馬保東,郝巨濤,孫志恒,汪正興,董旭龍
(1.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,河北省井陘縣 050300;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京市 100038;3.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司,北京市 100038)
土石壩瀝青混凝土防滲結(jié)構(gòu)具有防滲性能優(yōu)異、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、不需設(shè)置接縫、易于修繕補(bǔ)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且在嚴(yán)寒高山地區(qū)或潮濕多雨地帶可快速施工,利于工程早日發(fā)揮效益,因而在工程中尤其是抽水蓄能電站蓄水庫(kù)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。從1994年開(kāi)始,抽水蓄能電站上、下庫(kù)開(kāi)始采用瀝青混凝土面板防滲型式,國(guó)內(nèi)已建工程有天荒坪、西龍池、張河灣、寶泉、呼蓄等抽水蓄能電站。
瀝青混凝土面板防滲技術(shù)要求較高,工程中應(yīng)對(duì)不當(dāng)可出現(xiàn)不同程度的缺陷,嚴(yán)重的可影響面板正常運(yùn)行。常見(jiàn)的缺陷包括面板開(kāi)裂、斜坡流淌、鼓包等。張河灣抽水蓄能電站2007年12月30日并網(wǎng)發(fā)電,其上水庫(kù)采用全庫(kù)盆瀝青混凝土面板防滲,2006年開(kāi)工,庫(kù)底防滲面積13.7萬(wàn)m2,庫(kù)坡20.0萬(wàn)m2,庫(kù)坡1∶1.75。庫(kù)頂高程812m,正常蓄水位810m,死水位779m,水位變幅區(qū)高程范圍為795~810m。為盡可能減少滲漏水進(jìn)入基礎(chǔ),使基礎(chǔ)軟弱夾層盡可能處于天然狀態(tài),同時(shí)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)防滲系統(tǒng)的運(yùn)行情況,并節(jié)省投資,上水庫(kù)瀝青混凝土面板采用了新型復(fù)式斷面設(shè)計(jì),將下防滲層與整平膠結(jié)層合并為一層,稱(chēng)為防滲整平層。全庫(kù)襯砌面板自上而下分別為:2mm厚瑪蹄脂封閉層、10cm厚防滲面層(滲透系數(shù)≤1×10-8cm/s,孔隙率≤3%)、8cm/10cm厚排水層(庫(kù)坡8cm,庫(kù)底10cm,滲透系數(shù)≥1×10-1cm/s,孔隙率≥16%)和8cm厚防滲整平層(滲透系數(shù)≤5×10-5cm/s,孔隙率≤5%)。在坡面與庫(kù)底面交界處、面板與廊道、進(jìn)水塔等剛性結(jié)構(gòu)接頭部位設(shè)置了5cm厚的加厚防滲層,并在加厚層與防滲層之間設(shè)置了加強(qiáng)網(wǎng)格。上水庫(kù)庫(kù)底設(shè)置了完備的排水檢查廊道系統(tǒng),包括庫(kù)底周邊廊道、庫(kù)底中間廊道、進(jìn)出水口周邊廊道、外排廊道、北端與南端通風(fēng)交通廊道。全庫(kù)面板排水共分成68個(gè)區(qū),其中庫(kù)坡32個(gè)區(qū),庫(kù)底36個(gè)區(qū)。分區(qū)以隔條帶分割,各自獨(dú)立[4]。
