王樱畯，王登银，赵 琳

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省抽水蓄能工程技术研究中心，浙江 杭州 311122)

0 引 言

沥青混凝土具有良好的抗渗性、极佳的柔性变形特点以及自愈闭合的功能，因此沥青混凝土在水利水电工程中应用广泛，特别是作为坝体或水库库盆的防渗体，其特点得到了极大的发挥。抽水蓄能电站水库的沥青混凝土面板在运行期由于受库水位频繁大幅升降的影响，同时遭受汇流水(包括坝顶喷淋水、雨水等)冲刷，其面板封闭层在数年后就可能出现较为严重的破坏现象。封闭层具有保护防渗层、提高面板抗渗性、延缓沥青混凝土老化等作用，因此对沥青混凝土老化性能、工作性态开展深入研究很有意义。

天荒坪抽水蓄能电站上水库采用沥青混凝土面板防渗，为了解面板封闭层运行多年后的老化程度，2015年在上水库取芯进行了试验研究。研究表明，沥青混凝土面板常年裸露区、水位波动区的封闭层出现较为严重的老化现象。

本项目依托天荒坪电站上水库防渗工程，开展沥青混凝土面板封闭层老化研究，并针对抽水蓄能电站水库运行特点提出相应治理对策，可为后续类似工程提供较好的实践参考和指导。

1 天荒坪抽蓄工程上水库概况[1- 6]

天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县天荒坪镇。电站装机容量1 800 MW，电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群和地面开关站组成。上水库利用天然洼地挖填而成，四周布置有1座主坝和4座副坝，主坝最大坝高72 m，主、副坝均为土石坝，设计最高蓄水位(正常蓄水位)905.2 m，总库容919.2万m3，工作深度42.2 m[1- 6]。1998年9月底第1台机组开始发电运行，2000年12月6台机组全部投产发电。

上水库采用全库盆沥青混凝土面板防渗，面板为简式结构，包括封闭层、防渗层、整平胶结层。封闭层厚2 mm，防渗层厚10 cm，整平胶结层库底部位厚8 cm，库岸及坝坡部位厚10 cm。在坡脚反弧段和进/出水口前圆弧段设置有厚5 cm的防渗加厚层。防渗层和整平胶结层及库底封闭层采用沙特阿拉伯B80沥青，封闭层采用沙特阿拉伯B45沥青。图1为上水库沥青混凝土面板典型剖面。

图1 上水库沥青混凝土面板典型剖面(单位：m)

2 沥青混凝土防渗面板封闭层取样

2.1 封闭层现状

经对封闭层现场检查发现，整个上水库库盆封闭层均发生了不同程度的破坏。破坏以主坝区域最为严重，其次为北库岸和东库岸，西库岸相对最轻。

根据封闭层破损情况，现场发现可将封闭层按高程分为2个区， 898.00 m高程以上为A区，为封闭层破损区；898.00 m高程以下为B区，为封闭层外观完整区。根据破损情况可将A区进一步分成A1区(常年裸露区)和A2区(水位变幅区)。A1区封闭层呈竖向条带型破损，未受水流作用的部位破损相对较小，受汇流水(包括喷淋水、雨水、温泉排放水等)冲刷部位相对严重，见图2。A2区为水位变动区，封闭层破损情况比A1区更为严重，该区除经受A1区所受的阳光照射和汇流水冲刷外，还承受库水位变动冲刷作用。

图2 常年裸露区(A1)封闭层外观

在水库西北角库岸，由于温泉水排放导致的封闭层破坏情况见图3。

图3 温泉水排放造成的封闭层破坏

综上所述，上水库沥青混凝土面板封闭层已出现较大范围破坏。

2.2 取样部位

根据现场情况，取样部位根据上水库A1区的外观老化程度，选取具代表性的a点(桩号1+260)、b点(桩号0+710)和c点(桩号0+420)，每个部位取样面积1～2 m2，高程905.00 m，其中b点、c点老化程度较轻。

