李 江，夏世法，汪正興，李秀琳

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院材料研究所，北京 100038)

1 概述

新疆地區(qū)土石壩防滲型式從材料角度來(lái)看主要有4種：①土工膜防滲(壩體內(nèi)直心墻、壩面防滲)，在低壩上(壩高≤30m)應(yīng)用較為廣泛。②黏土防滲體(直心墻、斜心墻)，如大西溝水庫(kù)、白楊河水庫(kù)等；③混凝土防滲體(鋼筋混凝土面板、壩內(nèi)混凝土防滲墻)，通常面板堆石壩/砂礫石壩都在鋼筋混凝土面板壩內(nèi)采用混凝土防滲墻的一般用于水庫(kù)除險(xiǎn)加固；④瀝青防滲體(直心墻、面板防滲)，采用直心墻的有伯斯阿木水庫(kù)、奴爾水庫(kù)，而面板防滲尚未有建成實(shí)例。

當(dāng)前新疆壩工在壩型選擇方面出現(xiàn)了一些新特點(diǎn)，如黏土防滲體受黏土來(lái)源限制，應(yīng)用實(shí)例越來(lái)越少。盡管土工膜防滲施工簡(jiǎn)單且造價(jià)低廉，在平原水庫(kù)、調(diào)蓄水池建設(shè)上得到大量應(yīng)用，但也存在焊縫易開(kāi)裂、膜體局部撕裂、整體滑脫(奎屯水庫(kù)、烏什縣中衛(wèi)調(diào)節(jié)池)等問(wèn)題。鋼筋混凝土面板在施工期受嚴(yán)寒區(qū)氣候條件影響控制裂縫難度較大，在蓄水過(guò)程中壩體沉降可能導(dǎo)致面板擠壓破壞，通常需要經(jīng)過(guò)大修后才能控制水庫(kù)的滲漏量；在運(yùn)行期，由于氣候條件惡劣，混凝土面板更容易出現(xiàn)碳化、鋼筋銹蝕、凍融剝蝕等影響耐久性的病害；冬季水庫(kù)結(jié)冰，混凝土面板表層止水受冰拔、冰推影響容易失效，導(dǎo)致整體防滲效果不佳，需要定期對(duì)表層止水和破壞面板進(jìn)行修補(bǔ)，耗資耗時(shí)較大。

瀝青混凝土心墻自20世紀(jì)90年代以來(lái)在新疆地區(qū)發(fā)展迅速，僅2012年建設(shè)的27座定居興牧水源工程中就有15座瀝青心墻壩，壩高從30～69m不等。截至2020年，全疆(含兵團(tuán))已建、在建澆筑式瀝青心墻壩及碾壓式瀝青心墻壩70座，均為壩內(nèi)直心墻布置形式。壩高超過(guò)百米的達(dá)11座，其中典型的完建工程有石門水電站(壩高106m)、阿拉溝水庫(kù)(壩高105.5m)、五一水庫(kù)(壩高102.5m)，建設(shè)中的有大石門水利樞紐(壩高128.8m)[1]。新疆在瀝青選材方面開(kāi)展了水工瀝青、道路瀝青的比選，研究發(fā)現(xiàn)道路瀝青來(lái)源廣泛，性能基本接近水工瀝青；在瀝青心墻配合比研究方面創(chuàng)新突破了礫石骨料的應(yīng)用，擴(kuò)展了材料的選擇范圍；在瀝青心墻筑壩技術(shù)與工藝等方面開(kāi)展了高溫季節(jié)(40℃)、低溫℃季節(jié)(-25℃)、大風(fēng)環(huán)境(8級(jí))的施工技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)行了大量有益的探索與實(shí)踐，積累了豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[2]。

瀝青心墻壩對(duì)地形地質(zhì)條件的適應(yīng)較好，適應(yīng)壩體和基礎(chǔ)變形能力強(qiáng)，防滲性能好，可以充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，是高地震區(qū)首選壩型。鑒于新疆地區(qū)壩基覆蓋層普遍較深，雖然施工期采取了一定的應(yīng)對(duì)措施，但蓄水及運(yùn)行后壩體不均勻沉降普遍存在，導(dǎo)致心墻在壩肩及底座部位應(yīng)力復(fù)雜，容易出現(xiàn)滲漏問(wèn)題。由于瀝青心墻位于壩體內(nèi)部，漏水后很難確定滲漏位置，維修費(fèi)用高且效果不佳，給壩體運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，成為制約瀝青心墻應(yīng)用不可忽視的因素，有必要探索新的防滲型式。

