抽水蓄能電站庫盆的防滲型式*

臧真麟，劉志林

（西藏農(nóng)牧學(xué)院 水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000）

1 概述

抽水蓄能電站是當(dāng)電站電力處于負荷狀態(tài)或者出于用電低峰時，利用過剩電力將下游水庫的水運送至上水庫；當(dāng)處于電能負荷高峰期時，再將抽送至上水庫的水源下方完成發(fā)電。抽水蓄能電站的上水庫常水頭一般較高，附近水源補給不多，滲漏的水量即意味著損失的電量，并且滲漏的水源還有可能危及到水庫周邊建筑物、岸坡的地基安全。由此，抽水蓄能電站水庫的防滲要求一般較高。

2 垂直防滲式

垂直防滲通常指在庫址和庫周設(shè)的幕帷灌漿或者垂直防滲墻，但在實際施工中，以幕帷灌漿作為防滲方案居多。

幕帷灌漿防滲的原理是將漿液灌入巖體或者土層的裂縫中，利用形成的連續(xù)帷幕減少水源的滲漏。帷幕的頂部要與閘底板或者庫體相連接，底部要一定程度的深入不透水巖體。

當(dāng)水庫臨近高達山體且水庫地下水位偏高時，若地質(zhì)條件比較理想，則僅在庫體地下水位較低區(qū)域?qū)嵤┽∧还酀{即可解決滲漏問題。與表面防滲方案相比，帷幕灌漿防滲技術(shù)相對成熟，對施工現(xiàn)場要求低，施工簡單，工程成本相對較低[1]。

其局限性在于帷幕的質(zhì)量不能得到保證，可靠性差。其原因在幾個方面：（1）施工質(zhì)量的影響。施工過程中，可能存在鉆孔孔斜偏差、灌漿壓力和漿液濃度的選擇或調(diào)整不當(dāng)影響帷幕質(zhì)量，從而達不到預(yù)定的防滲效果。（2）帷幕密實性能的影響。帷幕幕體的密實性與其防滲效果以及耐久性有直接關(guān)系。實驗數(shù)據(jù)表明，即使施工現(xiàn)場嚴格按照灌漿（ω<0.002）進行灌漿，幕體中仍然存在相當(dāng)部分的滲漏孔隙，存在向外滲流通道，影響防滲效果。（3）特殊地層的影響。穿過某些特殊的地層（如破碎帶等）會對帷幕產(chǎn)生不良影響。當(dāng)巖體自身的抗力不足或具有不完整性時，原有的裂縫會在庫體與水壓力的作用下張開，破壞帷幕的完整性，影響防滲效果。（4）地下水侵蝕的影響。地下水對帷幕的影響是長期作用的后果，其中最明顯的是溶出性侵蝕，由圖1 可見，其CaO 的累積溶出率大于25%時將會導(dǎo)致結(jié)石強度急劇下降[2]。

圖1 CaO 溶出率與抗壓強度的關(guān)系曲線

其次，幕帷灌漿防滲的局限性在于其并不能將庫水與庫岸分隔開，不能保證水庫岸坡的穩(wěn)定性。水-巖作用對巖石的物理、化學(xué)損傷效應(yīng)對巖石的巖體強度影響顯著，隨著時間的延長，水庫岸坡的穩(wěn)定性下降，產(chǎn)生安全隱患[3]。

工程實例：

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內(nèi)。上水庫主要建筑物由面板堆石壩、進/出水口、庫岸、庫底、導(dǎo)流洞等組成。庫周帷幕布置在右岸庫周的山脊上，防滲帷幕軸線長1618.6m。設(shè)計帷幕灌漿為單排孔，孔距2.0m，孔深55.7～99.9m，帷幕深入基巖相對不透水層以下3.0m。帷幕灌漿采取自下而上分段卡塞、孔內(nèi)循環(huán)式灌漿法；對不良部位采用自上而下分段孔口封閉灌漿法施工[4]。

3 表面防滲式

3.1 土工膜防滲

土工膜作為防滲材料的優(yōu)勢有：適應(yīng)性強，延展性好。當(dāng)以土基或者變形大的堆石作為防滲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)時，土工膜能很好的適應(yīng)地基的變形；施工簡便，施工的復(fù)雜性低，設(shè)備投入少，施工周期短[1]；造價低，單位面積投入少，與瀝青混凝土防滲等方案相比經(jīng)濟性顯著；質(zhì)量輕，容易搬運和儲存。

土工膜防滲所選取的土工膜材料主要有HDPE（高密度聚乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）、CSPE（氯磺化聚乙烯）等塑料材料。在國外，土工膜主要應(yīng)用于壩面防滲、填筑壩壩內(nèi)防滲、水庫及池底襯護、渠道襯護、地下工程防水等[5]。

工程實例：

江蘇省某市區(qū)新建一座蓄能電站[7]，僅靠市區(qū)，是日調(diào)節(jié)式抽水蓄能電站，裝機容量1350 MW。上水庫由混凝土主（副）壩、庫盆防滲等組成。

