山西西龍池抽水蓄能電站上下庫(kù)瀝青混凝土防滲面板技術(shù)特點(diǎn)

(山西省滹沱河坪上水利工程管理局，山西 忻州 035503)

水電站技術(shù)

山西西龍池抽水蓄能電站上下庫(kù)瀝青混凝土防滲面板技術(shù)特點(diǎn)

王一超

(山西省滹沱河坪上水利工程管理局，山西 忻州 035503)

西龍池抽水蓄能電站工程區(qū)地形及地質(zhì)條件復(fù)雜，氣溫低、壩址基礎(chǔ)介質(zhì)不均勻、運(yùn)行時(shí)庫(kù)水位變幅大、水位升降速度快，上下水庫(kù)堆石壩面板不但要具有適應(yīng)基礎(chǔ)變形能力和極其良好的抗?jié)B性能，還必須具備低溫抗裂性能；為此，電站上庫(kù)全庫(kù)、下庫(kù)庫(kù)底、內(nèi)壩坡均采用瀝青混凝土面板防滲，效果良好。運(yùn)行至今8年多，已經(jīng)歷多年高低溫、高低水位以及庫(kù)水位驟升、驟降考驗(yàn)，滲漏量很小，運(yùn)行安全可靠，是我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)瀝青混凝土面板防滲工程的成功先例。

西龍池抽水蓄能電站；瀝青混凝土面板；改性瀝青；技術(shù)指標(biāo)；基礎(chǔ)處理

1 工程概況

山西西龍池抽水蓄能電站位于忻州市五臺(tái)縣境內(nèi)的滹沱河與清水河交匯處上游3km處的滹沱河左岸，電站裝機(jī)1200MW(4×300MW)，額定水頭640m，年發(fā)電量18.05億kW·h，年抽水電量24.07億kW·h，年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)1504h；電站以500kV電壓接入山西電網(wǎng)，承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用任務(wù)。工程于2003年8月正式開工建設(shè)，2008年12月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2011年9月全部機(jī)組投入運(yùn)行。

電站樞紐由地下廠房系統(tǒng)、地面開關(guān)站及副廠房、輸水系統(tǒng)、上下水庫(kù)和補(bǔ)水建筑物等組成；工程為Ⅰ等大(1)型工程；上、下水庫(kù)擋水建筑設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)200年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)1000年一遇。上水庫(kù)位于西閃虎溝溝腦部位，為整個(gè)工程區(qū)最高點(diǎn)，水庫(kù)為瀝青混凝土全庫(kù)防滲，總襯砌面積22.46萬(wàn)m2；大壩為面板堆石壩，主壩壩高50.85m，頂長(zhǎng)401m；水庫(kù)西北側(cè)凹口建有兩座副壩(1號(hào)壩高18m、頂長(zhǎng)221m；2號(hào)壩高15m、頂長(zhǎng)136m)，正常蓄水位1492.50m，死水位1467.00m，總庫(kù)容468.97萬(wàn)m3，全庫(kù)由巖坡開挖、填筑圍庫(kù)而成；壩坡及庫(kù)岸坡比均為1∶2；最大庫(kù)深32.5m，工作水深25.5m；進(jìn)出水口采用豎井式布置。瀝青面板施工期為2006年5—12月。

下水庫(kù)布置于滹沱河左岸龍池溝，距滹沱河約600m，采用開挖、攔溝堆石筑壩成庫(kù)，全庫(kù)采用混合防滲型式，總面積17.93萬(wàn)m2；其中庫(kù)底及壩坡采用瀝青混凝土面板，面積11.08萬(wàn)m2；庫(kù)岸巖坡采用鋼筋混凝土面板，面積6.85萬(wàn)m2，主壩最大壩高97m，頂長(zhǎng)537m，上游面壩坡坡比1∶2.0，下游壩坡1∶1.7，庫(kù)岸巖坡開挖坡比1∶0.75；水庫(kù)正常蓄水位838.00m，死水位798.00m，總庫(kù)容502.99萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容432.20萬(wàn)m3，最大工作水深40m。瀝青面板施工期為2007年5—11月。

2 基本條件及特點(diǎn)

上水庫(kù)多年平均氣溫4.7℃，年極端最高氣溫36.2℃，下水庫(kù)多年平均氣溫8.1℃，年極端最高氣溫39.1℃，通過(guò)豆村和定襄氣象站觀測(cè)資料修正到上、下水庫(kù)的極端最低氣溫分別為-34.5℃、-30.4℃。

