沥青混凝土面板防渗技术在呼蓄上库的应用.pdf

2 8 韩瑞 ， 夏世 法， 杨明成 沥青混凝土面板防渗技 术在呼蓄上 库的应 用 文章编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 2 8 0 4 沥青混凝土面板 防渗技术在 呼蓄上库 的应用 韩 瑞 ， 夏世法 ， 杨明 成 ( 1 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安7 1 0 0 6 5 ； 2 北京中水科海利工程技术有限公司， 北京I ( X X X D ) 摘要： 主要介绍沥青混凝土面板防渗技术在抽水蓄能电站中成功应用的案例， 重点阐述呼和浩特抽水蓄能电站 上水库防渗形式的比选、 材料性能研究探索和施工技术。该项技术对在寒冷地区抽水蓄能电站库盆沥青混凝土面 板防渗中的应用起到了弓 l 领和促进的作用。 关键词： 沥青混凝土； 渗透系数； 孔隙率 ； 冻断温度 中图分类号 ： T V 5 4 4 9 2 4 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 ： 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 2 6 1 0 2 0 1 5 0 6 0 0 8 Ap pl i c a t i o n o f Pe r m e a b i l i t y Te c hn o l o g y i n As p ha l t Co n c r e t e Fa c e S l a b o f Up pe r Re s e r v o i r， Hu he ha o t e Pumpe d S t o r a g e Po we r Pl a nt HAN Rui ， XI A Sh i f a ，YANG Mi n g e he n g ( 1 N o r t h w e s t E n g i n e e r i n g C o ， L t d ， X i a n 7 1 0 0 6 5， C h i n a ； 2 B e ij i n g I WH R K HL C o ，L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： r h e s u c c e s s f u l c a s e s o f t h e i m p e r v i o u s t e c h n o l o g y o n t h e a s p h t c o n c r e t e f a c e s l a b i n t h e p u m p e d s t o r a g e p o w e r p l a n t a r e i n t r o d u c e d i n t h e p a p e r I t e mp h a s i z e s t h e s e l e c t i o n o f t he i mp e r v i o us n l o d e，t h e s t u d y o f ma t e r i al pe rfo r ma n c e and t he e x p l o r a t i o n o f t h e c o n s t mc t i o n t e c h n o l o gy o f t h e u p p e r r e s e r v o i r o f H u h e h a o t e P u mp e d S t o r a g e P o w e r P l a n t T h i s t e c h n o l o g y g u i d e s and p r o mo t e s i t s a p p l i c a t i o n i n t h e i mp e r me abl e o p e r a t i o n o f t h e a s p h t c o n c r e t e f a c e s l a b i n t h