瀝青混凝土面板具有良好的防滲性能，適應(yīng)基礎(chǔ)變形和抗低溫開(kāi)裂能力優(yōu)異，自身不設(shè)結(jié)構(gòu)接縫，機(jī)械化施工速度快，環(huán)保無(wú)毒，耐久性更優(yōu)。同時(shí)，瀝青混凝土面板位于壩體表面，局部出現(xiàn)缺陷后易于檢修。已在國(guó)內(nèi)外抽蓄電站水庫(kù)防滲得到成功應(yīng)用。同時(shí)疆內(nèi)通過(guò)瀝青心墻壩的建設(shè)實(shí)踐也積累了豐富的瀝青混凝土科研、技術(shù)、施工經(jīng)驗(yàn)，這些都為新疆嚴(yán)寒地區(qū)采用瀝青面板作為大壩防滲體選擇提供了大量技術(shù)支撐。

2 瀝青面板防滲體在國(guó)內(nèi)外大壩應(yīng)用

2.1 國(guó)外應(yīng)用情況

國(guó)外將瀝青混凝土面板用于大壩水庫(kù)防滲始于20世紀(jì)30年代，且發(fā)展迅速，20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)用高峰期。第16屆國(guó)際大壩會(huì)議還將瀝青混凝土防滲壩列入了未來(lái)高壩的適宜壩型之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界建成的采用瀝青混凝土面板防滲的土石壩已有400余座。如1937年建成的阿爾及利亞埃爾·格力布大壩為第一座瀝青面板壩(壩高56m)；最高的瀝青面板壩為奧地利的Oschenik(壩高106m)；德國(guó)的蓋斯特(Geeste)水庫(kù)為防滲面積最大的瀝青面板工程，防滲面積達(dá)184萬(wàn)m2[3]。

瀝青面板具有的防滲性能優(yōu)異、適應(yīng)較差的地形條件和較大的水位變幅特點(diǎn)，使其在國(guó)外抽水蓄能電站水庫(kù)防滲得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，國(guó)外采用瀝青混凝土面板防滲的抽水蓄能電站上水庫(kù)超過(guò)80座，如德國(guó)的瓦爾杰克和高迪斯塞爾(全庫(kù)盆防滲面積95.8萬(wàn)m2)，美國(guó)的路丁頓(上庫(kù)防滲面積27萬(wàn)m2)，英國(guó)的臺(tái)勞奇·黑爾，比利時(shí)的庫(kù)-特羅-波恩斯，法國(guó)的格蘭德·麥宗，捷克斯洛伐克的壩爾尼-伐格、奧地利的黑福努，日本的薩比加瓦電站等[3]。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

我國(guó)在20世紀(jì)70年代開(kāi)始瀝青混凝土面板的研究與應(yīng)用，至90年代初修建了大量瀝青混凝土面板堆石壩，見(jiàn)表1。由于早期國(guó)產(chǎn)瀝青品質(zhì)較差，施工設(shè)備落后，瀝青混凝土配合比和施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)研究不足，致使不少瀝青混凝土面板出現(xiàn)了高溫流淌、低溫開(kāi)裂、接頭脫開(kāi)等嚴(yán)重問(wèn)題。有些水庫(kù)滲漏嚴(yán)重，影響了效益發(fā)揮，還引起了業(yè)界對(duì)瀝青混凝土面板防滲型式的質(zhì)疑，推廣應(yīng)用受到限制。部分工程不得不將瀝青面板拆除，改用其他防滲形式，如浙江牛頭山水庫(kù)大壩和湖北車壩河水庫(kù)大壩[4]。