上水庫(kù)庫(kù)區(qū)原始地面高程1460.00～1516.00m；兩岸鄰谷切割極深，其基巖為中奧陶統(tǒng)上馬家溝組呈“互層”狀的厚層灰?guī)r和白云巖，巖體具有隔層風(fēng)化特點(diǎn)，依巖性不同分為8個(gè)小層，第2、4、6、8層為泥質(zhì)白云巖，呈全風(fēng)化狀態(tài)，第1、3、5、7層為灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r，呈強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化、新鮮狀態(tài)；白云巖透水性較弱，起著局部相對(duì)隔水作用，厚層灰?guī)r透水性相對(duì)較強(qiáng)；西河-耿家莊背斜縱貫庫(kù)區(qū)，巖體內(nèi)張性高角度斷層和裂隙發(fā)育，尤以NE向貫穿性張性斷裂最為發(fā)育，庫(kù)區(qū)內(nèi)開挖揭露的斷層基本均通向庫(kù)外，裂隙大部分張開，且沿東北向構(gòu)造溶蝕強(qiáng)烈，采用達(dá)西公式進(jìn)行滲漏估算，上庫(kù)庫(kù)區(qū)天然狀態(tài)下蓄水后滲漏量達(dá)15729m3/d，滲漏比較嚴(yán)重，且滲漏范圍廣、深度大，需進(jìn)行全面防滲處理。

下水庫(kù)庫(kù)區(qū)位于滹沱河左岸大龍池溝洪積扇上，原始地面高程750.00～830.00m，庫(kù)底高出滹沱河河床超過(guò)150m，雖然靠山側(cè)山體寬厚，但正常水位以下庫(kù)岸基巖主要為崮山組厚層灰?guī)r和薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r，其透水性較強(qiáng),加之庫(kù)岸范圍內(nèi)斷層、裂隙發(fā)育，蓄水后極易通過(guò)透水巖層及斷層、裂隙向外滲漏。庫(kù)盆開挖后，出露的地層為中更新統(tǒng)洪積物，主要分布在壩前，厚度20～40m，局部深達(dá)100m，分布面積約1.90萬(wàn)m2，占整個(gè)庫(kù)底面積的33%，洪積物由塊石、碎石土組成，夾有碎石、塊石、粉質(zhì)土的透鏡體，大部分有不同程度的膠結(jié)，天然級(jí)配極不均勻，力學(xué)性質(zhì)相差較大，滲透性極強(qiáng)，為庫(kù)水滲漏的主要通道。加之覆蓋層與基加巖接觸面傾角較陡，其本身組成物質(zhì)分布極不均勻，易導(dǎo)致不均勻沉陷。

抽水蓄能電站運(yùn)行的特點(diǎn)是升降轉(zhuǎn)換頻繁，庫(kù)水位變幅大、變化快；上水庫(kù)壩基巖體透水率為10～100Lu，為中等透水巖體，巖體內(nèi)與壩軸線斜交及大角度相交的張扭性斷層裂隙發(fā)育，沿?cái)嗔褬?gòu)造溶蝕作用強(qiáng)烈，為庫(kù)水外滲提供了良好途徑；下水庫(kù)第四系覆蓋層滲透系數(shù)為35～327m/d，為強(qiáng)透水性，與基巖力學(xué)性質(zhì)差異較大，且基巖中的軟弱夾層及斷層影響帶都會(huì)導(dǎo)致地基較大的不均勻變形；上下庫(kù)均無(wú)天然徑流補(bǔ)給，必須通過(guò)建設(shè)在滹沱河上的泵站向庫(kù)內(nèi)補(bǔ)水；據(jù)此，上下庫(kù)均選擇瀝青混凝土面板進(jìn)行全庫(kù)防滲處理，下水庫(kù)限于施工條件對(duì)于邊坡太陡(1∶0.75)的巖體庫(kù)岸部分采用鋼筋混凝土面板防滲。

3 瀝青混凝土面板

3.1 基礎(chǔ)處理

上水庫(kù)：?將出露在庫(kù)底的第4層厚度約3m、分布面積約18000m2的白云巖全強(qiáng)風(fēng)化層做置換處理，置換料為過(guò)渡料；?對(duì)于庫(kù)底發(fā)育的溶洞和溶蝕寬縫，直徑小于3m的全部用C20素混凝土回填，直徑3～9m的用2m厚碎石墊層過(guò)渡，然后回填3m厚混凝土，上部2m厚范圍內(nèi)配鋼筋，并在洞壁設(shè)錨桿；?對(duì)于出露在庫(kù)岸第6層中的k0+313～k0+544、k1+273～k1+400兩段全強(qiáng)風(fēng)化層采用水泥碎石混合料置換處理，k0+544～k0+807、k0+943～k1+052兩段用C10混凝土做補(bǔ)坡處理(部分錨筋)；主壩建在基巖上。

