抽水蓄能电站沥青混凝土防渗面板裂缝处理及防治措施

2021-03-12王樱畯

水电与抽水蓄能 2021年1期

王樱畯，赵琳

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 310014）

0 引言

沥青混凝土的物理、力学性质较复杂，其特性取决于变形和温度条件。组成沥青混凝土的骨料和沥青是特性完全不同的两种材料，骨料主要呈弹性，沥青在高温状态下或长历时荷载作用下呈黏塑性，而在低温状态下或短历时荷载作用下呈弹性。因此沥青混凝土既具有塑性特性也有弹性特性，在高温和长历时荷载作用下呈塑性，在低温和短历时荷载作用下呈弹性。

沥青混凝土面板因其防渗性能好、适应变形能力强、能抵抗酸碱等侵蚀及对水质无污染等优点已被许多抽水蓄能电站工程采用[1]。

施工质量良好、致密的沥青混凝土面板几乎是不漏水的，最易出现面板裂缝和缺陷的时期是蓄水初期，过快的水位上升或下降速率极易引起过大的基础层变形，从而导致面板出现裂缝。另外，地基不均匀沉降变形也是造成面板裂缝的重要原因之一。

沥青混凝土面板的裂缝处理比较容易和快速。对深层裂缝，需把裂缝一定范围内的防渗层和整平胶结层挖除，重新回填新拌的沥青混凝土。对于面板上的浅层细微裂缝，经过表面简单清理后，覆盖一层新拌的沥青混凝土加厚层即可。

沥青混凝土面板裂缝能够得到及时有效处理的关键是：在面板施工完毕后必须储备一定数量的沥青和混凝土骨料，当运行期出现裂缝后就能及时处理。一般从修补到重新蓄水，一个星期的时间就可以完成。

1 沥青混凝土面板裂缝处理

1.1 沥青混凝土防渗面板初期蓄水裂缝检修标准[2]

沥青混凝土防渗面板初期蓄水裂缝检修标准归纳如下：

（1）通过地质雷达预判检修日期。沥青混凝土修补较其他防渗型式简单快捷，为了防患于未然，可以参考已建抽水蓄能电站的经验，对在建、已建的沥青混凝土面板防渗工程，每两年采用地质雷达进行一次基础全面脱空情况检测。

（2）排水廊道出现集中渗漏或观测点渗漏量发生明显突变，应进行放水检查，根据检查情况确定是否检修。

（3）抽水蓄能电站库盆日渗漏量超过库容的1/2000～1/5000时，宜择时或尽快进行放水检修。

1.2 沥青混凝土面板裂缝处理方法

根据裂缝大小、位置和发育情况的不同采用不同的处理方法：

（1）微细而不裂穿的裂缝。

对于微细而不裂穿防渗层的裂缝，铲除封闭层，铺设聚酯网和加厚层，施工封闭层。具体结构型式见图1。

图1 细微而不裂穿的裂缝处理示意图（单位：cm）Figure 1 Schematic diagram of crack treatment without crack （unit：cm）

聚酯网格是沥青混凝土的一种加筋材料，是一种高强度的聚酯材料，在沥青混凝土中铺设聚酯网格，可大大提高抗拉强度，改善沥青混凝土的内部应力，使得沥青混凝土的抗变形能力更强。

（2）一般规模的裂缝。

一般规模的裂缝指未贯穿沥青混凝土防渗层或整平胶结层，对下卧排水层等未产生破坏的裂缝。

对一般规模的裂缝，凿除沥青防渗层及整平胶结层，逐层回填沥青混凝土胶结层及防渗层（中间铺一层聚酯网），铺设聚酯网和加厚层，施工封闭层。根据工程实际情况，当原沥青防渗层沥青含量低于7%时，可适当加大修补沥青混凝土中沥青的含量。具体结构型式见图2。

图2 一般规模的裂缝处理示意图（单位：cm）Figure 2 General scale fracture treatment diagram （unit：cm）