e r e s e r v o i r o f Hu h e h a o t e Pu mp e d S t o r a g e P o w e r P l an t Ke y wo r ds： a s p h a l t c o n c r e t e；p e r me ab i l i t y c o e ffic i e n t ；por o s i t y；c r a c k i n g t e mper a t u r e 1 内外沥青混凝土面板 的应川现状 沥青混凝土面板具有 良好 的防渗能力 、 优异的 适应基础变形和温度变形能力 ， 自身不需设置结构 接缝 ， 施工速度快 ， 且无毒 、 环保 ， 耐久性优异 ， 非常 适宜用作大坝防渗体 。国外将沥青混凝土面板用于 大坝防渗开始于2 0世纪 3 0年代 ， 1 9 8 8年第 1 6届 国 际大坝会议将沥青混凝土防渗堆石坝列入了未来最 高坝的适宜坝型。因为防渗性能优异且能较好适应 较差 的地形条件和较大的水位变幅 ， 国外抽水蓄能 电站上水库防渗大多采用沥青混凝 土面板 J ， 如瓦 尔杰克( 德 国) 、 G o l d i s t h a l( 德 国) 、 斯 澳卡( 美 国) 、 台劳奇 黑 尔 ( 英 国) 、 库一 特罗 一波 恩斯 ( 比利 时 ) 、 格兰德 麦宗 ( 法 国) 、 坝尔尼一伐格 ( 捷克斯 洛伐克) 、 黑福努 ( 奥地利) 、 萨比加瓦电站(日本 ) 。 值得注意的是 ： 西欧地区 自1 9 7 5年以来修建的抽水 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 0 2 0 作者简介： 韩瑞( 1 9 7 5 一) ， 男， 内蒙乌兰察布盟人， 高级工程师， 从事水 电施工管理工作 致 谢 此论文在撰写过程 中参 阅和引用 了有关设计研 究报 告 、 施工期质量检测、 运行 期安全监测等资料 ， 在此一并表示感谢 ! 蓄能电站上水库都采用 了沥青混凝土面板 防渗 J 。 中国于 2 0世纪 7 O年代开始堆石坝沥青混凝土面板 防渗工程建设 ， 截至 9 0年代初期已经建成沥青混凝 土面板坝 2 6座， 1 9 9 0年以后 沥青混凝 土面板 多用 于抽水蓄能电站蓄水库防渗 ， 如天荒坪 、 张河湾、 宝 泉上库工程及西龙池上 、 下库工程等。 据不完全统计 ， 全世界 已超过 8 0座抽水蓄能电 站采用沥青混凝土面板作为 防渗体 ， 主要分布在德 国、 瑞典 、 挪威 、 法国、 美国、 E 1 本及 中国。 沥青混凝土面板在中国的发展大体经历了自觉探 索阶段、 国内外合作阶段及 自主创新阶段。目前仍属 于第 3阶段的起步应用阶段， 应用率仍处较低水平。 2 呼蓄上库 防渗形式 比选与确定 2 1 钢筋混凝土面板与沥青混凝土面板的比较 ( 1 )防渗性能 寒冷地区年温差、 日温差较大， 寒潮频繁， 再加上 水库运行时频繁的水位涨落， 因此对混凝土面板的防 渗要求很高。钢筋混凝土面板本身的渗透系数为1 0 x l O c m s ， 但面板间存在接缝止水 ， 且面板本身在施 工及运行过程中容易出现裂缝， 一般要经过 1 2次 西 北水 电 2 0 1 5年 第 6期 2 9 放空水库 ， 对面板裂缝和止水大规模处理后才能满足 钢筋混凝土面板综合渗透系数在1 O x l O c m s 、 日渗 漏量不大于总库容 1 2 0 0 0的要求。如北京十三陵抽 水蓄能电站上库经 2次放空水库， 对面板裂缝及接缝 止水进行大规模处理后 ， 渗漏量一般在 l O L s 左右， 最大渗漏量曾达1 6 7 L s ； 江苏宜兴抽水蓄能电站上 库在 2 0 0 7年 6月开始蓄水后也放空水库进行了一次 大修 ， 至 2 0 0 9年 5月份实测最大渗漏量约 2 8 5 L s 。 相 比较在寒冷地区抽水蓄能电站上水库采用钢筋混 凝土面板控制裂缝渗透的难度更大， 接缝止水易被破 坏 ， 极易导致防渗效果不佳。 沥青混凝土渗透系数小于 1 O x 1 0 一c m s ， 沥青 混凝土面板可以做到“ 滴水不漏” 。