我国水工沥青混凝土防渗面板的裂缝现状与成因分析

周世华

(长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010)

0 引 言

沥青混凝土面板由于具有防渗性能好、适应坝体变形能力强、不需设置接缝且易于修补等特点，在国内外水利水电防渗工程中得到广泛应用[1-2]，尤其是寒冷地区。据统计，在国际大坝委员会(ICOLD)注册的已完建的沥青混凝土面板土石坝已超过300座，其中建坝较多的国家有德国、中国、西班牙、意大利和日本[3]。

我国将沥青混凝土作为土石坝的防渗面板起步于20世纪70年代初，目前已建成沥青混凝土面板坝工程近40项[4]。这些工程的兴建促进了我国沥青混凝土面板防渗技术的发展，特别是环境温度最低的呼和浩特抽蓄电站的成功建设，表明我国在寒冷地区沥青混凝土面板防渗技术方面达到世界领先水平[5]。

沥青混凝土面板作为我国土石坝主要防渗结构之一，近十多年来，取得了巨大的技术进步。本文主要总结了我国沥青混凝土防渗面板的裂缝现状，分析了裂缝产生的成因，旨为我国后续沥青混凝土面板坝建设提供技术参考。

1 防渗面板裂缝现状

沥青混凝土防渗面板是将沥青混凝土通过浇筑或碾压的方式，在迎水面坝坡形成一层防渗层，依靠坝体坝坡承担由沥青混凝土传来的外力荷载的一种水工结构形式。沥青混凝土防渗面板施工技术复杂，投入运行后面板需要经受极端的运行的条件，如极端的温度、水位的周期性频繁变化等，故防渗面板的最大技术难题就是如何防止其开裂。表1列出了我国部分面板防渗工程的沥青混凝土裂缝情况及主要诱因。

表1 我国部分面板防渗工程的沥青混凝土裂缝情况及其主要诱因[6-15]

从表1可以看出，20世纪90年代之前沥青混凝土防渗面板裂缝现象比较严重，且产生的主要原因是沥青混凝土质量和施工技术。

20世纪90年代后，在已有工程经验的基础上，通过积极引进并吸收国外先进技术，我国沥青混凝土面板防渗技术水平有了很大提高，特别是天荒坪抽蓄电站(1997年，坝高72 m，防渗面板由德国Strabag公司承建)的建成，推动了沥青混凝土面板在我国抽水蓄能电站中的应用，此后建成了宝泉抽水蓄能(2007年，坝高72 m)、西龙池抽水蓄能(2007年，坝高97 m)、张河湾抽水蓄能(2008年，坝高57 m)、呼和浩特抽水蓄能(2014年，坝高43.9 m)、沂蒙抽水蓄能(在建，坝高117.4 m)等电站。从这一时期的工程运行情况来看，沥青混凝土面板裂缝出现得不多，且产生的主要原因是基础局部不均匀沉降。由于工程运行期相对较短，考虑到沥青具有老化特性，沥青混凝土面板的抗裂性与耐久性还需加强关注。

2 裂缝成因分析

暴露在自然环境中的防渗面板，因气温变化、反向蒸汽压/水压、基础沉降等因素发生的变形，由于面板自身或基础的变形约束作用就会产生拉应力，当拉应力超过自身拉伸强度时，沥青混凝土就会产生开裂。从裂缝产生的主要诱因来划分，面板裂缝主要分为沉降裂缝、鼓包裂缝、低温收缩裂缝、高温流淌裂缝、材料老化裂缝等。

2.1 基础不均匀沉降

与水泥混凝土相比，沥青混凝土的变形能力好，故沥青混凝土面板适应基础变形能力较强。面板基础由构造发育程度不同、颗粒大小不一的人工碎石、天然卵石及土组成，变形条件非常复杂，当基础不均匀沉降变形超出沥青混凝土的变形能力时，面板受到约束而开裂。

20世纪90年代之前，我国沥青混凝土施工技术较为落后，还处于人工、半机械化施工阶段，加之大坝填筑材料的研究成果与工程经验较为缺乏，使得这一时期工程防渗面板的基础沉降现象屡有发生，甚至发生大面积的塌陷。如1989年建成的牛头山水库[11]，自蓄水以来，坝顶垂直最大沉降9.9 cm、水平最大位移1.8 cm，大坝迎水面局部最大凹陷27 cm。

天荒坪抽水蓄能电站的建设带动了我国沥青混凝土面板防渗技术的进步。自此以后，大范围的基础沉降变形不再发生，但局部小范围的基础不均匀变形还时有发生，特别在面板底部反弧段、结构交接处等复杂部位，如某抽水蓄能电站上库开始蓄水后[12]，发现进水口附近的沥青混凝土面板开裂漏水，经有关单位组织分析鉴定，认为开裂原因是由于工期紧张，基础回填不密实导致不均匀沉降，造成了开裂。

2.2 反向压力鼓包

沥青混凝土防渗面板在运行期间因材料性能、气候、水位等变化而产生由内向外的反向力使面板局部隆起甚至开裂的现象，称之为鼓包。沥青混凝土面板鼓包的成因主要有反水压、蒸汽压、斜坡流淌等。如张河湾抽水蓄能电站上库防渗面板自2009年建成后，陆续发现不规则鼓包和裂缝，2016年开展了全面普查[13]发现鼓包193处，大多分布在800～810 m高程之间(占98%，见图1)，其中直径10～30 cm的鼓包占78%(见图2)，鼓包开裂的数量约有50%。从图1、2可以看出，鼓包的形成与库水位的日程变动有直接关系，809 m高程的鼓包最多，该处在水位变幅区中的暴露时间较长，夏季时温度较高，故鼓包的形成与库水作用和日照作用有关。