（3）对于宽、大的裂缝。

宽、大裂缝指裂缝发育达到一定规模，已经贯穿防渗层及整平胶结层，对下卧层（含排水垫层、反滤层和地基，下同）产生了一定程度破坏的裂缝。

对于较长、较宽、规模大的裂缝：凿除沥青防渗层、整平胶结层，排水垫层、反滤层及已被水流淘刷的全风化地基，逐层回填反滤层、排水垫层、沥青混凝土胶结层及防渗层（中间铺一层聚酯网），铺设聚酯网和加厚层，施工封闭层。具体结构型式见图3。

图3 较长、较宽、规模大的裂缝处理示意图（单位：cm）Figure 3 Schematic diagram of crack treatment with long，wide and large scale （unit：cm）

1.3 天荒坪抽水蓄能电站工程沥青混凝土面板裂缝处理[3～7]

天荒坪抽水蓄能电站上水库从1997年开始初次蓄水和投入运行以来至2001年5月，沥青混凝土面板出现5次裂缝，共计34条（处），总长约50m，其中贯穿性裂缝14条，由于沥青混凝土局部施工缺陷产生的渗水点11处，详见表1。裂缝分布地点相对集中，34条裂缝中21条（其中9条发生在已修补的沥青混凝土面上）分布在4号排水观测廊道以北、水平截水墙以西的南库底，7条（其中2条为渗水点）在沥青混凝土护面与水平截水墙顶相连接的部位，4条集中在北截水墙与水平截水墙交点附近。从总的趋势看，裂缝的总长度、裂缝的宽度和贯穿性裂缝的条数，一次比一次短，一次比一次小，一次比一次少（直至无），即趋于收敛。

表1 上水库沥青混凝土护面裂缝一览表Table 1 Schedule of cracks on asphalt concrete cover of upper reservoir

经分析研究认为，裂缝产生的原因主要有：

（1）水库回冲水速率过快。

第二次蓄水前后水位过快的降落和随后过快的蓄高水位恶化了地基土层人为不均质性和沥青混凝土质量缺陷造成的后果。

第一次蓄水平均速率0.61m/天，只发现一条非贯穿性裂缝。第二次蓄水平均速率高达15.32m/天，结果使沥青混凝土防渗护面产生了5次裂缝中最多的贯穿性裂缝（9条，占5次裂缝中贯穿性裂缝总数的64%），导致库底渗水条数量陡增10倍，带来了最为严重的后果。过大的变幅（水位变幅与水深的比值高达36.7%～52.4%）引起过大的作用于护面的反复荷载，无疑对第三次、第四次、第五次裂缝产生具有促进作用。因此，在地基变形完全稳定前，必须严格控制上水库充排水速率，同样运行中的水位变幅的控制也是十分必要的。

（2）地基不均质性和沥青混凝土防渗护面基础的不均匀沉降。

尽管地基中天然全风化岩（土）层的不均质性是存在的，但是现场所挖掘的探坑和探槽未发现因设计开挖线以下天然地基或设计填筑线以下回填土地基的不均质性造成沥青混凝土防渗护面开裂的例子。

1998年的6号探坑和2000年在7号裂缝往北延伸的新裂缝处开挖的探槽发现，本是开挖区的地基中却出现了回填料，并夹杂着强弱风化块石。6号探坑中，出现粒径为55～65cm的块石。2000年的17号探槽中也发现块石，7号和8号裂缝交叉点的正下方，发现90cm×50cm×35cm大的块石，18号探坑也发现了块石。1998年、1999年、2000年所有的探坑和探槽发现排水垫层和反滤层的总厚度均未达到设计值60cm（反滤层20cm，排水层40cm）。6号探坑和10号探坑处分别为41～42cm和39～40cm，17号探槽和18号探坑处分别为21～35cm（局部49cm）和36～41cm，均约比设计值小三分之一。

裂缝部位的探坑、探槽揭示了地基土层的人为不均质性（夹杂块石）和反滤层、排水垫层总厚度的不足与裂缝间的直接联系。在大粒径块石存在的情况下，加大了土层变位的不均匀性，垂直向压缩量的差异在排水垫层和反滤层总厚度不足的情况下，无法消散和缓解这些垂直向的压缩量差异，并以局部不均匀沉降的方式反映出来，使沥青混凝土防渗护面遭受了剪切破坏而开裂。

