抽水蓄能電站全庫盆防滲形式選擇與設(shè)計

辛俊生，王富強(qiáng)，郝軍剛

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

隨著國家“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的提出，抽水蓄能電站建設(shè)進(jìn)入了前所未有的快速發(fā)展階段。國家發(fā)展改革委、國家能源局先后印發(fā)了《進(jìn)一步完善抽水蓄能價格形成機(jī)制的意見》[1]和《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》[2]作為指導(dǎo)抽水蓄能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綱領(lǐng)性文件，為抽水蓄能快速發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)?！笆奈濉逼陂g，我國抽水蓄能產(chǎn)業(yè)全面進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新階段[3]。根據(jù)抽水蓄能電站核準(zhǔn)計劃，“十四五”期間擬核準(zhǔn)建設(shè)抽水蓄能電站項目219個、共計2.7億kW[2]，目前眾多抽水蓄能電站工程正在抓緊推進(jìn)前期工作。

當(dāng)庫區(qū)巖體巖溶或裂隙發(fā)育、地下水位低、不透水層埋深大時，需采用全庫盆防滲方案。目前，采用全庫盆防滲的工程應(yīng)用較多的有全庫盆瀝青混凝土面板、庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜2種防滲方案，此外還有一些工程采用其他組合防滲方案。最早采用全庫盆防滲方案的工程為浙江天荒坪抽水蓄能電站，上水庫采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲，下水庫采用庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜防滲。后來也有一些工程相繼采用了全庫盆防滲方案，例如，張河灣、西龍池、呼和浩特抽水蓄能電站上水庫均采用了瀝青混凝土面板全庫盆防滲[4-5]，溧陽抽水蓄能電站上水庫采用了庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲[6]。此外，由于各工程的建設(shè)條件不同，也有部分工程采用了一些其他組合形式的防滲方案，例如，句容抽水蓄能電站上水庫采用了庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜防滲，下水庫采用了庫岸瀝青混凝土+庫底黏土鋪蓋防滲，鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上水庫采用了庫岸鋼筋混凝土面板+庫底瀝青混凝土面板防滲。

本文總結(jié)了抽水蓄能電站全庫盆不同防滲形式的主要技術(shù)特點(diǎn)，探討全庫盆防滲形式選擇應(yīng)考慮的主要因素，為庫盆防滲設(shè)計提供參考。

1 采用全庫盆防滲的抽水蓄能工程

本文收集了我國采用全庫盆防滲的部分抽水蓄能電站工程實例，工程的部分設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 抽水蓄能電站全庫盆防滲典型工程匯總

由表1可知：①較多已建工程采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲。②有幾個項目采用庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲，除溧陽抽水蓄能電站上水庫為已建工程外，多數(shù)項目仍處于前期論證階段。③有些項目采用其他組合防滲方案，例如，句容抽水蓄能電站上水庫為適應(yīng)庫底超高填筑體不均勻沉降變形，采用庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜防滲方案，部分項目結(jié)合黏土料源豐富的特點(diǎn)，采用了庫底黏土防滲。

2 各種防滲結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

抽水蓄能電站庫盆防滲形式主要有瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土面板、土工膜、黏土防滲等，以及各種防滲結(jié)構(gòu)的組合[7]。

2.1 瀝青混凝土面板

瀝青混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)目前一般采用簡式防滲面板，自上而下依次為瀝青瑪蹄脂封閉層、厚0.2、10 cm瀝青混凝土防滲層和厚10 cm瀝青混凝土整平膠結(jié)層；瀝青混凝土面板結(jié)構(gòu)下部為填筑壩體時需設(shè)置的墊層和過渡層，下部為岸坡基巖時僅設(shè)置墊層區(qū)，以便排除面板后滲漏水，滲水通過墊層匯集于壩基排水廊道排出。墊層區(qū)和過渡區(qū)厚度根據(jù)反濾排水需要結(jié)合碾壓施工要求確定。瀝青混凝土面板坡度通常不陡于1∶1.7。