自2009年9月起直至2015年,張河灣上水庫(kù)瀝青混凝土面板陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些缺陷,如不規(guī)則鼓包和裂縫,局部較為集中,鼓包直徑一般10~40cm,裂縫長(zhǎng)度5~40cm,引起了人們關(guān)注,并對(duì)缺陷進(jìn)行了處理。2009~2014年共處理缺陷500余處。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),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。2014年11月,在庫(kù)頂瀝青混凝土面板深入排水層安裝了?76mm排氣管,以減小排水層可能存在的蒸汽壓。但安裝排氣管后,仍有鼓包出現(xiàn)。因此,迫切需要查找鼓包成因,以便為根治可能出現(xiàn)的鼓包提供依據(jù)。本文介紹了張河灣瀝青混凝土面板的缺陷情況,同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)同類(lèi)缺陷進(jìn)行了介紹,對(duì)鼓包成因進(jìn)行了分析,以為工程界參考。
2014年缺陷處理后,2016年4月下旬對(duì)張河灣當(dāng)前缺陷情況又進(jìn)行了一次全面普查,共計(jì)發(fā)現(xiàn)缺陷282處,其中鼓包193處,局部小范圍流淌87處,流淌范圍10~100cm不等,長(zhǎng)40cm的水平向裂縫1處及直徑30cm的封閉層鼓包破損1處。從鼓包密度方面,面板鼓包主要分布在樁號(hào)0+000~0+600,占鼓包總數(shù)的60%。在高度分布方面,鼓包大都分布在800~810m高程之間(占98%),其中808~809m高程鼓包數(shù)量達(dá)41個(gè)(見(jiàn)圖1)。在鼓包大小方面,主要是直徑10~30cm的鼓包占78%,其中直徑10cm的鼓包最多,約為42個(gè)(見(jiàn)圖2)。在外觀方面,有的鼓包外表開(kāi)裂(見(jiàn)圖3),有的未開(kāi)裂,數(shù)量各占一半,且開(kāi)裂的鼓包有大有小,未開(kāi)裂的也大小都有,差別不大。
圖1 鼓包沿高程分布圖Fig.1 Blister numbers with elevation
圖2 鼓包大小分布圖Fig.2 Blister sizes versus their numbers
圖3 面板典型鼓包Fig.3 Typical blister appearance
現(xiàn)場(chǎng)對(duì)位于樁號(hào)0+325、高程801m、直徑40cm的鼓包進(jìn)行了取芯,該鼓包外表有未漏水裂口,取芯直徑30cm。在打膨脹螺栓孔鉆至5cm深時(shí),鼓包處涌出壓力水。取出的芯樣也發(fā)現(xiàn)在表面以下4~5cm處的上防滲層內(nèi)出現(xiàn)分層,見(jiàn)圖4,分層下側(cè)的防滲層完好。因鼓包直徑大于芯樣直徑,鉆孔內(nèi)壁仍可見(jiàn)分層痕跡。
圖4 面板鼓包芯樣Fig.4 Core drilled from blister position
張河灣瀝青面板鼓包數(shù)量較多,40cm直徑以下的鼓包占約95%,芯樣檢查也發(fā)現(xiàn)這類(lèi)小鼓包所在的上防滲層并沒(méi)有被整體抬動(dòng),鼓包成因可能與排水層是否承壓(水壓或汽壓)關(guān)系不大。另外,鼓包的高程分布顯示其形成與庫(kù)水位的日程變動(dòng)有直接關(guān)系,圖1中給出809m高程的鼓包最多,該處在水位變幅區(qū)中的暴露時(shí)間較長(zhǎng),夏季時(shí)溫度較高,表明鼓包的形成與庫(kù)水作用和日照作用有關(guān)。其深層次原因還有待研究。
瀝青混凝土面板出現(xiàn)鼓包時(shí)有發(fā)生,鼓包通常是由包裹在瀝青混凝土面板中的水引起,當(dāng)水形成水蒸氣,且防滲層黏度降低變軟就會(huì)發(fā)生鼓包[1]。水既可以包裹在上下防滲層之間,也可以包裹在防滲層自身中,出現(xiàn)的鼓包范圍也不一樣。
