马保东，郝巨涛，孙志恒，汪正兴，董旭龙

（1.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北省井陉县 050300；2.中国水利水电科学研究院，北京市 100038；3.北京中水科海利工程技术有限公司，北京市 100038）

1 前言

土石坝沥青混凝土防渗结构具有防渗性能优异、适应变形能力强、不需设置接缝、易于修缮补强等优点，且在严寒高山地区或潮湿多雨地带可快速施工，利于工程早日发挥效益，因而在工程中尤其是抽水蓄能电站蓄水库中得到越来越广泛的应用。从1994年开始，抽水蓄能电站上、下库开始采用沥青混凝土面板防渗型式，国内已建工程有天荒坪、西龙池、张河湾、宝泉、呼蓄等抽水蓄能电站。

沥青混凝土面板防渗技术要求较高，工程中应对不当可出现不同程度的缺陷，严重的可影响面板正常运行。常见的缺陷包括面板开裂、斜坡流淌、鼓包等。张河湾抽水蓄能电站2007年12月30日并网发电，其上水库采用全库盆沥青混凝土面板防渗，2006年开工，库底防渗面积13.7万m2，库坡20.0万m2，库坡1∶1.75。库顶高程812m，正常蓄水位810m，死水位779m，水位变幅区高程范围为795～810m。为尽可能减少渗漏水进入基础，使基础软弱夹层尽可能处于天然状态，同时能够及时准确地监测防渗系统的运行情况，并节省投资，上水库沥青混凝土面板采用了新型复式断面设计，将下防渗层与整平胶结层合并为一层，称为防渗整平层。全库衬砌面板自上而下分别为：2mm厚玛蹄脂封闭层、10cm厚防渗面层（渗透系数≤1×10-8cm/s，孔隙率≤3%）、8cm/10cm厚排水层（库坡8cm，库底10cm，渗透系数≥1×10-1cm/s，孔隙率≥16%）和8cm厚防渗整平层（渗透系数≤5×10-5cm/s，孔隙率≤5%）。在坡面与库底面交界处、面板与廊道、进水塔等刚性结构接头部位设置了5cm厚的加厚防渗层，并在加厚层与防渗层之间设置了加强网格。上水库库底设置了完备的排水检查廊道系统，包括库底周边廊道、库底中间廊道、进出水口周边廊道、外排廊道、北端与南端通风交通廊道。全库面板排水共分成68个区，其中库坡32个区，库底36个区。分区以隔条带分割，各自独立[4]。

自2009年9月起直至2015年，张河湾上水库沥青混凝土面板陆续发现一些缺陷，如不规则鼓包和裂缝，局部较为集中，鼓包直径一般10～40cm，裂缝长度5～40cm，引起了人们关注，并对缺陷进行了处理。2009～2014年共处理缺陷500余处。根据以往经验，沥青混凝土面板鼓包的成因主要有反水压、蒸汽压、斜坡流淌等。2014年11月，在库顶沥青混凝土面板深入排水层安装了ϕ76mm排气管，以减小排水层可能存在的蒸汽压。但安装排气管后，仍有鼓包出现。因此，迫切需要查找鼓包成因，以便为根治可能出现的鼓包提供依据。本文介绍了张河湾沥青混凝土面板的缺陷情况，同时对国内外的相关同类缺陷进行了介绍，对鼓包成因进行了分析，以为工程界参考。

2 张河湾沥青混凝土面板的鼓包缺陷特点

2014年缺陷处理后，2016年4月下旬对张河湾当前缺陷情况又进行了一次全面普查，共计发现缺陷282处，其中鼓包193处，局部小范围流淌87处，流淌范围10～100cm不等，长40cm的水平向裂缝1处及直径30cm的封闭层鼓包破损1处。从鼓包密度方面，面板鼓包主要分布在桩号0+000～0+600，占鼓包总数的60%。在高度分布方面，鼓包大都分布在800～810m高程之间（占98%），其中808～809m高程鼓包数量达41个（见图1）。在鼓包大小方面，主要是直径10～30cm的鼓包占78%，其中直径10cm的鼓包最多，约为42个（见图2）。在外观方面，有的鼓包外表开裂（见图3），有的未开裂，数量各占一半，且开裂的鼓包有大有小，未开裂的也大小都有，差别不大。