瀝青混凝土面板結(jié)構(gòu)防滲性能較優(yōu)，其滲透系數(shù)<1×10-8cm/s。面板施工一般采用成套設(shè)備完成攤鋪、碾壓施工，機(jī)械化施工效率高，條幅施工速度可到60～120 m/h，月施工強(qiáng)度可達(dá)2萬～3萬m2，由于瀝青面板為高溫攤鋪施工，施工縫接頭處理較為方便，工效和質(zhì)量保證率高。瀝青混凝土屬于柔性防滲結(jié)構(gòu)，25 ℃時可承受8%的彎拉應(yīng)變不漏水，2 ℃時可承受2%的彎拉應(yīng)變不漏水，面板不需設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，適應(yīng)基礎(chǔ)不均勻變形能力強(qiáng)。此外，瀝青混凝土具備適應(yīng)寒冷氣候的特點(diǎn)，呼和浩特抽水蓄能電站上水庫極端最低氣溫為-41.8 ℃，瀝青混凝土面板采用改性瀝青，凍斷溫度達(dá)-45 ℃[5]，工程于2013年蓄水，目前運(yùn)行良好。

2.2 鋼筋混凝土面板

鋼筋混凝土面板為最為常用的防滲結(jié)構(gòu)，已建抽水蓄能電站應(yīng)用混凝土面板堆石壩壩型的項目最多，工程經(jīng)驗豐富。為控制最大揚(yáng)程與最小發(fā)電水頭比值，上、下水庫的消落深度和混凝土面板承受的水頭通常不大，為便于施工常采用等厚混凝土面板設(shè)計，厚度可結(jié)合規(guī)范和工程具體要求確定。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)，承受不均勻變形能力較弱，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)縫以適應(yīng)不均勻變形，結(jié)構(gòu)分縫間距一般為12～18 m，結(jié)構(gòu)縫底部設(shè)銅片止水，頂部設(shè)塑性止水。在寒冷地區(qū)，為提高混凝土耐久性，減少面板溫度裂縫影響，部分工程在混凝土面板表層還涂刷防滲涂層，由于防滲涂層價格較高，對工程投資影響較大。鋼筋混凝土面板上游坡度通常采用1∶1.4。

鋼筋混凝土面板采用滑模施工，施工速度較快，但受接縫止水施工影響，整體施工速度低于瀝青混凝土面板。

2.3 土工膜防滲

土工膜是典型的柔性結(jié)構(gòu)，具有很好的彈性、適應(yīng)變形的能力和防滲性能，其斷裂伸長率≥200%，適應(yīng)不均勻沉降的能力強(qiáng)，對地基、庫底回填料料源及填筑碾壓標(biāo)準(zhǔn)要求相對較低；土工膜自身具有良好的防滲性能，滿足質(zhì)量要求的土工膜滲透系數(shù)可達(dá)10-11～10-13cm/s。

土工膜接頭需熱熔焊接，土工膜與混凝土等其他材料之間的接頭連接較為復(fù)雜，施工程序也較為復(fù)雜，需要的人工數(shù)量較多；同時耐久性能較差，暴露在陽光中易產(chǎn)生老化。目前，在全庫盆防滲的抽水蓄能電站中，一般用于庫底防滲。

2.4 黏土防滲

在黏土材料較豐富地區(qū)，可考慮采用黏土防滲。對黏土的要求可參考防滲土料相關(guān)要求，并做好與相關(guān)結(jié)構(gòu)之間的連接設(shè)計。寶泉抽水蓄能電站上水庫和句容抽水蓄能電站下水庫庫底均采用了黏土鋪蓋防滲。