下水庫(kù)：?下庫(kù)覆蓋層主溝部位清基7.5～8m，將中更新統(tǒng)洪積物全部挖除，基巖按清坡2m處理，基巖與覆蓋層基礎(chǔ)交界部位以1∶4挖坡(在巖石基礎(chǔ)側(cè)開挖)銜接；?施工期間對(duì)覆蓋層內(nèi)發(fā)育的土質(zhì)透鏡體與架空層進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，對(duì)于埋深5m以上的全部挖除，覆蓋層利用部分鋪設(shè)2m、基巖上鋪設(shè)1m厚的排水墊層進(jìn)行過(guò)渡處理；?下庫(kù)區(qū)內(nèi)F104斷層橫貫左右壩肩，對(duì)壩基出露的斷層按其寬度的2～3倍掏挖，然后做混凝土塞處理。

3.2 壩體材料分區(qū)

上下庫(kù)堆石壩壩體材料分區(qū)基本相同，從上游到下游分為4部分，即墊層區(qū)，過(guò)渡區(qū)，主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、下游坡腳排水棱體，下游坡面干砌石護(hù)坡；面板整平膠結(jié)層下部碎石排水墊層水平填筑寬度為3m，材料由庫(kù)盆及壩基開挖的弱風(fēng)化或新鮮巖料經(jīng)砂石料系統(tǒng)加工而成，石料抗壓強(qiáng)度不低于80MPa，軟化系數(shù)大于0.80，不均勻系統(tǒng)Cu>20，壓實(shí)后干密度2.20t/m3相應(yīng)孔隙率19%，變形模量，庫(kù)底部分不小于60MPa，斜坡部分不小于40MPa，墊層料滲透系數(shù)K不小于8×10-3cm/s。

3.3 瀝青混凝土面板

上下庫(kù)均全庫(kù)防滲，上庫(kù)全部采用瀝青混凝土面板，下庫(kù)庫(kù)岸巖坡部分因太陡采用鋼筋混凝土防滲面板；為防止?jié)B漏水進(jìn)入基礎(chǔ)并有效監(jiān)控面板滲漏情況，保證工程安全，瀝青混凝土采用簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu)，厚度20.2cm，庫(kù)底相應(yīng)設(shè)置完備的排水廊道系統(tǒng)，所有滲漏水直接快速通過(guò)排水廊道排至庫(kù)外。

3.3.1 面板坡度

《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》(SLJ 01—88)規(guī)定：“瀝青混凝土面板的坡度除滿足填筑自身穩(wěn)定外，宜不陡于1∶1.70?！备鶕?jù)國(guó)內(nèi)外已建工程經(jīng)驗(yàn)，考慮壩坡和庫(kù)底碎石墊層自身穩(wěn)定、熱鋪瀝青混合料自身穩(wěn)定、瀝青混凝土面板施工機(jī)械限制，面板坡度確定為1∶2。

庫(kù)底坡度在考慮施工機(jī)械行走要求基礎(chǔ)上，由瀝青混凝土排水層的排水能力確定，取為2.85%。

3.3.2 面板結(jié)構(gòu)分層

在進(jìn)行大量室內(nèi)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，整平膠結(jié)層與防滲層瀝青含量分別取為4%和7.50%(瀝青含量與混合料總量之比)，考慮到最極端的情況是面板外露部分上水庫(kù)冬季最低溫時(shí)易凍裂，下水庫(kù)夏季高溫時(shí)斜坡流淌，采用黏彈性無(wú)限嵌固板應(yīng)力分析法，通過(guò)計(jì)算分析，加上大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定上、下庫(kù)除庫(kù)底外均采用改性瀝青混凝土防滲層，解決低溫凍斷和高溫流淌問(wèn)題。上、下庫(kù)瀝青混凝土面板各結(jié)構(gòu)層厚度及瀝青含量見(jiàn)下表。

上、下庫(kù)瀝青混凝土面板各結(jié)構(gòu)層厚度及瀝青含量表

設(shè)計(jì)單位對(duì)上下庫(kù)面板進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變有限元計(jì)算，結(jié)果面板內(nèi)拉應(yīng)變基本上不大于0.40%，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在下庫(kù)壩軸線平面外凸曲線起始段的上游面板下部的反弧區(qū)域，為0.52%。工程上采取結(jié)構(gòu)措施對(duì)變形較大部位進(jìn)行處理，在面板反弧段采用防滲層加厚5cm，并鋪設(shè)聚酯網(wǎng)格的措施。

