張河灣抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)

張向前

（中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

瀝青混凝土是以瀝青為膠結(jié)材料，與骨料 （碎石、砂、填充料等）按規(guī)定配合比拌制、固結(jié)而成的建筑材料。交通部門在高速公路、機(jī)場跑道建設(shè)上有著廣泛的應(yīng)用。因其防滲性能好，也用于水利水電行業(yè)的土石壩、蓄水池、渠道、河道、堤防、護(hù)岸 （坡）等的防滲體。20世紀(jì)50、60年代，歐洲已將瀝青混凝土用于水庫大面積防滲。近年來，隨著天荒坪、張河灣、西龍池、寶泉等抽水蓄能電站瀝青混凝土防滲工程的陸續(xù)建成，國內(nèi)水工瀝青混凝土防滲設(shè)計(jì)和施工技術(shù)得到了快速發(fā)展。

1 瀝青混凝土防滲面板結(jié)構(gòu)

瀝青混凝土面板防滲斷面形式一般有簡式和復(fù)式之分，根據(jù)工程的重要程度、安全要求、地質(zhì)條件等因素，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求選用。

1.1 復(fù)式斷面

傳統(tǒng)的復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)一般分5層，從上往下分別為封閉層、上防滲層、排水層、下防滲層、整平膠結(jié)層，復(fù)式斷面簡圖見圖1，各結(jié)構(gòu)層的作用及設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

1.2 簡式斷面

考慮到瀝青混凝土防滲層本身滲透系數(shù)可以達(dá)到1×10-8cm/s以下，防滲性能很好，幾乎可以認(rèn)為是不透水的，除非發(fā)生破壞，復(fù)式斷面中的排水層和下防滲層發(fā)揮作用的幾率很小。因此，很多工程選擇了省掉復(fù)式斷面中的排水層和下防滲層的結(jié)構(gòu)形式，這就是簡式斷面，簡式斷面簡圖見圖2。

表1 傳統(tǒng)瀝青混凝土防滲面板復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 簡式斷面結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 應(yīng)用情況

歐美國家大多采用簡式斷面， 德國的金谷（Goldisthal）、 瑞本勒特 （Rabenleite）、 蓋斯特哈赫特 （Geesthacht）、 埃格貝格 （Eggberg）、 瓦爾德克（Waldeck） 上庫， 西班牙的費(fèi)德羅 （EI Federal）、科爾斯特-拉穆埃拉 （Cortes-La Muela）上庫，盧森堡的菲安登（Vianden）上庫，比利時的特魯瓦蓬（Coo-Trois Ponts）上庫，意大利的歐雅斯托（Ogliastro）水庫、車西瑪 （Cesima）上庫，希臘的皮爾諾斯 （Pyrnos Valley）水庫，斯洛文尼亞的阿夫斯 （Avce）上庫，美國的路丁頓 （Ludington）上庫，都采用簡式斷面。德國的金谷下水庫、格萊姆斯（Glems）上庫則采用了復(fù)式斷面。

日本多采用復(fù)式斷面，沼原壩、雙葉壩、蛇尾川 （鹽原）八汐壩、京極等工程都采用了復(fù)式斷面。

國內(nèi)天荒坪、西龍池、寶泉等電站都采用了簡式斷面，張河灣電站采用復(fù)式斷面。

實(shí)踐證明，很多采用簡式斷面結(jié)構(gòu)的工程實(shí)際運(yùn)行效果很好，但是在某些情況下，如：基礎(chǔ)條件不均勻、地下水位較低等，防滲面板有時會發(fā)生破壞，但由于簡式斷面不能很好地實(shí)時監(jiān)測到漏水情況，無法及時作出處理反應(yīng)，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重后果和重大損失。