（3）1998年沥青混凝土防渗护面开裂后的高压渗水冲蚀影响。

比较1997年8月沥青混凝土防渗护面竣工时的测量资料、1998年10月水库放空时的测量资料和1999年9月水库再次放空的测量资料，有迹象表明，第二次开裂时大量流过反滤层和排水垫层的压力水，可能引起反滤层与土层间界面的冲刷淘空以及反滤层和排水垫层中的冲蚀淘空，加剧了沥青混凝土防渗护面不均匀沉降。10号裂缝就是一个例子。也就是说第二次开裂时，压力水对全风化土基的冲刷和对反滤层、排水垫层冲蚀可能是1999年、2000年和2001年某些裂缝产生的原因。

主要处理措施如下：

（1）对一般规模的裂缝如1～2号裂缝等，将开裂沥青护面凿除，凿槽宽35cm，裂缝两端的槽边定在由缝端外推50cm处，槽壁中沥青混凝土护面的切口成45°。凿槽发现排水垫层和反滤层内有大块石时，应加清除，而后按整平段胶结层及防渗层的要求逐层回填沥青混凝土。

（2）对于规模大的裂缝如3～8号裂缝及17号和18号裂缝，除裂缝部位沥青护面凿槽［槽宽至少50～60cm，根据裂缝的分布及沥青混凝土护面下卧层的实际情况，槽宽按需要在现场确定，其余同（1）外，还要将排水垫层和反滤层凿除，探查其下有否块石，清除块石后，由下而上按设计要求依次回填全风化岩（土），实际施工中回填全风化岩（土）部位代之以回填反滤料］、反滤层和排水垫层，而后回填沥青混凝土的整平胶层和防渗层。若裂缝端部外延50cm后，发现防渗护面或下卧层，仍有裂缝或缝隙，则继续延伸凿槽，直至裂缝或缝隙消失处再外推50cm。

（3）适当加大修补沥青混凝土中沥青的含量。

（4）裂缝修补部位设加厚层5～10cm厚，并铺聚酯网加筋。聚酯网和加厚层的范围，由槽边线向两侧外推80～100cm作为侧边线，由缝端的槽边线外推200cm作为端边线；加厚层必须平缓（至少1：5）过渡到原沥青混凝土面。

（5）对判断可能有隐裂缝的部位，可不凿槽，仅设聚酯网和加厚层。

（6）对于微细而不裂穿防渗层的裂缝，则直接用“盖不漏”粘贴缝面封闭裂缝。

（7）对已被水流淘刷的全风化土层及过水后密实度降低的反滤层和排水垫层必须挖除，用合格料重新回填密实。

经过裂缝处理，再次蓄水后，上水库渗漏量明显减少至2L/s左右，目前运行良好[7]。

1.4 宝泉抽水蓄能电站工程沥青混凝土面板裂缝处理[8]

宝泉抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板坡比为1：1.7，面板为简式结构，由封闭层、防渗层、整平胶结层组成，下卧层为碎石排水垫层。为进一步提高面板对基础不均匀沉降的适应，在主坝反弧段底部、主坝与库岸连接段等应力应变集中区设置高分子加强网格，同时增设5cm厚沥青混凝土防渗加厚层。

上水库主坝于2007年6月下旬开始进行沥青混凝土整平胶结层填筑，于同年7月完成整个坝面的整平胶结层铺筑和主坝下部反弧水平段的防渗层铺筑。7月28～31日，工地遭遇大暴雨。8月3日，发现主坝沥青混凝土局部出现沉降、塌陷、脱空及拉裂现象。随后经普查发现，沥青混凝土沉降、塌陷、脱空及拉裂出现在以下四个区域：

（1）坝0+150.46～坝0+155.96，高程743.76～785.07m整平胶结层。

（2）坝0+342 .52～坝0+351.04，高程757.552～770.368m整平胶结层。

（3）坝0+354.20～坝0+363.00，高程743.576～757.552m整平胶结层。

（4）主坝库底水平段坝0+271.02～坝0+600段坝防渗层出现拉裂现象。拉裂影响区宽为2～4m。

经过对主坝施工过程中沉降观测资料、地形地质条件、基础处理措施以及施工期气候条件等分析，认为7月28～31日的暴雨冲垮基础垫层，是造成主坝沥青混凝土面板局部出现沉降、塌陷、脱空、拉裂现象的主要原因。