表1 1970—1990年我國(guó)修建瀝青混凝土面板堆石壩統(tǒng)計(jì)表

1995—2006年，隨著抽水蓄能電站建設(shè)的開(kāi)展，國(guó)內(nèi)開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外水工瀝青及施工技術(shù)。如浙江天荒坪、河北張河灣、山西西龍池抽蓄電站瀝青面板的建設(shè)，由國(guó)外施工企業(yè)承包或中外合作承建完成，施工關(guān)鍵技術(shù)由國(guó)外企業(yè)主導(dǎo)。此階段，國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)、科研單位也開(kāi)始系統(tǒng)開(kāi)展瀝青混凝土面板原材料檢測(cè)、配合比設(shè)計(jì)、施工設(shè)備研制及質(zhì)量控制技術(shù)的研究與應(yīng)用工作，瀝青混凝土面板技術(shù)逐漸成熟。2006年河南寶泉抽水蓄能電站上庫(kù)瀝青面板工程成為第一個(gè)由中國(guó)國(guó)內(nèi)企業(yè)自行設(shè)計(jì)、施工的大型瀝青防滲面板工程，寶泉上庫(kù)瀝青混凝土面板坡比1∶1.7，其坡度之陡居世界上瀝青面板前15%，2009年蓄水發(fā)電，運(yùn)行十多年后最大滲漏量只有3.3L/s，效果良好[5-6]。2013年完成的內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能電站上水庫(kù)瀝青混凝土面板要求-45℃不開(kāi)裂，通過(guò)改性瀝青技術(shù)和嚴(yán)寒區(qū)施工質(zhì)量控制技術(shù)的應(yīng)用，運(yùn)行至今最大滲漏量只有4.3L/s，標(biāo)志著我國(guó)在瀝青混凝土面板低溫抗裂技術(shù)方面走到世界前列[7]。瀝青混凝土面板和剛性建筑物連接的滑動(dòng)式接頭也在山西西龍池、河南寶泉和內(nèi)蒙古呼和浩特等抽水蓄能電站工程中得到了成功的應(yīng)用。至此，困擾瀝青混凝土面板質(zhì)量的三大技術(shù)難題(高溫流淌、低溫開(kāi)裂、接頭脫開(kāi))都得到了解決。此階段建設(shè)的瀝青面板防滲壩見(jiàn)表2。

表2 1990—2013年我國(guó)修建瀝青混凝土面板防滲壩統(tǒng)計(jì)表

隨著瀝青混凝土面板技術(shù)的成熟，2010年后瀝青混凝土面板防滲體系已得到國(guó)內(nèi)工程界的普遍認(rèn)可，越來(lái)越多的抽蓄電站水庫(kù)開(kāi)始采用瀝青面板防滲。目前正在建設(shè)中的抽蓄電站瀝青混凝土面板防滲工程有山東沂蒙、濰坊，江蘇句容，陜西鎮(zhèn)安，內(nèi)蒙古芝瑞、烏海，河北易縣，山西渾源、垣曲，遼寧莊河，甘肅玉門等。隨著我國(guó)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的提出，我國(guó)在“十四五”至“十六五”期間又規(guī)劃了大量的抽水蓄能電站，可以預(yù)見(jiàn)，瀝青混凝土面板在我國(guó)抽蓄電站的應(yīng)用具有廣闊的市場(chǎng)前景。

綜上所述，國(guó)內(nèi)瀝青混凝土面板目前主要應(yīng)用于抽水蓄能電站上水庫(kù)防滲，而作為常規(guī)大壩水庫(kù)的面板防滲已30多年未有應(yīng)用案例，主要是受國(guó)內(nèi)早期一些失敗的瀝青面板壩工程的影響。新疆地處嚴(yán)寒地區(qū)，氣候條件嚴(yán)酷，建壩條件較差，瀝青混凝土面板本身優(yōu)異性能對(duì)解決本地區(qū)大壩土工膜、鋼筋混凝土面板，瀝青心墻等防滲體系面臨的問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。瀝青混凝土面板原材料檢驗(yàn)、配合比、拌合、施工設(shè)備及質(zhì)量控制技術(shù)的日益完善為在新疆地區(qū)采用瀝青面板作為防滲體創(chuàng)造了有利的條件。

3 新疆嚴(yán)寒區(qū)應(yīng)用瀝青面板的技術(shù)支撐

3.1 瀝青面板防滲體的優(yōu)勢(shì)