3 封闭层老化性能试验

首先对取样的沥青玛蹄脂样品进行3大指标检测，然后采用新拌制的沥青玛蹄脂进行室内紫外线加速老化试验。

3.1 封闭层取样试验

a点、b点和c点3个部位的封闭层沥青玛蹄脂样品回收沥青的性能检测结果见表1。

表1 封闭层沥青玛蹄脂回收沥青性能

表2 沥青玛蹄脂加速老化试验结果

试验成果表明，从现场取回的沥青玛蹄脂中回收的沥青在常温下已相当硬、脆。沥青的针入度和延度几乎都降为0，软化点已升至90 ℃左右，说明这些部位的封闭层沥青玛蹄脂寿命已基本完结，在雨水冲刷或温度变化的情况下随时可能脱落。

3.2 室内紫外加速老化试验

为了研究太阳辐射对封闭层老化的影响，在室内进行了沥青玛蹄脂的紫外光加速老化试验。上水库封闭层沥青玛蹄脂采用的沥青为沙特阿拉伯B45沥青，试验采用性能指标与B45沥青相近的中海油公司生产的道路50号沥青，按照上水库封闭层配合比(沥青：矿粉=3∶7)拌制。室内紫外加速老化试验在美国Q-lab公司生产的Q-uv紫外老化试验机上进行，试验光源采用UVA-340荧光灯(波长范围295～365 nm，峰值340 nm)，辐照度可在0.35 ～1.55 W/m2(@340 nm)之间调节，温度可在45～65 ℃之间调节。设备具有辐照度自动控制系统，可自动监测灯管辐照度。

为模拟现场情况，封闭层测试样品厚度按照2 mm涂刷。一般夏季正午时分，地面接收到的太阳紫外辐射强度为0.6～0.7 W/m2(@340 nm)，因此采用1.55 W/m2(@340 nm，约为2倍太阳辐射)、0.68 W/m2(@340 nm，夏季正午)、0.35 W/m2(@340 nm，相当于3/9月的日光)3种紫外光强。受紫外老化试验机的限制，采用45、50、55 ℃ 3种温度组合进行试验。

考虑到原样沥青的25 ℃针入度较小，不利于和老化的针入度进行比较，因此封闭层紫外老化试验中针入度测试温度调整为35 ℃。试验结果如表2、图4。

图4 针入度、软化点、黏度与紫外老化时间关系(55 ℃)

从试验结果可以看出，在45～55 ℃范围内，温度对老化的影响很小。这和以往的研究结论较为符合。在同一温度条件下，针入度随着老化时间逐渐降低，软化点和黏度随着老化时间逐渐升高。老化速度随着紫外光辐射强度的升高而升高。

4 封闭层老化预测

4.1 封闭层的紫外老化方程

在同一温度条件下，针入度随着老化时间逐渐降低，软化点和黏度随着老化时间逐渐升高。老化速度随着紫外辐射强度的升高而升高。

一般老化过程中，材料的物性与老化速率关系为[7]

f(P)=kt

(1)

式中，f(P)为物性函数；k为反应速率；t为老化时间。

对于热老化，反应速率通常采用修正的阿雷尼乌斯公式，反应速率为

(2)

式中，A为频率因子；m为与温度无关的常数，不大于4的整数或半整数；Ea为反应活化能；R为普适气体常数；T为绝对温度。

对于紫外老化，反应速率可以采用如下类似形式[8]

(3)

式中，C为速率常数；U为紫外辐射强度；α为与温度无关的常数；Eu为紫外活化能。

由于在温度小于80 ℃时，温度对老化速率的影响很小，因此在温度小于80 ℃时，Eu/R≈0，k≈CUα，表明紫外老化速率与紫外辐射强度之间为指数关系。

材料的物性函数f(P)一般采用指数或对数形式的经验公式，对于紫外老化的经验公式为

P=Aexp(CUαt)+B

(4)

式中，A、B为拟合系数。

对不同紫外辐射强度条件下的老化数据按式(4)拟合，可以得到老化速率k与不同紫外辐射U的函数关系

k=CUα

(5)

lnk=α·lnU+lnC

(6)