除了上述的面板結(jié)構(gòu)、材料導(dǎo)致鼓包的原因外,施工不當(dāng)也會(huì)引發(fā)鼓包。攤鋪層碾壓時(shí),為防止粘碾常需灑水。振動(dòng)碾灑水的水滴在碾壓過(guò)程中可能被封閉入防滲層表面,后在蒸汽壓下形成鼓包,因此施工中應(yīng)盡可能減小灑水量。由于目前主要采用具有熨平壓實(shí)梁的攤鋪機(jī)攤鋪,其高壓實(shí)度可以最大限度地封閉攤鋪層表面,防止水滴進(jìn)入,工程中此類(lèi)灑水形成的鼓包已不常見(jiàn)。對(duì)于瀝青混凝土配合比,采用較高含量的細(xì)粒料,包括填料和細(xì)砂,以及足夠的瀝青,也可以減小水滴進(jìn)入攤鋪層[6]。
石砭峪定向爆破堆石壩1978年5月蓄水,其瀝青混凝土防滲面板采用簡(jiǎn)式斷面,防滲層厚度根據(jù)水壓采用10、15、20cm三種厚度,高程690m以下防滲層厚度為20cm,整平膠結(jié)層厚12cm。同年8月、9月兩次放水期間,庫(kù)水位每日下降4~5m,導(dǎo)致在664~665.5m高程偏右岸范圍出現(xiàn)8個(gè)不同大小的鼓包,其中1號(hào)鼓包最大,直徑約為3m,高度達(dá)17cm,頂部裂縫寬9cm。經(jīng)分析,鼓包是由反水壓造成的。因水庫(kù)蓄水時(shí)帷幕灌漿尚未完成,繞壩滲流量很大;其次爆破堆石體平均滲透系數(shù)為1×10-4cm/s,排水能力差,致使在庫(kù)水位快速下降中,面板后來(lái)不及排水,反向水頭達(dá)3.7m,導(dǎo)致面部發(fā)生鼓包。事后將鼓包范圍內(nèi)的瀝青混凝土全部挖除,再按原設(shè)計(jì)層次和瀝青混合料分層回填、壓實(shí)。鋪設(shè)前周邊采用遠(yuǎn)紅外線加熱器加熱,以確保接縫結(jié)合緊密。修補(bǔ)完成后,帷幕灌漿也已完成,運(yùn)用中也嚴(yán)格控制庫(kù)水位下降速率不大于2m/d,面板運(yùn)行后再無(wú)鼓包發(fā)生[9]。
奧地利Innerfragant水庫(kù)和Haselstein水庫(kù)的瀝青混凝土面板壩分別建成于1966年和1967年。大壩瀝青混凝土面板均采用簡(jiǎn)式斷面,整平膠結(jié)層厚6cm,防滲層分兩次攤鋪,厚度為2×4cm。瀝青為B80/100,瀝青含量為7.7%和8.5%,骨料最大粒徑為10mm。建成后數(shù)年間面板出現(xiàn)鼓包。鼓包破壞了上防滲層,并影響到下防滲層。經(jīng)分析認(rèn)為,鼓包是因防滲層層間的蒸汽壓力所致。把鼓包鉆開(kāi)后發(fā)現(xiàn),鼓包內(nèi)的冰凍和凍融循環(huán)正逐漸侵蝕到下防滲層,有些鼓包已侵蝕到下防滲層幾乎4~5cm的整個(gè)厚度。鼓包修補(bǔ)時(shí)將上防滲層切開(kāi),并清理干凈,邊緣噴涂熱瀝青,并用新瀝青混凝土回填。但是修補(bǔ)一段時(shí)間后,在修補(bǔ)部位斜坡向下處又出現(xiàn)了新的鼓包,這可能是潮氣沿著防滲層層間通道遷移所致。用加熱—壓實(shí)方法修補(bǔ)鼓包的效果并不好,由于周?chē)€會(huì)出現(xiàn)新的鼓包,還需進(jìn)行修補(bǔ)。現(xiàn)場(chǎng)曾耗時(shí)3年在鼓包上涂刷Kemperol彈性涂膜進(jìn)行防滲修復(fù),但因鼓包在涂膜下還在活動(dòng),導(dǎo)致涂膜局部與瀝青混凝土脫開(kāi)[8]。
圖5 面板鼓包及芯樣外觀(Tschernutter,1988)a-整平膠結(jié)層;b-防滲底層;c-防滲表層Fig.5 Blister and its core appearancea-Binder layer;b-Lower impervious layer;c-Top impervious layer