與鋼筋混凝土面板和瀝青心墻防滲形式相比，在新疆嚴(yán)寒地區(qū)，瀝青混凝土面板具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)適應(yīng)變形。新疆地區(qū)眾多工程存在深厚覆蓋層、濕陷性黃土、挖填結(jié)合處不均勻沉降變形等問(wèn)題，對(duì)防滲體系抗變形能力要求高。面板在壩體不均勻沉降較大時(shí)河床部位容易出現(xiàn)擠壓破壞，而壩頂及周邊面板容易出現(xiàn)受拉破壞；瀝青心墻在基座及壩肩部位容易出現(xiàn)受剪漏水現(xiàn)象。瀝青混凝土面板防滲體可較好解決這些問(wèn)題，普通瀝青混凝土的彎曲應(yīng)變可以達(dá)到2%～3%之間，改性瀝青瀝青混凝土彎曲應(yīng)變可達(dá)4%～7%，適應(yīng)變形能力更強(qiáng)。柔性試驗(yàn)表明：常溫條件下，瀝青混凝土面板撓曲變形達(dá)到撓跨比10%時(shí)仍能保證防滲性能，即使壩體出現(xiàn)不均勻沉降也不會(huì)產(chǎn)生擠壓破壞和受拉破壞。在瀝青面板與岸坡、防滲墻等剛性建筑物連接時(shí)，采用滑動(dòng)式接頭，可適應(yīng)接頭處較大的變形而不漏水。在抵抗變形方面，瀝青面板整體上要大大優(yōu)于鋼筋混凝土面板和瀝青心墻防滲體系。

(2)抗凍、抗冰及抗低溫。新疆嚴(yán)寒區(qū)由于寒潮、低溫、冰拔冰推等問(wèn)題導(dǎo)致鋼筋混凝土面板極易出現(xiàn)裂縫、表層止水破壞失效等病害問(wèn)題，修補(bǔ)完幾年后同樣的問(wèn)題又會(huì)出現(xiàn)，整個(gè)施工期及運(yùn)行期維修費(fèi)用較大。而瀝青混凝土由于孔隙率小(防滲層孔隙率控制在3%以下)，水難以進(jìn)入，因此不存在混凝土工程中常見(jiàn)的凍脹、凍融破壞。由于瀝青的憎水性，也不會(huì)產(chǎn)生冰拔破壞等問(wèn)題，這些在抽水蓄能電站的運(yùn)行過(guò)程中得到了充分驗(yàn)證。瀝青混凝土的粘彈性特性，使得其具有較強(qiáng)的松弛能力，可以部分消除寒潮及低溫引起的溫度應(yīng)力，在施工期和運(yùn)行期不會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。普通瀝青混凝土就可以做到極端最低氣溫-30℃下不出現(xiàn)低溫開(kāi)裂，通過(guò)開(kāi)發(fā)改性瀝青及優(yōu)化配合比，還可以進(jìn)一步拓展低溫應(yīng)用的范圍。如山西西龍池抽水蓄能電站上庫(kù)采用的改性瀝青混凝土可以達(dá)到-35℃不開(kāi)裂[8]；呼蓄上庫(kù)實(shí)際凍斷溫度達(dá)到-45℃不開(kāi)裂[9-10]。針對(duì)內(nèi)蒙古芝瑞及山西渾源抽水蓄能電站，開(kāi)發(fā)了專用的改性瀝青，在室內(nèi)試驗(yàn)階段，凍斷溫度可達(dá)-50℃以下。研究表明瀝青面板可以保證整個(gè)防滲體系在-50℃低溫條件下不開(kāi)裂，也不會(huì)出現(xiàn)由凍融造成的剝蝕破壞和冰拔、冰推等病害問(wèn)題，比較適宜用作新疆嚴(yán)寒區(qū)水庫(kù)面板防滲。

(3)施工速度快。瀝青面板施工在整個(gè)大壩填筑完成且沉降基本完成后進(jìn)行，施工時(shí)采用專門設(shè)備，施工工藝成熟。據(jù)統(tǒng)計(jì)，瀝青混凝土面板施工速度約為鋼筋混凝土面板的2倍，這對(duì)于可施工期短(每年4月初至10月底)的新疆地區(qū)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

