大型造雪蓄水设施沥青混凝土面板防渗设计及应用

2021-01-08任少辉张晓娟

广东建材 2020年12期

赵青任少辉张晓娟

（1 水电水利规划设计总院；2 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司）

1 工程概况

崇礼太舞滑雪场蓄水池工程位于河北省张家口市崇礼县东南部的营岔村上游沟谷内。工程所在地区属东南部湿润寒温区，该区海拔高度在1700m，年平均气温3.6℃，全年最冷的月平均气温-18.4℃，全年最暖的月平均气温19.3℃；极端最低气温-40℃，极端最高气温39℃。

蓄水池由土石坝、池底排水系统、池体沥青混凝土防渗面板、池周地表排洪系统、地表进水口、底部放空系统、池顶结构等组成。坝体采用沥青混凝土面板堆石坝，坝顶高程为1710m，最大坝高15m，上、下游坝坡均为1：2，池顶长692.8m，蓄水池总库容21.2×104m3。全池采用沥青混凝土面板防渗，面板坡度为1：2，防渗面积为2.8×104m2。

工程所在地张家口崇礼区，周边其它滑雪场修建的采用土工膜+钢筋混凝土防护层防渗的蓄水池均不同程度出现裂缝，渗漏严重。本工程设计初，甲方提出造一个“不漏”的蓄水池；经严格论证分析，最终采用全池沥青混凝土面板防渗方案，为国内首个采用水工沥青混凝土进行防渗的滑雪场蓄水池。蓄水池于2014 年5 月开工建设，2015 年10 月初完工，同年10 月底开始蓄水运行，经过2015～2016 年冬季运行，防渗、抗冰冻效果达到了预期效果。

2 雪场蓄水池建设必要性

滑雪运动对雪质要求较高，在我国，由于大多数滑雪场修建在北方高山、丘陵地带，不受海洋季风的影响，具有天气干燥、寒冷、风大的特点。大自然中雪态多为粒状雪、壳状雪、冰状雪一般很难达到雪道雪质要求；而且目前国内大多滑雪场均在每年11 月初开滑，但我国冬季降雪量主要集中在次年的1 月至2 月间。国内滑雪场中，不论是竞技类滑雪和休闲滑雪，雪道表面雪层必须是人造雪；初期雪道覆盖也均为人造雪。因此人工造雪系统是滑雪场正常运营的必要条件，也是提升雪道品质的重要保证。

目前，国内已建雪场均根据雪道长度、雪道面积及初雪覆盖厚度及人工造雪率等条件，建造人工造雪供水系统及一定容量的蓄水设施。蓄水池容积根据雪场规模，一般在20×104～70×104m3。

3 雪场蓄水池防渗方案选择

3.1 雪场蓄水池需运行条件

滑雪场蓄水池一般建造在雪场周边，主要为造雪系统供水兼给市政、景观供水需要。其必须具备如下条件：

⑴北方地区水资源短缺，滑雪场造雪用水价格较高，故蓄水池具备较好的防渗性能；

⑵蓄水池地处严寒地区，防渗结构必须具有良好的抗低温、抗冰冻性能；

⑶雪场造雪时段一般在初冬季节及雪场运行期的夜间，蓄水池一般在冬季水位频繁变动，要求防渗体具有良好的适应变形能力；

⑷蓄水池蓄水后一旦发生渗漏要便于检查和处理。

根据上述条件及滑雪场蓄水池运行特点，合理的设计方案是滑雪场蓄水池建造成功的关键。

3.2 雪场蓄水池防渗方案的选择

国内已建成和运行的滑雪场蓄水池工程多采用土工膜+混凝土防护面板防渗方案，未有采用沥青混凝土面板防渗的工程。由于本工程蓄水池体量较小，根据类似已建成的雪场蓄水池运行情况和结合相关工程经验，对土工膜防渗方案和沥青混凝土面板防渗方案进行比较。

3.2.1 防渗效果

根据防渗材料性能，土工膜和沥青混凝土其渗透系数均能达到1×10-8㎝/s 以下。

从防渗性能上来看，沥青混凝土与土工膜防渗效果相当；但土工膜施工过程中接缝较多，施工处理过程中很难控制其质量。土工膜材料质量本身受生产厂家制约，质量缺陷很难检查。从已建成的类似工程来看，土工膜施工能完全达到设计要求的凤毛麟角，张家口地区已建雪场采用土工膜防渗的蓄水池均渗漏严重，不能满足运行需要。

沥青混凝土面板按照正常的施工条件进行施工，容易达到设计要求。国内具有代表性的工程包括山西西龙池抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板、呼和浩特抽水蓄能电站——国内极端气温最低（-41.8℃）条件下采用的沥青混凝土面板工程均已经顺利建设，并运行多年。