2.5 幾種主要防滲結(jié)構(gòu)形式主要特點(diǎn)對比

瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土面板和土工膜均具有較好的防滲性能，在施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求的前提下，均可滿足抽水蓄能電站的防滲要求。3種防滲形式的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 不同防滲形式主要優(yōu)缺點(diǎn)對比

由表2可知：①瀝青混凝土面板適應(yīng)變形能力強(qiáng)，不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，采用成套設(shè)備機(jī)械化施工，施工速度較快，質(zhì)量保證性好。②鋼筋混凝土面板施工前需綁扎鋼筋，面板需設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，接縫止水結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，但混凝土面板在水電工程中應(yīng)用廣泛，具有成熟的施工經(jīng)驗。③土工膜型號較多，質(zhì)量差異比較大，幅寬一般為6～8 m，不同條帶間一般采用熱熔焊接，與混凝土面板之間一般采用錨固連接，接頭施工工藝較為復(fù)雜，人工用量較多，接頭及接頭交叉部位質(zhì)量保證性較差，需加強(qiáng)接頭施工質(zhì)量管控，并做好施工期和運(yùn)行期土工膜保護(hù)。

瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土面板和土工膜防滲3種防滲結(jié)構(gòu)均為薄型結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較輕，承受反向水壓力能力極低，因此，應(yīng)重視并重點(diǎn)做好防滲結(jié)構(gòu)的下游排水措施，土工膜同時應(yīng)設(shè)置一定的壓重。

3 庫盆防滲形式選擇主要考慮因素

3.1 防滲體系對地形地質(zhì)條件的適應(yīng)性

瀝青混凝土面板坡度通常采用1∶1.75，鋼筋混凝土面板通常采用1∶1.4。若庫盆兩岸岸坡陡峻，采用鋼筋混凝土面板對庫岸及庫盆以上的邊坡開口線控制較為有利。應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件，選擇適宜的庫盆防滲形式。

3.2 防滲體系適應(yīng)變形的能力

若整個庫盆基礎(chǔ)為覆蓋層或岸坡巖體質(zhì)量較差，瀝青混凝土面板坡度較緩、適應(yīng)變形能力較強(qiáng)，采用瀝青混凝土面板防滲更有利于控制庫盆岸坡穩(wěn)定和適應(yīng)庫盆基礎(chǔ)不均勻沉降變形。土工膜斷裂伸長率通?？蛇_(dá)200%以上，適應(yīng)變形能力最強(qiáng)，若庫盆地基覆蓋層深厚或庫底回填厚度大，采用土工膜更有利于適應(yīng)庫底較大沉降變形，但由于其接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常在和不同材料之間的接頭或自身焊接接頭產(chǎn)生破損，或在外力作用下產(chǎn)生破損，實際過程中往往無法完全發(fā)揮其優(yōu)良的防滲和變形能力，需加強(qiáng)施工質(zhì)量控制。鋼筋混凝土面板為剛性結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)基礎(chǔ)的不均勻沉降變形，通常需設(shè)置結(jié)構(gòu)縫以適應(yīng)變形，適應(yīng)基礎(chǔ)不均勻變形能力相對較弱。

3.3 施工可靠性和難易程度

瀝青混凝土面板機(jī)械化施工程度高，不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，施工質(zhì)量易保證，需要的人工數(shù)量少。鋼筋混凝土面板需設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，接縫止水通常設(shè)置底部銅片止水和表層塑性止水。銅片止水接頭通常在現(xiàn)場焊接，在施工中常因保護(hù)措施不足容易破損，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)難度較大，異形銅片止水通常需要在專用工廠整體沖壓成型；接縫止水施工程序較為復(fù)雜，質(zhì)量保證性較差。土工膜通常為6 m或8 m一幅，不同幅土工膜之間采用熱熔焊接，縱橫接縫相交處施工難度較大，質(zhì)量保證性較低，另外土工膜和其他材料之間連接結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，需刷底膠后采用扁鋼壓條壓邊然后用螺栓錨固。

