寶泉抽水蓄能電站上水庫(kù)聯(lián)合防滲效果分析

渠守尚，潘福營(yíng)

（1.河南國(guó)網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南省鄭州市 450030；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

寶泉抽水蓄能電站上水庫(kù)工程主要包括大壩、庫(kù)區(qū)防滲、庫(kù)底排水、漿砌石副壩、排水洞和上水庫(kù)環(huán)庫(kù)公路及邊坡工程等組成。主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂長(zhǎng)度600.37m，上游壩坡1:1.7，下游壩坡1:1.5，最大壩高96m；副壩為漿砌石重力壩，壩頂長(zhǎng)度201.05m，最大壩高48m。上水庫(kù)正常蓄水位為789.60m，死水位為758.00m，總庫(kù)容約776×104m3，上水庫(kù)天然來(lái)水較少，上水庫(kù)水源通過(guò)水泵從下水庫(kù)抽到上水庫(kù)，因此上水庫(kù)的防滲很重要，根據(jù)地形、地質(zhì)條件上水庫(kù)采用了庫(kù)盆黏土鋪蓋護(hù)底、瀝青混凝土護(hù)岸與瀝青混凝土面板堆石壩加漿砌石重力副壩相結(jié)合的全庫(kù)盆聯(lián)合防滲形式[3]。

寶泉上水庫(kù)壩址處為U形河谷，河床高程700m左右，寬約100m，河床縱比降約10%。壩址區(qū)河床及兩岸岸坡覆蓋層較厚，最深達(dá)40m，一般約20m左右。壩基和兩岸岸坡基巖為寒武系饅頭組，巖性以泥灰?guī)r為主，夾有鈣質(zhì)頁(yè)巖、灰?guī)r、白云巖等。庫(kù)盆巖層多為寒武系饅頭組，屬弱至中等透水，庫(kù)區(qū)地下水位約在670m高程，較庫(kù)內(nèi)水位低100m左右，存在庫(kù)水外滲的條件，因此設(shè)置全庫(kù)盆防滲。該水庫(kù)是國(guó)內(nèi)第一個(gè)采用瀝青混凝土與黏土鋪蓋相結(jié)合的水庫(kù)防滲方式[2]，推進(jìn)了水庫(kù)黏土防滲技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用。

上水庫(kù)庫(kù)盆于2007年9月蓄水運(yùn)行，至今運(yùn)行情況良好，滲漏量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許值。本文就寶泉抽水蓄能電站上水庫(kù)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況進(jìn)行分析和總結(jié)，可以為后續(xù)類似工程提供參考。

1 寶泉上水庫(kù)防滲設(shè)計(jì)

1.1 滲漏量控制指標(biāo)和防滲方案

國(guó)內(nèi)外已建成的無(wú)天然徑流補(bǔ)給的抽水蓄能電站，上水庫(kù)日滲漏量一般控制在總庫(kù)容的0.02%～0.05%以內(nèi)，寶泉電站上水庫(kù)全庫(kù)盆設(shè)計(jì)日滲漏量按不大于總庫(kù)容的0.02%控制[4]，相應(yīng)設(shè)計(jì)日滲漏量為1565m3。經(jīng)過(guò)對(duì)7種防滲方案在造價(jià)、滲水量、適應(yīng)變形能力、施工條件等多方面進(jìn)行綜合比較后，選擇了瀝青混凝土護(hù)岸、黏土護(hù)底的防滲方案[2，5]。常規(guī)混凝土與瀝青混凝土加黏土聯(lián)合防滲設(shè)計(jì)方案典型剖面見圖1。

圖1 瀝青混凝土加黏土聯(lián)合防滲接頭圖Figure 1 Asphalt concrete anti-seepage joint combined with clay

1.2 瀝青混凝土防滲設(shè)計(jì)

上水庫(kù)主壩和庫(kù)岸邊坡采用瀝青混凝土面板防滲，庫(kù)岸坡度1:1.7，壩坡、庫(kù)岸均采用瀝青混凝土面板簡(jiǎn)式防滲結(jié)構(gòu)[10]，總厚度為20.2cm（從上至下順序?yàn)榉忾]層0.2cm，防滲層10cm，整平膠結(jié)層10cm）。瀝青混凝土防滲面板總防滲面積約16.6萬(wàn)m2，瀝青混凝土用量約3.4萬(wàn)m3。庫(kù)底采用黏土鋪蓋防滲[3]，厚度4.5m，鋪蓋面積約16萬(wàn)m2。