德國(guó)的Geesthacht抽水蓄能電站上庫(kù)建成于1958年,庫(kù)坡面積8萬(wàn)m2,庫(kù)底22萬(wàn)m2。庫(kù)岸填筑體由含礫中粗砂組成,壓實(shí)后平均孔隙率為38%。瀝青混凝土面板底部為5cm厚的瀝青砂漿,以確保填筑體被滲水侵蝕;表層為分兩次攤鋪的防滲層,且上下層錯(cuò)縫以防滲漏,其中庫(kù)坡厚2×3.5cm,庫(kù)底厚2×3.0cm;最后表面涂刷瀝青瑪蹄脂封閉層。施工中為防止施工設(shè)備破壞瀝青砂漿面,庫(kù)坡采用人工攤鋪和1t碾壓設(shè)備,可使骨料最大粒徑8mm的瀝青混合料孔隙率達(dá)到2.6%。施工期間,已攤鋪的庫(kù)底瀝青混凝土面板曾在大氣氣壓驟降時(shí)出現(xiàn)高約1m的大鼓包,待面板底部氣壓調(diào)整后鼓包消失,且沒(méi)有傷害面板。水庫(kù)運(yùn)行3年后,1961年初面板發(fā)生鼓包,鼓包是由滲水進(jìn)入兩層防滲層之間,在溫差和氣壓下產(chǎn)生氣泡造成的。1961年還只有少量的鼓包,1962年鼓包明顯增加,到第一個(gè)十年末,鼓包再?zèng)]有增加的趨勢(shì)[3]。在第一個(gè)十年后,面板條帶間又出現(xiàn)了裂縫,到20世紀(jì)70年代末又發(fā)現(xiàn)了個(gè)別鼓包。1985~1986年對(duì)庫(kù)岸面板進(jìn)行了翻修,清除了4.5cm厚的老防滲層并除去了上下層之間界面,將保留的2.5cm厚老防滲層面鑿成楞條狀,并在其上噴灑改性乳化瀝青,一次性攤鋪的8cm厚新防滲層(0/11mm)中采用了改性瀝青,以提高抗拉能力[6]。
波蘭第一座抽水蓄能電站Porabka-Zar歷經(jīng)十年于1978年建成,上水庫(kù)堆石體采用黏土狀硅酸鹽膠結(jié)的海相砂巖填筑,物理性能很差,極易受滲水侵蝕影響,故采用復(fù)式瀝青混凝土面板防滲,表層防滲層厚7cm,中間排水層厚15cm,防滲底層厚6cm,膠結(jié)層厚10cm。工程運(yùn)行三年后,1981年面板首次出現(xiàn)鼓包,鼓包直徑5~10cm,裂口深3~5cm。鼓包每年都有新的出現(xiàn),位于24h水位變幅區(qū)。經(jīng)分析,鼓包碎屑來(lái)自風(fēng)化的玄武巖骨料。該骨料在大氣環(huán)境下易于分化解體。電子顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)玄武巖顆粒分布有微裂紋,在滲水作用下可加速弱化。當(dāng)骨料侵蝕產(chǎn)物在庫(kù)水位下降時(shí)沿面板縫隙析出后,面板內(nèi)會(huì)逐漸形成空腔,進(jìn)而形成鼓包。取芯檢查發(fā)現(xiàn),表層瀝青混凝土壓實(shí)很差,內(nèi)部含有1.7cm×2.9cm大小的空腔,這也與?12mm的玄武巖侵蝕骨料相吻合。破壞涉及幾乎整個(gè)層厚,完好部分厚度僅剩余1cm。由于每年此類(lèi)鼓包的人工修補(bǔ)約1.5萬(wàn)個(gè),因此需要更有效的修補(bǔ)方法[7]。
德國(guó)南部的Langenprozelten抽水蓄能電站上水庫(kù)1975年投入運(yùn)行,采用瀝青混凝土簡(jiǎn)式斷面面板防滲,結(jié)構(gòu)為4kg/m2封閉層(分2層涂刷)、7cm厚瀝青混凝土防滲層、6cm厚瀝青混凝土膠結(jié)層,底部為20cm石灰?guī)r碎石排水層。經(jīng)過(guò)近20年的運(yùn)行,各類(lèi)缺陷導(dǎo)致了滲漏量的增加,遂進(jìn)行全面翻修,庫(kù)坡采用全新瀝青混凝土襯砌,庫(kù)底根據(jù)需要進(jìn)行了局部修復(fù)。翻修前原襯砌的主要缺陷包括:
圖6 Porabka-Zar大壩瀝青混凝土面板的鼓包(Szling,Z.,1991)[7](a)庫(kù)水位晝夜變幅圖;(b)面板結(jié)構(gòu)圖;(c)取芯處鼓包斷面1-水位變幅區(qū)以上面板;2-鼓包區(qū)域;3-上防滲層;4-排水層;5-下防滲層;6-膠結(jié)層;7-反濾層;8-鼓包;9-鼓包;10-鑿除鼓包并清理后回填的熱瀝青混凝土Fig.6 Blisters of asphalt concrete facing of Porabka-Zar Dam(Szling,Z.,1991)[7](a)Daily change of water level;(b)Face cross section;(c)Core cross section with blister1-Face above water level fl uctuation;2-Blister range;3-Top impervious layer;4-Drainage layer;5-Lower impervious layer;6-Binder layer;7-Filter layer;8-Blister;9-Blister;10-Asphalt concrete re fi lled after conditioning
(1)面板與防浪墻間接縫張開(kāi)。
(2)瀝青混凝土面板坡向條帶施工縫間距5m,施工縫因施工缺陷而張開(kāi),導(dǎo)致水庫(kù)滲漏,面板松散,并沿裂縫發(fā)生漸進(jìn)侵蝕。
(3)面板鼓包。鼓包部分是由防滲層中摻雜的豌豆粒大小的潮濕灰泥塊引起,在日照下面板升溫時(shí)灰泥塊會(huì)產(chǎn)生水蒸氣,并引發(fā)鼓包。
另外,蓄水位以上也有鼓包發(fā)生,這是雨水通過(guò)面板與防浪墻之間張開(kāi)的縫隙進(jìn)入防滲層和排水膠結(jié)層之間造成的。另外,通過(guò)條帶間接縫進(jìn)入的水也會(huì)引發(fā)鼓包,并使接縫處的面板由表及里逐漸松散[2]。
日本學(xué)者早期曾進(jìn)行了一系列模型試驗(yàn)(Sawada等,1973)[5],以指導(dǎo)瀝青混凝土面板壩的面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)針對(duì)復(fù)式瀝青混凝土面板進(jìn)行,其斷面結(jié)構(gòu)自上而下分別為6cm厚細(xì)粒級(jí)配瀝青混凝土、6cm厚密級(jí)配瀝青混凝土、8cm厚開(kāi)級(jí)配瀝青混凝土、6cm厚密級(jí)配瀝青混凝土、6cm厚細(xì)粒級(jí)配瀝青混凝土、3.5cm厚整平層、碎石墊層。試驗(yàn)所用瀝青針入度為71dmm,軟化點(diǎn)為48℃。試驗(yàn)中瀝青混凝土的勁度模量(抗壓、抗拉、抗彎)均按照應(yīng)變等于90%破壞應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變比值確定。
當(dāng)排水層中有水時(shí),其上的防滲層應(yīng)能夠承受相應(yīng)的水壓力。為此Sawada等人進(jìn)行了模型試驗(yàn)以了解面板防滲層能夠承受的水壓力[5]。模型試驗(yàn)中采用2.4m×2.4m的正方形原比尺瀝青混凝土復(fù)式面板進(jìn)行,面板四周由角鋼固定,以面板斷面中間的開(kāi)級(jí)配瀝青混凝土排水層形成2.05m×1.01m×0.08m的水壓力注水腔。在不同溫度下保持不同的水壓力,量測(cè)面板中心點(diǎn)撓度值隨時(shí)間的變化,直至面板漏水。其典型試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖7(文獻(xiàn)未標(biāo)明溫度),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
為了預(yù)測(cè)方板的撓度,該研究采用彈性板理論進(jìn)行分析。設(shè)q為均布荷載,W為板的豎向撓度分布,x,y,z為笛卡爾坐標(biāo),則有:
圖7 排水層施加水壓力時(shí)的中心點(diǎn)撓度值Fig.7 Central deflection by water pressure in drainage layer