主要处理措施如下：

（1）在进行主坝整平胶结层沉降、脱空及拉裂处理之前，做好相应的防雨水冲刷措施。

（2）进行地质雷达检测及沥青混凝土芯样检测。

（3）对主坝坝坡整平胶结层外观已出现沉陷、脱空及裂缝的沥青混凝土全部拆除。

（4）拆除后应先对基础垫层料进行检测。基础检测完毕后，对基础垫层料进行整坡碾压。

（5）拆除修补完后，再重新按设计要求铺筑整平胶结层、防渗层及封闭层。

经过裂缝处理，上水库蓄水后，渗漏量较小，目前主坝坝后量水堰蓄水池基本干燥无水。

2 沥青混凝土面板裂缝防治措施[2]

根据以上对沥青混凝土防渗护面开裂原因的分析和工程建设、运行经验，对沥青混凝土面板裂缝防治措施归纳如下：

（1）严格控制水库初期蓄水速率。

国内外因初期蓄水过快导致沥青混凝土防渗面板出现裂缝的工程案例较多，那么初次蓄水对面板到底产生何种影响，下面借用数值分析手段进行计算分析，探讨蓄水速率对面板应变的影响。

图4为天荒坪抽水蓄能电站上水库有限元计算网格及假定单元，计算时选取的蓄水速率分别为1m/天、3m/天、5m/天，计算过程中分别模拟了蓄水速率对沥青混凝土面板、堆石体的影响。

图4 计算网格及单元假定Figure 4 Calculation grid and element assumption

通过计算分析，得到沥青混凝土面板典型单元、堆石体典型单元在不同蓄水速率下的变形发展情况：

1）蓄水速率对沥青混凝土面板拉应变影响显著，较于1m/天蓄水速率，5m/天蓄水速率下面板拉应变增长梯度较大、最终面板的拉应变也明显提升；5m/天蓄水速率最终的拉应变超过面板极限值，面板有拉裂的风险。

2）蓄水速率对堆石体变形影响显著，变化规律与面板拉应变规律性一致；由于沥青混凝土面板依附在堆石体上部，此规律体现了坝体各组成部分之间的变形协调性。

通过整理天荒坪抽水蓄能电站历次裂缝出现时发现：第二次蓄水时贯穿性裂缝最多，库底渗水量最为严重、突变量大，分析原因为本次蓄水平均速率高达15.32m/天，结果导致沥青混凝土防渗面板产生了9条贯穿性裂缝，占历次总贯穿性裂缝的64%。日本沼原抽水蓄能电站初次蓄水时最快蓄水速率为6.5m/天左右，结果导致面板出现了裂缝，随后提出了沼原抽水蓄能电站上水库蓄水时水位上升要求：死水位以下每天2m，水位1198～1222m（有水调试水位）每天1m，1222～1226m每2天1m，1198～1238m（满水位）每4天1m。

以上分析表明，蓄水速率直接影响着防渗面板的安全运行，其为沥青混凝土面板裂缝形成的主要原因之一。图5为沥青混凝土典型单元应变与蓄水速率间的变化关系。

图5 沥青混凝土典型单元应变与蓄水速率间的变化关系Figure 5 The relationship between typical unit strain of asphalt concrete and water storage rate

在水库地基全风化岩（土）或软基排水固结完成、沥青混凝土防渗护面基础沉降稳定前，应严格限制水位上升和下降的速率及严格限制水位变幅的增量、保证足够的稳压时间、密切注意蓄高水位时和加大水位变幅增量时的水温等。即使水库软弱地基排水固结完成、沥青混凝土防渗护面基础沉降稳定后，也必须根据运行经验制订合理的放水和重新蓄水的速率和程序，对已正常运行的上水库的放空和重新蓄水进行必要的控制。