3.4 建筑材料需求

瀝青混凝土通常需要采用堿性骨料，部分工程由于堿性骨料缺乏或運(yùn)距較遠(yuǎn)，造成瀝青混凝土單價較高，導(dǎo)致采用瀝青混凝土面板防滲經(jīng)濟(jì)性較差。目前，國內(nèi)也有部分工程經(jīng)過大量的科研和試驗，瀝青混凝土采用了部分酸性骨料，例如，沂蒙抽水蓄能電站上水庫部分瀝青混凝土采用了酸性骨料。

3.5 工程量和防滲方案的經(jīng)濟(jì)性

為便于進(jìn)行直觀對比，考慮抽水蓄能電站的一般庫容要求和水頭變幅，采用簡化模型對不同防滲形式的全庫盆防滲工程防滲結(jié)構(gòu)主要工程量進(jìn)行對比，以便梳理不同防滲形式之間的主要差異。簡化模型假定水庫總?cè)莘e1 000萬m3，庫底到庫頂總高度40 m，瀝青混凝土面板坡度1∶1.75，鋼筋混凝土面板坡度1∶1.4。

3.5.1 庫盆形狀對防滲工程量影響分析

不同的工程根據(jù)水庫區(qū)地形地質(zhì)條件，庫盆形狀往往不同，在山頂臺地或山坳筑壩成庫，庫盆防滲形狀受地形限制較小，可采用不同的形狀，利用溝谷筑壩成庫通常為峽谷溝道形水庫，不通過的庫盆形狀，庫容相同，需要的庫盆防滲面積不同。本文對在相同庫容和庫頂庫底高差條件下，不同形狀的庫盆防滲總面積進(jìn)行了對比分析，對比結(jié)果如表3所示。

表3 相同庫容條件下不同庫盆形狀防滲總面積對比

由表3可知，通常的長方形庫盆，假設(shè)庫底長方形長邊和短邊邊長的比值為10∶1，總庫容1 000萬m3，庫頂和庫底高差為40 m，庫底和庫岸防滲總面積為394 187 m2，其面積是相同庫容圓形庫盆面積的1.29倍，庫盆趨近正方形，其防滲總面積相應(yīng)減??；正方形、五邊形、六邊形和圓形庫盆形狀，相同庫容和庫頂庫底高差下防滲總面積差別不大，正方形庫盆比圓形庫盆的防滲總面積僅增加約3%?？傮w來看，狹長形庫盆總體防滲面積較大，但趨近正方形后，庫盆形狀對防滲總面積的影響不大。

圖1 總庫容1 000萬m3不同庫盆形狀庫盆防滲結(jié)構(gòu)總面積對比

3.5.2 坡度對防滲面積影響分析

在相同庫容條件下，采用不同的岸坡坡度，防滲面積有所差異。采用峽谷形庫盆，假設(shè)長寬比為10∶1時，庫盆防滲面積隨岸坡坡度的變化見表4。

表4 不同庫岸坡度庫盆防滲總面積對比

由表4可知，在相同庫容條件下，采用較緩的上游坡度，庫盆防滲面積增加，庫底防滲面積減小，總面積增加。采用瀝青混凝土面板或鋼筋混凝土面板防滲，在相同庫容條件下，需要的防滲結(jié)構(gòu)總面積差異不大，瀝青混凝土面板方案防滲面積比鋼筋混凝土面板防滲方案防滲總面積增加約4%。

圖2 不同岸坡坡度庫盆防滲結(jié)構(gòu)總面積對比

3.5.3 不同坡度對壩體填筑工程量的影響

考慮不同的防滲形式和壩料性質(zhì)，由于壩坡坡度不同，在河谷形狀等一定的條件下，采用簡化模型研究了壩坡變化對填筑工程量的影響。簡化模型假定建基面河谷寬度為100 m，兩岸岸坡平順、坡度均為1∶0.75，壩高90 m，下游壩坡坡度為1∶1.5，上游壩坡坡度由1∶1.4變化至1∶2.0，壩體體積變化見表5。根據(jù)分析，壩坡越緩壩體填筑工程量越大，在假定模型條件下，瀝青混凝土面板堆石壩是鋼筋混凝土面板堆石壩填筑工程量的1.1倍。