(4)長(zhǎng)期耐久性。在新疆嚴(yán)酷氣候條件下，鋼筋混凝土面板混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融剝蝕等老化病害嚴(yán)重，且防護(hù)難度大，防護(hù)費(fèi)用高，而瀝青混凝土面板自身耐久性良好。瀝青混凝土面板的耐久性可以分為水上部分和水下部分，水上部分的工況為在日照、溫度作用下的老化；水下部分的工況為水長(zhǎng)期浸泡下的水穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外研究成果表明：瀝青混凝土面板在運(yùn)行20～30年后，面板表層的2mm封閉層會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的老化、脫落，但對(duì)于防滲層，其老化深度只有5～8mm(防滲層厚度10cm)。如法國(guó)trapan瀝青混凝土壩，運(yùn)行11年后進(jìn)行檢測(cè)，防滲層表層0～5mm、5～10mm、防滲層中部針入度分別由66下降到29、46、45。如考慮施工過(guò)程中的老化效應(yīng)，則防滲層5～10mm深度和中部的瀝青性質(zhì)幾乎沒(méi)有變化，僅在表層部位(0～5mm)有微小的變化。日本沼原抽水蓄能電站上水庫(kù)采用瀝青混凝土面板防滲，壩高38m，防滲面積19.7萬(wàn)m2，1973年投入使用。運(yùn)行30年后面板取芯檢測(cè)(厚度40mm，分成3段)表明：面板沿厚度方向呈現(xiàn)上段>中段≈下段的老化程度，同時(shí)表面封閉層未剝落的芯樣上部瀝青針入度約為下部的90%，說(shuō)明封閉層可以延緩防滲層瀝青混凝土的老化。天荒坪抽水蓄能電站瀝青面板在運(yùn)行18年后，取芯檢測(cè)表明瀝青混凝土在表面1cm以下部分幾乎沒(méi)有老化[11]。

(5)易于檢查和維修。瀝青混凝土面板位于壩體表面，即使局部出現(xiàn)缺陷，也容易檢測(cè)發(fā)現(xiàn)并且易于維修。從天荒坪、呼蓄、西龍池等瀝青面板工程來(lái)看，在施工期或蓄水后出現(xiàn)的局部少量裂縫修復(fù)工藝簡(jiǎn)單，且修復(fù)后效果良好[12-15]。這一特點(diǎn)克服了瀝青心墻滲漏后檢測(cè)困難，維修難度大的難點(diǎn)。

3.2 瀝青面板材料的環(huán)保性能

瀝青按產(chǎn)品來(lái)源不同，可分為石油瀝青和煤瀝青2種。研究表明，石油瀝青不會(huì)對(duì)水質(zhì)造成污染。但煤瀝青因游離碳含量偏高，在大氣中不夠穩(wěn)定，同時(shí)含有酚、苯等少量有毒物質(zhì)，在水利工程中嚴(yán)禁使用[16]。

據(jù)國(guó)際大壩委員會(huì)統(tǒng)計(jì)(1997年)，已建的298座瀝青混凝土面板壩，其中有1/3用于農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水，至今為止尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水質(zhì)有污染的跡象。西班牙修建的9座瀝青混凝土面板堆石壩(5座是供水工程)，美國(guó)加州修建的飲用水水庫(kù)至今已40多年都沒(méi)有出現(xiàn)由于瀝青混凝土而引起的水質(zhì)污染問(wèn)題。德國(guó)工程部門針對(duì)瀝青是否導(dǎo)致水質(zhì)污染的一系列試驗(yàn)也表明對(duì)人體健康無(wú)害。據(jù)德國(guó)斯特拉堡公司統(tǒng)計(jì)資料：自1950年以來(lái)與引水工程相關(guān)的工程項(xiàng)目有22座瀝青混凝土面板壩、2座瀝青混凝土全池防滲的水庫(kù)，都無(wú)一出現(xiàn)由于瀝青防滲面板引發(fā)的水質(zhì)和污染問(wèn)題。我國(guó)修建的20余座瀝青混凝土防滲水庫(kù)也同樣如此[17-20]。