将不同紫外辐射强度下的lnk与紫外辐射强度U按直线拟合即可得到指数α和常数C，从而得到紫外老化方程。

以针入度为例，建立封闭层的紫外老化方程，不同紫外辐射强度下的老化参数见表3，lnk与lnU关系拟合成果见图5。

表3 不同紫外辐射强度下的老化参数

图5 lnk与lnU关系拟合曲线(55 ℃)

可以计算出，C=-0.001 516、α=0.728 08。对于参数A、B可取3个紫外辐射强度下的平均值，得到A=90.099，B=9.358。于是得到以针入度(35 ℃)为参数的封闭层紫外老化方程为P=90.099exp(-0.001 516U0.728 08t)+9.358。

4.2 天荒坪抽蓄工程上水库紫外辐射情况

太阳辐射强度一般用辐照度表示，为单位面积通过的能量。直射与散射之和就是到达地面的太阳总辐射。太阳总辐射一般采用总辐射表测量，可以测量280～3 000 nm波长范围。如果只关心太阳辐射中某一波段的辐射强度，比如紫外波段的辐射强度，可以采用分光辐射表来测量。

当无法进行直接测量的情况下，任意平面上得到的太阳辐射还可以采用数学模型计算，直接辐照度按下式计算：

Id=Idn(cosθsinβ+sinθcosβcos(γ-α))

(7)

式中，Id为任意平面上太阳直射辐照度，W/m2；Idn为与太阳光线垂直的平面上的太阳直射辐照度，W/m2；θ为任意平面的倾角，(°)；β为太阳高度角，指某地太阳光线与通过该地与地心相连的地表切线的夹角；γ为太阳方位角，(°)；α为任意平面的方位角，(°)；其中Idn、θ、α通过实测获得。

以上数学模型计算的是280～3 000 nm范围内的辐照度，如要计算其中紫外部分(280～400 nm)的辐照度还需要知道紫外辐射在太阳辐射中的比例，一般紫外线在太阳光谱中的比例为3%～7%。

由于天荒坪抽水蓄能电站上水库并未安装太阳辐射观测设备，因此太阳辐射只能通过离电站最近的太阳辐射观测站——杭州市气象观测站的数据进行初步估算。

以下是用杭州气象观测站数据计算出的天荒坪抽水蓄能电站上水库面板太阳辐射结果，通过计算结果可以大致看出不同朝向的面板之间接收的太阳辐射的差异，见图6。

图6 上水库太阳辐射量

根据计算分析结果，上水库一周不同部位面板接收的太阳辐射量差异较大，在630 000～1 330 000 Wh/m2之间。辐射最强的北库岸的辐射量约为辐射最弱的主坝部位的2倍。

若紫外线在太阳光谱中的比例按5%计算，则天荒坪抽水蓄能电站上水库1年的紫外辐射量在31 500～66 500 Wh/m2之间。

4.3 封闭层老化寿命初步评估

根据数学模型和观测数据可以计算出天荒坪抽水蓄能电站上水库不同部位不同时刻紫外辐射强度，利用封闭层老化模型，就可以初步计算出其封闭层的逐年老化状态。

根据计算结果整理成果见图7。天荒坪抽水蓄能电站上水库封闭层沥青的针入度(35 ℃)在最初2～3年内迅速下降，老化速度很快。第3～8年仍在缓慢下降，8年后基本趋于平稳。上水库辐射最强(方位角38°)和最弱(方位角-110°)两个部位的封闭层沥青针入度在前3年内差异较大，第3～8年时差异逐渐减小，8年后基本趋于一致。此时封闭层沥青针入度指标已不能反映封闭层老化程度的差异。

图7 上水库封闭层沥青逐年针入度计算值

天荒坪抽水蓄能电站上水库封闭层A2区已基本脱落，说明封闭层的历时已经超过了其老化寿命。同时A1区3个取样点封闭层回收沥青的针入度(35 ℃)在13～14之间、且外观剥离严重，说明A1区历时也达到或超过了其老化寿命，因此如果用针入度(35 ℃)作为评判标准，其阈值应不小于13～14，考虑一定安全度，建议针入度(35 ℃)阈值按16考虑。