經(jīng)計(jì)算，上庫(kù)面板總滲漏量為5.07L/s，約為總庫(kù)容的萬(wàn)分之一；下庫(kù)面板總滲漏量為6.74L/s(其中瀝青混凝土面板為3.20L/s)，約為總庫(kù)容的1/8500。上水庫(kù)防滲面板平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 上水庫(kù)瀝青混凝土面板平面布置圖(尺寸單位：m)

3.4 接頭設(shè)計(jì)

上水庫(kù)進(jìn)出水口為豎井式，圖2為瀝青混凝土面板與進(jìn)出水口底板及廊道連接構(gòu)造圖。

圖2 進(jìn)出水口與瀝青混凝土面板構(gòu)造連接詳圖(尺寸單位：cm)

圖3 下水庫(kù)瀝青混凝土面板平面布置圖(尺寸單位：m)

4 運(yùn)行效果分析

4.1 上水庫(kù)瀝青混凝土面板

上水庫(kù)2007年10月通過(guò)供水系統(tǒng)開始向庫(kù)內(nèi)充水，2011年9月前由于種種原因電站運(yùn)行沒(méi)能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，電站冬季一旦一周內(nèi)不運(yùn)行就會(huì)結(jié)冰，2008年冬天最大冰厚達(dá)50cm，沿冰層與面板接觸面 進(jìn)行破冰，電站2011年投入后通過(guò)年度發(fā)電運(yùn)行低水位時(shí)專項(xiàng)檢查，瀝青混凝土表面無(wú)任何裂縫。

主壩0+076.50和0+205.02樁號(hào)面板下部的反弧區(qū)域2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面共設(shè)置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿坡向分別埋設(shè)應(yīng)變計(jì)，截至2016年8月，實(shí)測(cè)面板應(yīng)變?yōu)?-376.71～315.49)×10-6，即觀測(cè)最大拉應(yīng)變?yōu)?15.49×10-6，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)監(jiān)控指標(biāo)拉應(yīng)變不大于5000×10-6(拉應(yīng)變不大于0.50%)的要求。

為監(jiān)測(cè)上水庫(kù)瀝青混凝土面板基礎(chǔ)的滲透水壓力，以及在庫(kù)水驟降時(shí)面板基礎(chǔ)的反向水壓力，在庫(kù)底、庫(kù)坡及進(jìn)出水口面板基礎(chǔ)共布置25支滲壓計(jì)，截至2016年8月，實(shí)測(cè)面板基礎(chǔ)滲透水作用水頭基本在2m以下，且大部分區(qū)域面板基礎(chǔ)未形成作用水頭(測(cè)點(diǎn)滲透水壓力為零值)，說(shuō)明瀝青混凝土面板的防滲和基礎(chǔ)排水效果良好。

上水庫(kù)滲流量是綜合表證全庫(kù)瀝青混凝土面板防滲效果的重要指標(biāo)，2016年8月26日實(shí)測(cè)沿庫(kù)底排水及外排廊道的總滲流量為0.22L/s，相應(yīng)庫(kù)水位為1489.89m，上水庫(kù)蓄水運(yùn)行以來(lái)監(jiān)測(cè)最大滲流量為3.39L/s，時(shí)間為2008年12月15日，相應(yīng)庫(kù)水位為1478.02m，其最大滲漏量為相應(yīng)總庫(kù)容的0.13‰，遠(yuǎn)小于滲漏量不大于總庫(kù)容1.0‰的監(jiān)控指標(biāo)，說(shuō)明上水庫(kù)全庫(kù)瀝青混凝土面板滲流量較小，防滲效果良好。

4.2 下水庫(kù)瀝青混凝土面板

下水庫(kù)2008年3月開始通過(guò)供水系統(tǒng)充水，由于鋼筋混凝土面板接縫存在滲漏通道，蓄水還未到死水位798.00m時(shí)即進(jìn)行放空處理，重新蓄水后最大滲漏量曾達(dá)到28.60L/s，經(jīng)水下檢查，進(jìn)出水口部位存在集中滲漏通道，后經(jīng)兩次水下處理，目前滲漏量大大減少。

主壩0+243.00、0+372.00和0+500.00樁號(hào)面板下部的反弧區(qū)域，沿坡向在面板內(nèi)分別設(shè)置應(yīng)變計(jì)，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面共設(shè)置18個(gè)測(cè)點(diǎn)，截至2016年8月，實(shí)測(cè)面板應(yīng)變?yōu)?-2786～1257.45)×10-6，其最大拉應(yīng)變?yōu)?257.45×10-6，小于拉應(yīng)變不大于5000×10-6(拉應(yīng)變不大于0.5%)的監(jiān)控指標(biāo)要求。