图1 不同高程的鼓包数量

图2 不同直径鼓包的数量

沥青混凝土面板的鼓包成因复杂，主要有排水/汽不畅在面板背面形成的反水/蒸汽压、分层施工面板中因各种缺陷导致渗漏水进入面板夹层、沥青混凝土中误用了病害矿料、施工碾压时洒水过大等。

2.3 沥青混凝土低温冻断

沥青混凝土具有柔性好、施工速度快等优势，非常适宜抗裂要求高、施工期短的寒冷地区防渗工程建设，如北欧、我国北方等。众所周知，沥青混凝土是感温性材料，其材料性能受温度影响变化较大，低温下沥青混凝土变形性能大幅度下降。当遭遇寒潮温度骤降时，沥青混凝土冷缩而产生裂缝，甚至断裂，即冻断。1976年建成的半城子水库沥青混凝土防渗面板，当年冬季持续低温(低于-20 ℃)，同时由于库水位较低，面板大部分暴露在大气中，导致面板出现多条贯穿性裂缝[6]。奥地利的Hoch-wurten沥青混凝土面板坝于1984年越冬期间也发生了坡向低温冻断[16]。

防止沥青混凝土面板发生温降裂缝的一个主要方法是降低沥青混凝土材料的感温性、提高材料的低温抗裂能力。冻断试验是评价沥青混凝土低温抗裂能力的一种直观试验方法，其评价指标为冻断温度。在我国相关设计规范中，冻断温度设计指标通常以工程当地最低气温并计入一定的温度安全裕度来选定。如西龙池抽蓄上库的极端最低气温为-34.5 ℃，温度安全裕度为3.5 ℃，则设计冻断温度为-38 ℃[17]；呼和浩特抽蓄上库的极端最低气温为-41.8 ℃，温度安全裕度为3.2 ℃，则设计冻断温度为-45 ℃[18]。

从材料方面提升沥青混凝土的低温抗裂性，最有效的方法是使用聚合物改性沥青，如20世纪80年代前苏联曾将聚合物改性沥青成功用于-45 ℃严寒地区的防渗工程[19]。我国呼和浩特抽水蓄能电站上库工程设计冻断温度-45 ℃，经研究采用了5号改性沥青，目前工程已运行多年，未出现冻断现象。

2.4 沥青混凝土高温流淌撕裂

沥青混凝土面板在烈日曝晒下表面温度可达到70 ℃以上，易产生流动变形导致骨料与沥青分离，在自重下顺坡向流淌，出现向下壅包，壅包上方可出现横向开裂。面板一旦出现流淌壅包，一般每年都会出现新包，彻底修复难度很大，严重时就得拆除重做面板。南谷洞水库建成后，发生了大面积的流淌现象，且在周边接头部位拉裂严重。

高温流淌与沥青品质、沥青混凝土配合比、施工工艺等因素有关。南谷洞水库防渗面板采用华60号甲石油沥青作胶结材料，软化点均值小于45 ℃，最低值38 ℃，偏低，使得沥青混凝土的热稳定性能较差，气温高时极易发生流淌。后来2004年，在修补加固中就采用了90号沥青，施工表面未发生斜坡流淌。半城子水库面板施工采用当时国内较普遍的半机械化加人工的方法，施工质量不佳，于1976年～1978年夏季发生流淌，而当时坝面温度约为52～55 ℃，温度并不高，究其原因是沥青混凝土拌和、施工质量较差。

斜坡流淌引起面板变形，可用斜坡流淌试验评价，我国相关设计规范中规定，碾压式沥青混凝土面板防渗层斜坡流淌值不大于0.8 mm。

2.5 沥青混凝土性能劣化

石油沥青具有老化的基本特征，在日照、热空气、浸水、高低温循环等外界因素长时间作用下，沥青变脆、变硬，导致沥青混凝土柔性降低、变形性能变差，严重的会导致沥青开裂。文献[20]针对天荒坪抽蓄防渗面板试验研究了沥青混凝土性能变化情况，发现运行18年后，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%。

1989年建成的牛头山水库，运行15年后防渗面板出现大量裂缝，甚至贯穿性裂缝。调查发现，沥青混凝土性能劣化是产生裂缝的主要原因之一[11]，如表2所示。南谷洞水库、里册峪水库[7]的沥青混凝土防渗面板，运行20多年后，均发现大量开裂的现象，沥青混凝土性能劣化是其中的主要原因之一。

表2 牛头山水库沥青混凝土材料性能对照结果

3 结 语

防渗面板裂缝直接影响到工程效益的发挥，分析表明，我国沥青混凝土防渗面板的裂缝成因主要有基础不均匀沉降、反向压力鼓包、沥青混凝土性能，其中，沥青混凝土性能包括低温抗裂性、高温稳定性和长期耐久性。自天荒坪抽水蓄能电站建成之后，我国沥青混凝土防渗面板的防裂技术进步明显，基本没有因低温冻断、高温流淌而产生的开裂，基础不均匀沉降主要发生反弧段、结构交接处，面板鼓包现象尚需加强研究。此外，鉴于天荒坪抽水蓄能、呼和浩特抽水蓄能等电站服役期还不长，沥青混凝土的长期耐久性还需进一步关注。