从防渗效果和质量保证方面，沥青混凝土面板防渗方案较优。

3.2.2 防渗材料适应基础变形能力

土工膜适应基础变形能力尚可，但表层上部保护层属刚性，变形模量大，对基础不均匀沉陷变形适应能力较差，受温度、干缩等影响容易产生裂缝。本工程建成后运行环境恶劣，如果上部保护层一旦破坏，土工膜防渗体很快就会破坏，影响防渗效果。

沥青混凝土面板属柔性防渗，面板变形模量小，一般2℃时可承受1%的拉伸应变不漏水，不需要设置接缝，适应基础不均匀沉陷变形能力较强，不易产生裂缝。

3.2.3 运行维护

土工膜蓄水后一旦发生渗漏很难进行检查和处理。本工程由于作用水头低，运行期土工膜一般不会因水压力作用或坝体及基础沉降变形过大而破坏，库盆发生渗漏主要由土工膜破裂、冻融破坏引起。一旦发生渗漏很难查找渗漏点，即使确定渗漏点也必须将水库放空后全面维修，维修时间较长。

沥青混凝土面板在水压力作用下具有一定的自愈能力，易于维护和维修等，维修时间较短，可降低对水池运行的干扰。沥青混凝土面板的老化仅限于表面薄层，封闭层可以保护防渗层，阻止其老化，工程运行期间只需定期涂刷封闭层即可。

经过分析比较，最终确定崇礼滑雪场蓄水池采用沥青混凝土面板防渗方案。

4 蓄水池沥青混凝土面板设计关键问题

4.1 沥青混凝土原材料选择及配合比设计

对雪场蓄水池沥青混凝土面板来说，水位频繁升级均在冬季进行，面板防渗层低温抗裂性能是关键技术问题，必须首先确定合理的沥青混凝土原材料和配合比。根据已经建成的呼和浩特抽水蓄能电站（以下简称呼蓄）上水库工程工程经验[1]；极端最低气温达-41.8℃，采用沥青混凝土面板防渗，防渗层采用改性沥青混凝土，低温冻断温度达-45℃。

由于本工程气候条件与呼蓄工程类似-40℃，故在配合比确定阶段即确定沥青混凝土面板防渗层采用改性沥青，整平胶结层采用普通石油沥青（SG90），封闭层采用改性沥青。防渗层沥青混凝土配合比初选阶段将呼蓄施工配合比作为参考配合比见表1。

表1 呼蓄防渗层施工配合比

根据参考配合比，将级配指数与油石比上下浮动组成9 组试验配合比；改性沥青采用辽宁盘锦沥青有限公司的水工改性沥青、骨料采用崇礼县新天地砂石料场加工的灰岩骨料、砂采用当地天然砂和砂石料场加工的人工砂，填料采用自制矿粉。通过室内配合比试验、场外内摊铺试验最终确定施工配合比见表2。蓄水池防渗层沥青混凝土室内试验主要技术指标成果见表3。

由表3 可见，低温冻断温度达到-48.2℃，孔隙率、渗透系数均能满足防渗要求。

表2 崇礼蓄水池防渗层配合比

表3 蓄水池防渗层沥青混凝土室内试验主要技术指标成果

4.2 沥青混凝土面板设计

全池采用沥青混凝土简式面板防渗，面板坡度为1：2，沥青混凝土面板防渗层厚度按《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（DL/T 5411－2009）[2]规定和结合本工程实际情况确定。沥青混凝土面板结构形式从上到下依次为0.2cm 厚的封闭层、7cm 厚的防渗层、7cm 厚的整平胶结层，面板局部加强部位的结构为加强网格和10cm 防渗层。

4.3 排水系统设计

为将防渗面板后的渗漏水顺畅排走，避免面板后出现反向压力引起面板破坏，保证沥青混凝土面板及上水库的安全运行，并便于监测渗水情况及维护检修，在防渗面板下部设置密集的排水系统，将面板渗漏水和地下水集中收集至排水主管道中排至下游集水井内。

池底、池坡面板后设30cm～60cm 碎石排水垫层，垫层骨料采用尾矿料，粒径最大8cm，粒径＜5mm 的含量为20%～35%，碾压完成后要求渗透系数＞1×10-2cm/s。同时为增强库底垫层的排水能力，在垫层内水平布置直径150mm 的塑料排水盲沟。塑料排水盲沟间距5.0m。塑料排水盲沟外包一层200g/m2无纺布，周边采用粒径2cm～3cm 碎石保护，塑料盲沟管网直接与池底中间埋设的两根D500mmPE80 排水管连接，通过该排水管排向下游集水井。蓄水池排水盲沟长约3020m，排水管长约600m。