河北张河湾抽 水蓄能 电站 上水库 于 2 0 0 7年 8月 开始蓄水 ， 2 0 0 8 年 9月 2 8日蓄 到正常 蓄水位 8 1 0 m， 截 至 2 0 0 9年 底 ， 实测最大渗漏量 7 3 4 L s ， 出现在 2 0 0 8年 1 2月 1 9日， 渗漏 主要 产生于进 出水 口周边廊道 ( 2 0 5 L s ) 和外排廊道( 5 2 9 L s ) ， 外排廊 道渗流量主要 为山体渗水 ， 沥青混凝土面板渗漏量为 0 。山西西 龙池抽水蓄能电站上水库于 2 0 0 7年 4月开始蓄水 ， 截至 2 0 0 9年底 ， 实测最大渗流量 出现在 2 0 0 8年 1 2 月 1 5日， 当时库水位为 1 4 7 8 2 m( 正常蓄水位为 1 4 9 2 5 m) ， 库盆排水廊道渗流量为 3 3 9 L s ， 全部 发生在进 出水 口， 沥青 昆 凝土面板渗漏量为 0 。 可见 ， 沥青混凝土面板适应基础不均匀变形能 力强 ， 不存在结构缝之类 的薄弱环节 ， 自愈能力强 ， 防渗性能好。沥青混凝土面板也可能产生裂缝 ， 但 维修简单 ， 易于快速修补。钢筋混凝 土面板则属刚 性结构 ， 变形模量大 ， 适应地基不均匀变形能力差 ， 结构缝多 ， 被拉开后易形成渗漏通道。 在北方寒冷地区 ， 因气温较低 ， 如采用传统的钢 筋混凝土面板防渗 ， 一是施工期和运行期面板本 身 极易 出现裂缝 ， 二是面板 的接缝止水在外界严酷 环 境下容易失效 ， 导致防渗效果不佳 ， 而沥青混凝土面 板因为无接缝 ， 并可有效抵抗低温裂缝 ， 因此 ， 近年 来成为寒冷地区库盆防渗的首选。 ( 2 )施工 速度 据统计 ， 西龙池抽水蓄能电站上库沥青混凝土 面板 ( 简式结构 ) 施工速度平均为 2 9万 m 月 ， 西 龙池下库 ( 简式结构但弧面多 ， 影响施工速度 ) 和张 河湾抽水蓄能 电站上库 沥青混凝 土面板 ( 复式 结 构) 施工速度平均为 2 4万 m 月 ； 全库盆采用钢筋 混凝土面板 防渗的十三陵抽水蓄能电站上库和宜兴 抽水蓄能电站上库施工速度平均为 1 3万 m 月 。 可见 ， 沥青混凝土面板施工速度大约是钢筋混凝土 面板 的2倍 。如考虑到钢筋混凝土面板防渗工程在 蓄水后 ， 一般需放空水库 1 2次进行面板裂缝及接 缝的大规模处理 ， 而沥青混凝土面板 在蓄水后基本 不需要处理 ， 即使处理， 也只是针对进 出水 口， 则沥 青混凝土 面板 的施 工速度更快。寒冷地 区冬 季停 工 ， 每年的可施工期短 ， 面板施工速度对工期的影响 较大 ， 因此 ， 沥青混凝土面板更具优势。 ( 3 )综合造价 据统计 ， 张河湾、 西龙池 、 宜兴抽水蓄能电站 上 库每平方米面板( 包括垫层) 的综合造价( 为便于 比 较 ， 将价格统一到 2 0 0 8年水平 )基本相 当， 说 明钢 筋混凝土面板单位面积投资和沥青混凝土面板单位 面积投资相差并不明显。这与全库盆钢筋混凝土面 板防渗工程 中接缝长度长 、 止水结构复杂 、 防裂措施 多有较大关系。 ( 4 )国内技术水平 钢筋混凝 土面板的施工 ， 中国已有成熟 的施 工 技术。沥青混凝土面板的施工 ， 中国经历 了天荒坪 、 张河湾 、 西龙池抽水蓄能工程与国外公司的合作 ， 通 过 国内科研和施工单位的努力 ， 已具备 自主设计 、 自 主施工的能力。宝泉抽水蓄能工程是中国第 l 座完 全 由国内企业 自行设计 、 自行施工 的大型沥青混凝 土面板工程 ， 并且运行 良好。但与传统的钢筋混凝 土面板相比， 掌握沥青混凝土面板施工技术 的国内 施工单位数量较少 ， 竞争性不强。 2 2 呼蓄电站沥青混凝土面板方案的选择 根据以上分析 ， 建设单位组织有关专家研究论 证 ， 最终决定委托呼和浩特抽水蓄能 电站( 简称 ： 呼 蓄 ) 主体设计单位进行上水库库盆防渗形式的研究 比选工作 ( 原可研 、 初设 阶段均 为钢筋混凝土面板 防渗形式) 。