庫(kù)尾漿砌石重力副壩為雙向擋水建筑物，臨庫(kù)側(cè)采用1.0m厚鋼筋混凝土面板防滲，面板底部與庫(kù)盆瀝青混凝土面板搭接，庫(kù)底黏土鋪蓋與副壩前庫(kù)盆瀝青混凝土、庫(kù)岸瀝青混凝土、進(jìn)/出水口混凝土板搭接，形成上水庫(kù)完整的防滲系統(tǒng)[7]。

1.3 黏土鋪蓋設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)黏土鋪蓋厚為4.50m，壓實(shí)度不小于98%，滲透系數(shù)不大于10-6cm/s[1]，全庫(kù)盆黏土填筑量約為65萬(wàn)m3。

為延長(zhǎng)黏土與瀝青混凝土面板的接觸滲徑，黏土鋪蓋沿庫(kù)底周邊起坡與瀝青混凝土面板搭接，頂面由749.70m高程升高至752.70m高程，坡比1∶5.0，坡頂寬度3.0m；黏土與瀝青混凝土面板接觸區(qū)設(shè)0.5m厚高塑性黏土，利用黏土的高塑性適應(yīng)變形，防止黏土開裂滲水。

1.4 庫(kù)盆滲水排水設(shè)計(jì)

為了及時(shí)排泄?jié)B水，防止防滲結(jié)構(gòu)承受反向水壓，并為了監(jiān)測(cè)滲水情況，設(shè)計(jì)了滲漏排水系統(tǒng)。

（1）庫(kù)岸防滲面板下設(shè)排水墊層，其下部設(shè)100mm、間距3.0m的PVC硬質(zhì)塑料管通至庫(kù)底排水廊道。

（2）庫(kù)底黏土下部設(shè)反濾層和過(guò)渡層，過(guò)渡層埋設(shè)橫向100mm鋼塑透水管，間距15.0～25.0m，排水管與庫(kù)底排水廊道連通。

（3）進(jìn)出水口前池防滲面板底部設(shè)100mm（150mm）PVC硬質(zhì)塑料花管，管壁每10.0cm鉆一排10mm孔，共6孔，梅花形布置，每米鉆54個(gè)孔，花管與庫(kù)底排水廊道連通。

（4）主壩壩體滲水通過(guò)壩基和堆渣場(chǎng)下部排水帶排至東溝。壩基排水帶厚2.0～5.0m，堆渣場(chǎng)排水帶厚5.0m，底寬47～50m，綜合坡比7%。

（5）副壩壩體、壩基滲水通過(guò)壩體（設(shè)置一排垂直的D200mm無(wú)砂混凝土排水管，間距3.0m）、壩基排水管經(jīng)壩體廊道排水溝進(jìn)入集水井后，再通過(guò)3根250mm排水鋼管通向庫(kù)內(nèi)的庫(kù)底排水廊道。

（6）在壩后排水棱體的下游設(shè)置量水堰，量測(cè)上水庫(kù)滲漏水量。

岸坡瀝青混凝土面板滲水沿排水墊層下滲，墊層底部埋設(shè)有100mmPVC排水管，將滲水排至庫(kù)底排水廊道，排水廊道穿過(guò)主壩通往東溝河道。壩坡滲水沿排水墊層順壩基和壩后堆渣底部的排水帶排至東溝。庫(kù)底滲水一部分沿庫(kù)底埋設(shè)的排水管進(jìn)入排水廊道，一部分沿庫(kù)底過(guò)渡層、壩基排水層和保留的覆蓋層經(jīng)壩后排水棱體排至東溝。

2 上水庫(kù)滲流監(jiān)測(cè)成果分析

2.1 上水庫(kù)滲流監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)布置

（1）大壩滲流監(jiān)測(cè)。

壩基滲壓監(jiān)測(cè)：在樁號(hào)0+245.86、樁號(hào)0+306.00、樁號(hào)0+374.20開挖基礎(chǔ)上共計(jì)布置滲壓計(jì)27支。

壩體滲流監(jiān)測(cè)：在樁號(hào)0+245.86（高程740.00m、高程768.00m），樁號(hào)0+306.00（基礎(chǔ)上10m、高程743.00m、高程768.00m），樁號(hào)0+374.20（高程748.00m、高程768.00m）等部位共計(jì)布置滲壓計(jì)27支。

（2）庫(kù)盆滲流監(jiān)測(cè)。

滲壓滲流監(jiān)測(cè)：為監(jiān)測(cè)瀝青混凝土面板及庫(kù)盆基礎(chǔ)防滲層的防滲效果，在庫(kù)盆基礎(chǔ)及瀝青混凝土面板下面共布置滲壓計(jì)80支，4號(hào)沖溝7支，共計(jì)87支；在庫(kù)盆左右岸排水洞內(nèi)各布置4座量水堰進(jìn)行滲流量監(jiān)測(cè)[8]。