图1 鼓包沿高程分布图Fig.1 Blister numbers with elevation

图2 鼓包大小分布图Fig.2 Blister sizes versus their numbers

图3 面板典型鼓包Fig.3 Typical blister appearance

现场对位于桩号0+325、高程801m、直径40cm的鼓包进行了取芯，该鼓包外表有未漏水裂口，取芯直径30cm。在打膨胀螺栓孔钻至5cm深时，鼓包处涌出压力水。取出的芯样也发现在表面以下4～5cm处的上防渗层内出现分层，见图4，分层下侧的防渗层完好。因鼓包直径大于芯样直径，钻孔内壁仍可见分层痕迹。

图4 面板鼓包芯样Fig.4 Core drilled from blister position

张河湾沥青面板鼓包数量较多，40cm直径以下的鼓包占约95%，芯样检查也发现这类小鼓包所在的上防渗层并没有被整体抬动，鼓包成因可能与排水层是否承压（水压或汽压）关系不大。另外，鼓包的高程分布显示其形成与库水位的日程变动有直接关系，图1中给出809m高程的鼓包最多，该处在水位变幅区中的暴露时间较长，夏季时温度较高，表明鼓包的形成与库水作用和日照作用有关。其深层次原因还有待研究。

3 国内外沥青混凝土防渗面板的鼓包缺陷

沥青混凝土面板出现鼓包时有发生，鼓包通常是由包裹在沥青混凝土面板中的水引起，当水形成水蒸气，且防渗层黏度降低变软就会发生鼓包[1]。水既可以包裹在上下防渗层之间，也可以包裹在防渗层自身中，出现的鼓包范围也不一样。

除了上述的面板结构、材料导致鼓包的原因外，施工不当也会引发鼓包。摊铺层碾压时，为防止粘碾常需洒水。振动碾洒水的水滴在碾压过程中可能被封闭入防渗层表面，后在蒸汽压下形成鼓包，因此施工中应尽可能减小洒水量。由于目前主要采用具有熨平压实梁的摊铺机摊铺，其高压实度可以最大限度地封闭摊铺层表面，防止水滴进入，工程中此类洒水形成的鼓包已不常见。对于沥青混凝土配合比，采用较高含量的细粒料，包括填料和细砂，以及足够的沥青，也可以减小水滴进入摊铺层[6]。

3.1 反水压形成的鼓包

石砭峪定向爆破堆石坝1978年5月蓄水，其沥青混凝土防渗面板采用简式断面，防渗层厚度根据水压采用10、15、20cm三种厚度，高程690m以下防渗层厚度为20cm，整平胶结层厚12cm。同年8月、9月两次放水期间，库水位每日下降4～5m，导致在664～665.5m高程偏右岸范围出现8个不同大小的鼓包，其中1号鼓包最大，直径约为3m，高度达17cm，顶部裂缝宽9cm。经分析，鼓包是由反水压造成的。因水库蓄水时帷幕灌浆尚未完成，绕坝渗流量很大；其次爆破堆石体平均渗透系数为1×10-4cm/s，排水能力差，致使在库水位快速下降中，面板后来不及排水，反向水头达3.7m，导致面部发生鼓包。事后将鼓包范围内的沥青混凝土全部挖除，再按原设计层次和沥青混合料分层回填、压实。铺设前周边采用远红外线加热器加热，以确保接缝结合紧密。修补完成后，帷幕灌浆也已完成，运用中也严格控制库水位下降速率不大于2m/d，面板运行后再无鼓包发生[9]。