某抽水蓄能電站上水庫庫盆為瀝青混凝土面板防滲，采用的是簡式斷面，首次蓄水后，觀測到的滲水量不大，水庫放空后發(fā)現(xiàn)庫底有一條裂縫；修補(bǔ)后重新蓄水，發(fā)現(xiàn)異常后放空，庫底發(fā)現(xiàn)9條裂縫；修補(bǔ)完成后再次蓄水，一年后放空檢查又發(fā)現(xiàn)7條裂縫；一年后再次放空再發(fā)現(xiàn)9條裂縫。雖然庫底設(shè)置了檢查廊道，但大部分滲漏水都直接進(jìn)入山體內(nèi)部，檢查廊道收集到的水量只是實(shí)際滲漏量的很少一部分，較小的滲漏量變化可能會被忽略，甚至造成誤判。如果庫底基礎(chǔ)巖層存在遇水敏感的軟弱層，滲水長期作用可能影響山體穩(wěn)定，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

復(fù)式斷面由于采用上、下兩道防滲層和其間排水層的夾層式結(jié)構(gòu)，可以監(jiān)測出哪怕是非常小的水庫滲漏量，對水庫的安全運(yùn)行具有重要意義。但增加的排水層和下防滲層會增加材料費(fèi)用和攤鋪施工工作量，對工程造價和工期有較大影響。

2 瀝青混凝土面板斷面形式選擇

在實(shí)際應(yīng)用中，瀝青混凝土面板斷面形式選擇應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況、施工技術(shù)水平綜合考慮確定。一般情況下，如果不存在制約工程穩(wěn)定安全的控制性因素，采用簡式斷面可取得很好的防滲效果，且有很好的經(jīng)濟(jì)性；對滲漏影響較大，會改變基礎(chǔ)水文地質(zhì)條件，危及工程安全的，以及特別重要、失事后損失巨大或影響十分嚴(yán)重的，需加強(qiáng)水庫滲漏控制的工程，一般采用復(fù)式斷面。伴隨設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)工藝水平的發(fā)展進(jìn)步，經(jīng)比較論證，對面板斷面形式進(jìn)行不斷優(yōu)化改進(jìn)，正在成為一種發(fā)展趨勢。

3 張河灣電站上水庫瀝青混凝土面板設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上。電站總裝機(jī)容量1 000 MW，裝機(jī)4臺，單機(jī)容量250 MW。電站樞紐由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)等組成，工程等級為一等。

上水庫位于下水庫左岸的老爺廟山頂，采用開挖筑壩圍庫而成。上水庫采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲，庫坡防滲面積20萬m2，庫底防滲面積13.7萬m2，總防滲面積33.7萬m2。

上水庫正常蓄水位810 m，死水位779 m，工作水深31 m，總庫容770萬m3，調(diào)節(jié)庫容715萬m3， 死庫容55萬m3。

3.2 地質(zhì)條件

3.2.1 地形地貌

老爺廟臺坪為古夷平面，呈北東－南西向不規(guī)則的條形展布，南北長約2 km，東西寬250～700 m，總體地勢東北高，西南低，地面高程740～846 m。臺坪東、北、西三面受溝谷深切，臺緣曲折，地形陡峻。

3.2.2 地層巖性

上水庫地層由寒武系饅頭組與長城系大紅峪組組成，二者呈平行不整合接觸。寒武系地層大多為薄層狀，其中砂質(zhì)泥巖、砂泥巖夾泥灰?guī)r的性質(zhì)軟弱，強(qiáng)度較低，遇水可軟化，失水易崩解。長城系大紅峪組石英砂巖質(zhì)地堅(jiān)硬、性脆，強(qiáng)度高，高傾角裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)。因?qū)娱g錯動地層中順層發(fā)育有眾多軟弱夾層，強(qiáng)度低，親水性較強(qiáng)，對壩基抗滑穩(wěn)定不利。

3.2.3 水文地質(zhì)