主体工程招标后进行 的全库盆防渗形 式重大设计变更 ， 为此设计单位从枢纽布置 、 工程量 与投资 、 建筑材料 、 防渗材料对基础变形 的适应性 、 防渗效果 、 施工条件 、 运行检修条件 、 施工技术可行 性等十多个方面进行 了大量设计技术研究工作 ， 重 点攻克了满足抗极端低 温冻断 ( 低 于一 4 5 c IC) 要求 的沥青混凝土材料关 ， 并经过三峡集团总工程师张 超然院士为首的内部专家组反复研究报原设计审批 单位审查后 ， 最终选择了沥青混凝土面板防渗方案。 3 呼蓄电站上库盆沥青混凝土防渗技 术 的应用情况 3 1防渗 结构 形式 呼和浩特抽水蓄能电站上水库采用沥青混凝土 3 0 韩瑞 ， 夏世 法， 杨明成 沥青混凝土面板防渗技 术在 呼蓄上库 的应 用 面板防渗 ， 防渗面积 2 4 4 8万 m ， 其 中库底 防渗面 积为 1 0 1 1万 1 1 1 ， 库岸防渗面积为 1 4 3 7万 1 1 1 。沥 青混凝土面板采用简式结构 ， 从 内至外依次为整平 胶结层 、 ( 加厚层 ) 、 防渗层 、 封闭层组成， 库底与进 出水 口周边 刚性构造物连接采用沥青砂 浆柔性连 接 。其主要结构组成要求见表 1 。 表 1 沥青 混凝土面板结构组成要求表 说明 ： 加厚层设在沥青混凝土面板与混凝土结构接缝 的上部 、 斜 坡与库底连接弧面处及库盆开挖 回填分界等基础介质弹模差异较大 部位 。 3 2 面 板各 层主 要技术 要求 整平层 、 防渗层 、 封闭层的各项技术要求详见表 24 表 2 整平胶 结层技 术要 求表 磊 MPa 抗 压 强 度 弯 曲 应 变 2 l 3 5231 8 4 3 马歇 现场芯 尔 样或无 试件 损检测 其 中， 防渗层沥青混凝土冻断温度低于一 4 5， 斜坡流淌值在 1： 1 7 5坡小于 0 8 m l T l ， 在 中国同类 电站中尚属首次 。 3 3 施 工配 合 比 通过设计院等多家科研院所的反复试验研究以 及施工单位多次现场试验验证推敲， 最终确定了各 结构层沥青混凝土施工配合比， 主要参数如下。 ( 1 )整平层 ： 沥青含量 4 2 ， 骨料最大粒径 1 9 1 T i m， 矿粉用量为矿 料总用量 的 6 5 ， 天然砂掺用 量按与人工砂等 比例控制 ， 占矿 料总量 的 1 0 7 。 具体见表 5 。 表 5 整 平层施工 配合 比表 ( 2 )防渗层 ： 沥青含量 7 3 ， 骨料最大粒径 1 6 mm， 矿粉用量为矿料总用量的 1 1 ， 天然砂掺用量 按 占矿料总量 的3 3 控制。具体见表 6 。 表 6 防渗层施工配合比表 ( 3 )沥青砂浆 ： 沥青含量 1 2 、 矿粉含量 2 0 、 骨料含量 6 8 ， 骨料为经拌和站热筛后 1 号热料仓中 天然砂与人工砂等 比例混合的混合料。具体见表 7 。 表 7沥青砂 浆施 工配合 比表 3 4 施工工艺参数 3 4 1 拌和工艺参数 工艺参数主要包括 ： 原材料的温度 、 出机 口温 度 、 称量精度 、 拌和时间。具体控制参数见表 8 。 表 8 配料及拌和温 度控 制标 准表 拌和楼所有称量设备都应进行校准 、 测试。测 试的误差应在总的称量能力的 0 2 以内。设备每 月都应予以校验 ， 以保证称量精度。 ( 1 )整平层沥青混合料拌 和时间控制： 将骨料 和填料投入拌缸进行干拌用时 1 5 S ， 湿拌用时 4 5 S ， 卸料用时 5 S ， 每盘总用时 6 5 S ： ( 2 )防渗层沥青混合料 拌和时间控制： 将骨料 和填料投入拌缸进行干拌用时 1 5 S ， 湿拌用 时 7 0 S ， 卸料用时 5 S ， 每盘总用时 9 0 S 。 3 4 2摊铺主要施工参数 有关沥青混凝土各环节温度控制标准见表 9 ， 西北 水 电 2 0 1 5年 第 6期 3 1 摊铺后碾压分初碾 、 复碾 、 终碾 3道碾压程序 ， 具体 碾压参数见表 1 0 。 表 9 沥青混凝土摊铺、 碾压施工温度控制标准表 表 l 0沥青 混凝 土碾压参数表 ( 振动碾 ： S W3 3 0 ) 有关设备选型和施工控制方面的详细内容未在 此叙述 ， 可参阅相关资料。 3 5施工 质量评 价 呼蓄上水库全库盆沥青混凝土面板施工总历时 1 2个月 ( 含生产 性试 验所 占时间、 冬 季歇 工 ) ， 于 2 0 1 3年 7月底具备蓄水条件 。