也最大；水位波动区次之、常年水下区防渗层的强度与应变值较为稳定。这与防渗层的小梁弯曲试验成果变化规律基本一致。

（3）试件孔隙率均小于4%，根据日本沼原水库沥青混凝土面板运行经验，天荒坪抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板仍具有较好的防渗性能。加速老化的力学性能试验研究结果表明，即使老化最严重的常年裸露区防渗层表层0～8mm，仍然具有相当长的运行寿命。

（4） 天荒坪抽水蓄能电站上水库沥青混凝土经过多年的运行后，在紫外线、空气、水分等作用下，防渗层呈现出一定的老化特征，后续将结合沥青混凝土的性能试验，进一步论证其老化程度及变化过程，为电站的安全运行提供参考。

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