3.3 瀝青面板對(duì)壩體的要求

瀝青混凝土面板對(duì)壩體上游邊坡的要求一般不陡于1∶1.7，緩于鋼筋混凝土面板邊坡，但可以比土工膜、瀝青心墻、黏土心墻防滲體壩體上游邊坡陡。因?yàn)閮?yōu)異的變形性能，瀝青混凝土面板對(duì)壩體不均勻沉降變形的要求較鋼筋混凝土面板低。

瀝青防滲面板和壩體之間應(yīng)設(shè)置墊層，墊層材料采用碎石或卵石，墊層的作用是工作面整平、支撐、排水、防凍脹和粒徑過(guò)渡等。同時(shí)墊層可以協(xié)調(diào)壩體或基礎(chǔ)變形，降低壩體或基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)瀝青混凝土面板的影響。瀝青混凝土面板墊層有一些特殊要求與鋼筋混凝土面板不同，對(duì)于中等高度的壩，碎石或卵石墊層垂直坡面的厚度應(yīng)不小于50cm，對(duì)于重要的工程和高壩，墊層應(yīng)適當(dāng)加厚。在墊層表面應(yīng)噴灑一層乳化瀝青或稀釋瀝青，噴灑量宜控制在0.5～2kg/m2，目的是對(duì)墊層料表面進(jìn)行膠結(jié)，便于后續(xù)瀝青面板的機(jī)械化施工。

墊層料應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好，便于壓實(shí)和利于排水。參考SL 228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)墊層料的最大粒徑要求，瀝青面板墊層最大粒徑Dmax≤80mm，對(duì)粒徑D<5mm和D<0.075mm的細(xì)粒含量也作出了規(guī)定，以保證墊層的排水效果。當(dāng)采用碎石墊層作為下臥層時(shí)，應(yīng)從變形和受力方面提高墊層模量，以減小面板的變形。碎石墊層壓實(shí)后墊層模量宜控制在40～120MPa，如天荒坪規(guī)定為60MPa、張河灣要求不小于45MPa、呼蓄工程庫(kù)底要求大于60MPa、斜坡要求大于40MPa。

3.4 瀝青面板施工技術(shù)支撐

水工瀝青混凝土面板的施工技術(shù)和瀝青混凝土心墻相比，更為復(fù)雜。瀝青面板施工難點(diǎn)主要在斜坡施工上，需要斜坡專用施工設(shè)備，由施工臺(tái)車、斜坡喂料車、攤鋪機(jī)、牽引車、振動(dòng)碾等配套協(xié)同完成作業(yè)，如圖1所示。斜坡施工工序：首先由運(yùn)料自卸車將混合料卸入主牽引臺(tái)車的吊斗，由主卷?yè)P(yáng)臺(tái)車將料斗從軌道提升至喂料車上方，將混合料卸入喂料車，再由喂料車運(yùn)送至攤鋪機(jī)料斗，攤鋪機(jī)在臺(tái)車的牽引下在斜坡上完成瀝青混合料的攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，最后由臺(tái)車牽引振動(dòng)碾在適宜的溫度條件下完成瀝青混合料的碾壓作業(yè)。

圖1 碾壓式瀝青混凝土面板施工工法示意圖

相鄰施工條幅之間的接縫，特別是冷接縫(溫度在90℃以下)的處理極為關(guān)鍵，在施工前需要先將冷縫的溫度加熱至100～130℃，并保證加熱深度在7cm以上。施工時(shí)還應(yīng)注意嚴(yán)格控制溫度和加熱時(shí)間，防止因?yàn)r青混凝土溫度過(guò)高而造成老化。完成冷縫加熱后再攤鋪相鄰條幅并碾壓，對(duì)接縫兩邊進(jìn)行騎縫壓實(shí)[19]。

按照設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)層完成攤鋪、碾壓施工，依次為整平膠結(jié)層、防滲層瀝青混凝土，最后進(jìn)行封閉層的刮涂。封閉層的涂刷也需要專用的刮涂機(jī)，由臺(tái)車牽引完成刮涂作業(yè)，刮涂厚度控制在2mm左右。