上水庫周邊為深切溝谷，排泄條件較好，無地表水體分布。地下水埋藏很深，據(jù)鉆孔ZK1的觀測資料，地下水埋深284 m，地下水位為523.76 m。

3.2.4 軟弱夾層

通過勘探揭露，上水庫地層中普遍發(fā)育有順層的軟弱夾層。其中饅頭組地層有軟弱夾層25條，庫盆內(nèi)大部分將被挖除，少部分在庫周壩基下分布；大紅峪組地層有軟弱夾層53條，大多分布在庫盆下并在臺緣陡崖上出露。

軟弱夾層按物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征分為兩類：Ⅰ類為泥夾碎屑型，夾層面呈舒緩波狀起伏，起伏差很小，普遍有泥膜，遇水軟化，抗剪強(qiáng)度低；Ⅱ類為碎屑巖片型，夾在軟硬相間巖層內(nèi)，呈舒緩波狀，起伏差較小，主要充填巖片和碎屑，局部見有泥膜，該類夾層長期受到水的浸泡作用，將逐漸向Ⅰ類夾層轉(zhuǎn)化。

夾層粘土礦物 （X－射線）分析資料表明，在大紅峪組石英砂巖內(nèi)的夾層 （如Rd3－1、Rd3－3等），礦物成分主要為伊利石，含量達(dá)99%～100%；饅頭組內(nèi)的夾層 （如Rm1－4、Rm1－3等）伊利石含量為81.8%～83.9%，蒙脫石含量為7.1%～8.1%，此外還含有9.0%～10.1%的綠泥石和高嶺石。

根據(jù)試驗(yàn)資料，地質(zhì)給出的軟弱夾層抗剪指標(biāo)建議值見表2。

表2 上水庫軟弱夾層抗剪指標(biāo)建議值

3.3 壩基抗滑穩(wěn)定

上水庫巖體中普遍發(fā)育的軟弱夾層，對壩基抗滑穩(wěn)定不利。因此，根據(jù)軟弱夾層抗剪指標(biāo)地質(zhì)建議值，選取飽和狀態(tài)下的摩擦系數(shù)f=0.25計(jì)算壩基深層抗滑穩(wěn)定。結(jié)果表明，正常蓄水位＋7度地震工況下，壩基沿軟弱夾層Rd3－1、Rd3－2的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)不到規(guī)范要求 （k=1.10）；根據(jù)上水庫三維滲流數(shù)值模擬研究的等水頭線圖，綜合考慮軟弱夾層可能的飽和范圍和飽和狀態(tài)，選取半干燥狀態(tài)下的摩擦系數(shù)f=0.275計(jì)算壩基深層抗滑穩(wěn)定，各工況下計(jì)算結(jié)果可以滿足規(guī)范要求 （k＞1.10），壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

計(jì)算情況表明，軟弱夾層飽水后強(qiáng)度降低，成為壩基抗滑穩(wěn)定的控制因素，這也要求張河灣上水庫采用防滲性能更好的瀝青混凝土面板防滲形式，并進(jìn)一步研究采用能實(shí)時監(jiān)控滲漏情況、安全性更高的全庫防滲系統(tǒng)。

3.4 瀝青混凝土面板設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)階段 （等同可行性研究階段）選擇了瀝青混凝土復(fù)式斷面方案，考慮到瀝青混凝土技術(shù)的發(fā)展，針對瀝青混凝土面板復(fù)式斷面和簡式斷面存在的問題，在保證防滲效果的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)思路，分析面板各層的工作原理，重點(diǎn)對整平膠結(jié)層的功能、工作性能、施工條件進(jìn)行了分析和重新設(shè)計(jì)。