3.2 两次摊铺防渗层的鼓包

奥地利Innerfragant水库和Haselstein水库的沥青混凝土面板坝分别建成于1966年和1967年。大坝沥青混凝土面板均采用简式断面，整平胶结层厚6cm，防渗层分两次摊铺，厚度为2×4cm。沥青为B80/100，沥青含量为7.7%和8.5%，骨料最大粒径为10mm。建成后数年间面板出现鼓包。鼓包破坏了上防渗层，并影响到下防渗层。经分析认为，鼓包是因防渗层层间的蒸汽压力所致。把鼓包钻开后发现，鼓包内的冰冻和冻融循环正逐渐侵蚀到下防渗层，有些鼓包已侵蚀到下防渗层几乎4～5cm的整个厚度。鼓包修补时将上防渗层切开，并清理干净，边缘喷涂热沥青，并用新沥青混凝土回填。但是修补一段时间后，在修补部位斜坡向下处又出现了新的鼓包，这可能是潮气沿着防渗层层间通道迁移所致。用加热—压实方法修补鼓包的效果并不好，由于周围还会出现新的鼓包，还需进行修补。现场曾耗时3年在鼓包上涂刷Kemperol弹性涂膜进行防渗修复，但因鼓包在涂膜下还在活动，导致涂膜局部与沥青混凝土脱开[8]。

图5 面板鼓包及芯样外观（Tschernutter，1988）a-整平胶结层;b-防渗底层;c-防渗表层Fig.5 Blister and its core appearancea-Binder layer;b-Lower impervious layer;c-Top impervious layer

德国的Geesthacht抽水蓄能电站上库建成于1958年，库坡面积8万m2，库底22万m2。库岸填筑体由含砾中粗砂组成，压实后平均孔隙率为38%。沥青混凝土面板底部为5cm厚的沥青砂浆，以确保填筑体被渗水侵蚀；表层为分两次摊铺的防渗层，且上下层错缝以防渗漏，其中库坡厚2×3.5cm，库底厚2×3.0cm；最后表面涂刷沥青玛蹄脂封闭层。施工中为防止施工设备破坏沥青砂浆面，库坡采用人工摊铺和1t碾压设备，可使骨料最大粒径8mm的沥青混合料孔隙率达到2.6%。施工期间，已摊铺的库底沥青混凝土面板曾在大气气压骤降时出现高约1m的大鼓包，待面板底部气压调整后鼓包消失，且没有伤害面板。水库运行3年后，1961年初面板发生鼓包，鼓包是由渗水进入两层防渗层之间，在温差和气压下产生气泡造成的。1961年还只有少量的鼓包，1962年鼓包明显增加，到第一个十年末，鼓包再没有增加的趋势[3]。在第一个十年后，面板条带间又出现了裂缝，到20世纪70年代末又发现了个别鼓包。1985～1986年对库岸面板进行了翻修，清除了4.5cm厚的老防渗层并除去了上下层之间界面，将保留的2.5cm厚老防渗层面凿成楞条状，并在其上喷洒改性乳化沥青，一次性摊铺的8cm厚新防渗层（0/11mm）中采用了改性沥青，以提高抗拉能力[6]。

3.3 材料缺陷造成的鼓包

波兰第一座抽水蓄能电站Porabka-Zar历经十年于1978年建成，上水库堆石体采用黏土状硅酸盐胶结的海相砂岩填筑，物理性能很差，极易受渗水侵蚀影响，故采用复式沥青混凝土面板防渗，表层防渗层厚7cm，中间排水层厚15cm，防渗底层厚6cm，胶结层厚10cm。工程运行三年后，1981年面板首次出现鼓包，鼓包直径5～10cm，裂口深3～5cm。鼓包每年都有新的出现，位于24h水位变幅区。经分析，鼓包碎屑来自风化的玄武岩骨料。该骨料在大气环境下易于分化解体。电子显微镜检查发现玄武岩颗粒分布有微裂纹，在渗水作用下可加速弱化。当骨料侵蚀产物在库水位下降时沿面板缝隙析出后，面板内会逐渐形成空腔，进而形成鼓包。取芯检查发现，表层沥青混凝土压实很差，内部含有1.7cm×2.9cm大小的空腔，这也与ϕ12mm的玄武岩侵蚀骨料相吻合。破坏涉及几乎整个层厚，完好部分厚度仅剩余1cm。由于每年此类鼓包的人工修补约1.5万个，因此需要更有效的修补方法[7]。