（2）防止地基局部不均匀沉降。

天荒坪抽水蓄能电站工程沥青混凝土面板出现裂缝部位的探坑、探槽揭示了地基土层的人为不均质性（夹杂块石）和反滤层、排水垫层总厚度的不足与裂缝间的直接联系。日本沼原抽水蓄能电站上水库的地基分布有火山砾层和湖相沉积层等不均质的软弱地层。沥青混凝土防渗护面下铺设50cm厚的排水垫层以排除渗水和增强抵抗局部变形和不均匀沉降的能力。根据目前检索到的资料，在蓄水初期，由于地层中软弱夹层的存在，导致了沥青混凝土防渗面板局部裂缝。

因此，地基的不均质性影响是导致沥青混凝土防渗面板开裂的主要影响因素之一。设计、施工过程中应予以重视，采取合理的工程措施，防止地基局部不均匀沉降的产生，将地基不均质性影响降至最低，避免因沥青混凝土防渗护面遭受剪切破坏而开裂。

（3）保证面板基础垫层碾压密实。

对沥青混凝土面板而言，面板为工程的防渗主体，而基础垫层为荷载的承载体，其施工质量好坏直接影响面板的运行状况。如果在工程施工中，局部填筑质量差，将会加剧面板局部的不均匀变形，从而引起面板局部拉应力超标，面板被拉裂破坏。

针对天荒坪抽水蓄能电站上水库开展了有限元数值分析，分别模拟了面板局部基础垫层取用不同计算参数对裂缝产生及发展的影响。

计算成果表明：当基础垫层局部薄弱区参数K值小于520，薄弱区上覆一定范围内沥青混凝土面板拉应变在0.4%以上，接近或超过了其极限值，沥青混凝土面板局部存在拉裂破损的风险。图6为不同基础垫层参数下面板拉应变。

图6 不同基础垫层参数下面板拉应变Figure 6 Tensile strain of slab under different cushion parameters

对面板基础垫层而言，在方案设计时，应考虑足够的垫层厚度，提出合理的压实控制指标；施工过程中应保证其填筑质量，避免基础垫层的局部不密实造成面板拉裂。

（4）反弧段等部位采取综合结构措施提高面板抗裂性能。

用于防渗的沥青混凝土面板厚度只有几厘米到十几厘米，大面积应用于复杂基础条件库盆防渗时，对其原材料、结构、施工技术要求更高。为使沥青混凝土在反弧段应变分布更加均匀，采用铺设聚酯网格、设置防渗加厚层、加大反弧半径等综合措施，同时使用柔性更好的沥青材料，可有效提高其结构抗裂性能。

计算分析表明，天荒坪抽水蓄能电站工程上水库主坝上游坝脚反弧段沥青混凝土转折点处，在运行过程中会出现较大的拉应变，最大值为0.5%，已超过沥青混凝土的极限拉伸值0.45%，且施工时该部位不易压实，在水压力作用下，易于被拉裂。

通过加大反弧半径（由初步设计阶段30m加大至50m），并在反弧段设置加厚层及柔性聚酯网格等结构措施，三维有限元分析显示最大拉应变为1.88‰，小于沥青混凝土的极限拉伸值。图7为沥青混凝土面板反弧段典型剖面。

图7 沥青混凝土面板反弧段典型剖面（单位：cm）Figure 7 Typical section of reverse arc section of asphalt concrete face slab （unit：cm）

（5）防止汛期雨水冲刷基础垫层。

宝泉抽水蓄能电站工程在沥青混凝土面板施工期间，汛期暴雨冲垮基础垫层，造成主坝沥青混凝土面板局部出现沉降、脱空、拉裂等现象。因此，对于有一定集雨面积的水库库盆或大坝，施工沥青混凝土面板前，应先做好防雨水冲刷基础垫层的工程措施，如设置表面挡水坎、基础帷幕灌浆等。

（6）运行期加强监测。

对在建、已建的沥青混凝土面板防渗工程，建议每两年采用地质雷达进行一次基础全面脱空情况检测。当库水位上升时，伴随着库底渗漏量的小幅变化，应加强监测，密切注意渗漏量的发展情况。若渗漏量大幅增长超过50%，或库盆日渗漏量超过库容的1/2000～1/5000时，则应立即进行放空检查，根据检查裂缝情况，拟订修补措施。