瀝青混凝土上防滲層已經(jīng)具有很好的防滲性能，一般不會發(fā)生滲漏。面板在實(shí)際運(yùn)行中，由于基礎(chǔ)不均勻變形，或者施工缺陷可能會造成局部細(xì)微裂縫漏水，滲漏水通過上防滲層裂縫進(jìn)入排水層的過程中，已經(jīng)損失了大部分的水頭，因此，作為第二道防滲層，下防滲層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以大大降低。整平膠結(jié)層本身材料也是瀝青混凝土，只要將其配合比稍作調(diào)整，適當(dāng)加大瀝青和填料含量，完全可以起到下防滲層的作用。經(jīng)過研究和實(shí)踐，相對于排水層滲透系數(shù)≥1×10-1cm/s來說，整平膠結(jié)層的滲透系數(shù)控制在5×10-5cm/s以下，即整平膠結(jié)層與排水層滲透系數(shù)相差2 000倍，完全可以起到相對隔水層的作用，配合排水廊 （管）道系統(tǒng)，可以收集絕大部分的滲漏水。整平膠結(jié)層 （碾壓后）的技術(shù)指標(biāo)確定如表4所示。

表4 防滲整平膠結(jié)層技術(shù)指標(biāo)

同時，從傳統(tǒng)意義上來說，整平膠結(jié)層的作用只是整平基礎(chǔ)，為上部面板提供一個機(jī)械作業(yè)的平面，同時也為瀝青混凝土面板基礎(chǔ)下臥層與面板之間的軟硬過渡進(jìn)行變形協(xié)調(diào)?；A(chǔ)軟硬以及攤鋪機(jī)的壓實(shí)效率對整平膠結(jié)層性能有一定制約，隨著大型攤鋪施工機(jī)械的發(fā)展應(yīng)用，以目前的施工技術(shù)條件，整平膠結(jié)層要達(dá)到孔隙率≤5%，滲透系數(shù)≤5×10-5cm/s的目標(biāo)，完全可以做到。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，張河灣上水庫最終實(shí)施的方案是：瀝青混凝土防滲面板采用從上往下分別為封閉層、防滲層、排水層、 （防滲）整平膠結(jié)層的4層結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)分層及技術(shù)指標(biāo)見表5，斷面簡圖見圖3。

相對于傳統(tǒng)的瀝青混凝土復(fù)式斷面，該方案可減少瀝青混凝土工程量約12%～20%，由于少攤鋪一層，可縮短工期20%。更為重要的是，與庫底完善的排水檢查廊道系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)了滲漏水的收集和實(shí)時監(jiān)控，一旦面板運(yùn)行狀況發(fā)生變化，可確保在第一時間作出處理反應(yīng)，避免導(dǎo)致嚴(yán)重后果和重大損失。

表5 張河灣上水庫瀝青混凝土面板結(jié)構(gòu)分層及技術(shù)指標(biāo)

圖3 張河灣上水庫瀝青混凝土面板斷面結(jié)構(gòu)簡圖

張河灣上水庫瀝青混凝土面板施工由日本大成建設(shè)株式會社與中國葛洲壩水電工程集團(tuán)組成的聯(lián)營體中標(biāo)承建。相對原傳統(tǒng)復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)形式，減少瀝青混凝土約1.9萬m3，節(jié)省投資約5 800萬元，縮短工期約3個月。

張河灣抽水蓄能電站上水庫于2007年9月開始下閘蓄水，并于2008年9月28日成功蓄水至正常蓄水位810 m，經(jīng)過近兩年的運(yùn)行，水庫瀝青混凝土面板本身基本無滲漏，表現(xiàn)出良好的防滲性能，目前運(yùn)行正常。

4 結(jié)語

相比傳統(tǒng)的復(fù)式結(jié)構(gòu)形式，張河灣電站上水庫改進(jìn)后的瀝青混凝土面板結(jié)構(gòu)，在達(dá)到同樣的防滲效果的前提下，工程造價相對較低，且能對工程的滲漏情況進(jìn)行及時監(jiān)控和評價，對確保工程的安全運(yùn)行具有重要意義，對國內(nèi)其他已經(jīng)或考慮采用瀝青混凝土防滲的工程也具有很好的借鑒作用。