根據(jù)跨度10cm試件的抗彎試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算中先統(tǒng)一按90%破壞應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變比值作為抗彎勁度E,并將理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表1。從中看出2℃時(shí)的撓度計(jì)算結(jié)果與24℃的撓度試驗(yàn)結(jié)果基本符合,但10℃時(shí)二者相差很大。將10℃的抗彎勁度E取值為30%破壞應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變比值530kg/cm2,則撓度計(jì)算值下降為3.9mm,盡管與1.6mm的試驗(yàn)值仍有差距,但認(rèn)為是由試驗(yàn)中排水層與防滲層之間黏接在一起導(dǎo)致抗彎剛度增大造成的。
通過(guò)上述模型試驗(yàn)和理論分析可知,24℃時(shí)12mm厚的面板在0.06kg/cm2的水壓力作用下就會(huì)發(fā)生26mm高的鼓包。為此面板的排水系統(tǒng)應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì),以防排水層持水。另外,采用彈性理論分析時(shí),抗彎勁度應(yīng)小心取值,應(yīng)在精細(xì)的試驗(yàn)基礎(chǔ)上,根據(jù)溫度、變形速率和合適的應(yīng)變比值下選用[5]。
土石壩瀝青混凝土防滲面板具有防滲性能優(yōu)異、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、不需設(shè)置接縫、易于修繕補(bǔ)強(qiáng)的特點(diǎn),因而在工程中尤其是抽水蓄能電站蓄水庫(kù)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。瀝青混凝土面板運(yùn)行時(shí)因各種原因可能會(huì)出現(xiàn)封閉層老化、防水層裂縫、流淌及鼓包。通過(guò)調(diào)研分析可知,瀝青混凝土面板的鼓包成因復(fù)雜,包括因排水(汽)不暢在面板背面形成的反水(汽)壓(石砭峪、Geesthacht)、分層施工面板中因各種缺陷導(dǎo)致滲漏水進(jìn)入面板夾層(Innerfragant、Haselstein、Geesthacht)、瀝青混凝土中誤用了病害 礦 料(Porabka-Zar、Langenprozelten)、 施 工碾壓時(shí)灑水過(guò)大等。對(duì)于鼓包大小,一般反水(汽)壓形成的鼓包最大,石砭峪直徑可達(dá)3m、高17cm,Geesthacht施工期間的庫(kù)底汽包高達(dá)1m。這類(lèi)鼓包一旦查明原因,措施得當(dāng),消除得也很快。對(duì)于其他成因的鼓包,因包裹在防滲層中的水量有限,鼓包通常較小,但因問(wèn)題暴露時(shí)間長(zhǎng),處理時(shí)間也較長(zhǎng)。張河灣上庫(kù)瀝青混凝土面板的鼓包數(shù)量較多,為國(guó)內(nèi)罕見(jiàn),盡管鼓包尺寸較小,處理工作有限,但為積累經(jīng)驗(yàn),有必要對(duì)其開(kāi)展了專(zhuān)門(mén)研究,以查明成因,為管理工作中的積極應(yīng)對(duì)提供依據(jù)。
表1 面板撓度試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比 [5]Tab.1 Deflection comparisons between test and computation(Sawada,1973)[5]
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