德国南部的Langenprozelten抽水蓄能电站上水库1975年投入运行，采用沥青混凝土简式断面面板防渗，结构为4kg/m2封闭层（分2层涂刷）、7cm厚沥青混凝土防渗层、6cm厚沥青混凝土胶结层，底部为20cm石灰岩碎石排水层。经过近20年的运行，各类缺陷导致了渗漏量的增加，遂进行全面翻修，库坡采用全新沥青混凝土衬砌，库底根据需要进行了局部修复。翻修前原衬砌的主要缺陷包括：

图6 Porabka-Zar大坝沥青混凝土面板的鼓包（Szling，Z.，1991）[7](a)库水位昼夜变幅图;(b)面板结构图;(c)取芯处鼓包断面1-水位变幅区以上面板;2-鼓包区域;3-上防渗层;4-排水层;5-下防渗层;6-胶结层;7-反滤层;8-鼓包;9-鼓包;10-凿除鼓包并清理后回填的热沥青混凝土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）面板与防浪墙间接缝张开。

（2）沥青混凝土面板坡向条带施工缝间距5m，施工缝因施工缺陷而张开，导致水库渗漏，面板松散，并沿裂缝发生渐进侵蚀。

（3）面板鼓包。鼓包部分是由防渗层中掺杂的豌豆粒大小的潮湿灰泥块引起，在日照下面板升温时灰泥块会产生水蒸气，并引发鼓包。

另外，蓄水位以上也有鼓包发生，这是雨水通过面板与防浪墙之间张开的缝隙进入防渗层和排水胶结层之间造成的。另外，通过条带间接缝进入的水也会引发鼓包，并使接缝处的面板由表及里逐渐松散[2]。

4 应对鼓包的试验研究

日本学者早期曾进行了一系列模型试验（Sawada等，1973）[5]，以指导沥青混凝土面板坝的面板结构设计。试验针对复式沥青混凝土面板进行，其断面结构自上而下分别为6cm厚细粒级配沥青混凝土、6cm厚密级配沥青混凝土、8cm厚开级配沥青混凝土、6cm厚密级配沥青混凝土、6cm厚细粒级配沥青混凝土、3.5cm厚整平层、碎石垫层。试验所用沥青针入度为71dmm，软化点为48℃。试验中沥青混凝土的劲度模量（抗压、抗拉、抗弯）均按照应变等于90%破坏应变时的应力应变比值确定。

当排水层中有水时，其上的防渗层应能够承受相应的水压力。为此Sawada等人进行了模型试验以了解面板防渗层能够承受的水压力[5]。模型试验中采用2.4m×2.4m的正方形原比尺沥青混凝土复式面板进行，面板四周由角钢固定，以面板断面中间的开级配沥青混凝土排水层形成2.05m×1.01m×0.08m的水压力注水腔。在不同温度下保持不同的水压力，量测面板中心点挠度值随时间的变化，直至面板漏水。其典型试验过程见图7（文献未标明温度），试验结果见表1。

为了预测方板的挠度，该研究采用弹性板理论进行分析。设q为均布荷载，W为板的竖向挠度分布，x，y，z为笛卡尔坐标，则有：

图7 排水层施加水压力时的中心点挠度值Fig.7 Central deflection by water pressure in drainage layer

根据跨度10cm试件的抗弯试验结果，计算中先统一按90%破坏应变时的应力应变比值作为抗弯劲度E，并将理论计算结果与模型试验结果进行对比，见表1。从中看出2℃时的挠度计算结果与24℃的挠度试验结果基本符合，但10℃时二者相差很大。将10℃的抗弯劲度E取值为30%破坏应变时的应力应变比值530kg/cm2，则挠度计算值下降为3.9mm，尽管与1.6mm的试验值仍有差距，但认为是由试验中排水层与防渗层之间黏接在一起导致抗弯刚度增大造成的。