按照图7的计算结果和此寿命阈值，可以推算出天荒坪抽蓄工程上水库辐射最强和最弱部位的封闭层寿命都在8～9年之间。目前的封闭层已超过了其老化寿命。

本文以沥青混凝土针入度作为封闭层老化研究及寿命评判的唯一指标，研究成果及计算模型存在一定的局限性，这些都需要进一步的深入探讨。

5 抽水蓄能电站面板封闭层运行特点及治理对策

(1)多个工程沥青混凝土面板的老化状况表明，沥青混凝土的老化受运行条件影响明显，常年裸露区最为显著，水位波动区老化速率次之，常年水下区老化最弱[9]。经现场检查发现，整个天荒坪抽蓄工程上水库库盆封闭层均发生了不同程度的破坏，其中以水位变幅区和常年裸露区最为严重。试验成果表明，从现场取回的沥青玛蹄脂中回收的沥青针入度和延度几乎都降为0。因此对于抽水蓄能电站而言，运行期应重点关注水位变幅区和常年裸露区的面板封闭层运行情况。

(2)封闭层的老化作用有内因和外因两类。内因包括阳光照射(主要紫外光)、环境温度、湿度等，其结果是造成封闭层品质下降，附着力降低；外因包括库水位变化、汇流水(雨水、喷淋水等)冲刷，其结果是使封闭层剥落。因此，从内因方面来说，在工程建设期应早日建成沥青混凝土面板喷淋系统，尽量降低封闭层的环境温度，避免在夏季高温条件下的过早老化。从外因方面来说，库水位的频繁变化主要由水库运行条件决定，几乎无法改变，但可以尽量降低库盆汇流水对面板的冲刷，坝顶公路、边坡上应设置截水沟、排水沟，将汇流水引出至面板以外的地方。

(3)改性沥青是在普通沥青的基础上添加了外加剂，改变了沥青的某些性能，如延缓了沥青的老化，提高了抗高温流淌、低温脆裂性能，具有更好的柔性，并易于涂刷和喷洒。建议在工程建设期，对于重要工程，尽量选用改性沥青作为封闭层的材料，以提高其抗老化性能。宝泉抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板防渗工程，针对封闭层开展室内配合比试验，对比了6种沥青材料与填料的不同配比共14组试验，施工期根据现场试验最后确定封闭层采用SBS改性沥青：矿粉=3∶7。

(4)由于天荒坪抽蓄工程上水库并未安装太阳辐射观测设备，本次研究只能参照附近地区的监测成果，初步估算其紫外光辐射强度。为了便于开展沥青混凝土面板老化研究，建议在工程区设置太阳辐射设备，以获得必要的、较为精确的紫外辐射数据。

(5)本次研究表明，抽水蓄能电站处于常年裸露区、水位波动区的沥青混凝土面板封闭层，其寿命都在10年以下。根据抽水蓄能电站水库运行特点，建议每隔5年进行面板封闭层老化研究，以及时掌握其老化情况。

(6)通过对天荒坪抽水蓄能电站上水库年裸露区、水位波动区的面板防渗层取样研究发现，其老化总体不明显，仅表层10 mm以内存在轻微老化。因此，对封闭层的修补时机，也要结合防渗层的老化情况综合考虑。若防渗层表面冻断温度明显降低、现场发现有一定程度的裂缝发育时，应尽快开展封闭层老化修补工作。若是条件具备，对于已接近寿命周期的封闭层，能早日进行修补，对水库安全运行更加有利。

6 结 语

依托天荒坪抽蓄上水库沥青混凝土面板防渗工程，在现场取芯的基础上，开展了沥青混凝土封闭层的性能指标检测，并开展了紫外光强的室内加速老化试验研究，探究了其老化规律，同时建立老化预测方程，对其运用寿命进行了预测分析，并结合抽水蓄能电站水库运行特点提出相应的治理对策。

2019年6月，天荒坪公司对老化的上水库沥青混凝土面板玛蹄脂封闭层进行大修，通过清除处理面板表面残留的封闭层，基面喷洒乳化沥青和新沥青玛蹄脂封闭层的涂刷处理，达到了良好的修复效果。