上水庫(kù)滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2007年開始安裝取得初始值已持續(xù)觀測(cè)了十年，取得了系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 主壩滲流滲壓監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)大壩壩基和壩體滲流情況，在主壩壩基安裝埋設(shè)了27支滲壓計(jì)、壩體不同高程及瀝青混凝土面板下埋設(shè)了27支滲壓計(jì)[3]。歷史監(jiān)測(cè)資料顯示（2007～2016年），在上水庫(kù)蓄水位至最高水位的情況下，壩體和壩基儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定，主壩壩體及壩基滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)成果表明，除壩體P1-98（9.29m）測(cè)點(diǎn)有較小滲壓水頭外，壩體及壩基其余測(cè)點(diǎn)滲壓水頭基本為零，總體上壩基和壩體滲壓水頭很小，大壩瀝青混凝土面板防滲效果很好[2]，主要滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)的特征值見表1。

表1 主壩壩基和壩體主要滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)特征值表Table 1 Characteristic value of seepage monitoring points in main dam foundation and dam body

主壩壩體最大滲壓水頭為9.29m（P1-98測(cè)點(diǎn)），該點(diǎn)在主壩左邊基礎(chǔ)附近，開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)附近有一泉水，施工時(shí)把泉水引到排水廊道進(jìn)行了處理[1]。從圖2過(guò)程線上可以看出P1-98測(cè)值與庫(kù)水位沒(méi)有相關(guān)性，而與降雨量相關(guān)，總體上看該部位處于穩(wěn)定狀態(tài)。壩基滲壓計(jì)P1-98、P1-139監(jiān)測(cè)值過(guò)程線見圖2。

圖2 壩基滲壓計(jì)P1-98、P1-139監(jiān)測(cè)值過(guò)程線Figure 2 Seepage pressure monitoring data of P1-98、 P1-139 in dam foundation

2.3 庫(kù)盆滲流監(jiān)測(cè)

上水庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為EL.758m～EL.789.60m，近幾年一般在EL.762m～EL.787m之間運(yùn)行，日最大水位變化幅度在25m左右。上水庫(kù)庫(kù)盆共安裝埋設(shè)了87支滲壓計(jì)、4座庫(kù)底廊道量水堰及1座壩后量水堰。從觀測(cè)值可以看出大部分滲壓水頭基本為零，總體上水庫(kù)盆滲壓水頭很小，庫(kù)底黏土和庫(kù)盆瀝青混凝土面板防滲效果很好[7]。表2為庫(kù)盆主要滲壓測(cè)點(diǎn)特征值統(tǒng)計(jì)。

表2 庫(kù)盆主要滲壓測(cè)點(diǎn)特征值統(tǒng)計(jì)表（2016年12月）Table 2 Characteristic value of the main seepage pressure monitoring point in the basin

續(xù)表

監(jiān)測(cè)資料顯示滲壓計(jì)P1-67實(shí)測(cè)滲壓水頭最大，從過(guò)程線中看出P1-67測(cè)值主要隨上水庫(kù)水位的變化而變化；從目前監(jiān)測(cè)成果看，P1-67等滲壓計(jì)測(cè)值雖在蓄水期間有所增加，但該變化量遠(yuǎn)小于庫(kù)水位變化，說(shuō)明該儀器監(jiān)測(cè)區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)明顯的庫(kù)水滲流通道。蓄水以來(lái)壩基滲壓計(jì)P1-49、P1-67點(diǎn)監(jiān)測(cè)值過(guò)程線見圖3。

圖3 蓄水以來(lái)壩基滲壓計(jì)P1-49、P1-67點(diǎn)監(jiān)測(cè)值過(guò)程線Figure 3 Dam foundation seepage pressure P1-49、 P1-67 monitoring data since water storage