3.5 瀝青面板投資對(duì)比

從近年來(lái)已完工的瀝青混凝土面板工程綜合造價(jià)來(lái)看，瀝青混凝土面板工程綜合造價(jià)約580～980元/m2，比傳統(tǒng)的防滲型式單價(jià)高。各個(gè)瀝青面板工程綜合單價(jià)與采用的瀝青材料、瀝青面板結(jié)構(gòu)型式(簡(jiǎn)式或復(fù)式結(jié)構(gòu))、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、斜坡施工占的比重等有關(guān)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，張河灣與西龍池采用瀝青面板、宜興上庫(kù)采用鋼筋混凝土面板，根據(jù)設(shè)計(jì)分析，瀝青混凝土面板單位面積投資與鋼筋混凝土面板基本接近。類比多數(shù)工程，單從壩面防滲角度，瀝青混凝土面板投資比鋼筋混凝土略高5%～10%，但如果考慮鋼筋混凝土面板涂刷防護(hù)涂層及后期面板維修等因素，采用瀝青面板防滲長(zhǎng)期耐久性更優(yōu)，有的工程投資甚至更省[20]。

另外，采用瀝青混凝土面板防滲型式，施工完畢后可以做到“一勞永逸”，基本不需要放空水庫(kù)維修。呼蓄上庫(kù)比較方案表明，綜合考慮運(yùn)維節(jié)省的維修費(fèi)用、減少的滲漏水量、維修放空時(shí)的發(fā)電損失等因素，采用瀝青面板方案在運(yùn)行期可節(jié)省費(fèi)用約500萬(wàn)元/年。

4 典型案例應(yīng)用分析

4.1 工程概況

喀臘也水庫(kù)位于新疆塔城地區(qū)，工程屬Ⅲ等中型，擋水建筑物為瀝青混凝土面板壩，由三面圍筑而成，壩長(zhǎng)2314m，最大壩高50m。壩址所處山區(qū)年平均氣溫小于5.5℃，屬于嚴(yán)寒地區(qū)，歷史最高氣溫38℃，最低氣溫-37℃，最大凍土深度140cm，年降水量500～700mm，蒸發(fā)量(20cm口徑)1756.4mm，降雨時(shí)間主要集中在每年的4—7月。壩址區(qū)多年平均最大風(fēng)速14.1m/s，工程區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅶ度[21-22]。

4.2 壩體防滲型式比選

喀臘也庫(kù)大壩河道附近有豐富的砂礫石，沒(méi)有黏土料，壩體總填筑方量500萬(wàn)m3左右，首選當(dāng)?shù)夭牧仙暗[石填筑。因土工膜防滲在新疆尚缺乏50m壩高的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，不納入比選。從防滲型式角度可以考慮鋼筋混凝土面板、碾壓式瀝青直心墻、碾壓式瀝青面板3種形式，3種型式在新疆有廣泛應(yīng)用，瀝青面板防滲尚屬首次。壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防滲型式相關(guān)，上下游壩坡有所不同，壩基處理與選擇的防滲體有關(guān)，與庫(kù)盤連接型式各壩型基本相同[21-22]，3種方案特性比較見(jiàn)表3。

表3 不同防滲體大壩特性比較

上述3種壩型都有建壩條件，混凝土面板砂礫石壩整體穩(wěn)定性較高，防滲面板若出現(xiàn)一些裂縫和滲漏，后期檢修及維護(hù)較為便利，但需要考慮混凝土面板抗凍設(shè)計(jì)、面板分縫多，周邊縫止水容易損壞，基礎(chǔ)處理工程量大、綜合考慮防護(hù)材料、保溫材料等其投資甚至超過(guò)瀝青面板方案；瀝青混凝土心墻砂礫石壩雖與基礎(chǔ)防滲墻銜接較好，受環(huán)境影響小，但壩段較長(zhǎng)，若出現(xiàn)裂縫和滲漏，不便于檢查和維修；瀝青混凝土面板砂礫石壩基礎(chǔ)開(kāi)挖較少，面板不設(shè)分縫，防滲效果較好，易檢修，具有適應(yīng)變形能力強(qiáng)、技術(shù)可靠、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。綜合以上各方面分析、比較，推薦瀝青面板砂礫石壩為設(shè)計(jì)壩型。作為新疆第一座采用瀝青面板防滲的水庫(kù)大壩，該工程已經(jīng)開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)2025年建成投入使用，為其他類似工程起到引領(lǐng)和示范作用。