表5 不同上游壩坡壩體填筑工程量對比

從以上分析可知，在相同庫容條件下，采用瀝青混凝土面板或鋼筋混凝土面板防滲方案，兩種防滲方案防滲結(jié)構(gòu)總體面積工程量差異不大，但由于壩體坡度不同，對填筑工程量影響較為顯著。

不同防滲形式的主要差異體現(xiàn)在2個方面：①由于壩體坡度不同引起的防滲面積、庫盆開挖、壩體填筑工程量等的差異；②由于瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土與結(jié)構(gòu)縫止水單價、土工膜單價不同引起的投資差異。

3.5.4 不同防滲結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性對比

通過對全庫盆瀝青、庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜和全庫盆鋼筋混凝土3種不同結(jié)構(gòu)的防滲形式進(jìn)行工程投資估算可知，鋼筋混凝土面板由于面板混凝土、鋼筋和接縫止水的單價較高，采用全庫盆鋼筋混凝土防滲工程投資最高。未考慮庫頂以上開挖邊坡影響的情況下，瀝青混凝土面板全庫盆防滲總體工程投資居中；庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲方案，由于土工膜的單價低，采用庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜方案的工程投資最低。但由于市場上土工膜質(zhì)量參差不齊，若采用質(zhì)量保證性高的的土工膜，單價將會較大提高，且由于土工膜基礎(chǔ)處理和防護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程投資會顯著增加。

3.5.5 運(yùn)行可靠性及檢修方便程度

根據(jù)已有工程的運(yùn)行經(jīng)驗，瀝青混凝土面板防滲的運(yùn)行可靠性較高，修復(fù)處理難度較小，修復(fù)速度較快，修復(fù)后可立即重新蓄水運(yùn)行；鋼筋混凝土面板易產(chǎn)生裂縫，根據(jù)裂縫的寬度和深度需要采取不同的處理措施，若接縫止水產(chǎn)生缺陷，缺陷段止水往往需要替換，修復(fù)處理工藝較為復(fù)雜；土工膜抗沖擊能力較差，在外力作用下易破損，土工膜產(chǎn)生缺陷破損，修復(fù)處理速度較快，但查找缺陷具體部位難度較大。

4 結(jié) 語

隨著抽水蓄能電站建設(shè)的推進(jìn)，越來越多的抽水蓄能電站工程需要采用全庫盆防滲方案。由于水資源緊缺且地質(zhì)條件較差，地下水位遠(yuǎn)低于正常蓄水位，相對不透水層埋藏較深，處于西北、新疆等地區(qū)的抽水蓄能電站項目多數(shù)上水庫采用了全庫盆防滲方案。

防滲形式選擇應(yīng)綜合考慮地形地質(zhì)條件、防滲形式的適宜性、防滲效果、施工可靠性、工程投資等因素進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。目前，采用全庫盆防滲的工程應(yīng)用較多的有全庫盆瀝青混凝土面板防滲、庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲2種方案，此外還有一些工程采用其他組合防滲形式。鋼筋混凝土面板為最常用的防滲結(jié)構(gòu)，已建的抽水蓄能電站中混凝土面板堆石壩壩型應(yīng)用最多。部分工程綜合考慮防滲效果、工程投資等因素，選擇采用庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲方案，但該防滲形式已建工程實例不多，由于土工膜及土工膜與庫岸混凝土等接頭較多，施工期需重點(diǎn)關(guān)注不同材料之間接頭的連接質(zhì)量問題，并加強(qiáng)庫岸和庫底排水設(shè)計。