通过上述模型试验和理论分析可知，24℃时12mm厚的面板在0.06kg/cm2的水压力作用下就会发生26mm高的鼓包。为此面板的排水系统应谨慎设计，以防排水层持水。另外，采用弹性理论分析时，抗弯劲度应小心取值，应在精细的试验基础上，根据温度、变形速率和合适的应变比值下选用[5]。

5 结束语

土石坝沥青混凝土防渗面板具有防渗性能优异、适应变形能力强、不需设置接缝、易于修缮补强的特点，因而在工程中尤其是抽水蓄能电站蓄水库中得到越来越广泛的应用。沥青混凝土面板运行时因各种原因可能会出现封闭层老化、防水层裂缝、流淌及鼓包。通过调研分析可知，沥青混凝土面板的鼓包成因复杂，包括因排水（汽）不畅在面板背面形成的反水（汽）压（石砭峪、Geesthacht）、分层施工面板中因各种缺陷导致渗漏水进入面板夹层（Innerfragant、Haselstein、Geesthacht）、沥青混凝土中误用了病害 矿 料（Porabka-Zar、Langenprozelten）、 施 工碾压时洒水过大等。对于鼓包大小，一般反水（汽）压形成的鼓包最大，石砭峪直径可达3m、高17cm，Geesthacht施工期间的库底汽包高达1m。这类鼓包一旦查明原因，措施得当，消除得也很快。对于其他成因的鼓包，因包裹在防渗层中的水量有限，鼓包通常较小，但因问题暴露时间长，处理时间也较长。张河湾上库沥青混凝土面板的鼓包数量较多，为国内罕见，尽管鼓包尺寸较小，处理工作有限，但为积累经验，有必要对其开展了专门研究，以查明成因，为管理工作中的积极应对提供依据。

表1 面板挠度试验结果与理论计算结果的对比 [5]Tab.1 Deflection comparisons between test and computation（Sawada，1973）[5]

[1] Embankment dams with bituminous concrete facing. Review and recommendations，Bulletin 114，ICOLD，1999.

[2] Frohnauer，R. Special application of asphaltic concrete for dam water barrier construction，Waterpower 1999，1-10.

[3] Haug，W.，Reichenbach，W. Geesthacht抽水蓄能电站沥青混凝土衬砌质量变化的观测及其修补措施的实施.刘晓宁译.水工沥青与防渗技术，1988，（1），68-71.

[4] 李冰，张向前，安宇天，王兆辉.张河湾抽水蓄能电站上水库堆石坝沥青混凝土面板及排水设计.土石坝技术 2008年论文集，2008.

[5] Sawada，T.，Nakazima Y.，Tanaka，T. Emperical research and practical design of rockfill dams with asphalt facing，ICOLD 11th Congress，Madrid 1973，Q42，R17，p.281-313.

[6] Schönian，E. The Shell Bitumen Hydraulic Engineering Handbook，Shell International Petroleum Company Ltd，1999：449.

[7] Szling，Z.，Szymański，A. The origin of and prevention from damage to impervious facings，ICOLD 17th Congress，Vienna 1991，Q65，R6：95-102.

[8] Tschernutter，P. Experience gained with asphaltic concrete facings on high-level embankment dams of the Fragant Group，ICOLD 16th Congress，San Francisco 1988，Q61，R59 ：1105-1131.

[9] 杨全民. 碾压式沥青混凝土防渗面板设计中若干问题的探讨，水工沥青与防渗技术，1989，（3-4），20-28.