5 結(jié)論及展望

(1)近15年以來(lái)，通過(guò)國(guó)內(nèi)相關(guān)科研、設(shè)計(jì)單位的技術(shù)攻關(guān)，攻克了影響瀝青混凝土質(zhì)量的三大難點(diǎn)問(wèn)題：高溫流淌，低溫開(kāi)裂和接頭脫開(kāi)。同時(shí)，施工設(shè)備、施工質(zhì)量控制技術(shù)也達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，由國(guó)內(nèi)企業(yè)自行設(shè)計(jì)、自主施工的寶泉、呼蓄抽水蓄能電站上水庫(kù)瀝青面板工程運(yùn)行多年后效果良好。表明我國(guó)的瀝青混凝土面板技術(shù)已經(jīng)成熟，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。

(2)同傳統(tǒng)的防滲形式相比(土工膜、鋼筋混凝土面板、瀝青心墻)，瀝青混凝土面板在適應(yīng)壩體變形，低溫抗裂、抗凍、抗冰，施工速度及易于檢查維修方面整體上更優(yōu)，更加適合新疆嚴(yán)寒區(qū)氣候條件嚴(yán)酷、壩基覆蓋層深厚、可施工期短等特點(diǎn)。雖然工程造價(jià)略高，但在可以接受的范圍以內(nèi)。

(3)從已建工程實(shí)踐來(lái)看，運(yùn)行20年后瀝青面板表面2mm厚瀝青瑪蹄脂封閉層會(huì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，但起關(guān)鍵作用的防滲層(一般10cm左右)老化深度只有0.8mm左右，表明瀝青面板耐久性優(yōu)異。國(guó)外的工程一般每8～10年進(jìn)行一次封閉層的涂刷修復(fù)。我國(guó)天荒坪抽水蓄能電站上庫(kù)的封閉層在運(yùn)行20年后也進(jìn)行了水上部分的涂刷修復(fù)[23]。瀝青面板優(yōu)異的耐久性對(duì)其在新疆嚴(yán)寒地區(qū)的推廣使用是極其有利的。

(4)新疆是我國(guó)重要的原油生產(chǎn)基地，南北疆均有工業(yè)生產(chǎn)基地。北疆稠油主要產(chǎn)自準(zhǔn)噶爾盆地的克拉瑪依油田和春風(fēng)油田，南疆稠油產(chǎn)自庫(kù)拜盆地，這些油田出產(chǎn)的重質(zhì)原油屬于低硫環(huán)烷-中間基原油，密度大、蠟含量低、凝點(diǎn)低、酸值高，是優(yōu)良的瀝青生產(chǎn)原料。當(dāng)前瀝青材料在應(yīng)用上已經(jīng)形成了北疆以克拉瑪依為主、南疆以庫(kù)車為主，即“北克南庫(kù)”的應(yīng)用格局，新疆本地的瀝青從質(zhì)量和產(chǎn)量上都是有保證的，這對(duì)瀝青面板在新疆的推廣應(yīng)用提供了原材料保證。

(5)新疆地區(qū)自20世紀(jì)80年代以來(lái)就開(kāi)始瀝青心墻壩的建設(shè)，在瀝青心墻配合比研究、筑壩技術(shù)與工藝等方面進(jìn)行了大量的探索和實(shí)踐，積累了極為豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。瀝青心墻的技術(shù)儲(chǔ)備為推廣使用瀝青面板防滲壩提供了重要技術(shù)支撐。

(6)瀝青面板在新疆地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，除用于抽水蓄能電站、常規(guī)水庫(kù)新建土石壩上游防滲體外，還可用于老舊壩體的改造。新疆現(xiàn)有水庫(kù)大壩656座，60%為平原水庫(kù)，修建年代較早，普遍存在壩體滲漏等問(wèn)題，采用瀝青面板進(jìn)行改造防護(hù)，具有技術(shù)可靠、施工簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)，尤其適合嚴(yán)寒山區(qū)土石壩壩面防滲。