施工期 ， 整平层取芯 样 2 3 2个 ， 孔 隙 率 为 1 0 2 1 4 8 ， 平 均 值 1 3 2 ； 防 渗 层 取 芯 2 1 2个 ， 孔 隙 率 为 0 9 3 0 ， 平均值 2 1 ； 加厚层取芯 2 8个 ， 孔 隙率 为 1 2 2 8 ， 平均值 2 0 。现场无损、 真空度检 测 、 渗透等试验结果表明， 上水库沥青混凝土的孔隙 率 、 密度 、 真空度指标 、 渗透系数 、 斜坡流淌值 、 水稳 定系数 、 拉伸应变、 弯 曲应变等指标满足设计及规范 要求 ， 说明防渗面板施工所采取 的摊铺方法及选用 的配套碾压施工机具和施工控制参数满足了技术质 量控制标准 ， 防渗面板施工采取 的施工接缝处 理方 法是有效和合适的。 3 6 运 行初 期监 测评 价 为监测沥青混凝土面板 防渗、 抗冻性能及蓄水 后变形情况 ， 在上水库沥青混凝土面板主要 布置有 5个监测断面， 其中在库盆西南和东南库岸各布置 1 个监测断面 ， 大坝布置有 2个监测断面， 北侧库岸布 置有 1个监测断面。监测结果分析汇总如下。 ( 1 )抗冻性能 ： 经历了一 2 7 7 c 二 的低温考验 ， 该 温度虽高于极端最低温度一 4 1 8 ， 也高于设计要 求温度( 平均值 一 4 5 o C， 个 别值 4 3 c ( = ) ， 但 通过 对监测数据分析 ， 应用于呼蓄电站 的改性沥青 混凝 土在抗冻性能方面表现 出相当的优势。 ( 2 )沥青混凝 土变形 ： 经过外 水荷载 、 严 冬收 缩 、 春暖膨胀等因素影响后 ， 目前沥青混凝土最大挠 曲变形值为 7 4 m m， 现场未发现沥青混凝土开裂现 象 ， 说明该沥青混凝土具有较强的延展性和拉伸性。 ( 3 )沥青混凝土温度 ： 沥青混凝土具有较好的 吸热作用 ， 冬季向阳区沥青混凝土温度普遍高于背 阳区沥青混凝土温度 ， 两类 区域沥青混凝土 内部温 度差异最大可达 2 2 8。沥青混凝土摊铺后 ， 除去 摊铺时沥青混凝 土本身拌制时的高温影响外 ， 沥青 混凝土温度范围值在一 2 2 13 8 1之间 ， 最低温 度 比西龙池抽水蓄能电站上水库 2 0 1 3年最低温度 低 9 5 o C。 ( 4 )防渗性能 ： 布设 于库底廊道的量水堰监测 数据显示 ， 扣除外排廊道地下水影响， 库盆内总渗漏 量较蓄水前增加为 3 2 9 L s ， 该值小于中国类似沥 青混凝土面板渗漏量。 综上 ， 呼蓄电站上库全库盆沥青混凝土面板经 历了明显低于中国其它沥青混凝土面板工程的环境 温度考验后 ， 其变形值与应变值均在较小范围内， 其 抗冻性能得到了较好 的验证 ； 与中国同期沥青混凝 土面板渗漏量相比， 呼蓄电站 目前渗漏量仍处于较 低水平。 4 结语 通过近些年来天荒坪、 张河湾 、 西龙池、 宝泉 、 呼 蓄等抽水蓄能 电站 的成功实践 ， 特别是 呼蓄 电站施 工期及运行期 已经历 了极端不利气候条件的考验， 我们可以认为 ： 中国已完全具备了水工沥青混凝土 防渗系统的研发设计和施工能力 ， 寒冷地 区抽蓄 电 站库盆防渗形式完全可以向改性沥青混凝土面板继 续探索实践。 参考文献 ： 1 邱彬如 抽水蓄能电站上水库库盆 防渗形 式 比选对沥青 混凝土面板防渗的再认识 C 抽水蓄能 电站工程 建设论文 集 北京 ： 中国电力出版社 ， 2 0 0 9 2 张恒军 ， 译 国外建设 抽水 蓄能 电站 的经验 J 山西水 利科 技 ， 1 9 9 5， ( 4 ) ： 9 2 9 6 3 肖贡元 宜兴抽水蓄能电站上水库设计的几项决策 C 抽水 蓄能 电站工程建设文集一纪念抽水 蓄能 电站专业 委员会成立 十周年 北京 ： 中国电力出版社 ， 2 0 0 6 4 我 国抽水蓄能电站建设 现状与前景分 析 O L 北极 星智能 电 网在线 ， 2 0 1 262 6 ， 1 1 ： 5 7： 4 8 ， h t t p ： w w w c h i n a s m a r t g r i d 0 m c n n e ws 2 0 1 2 0 6 2 6 3 6 9 0 4 2 s h t m1