2017年12月庫(kù)底廊道量水堰實(shí)測(cè)滲流總量為1.46L/s， 廊道內(nèi)各排水孔水質(zhì)清澈，滲流量變化與庫(kù)水位關(guān)系較明顯，未見異常現(xiàn)象。WI1-01、WI1-04為庫(kù)岸側(cè)，WI1-02、WI1-03為庫(kù)盆側(cè)，右岸量水堰監(jiān)測(cè)的最大值是副壩混凝土面板滲漏，在混凝土面板上涂刷聚脲后不滲漏：左岸量水堰監(jiān)測(cè)的最大值是2011年特大暴雨，瀝青混凝土面板下面山體出水，造成庫(kù)盆瀝青混凝土面板局部塌陷，處理后不滲漏。目前庫(kù)盆側(cè)的滲流量均為進(jìn)出水口部位（混凝土）排水孔滲流，瀝青混凝土和黏土防滲部位的排水孔均無(wú)水流，說(shuō)明庫(kù)底黏土和庫(kù)岸瀝青混凝土防滲效果很好。利用上水庫(kù)放空檢查的機(jī)會(huì)，對(duì)前池混凝土板接縫進(jìn)行填充BGB和涂刷聚脲處理，在漿砌石副壩壩面涂刷了聚脲[6]，WI1-02主要監(jiān)測(cè)副壩的滲漏情況，目前沒(méi)有滲漏量，說(shuō)明防滲效果很好。庫(kù)底廊道滲流量測(cè)點(diǎn)特征值見表3。

表3 庫(kù)底廊道滲流量測(cè)點(diǎn)特征值統(tǒng)計(jì)表（2016年12月）Table 3 Statistic value of seepage in the bottom corridor

2.4 副壩壩體及壩基滲流

在副壩壩體及壩基共埋設(shè)了17支滲壓計(jì)用于監(jiān)測(cè)壩體與壩基的滲壓水頭，副壩是兩面擋水設(shè)計(jì)。因副壩壩后消力池內(nèi)長(zhǎng)期有積水，該部位滲壓計(jì)的滲壓水頭比其他滲壓計(jì)稍大，目前該部位滲壓計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定，工作狀態(tài)正常。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明副壩壩體及壩基無(wú)滲流，防滲效果較好。副壩滲壓計(jì)P1-04監(jiān)測(cè)值過(guò)程線見圖4。

圖4 副壩滲壓計(jì)P1-04監(jiān)測(cè)值過(guò)程線Figure 4 Seepage pressure monitoring data of P1-04 in auxiliary dam

2.5 工程總滲漏量分析

寶泉上水庫(kù)總滲漏量為主壩滲漏量、庫(kù)盆（庫(kù)岸面板與庫(kù)底）滲漏量之和。該工程監(jiān)測(cè)的為主壩壩后排水溝滲漏量及庫(kù)盆滲漏量。

（1）設(shè)計(jì)計(jì)算得出的采用防滲措施后總滲漏量為14.9 L/s，日滲流量1288m3/d。在2008年9月黏土鋪蓋缺陷、2009年9月強(qiáng)降雨導(dǎo)致瀝青混凝土面板塌陷、出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致漏水時(shí)壩后量水堰測(cè)值較大，實(shí)測(cè)總滲漏量最大為10.27L/s，修復(fù)后其余時(shí)段量值基本為0。

（2）參照《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（DL/T 5028—2005）提供的參考值，日滲漏量可控制在不大于1/5000～1/2000的總庫(kù)容（782.5萬(wàn)m3）范圍內(nèi)，即1565m3/d（18.11L/s）～3912.5m3/d（45.28L/s）之間。2011年上水庫(kù)重新蓄水至2017年底平均滲流量1.46L/s，總滲漏量小于該范圍，滲漏量較小。

（3）與國(guó)內(nèi)十三陵、泰安抽水蓄能電站不同防滲方式的上水庫(kù)大壩及庫(kù)盆總滲漏量比較，寶泉滲漏量較小，滲水量統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站上水庫(kù)（大壩及庫(kù)盆）總滲漏量統(tǒng)計(jì)表Table 4 Total seepage of the upper reservoir（dam and reservoir） of domestic pumped storage power stations

3 結(jié)束語(yǔ)

黏土鋪蓋與瀝青混凝土護(hù)面聯(lián)合防滲體系，在國(guó)內(nèi)寶泉抽水蓄能電站上水庫(kù)還是首次采用。這種防滲體系要運(yùn)用成功，除了要正確設(shè)計(jì)瀝青混凝土、黏土鋪蓋本身的結(jié)構(gòu)外，還要著重解決各種防滲結(jié)構(gòu)的接頭問(wèn)題，以及瀝青混凝土面板基礎(chǔ)的不均勻沉降和黏土的滲透破壞問(wèn)題[8]，更重要的是做好施工質(zhì)量控制，保證黏土鋪蓋和瀝青混凝土質(zhì)量。

庫(kù)底廊道量水堰監(jiān)測(cè)成果表明目前總滲水量為1.46L/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)指標(biāo)，在副壩面板涂刷聚脲后，基本上沒(méi)有滲漏，防滲效果很好。寶泉抽水蓄能電站上水庫(kù)防滲體系的成功應(yīng)用，為今后類似的工程提供了有益的參考。