為監(jiān)測(cè)下水庫(kù)瀝青混凝土面板基礎(chǔ)的滲透水壓力，以及在庫(kù)水驟降時(shí)面板基礎(chǔ)的反向水壓力，在庫(kù)底、壩坡面板基礎(chǔ)共布置34支滲壓計(jì)，截至2016年8月，實(shí)測(cè)面板基礎(chǔ)最大滲透水作用水頭為3.24m，其余基本在2m以下，且大部分區(qū)域面板基礎(chǔ)未形成作用水頭(測(cè)點(diǎn)滲透水壓力為零值)，說(shuō)明瀝青混凝土面板、面板與剛性混凝土建筑物連接接頭的防滲和基礎(chǔ)排水效果良好。

2016年8月26日實(shí)測(cè)下水庫(kù)沿庫(kù)底排水及外排廊道的滲流量為1.90L/s，相應(yīng)庫(kù)水位為807.79m，下水庫(kù)蓄水運(yùn)行以來(lái)監(jiān)測(cè)到的最大滲流量為28.60L/s，相應(yīng)庫(kù)水位為838.00m(正常蓄水位)，時(shí)間為2012年4月8日，其最大滲漏量為總庫(kù)容的0.49‰，亦小于滲漏量不大于總庫(kù)容1‰的監(jiān)控指標(biāo)(后對(duì)進(jìn)出水口部位和庫(kù)岸鋼筋混凝土面板接縫的集中滲漏進(jìn)行處理，其滲流量大幅減少)，下水庫(kù)瀝青混凝土面板滲流量較小，防滲效果良好。

5 結(jié) 語(yǔ)

西龍池抽水蓄能電站地形地質(zhì)條件極其復(fù)雜，上水庫(kù)地處嚴(yán)寒地區(qū)，極端最低氣溫達(dá)-34.50℃，下水庫(kù)庫(kù)岸均為基巖，年最高氣溫達(dá)39.10℃，而且下水庫(kù)底底覆蓋層利用20～30m，壩基地質(zhì)條件復(fù)雜，在各參建單位共同努力下，對(duì)從瀝青混凝土面板涉及的材料選擇、室內(nèi)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)面板結(jié)構(gòu)比選，到施工時(shí)瀝青、砂石料選定，施工配合比試驗(yàn)、改性瀝青混凝土試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓等內(nèi)容進(jìn)行了大量研究，瀝青混凝土面板防滲層和封閉層首次采用了改性瀝青混凝土，這為我國(guó)氣候寒冷、天然狀態(tài)庫(kù)盆滲漏嚴(yán)重地區(qū)建設(shè)瀝青混凝土面板堆石壩提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。目前電站上下水庫(kù)瀝青混凝土面板工程蓄水運(yùn)行已有8年多，上下庫(kù)蓄水后基礎(chǔ)不均勻變形相對(duì)較大，但瀝青混凝土面板沒(méi)有裂縫，滲漏量均較小，上下庫(kù)改性瀝青混凝土均達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的技術(shù)性能，上下庫(kù)瀝青混凝土防滲面板工程運(yùn)行良好。

ShanxiXilongchiPumpedStoragePowerStationTechnicalCharacteristicsoftheAsphaltConcreteAnti-SeepagePaneloftheUpperandLowerReservoirs

WANG Yichao

(ShanxiHuotuoRiverPingshangWaterConservancyProjectAuthority,Xinzhou035503,China)

Xilongchi pumped storage power station engineering area is characterized by complicated topographic and geological conditions, low temperature, uneven damsite foundation medium, and large variation range of reservoir level during runtime and rapid water level lifting speed. Upper and lower reservoirs rockfill dam panel not only should have the ability of adapting to foundation deformation and excellent anti-penetrability performance, but also must have the low temperature crack resistance performance; therefore, asphalt concrete slab anti-seepage is adopted for the whole upper reservoir, the whole lower reservoir and inner dam slope of the power station with excellent effect. The project has been operated for more than 8 years till present, which has underwent high-low temperature, high-low water level and sharp increase of reservoir water level for many years, the seepage is low, operation is safe and reliable, and it is a successful example for asphalt concrete panel anti-seepage project in China cold regions.

Xilongchi pumped storage power station; asphalt concrete panel; modified asphalt; technical indicators; foundation treatment

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.007

TV737

：A

：1673-8241(2017)08-0024-06