該抽水蓄能電站上水庫周圍地勢復(fù)雜，所依靠的山體主要為弱-中強度的白云巖，有較強的透水性和通透性，而且?guī)r層內(nèi)部存在通向庫外的巖溶管道。

考慮到上水庫防滲難度大，要求高，而且?guī)r斷層內(nèi)部可能出現(xiàn)了集中滲漏，因此不能使用垂直帷幕的方法做防滲處理，故采用瀝青混凝土面板防滲，保證庫岸的工程質(zhì)量；采用1.5mm 厚的HDPE 土工膜作為防滲施工的案底防滲材料，該種土工膜性能優(yōu)良，具有抗老化、抗高溫以及耐腐蝕等特性，保證了庫底的防滲能力。上水庫平面布置見圖2。

該方案的最終結(jié)構(gòu)布置方案為（自上而下）：

圖2 江蘇省某抽水蓄能電站總平面布置圖

（1）1.5m*1.5m 為間距布置的30kg 土工布沙袋壓覆。

（2）土工布覆蓋。

（3）1.5mm 厚的 HDPE 土工膜防滲層。

（4）6mm 厚土工席墊（粒徑在30cm 以內(nèi)的開挖爆破料）。

（5）60cm 厚下支持墊層（上部20cm 厚粒徑小于2cm，下部40cm 厚粒徑小于4cm）。

（6）150cm 厚下支持過渡層。

（7）80cm 厚碎石排水墊層。

3.2 聚脲噴涂防滲式

與傳統(tǒng)瀝青和橡膠防滲相比，聚脲噴涂防滲方案的防滲水性能更加出色，而且擁有更好的基礎(chǔ)適應(yīng)性以及溫度變形性；附著性好，抗拉強度高，更具有耐摩擦、耐老化、耐腐蝕等特點；在施工設(shè)備及人員上投入較少，施工方便。

該方案的局限性在于以下幾點：一是對聚脲材料的要求較高；二是對施工的環(huán)境要求極高。原因在于若基面的強度、密實性或者透水性等性能達不到施工要求，由于噴涂聚脲有著非?？斓姆磻?yīng)速度，會導(dǎo)致污染物滲透進入粘合界面[7]，最終使得涂層脫落，影響防滲性能。圖3 為在不同含水率的基面上進行噴涂聚脲試驗的試驗結(jié)果。

圖3 基面含水率對聚脲涂層黏結(jié)強度的影響曲線

噴涂聚脲的施工工藝一般為：基面處理、聚脲涂料噴涂、后處理、面漆施工等過程。聚脲主要分為雙組分和單組分兩種，雙組分可用專用噴涂設(shè)備噴涂施工，單組分可由人工涂抹施工。

工程實例：

回龍抽水蓄能電站位于河南省南陽市南召縣境內(nèi)的江淮分水嶺附近，工程總裝機容量120MW。上水庫包括主（副）壩、庫盆、進出水口等主要建筑物。

上水庫庫盆防滲方案采用混凝土面板與掛網(wǎng)噴混凝土面層結(jié)合的全封閉防滲方案。上水庫庫盆自建成后就一直存在滲漏問題，后針對此現(xiàn)象進行過多次防滲處理，但滲漏問題導(dǎo)致的防水砂漿保護層脫落、PVC 防滲涂層老化等現(xiàn)象一直存在。

后經(jīng)研究，采用了2mm 雙組分聚脲柔性材料表面防滲方案（雙組分聚脲材料是由異氰酸酯組分（A 料）與端氨基化合物組分（B 料）通過專用噴涂設(shè)備快速混合反應(yīng)形成的彈性涂層）。該方案綜合評價指標(biāo)如表1 所示[8]。

圖4 瀝青混凝土面板的兩種斷面形式

表1 2mm 雙組分聚脲柔性材料表面防滲透的給合性能

在施工完成后，為檢驗庫盆的防滲處理效果，遵循電站運行管理計劃對上水庫庫盆進行蓄水，蓄水期間不斷對主壩和上水庫庫盆滲漏量進行不間斷的監(jiān)測記錄，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2 所示。

從數(shù)據(jù)分析來看，上水庫庫盆和大壩滲漏量在經(jīng)過防滲處理后分別減少98.8%和99.9%，防滲效果十分顯著。該項治理項目在國內(nèi)首次采用了全庫盆大面積聚脲防滲，克服了地形、水壓等困難因素下的技術(shù)難題，成功解決的滲漏問題。

3.3 瀝青混凝土面板防滲式

隨著抽水蓄能電站的發(fā)展，瀝青混凝土面板以其優(yōu)越的防滲性能和適應(yīng)變形性被越來越多的工程所采用。代表工程有寶泉、天荒坪、西龍池等抽水蓄能電站。

瀝青混凝土面板具有良好的防滲性能，滲漏量小，防滲效果顯著；對壩基和填柱體的不均勻沉陷的適應(yīng)性強；無結(jié)構(gòu)縫，具有很好的完整性；易修復(fù)，修復(fù)破損面板工短而且修復(fù)后24 小時后即可蓄水。

該方案的短板在于其工藝控制復(fù)雜，而且部分材料及技術(shù)需要進口，造價較高；對瀝青的材料要求較高。

瀝青混凝土面板有復(fù)式和簡式兩種結(jié)構(gòu)。復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)層次較多，而且施工工藝較為復(fù)雜，費用高昂，近來已較少采用；簡式結(jié)構(gòu)由封閉層、防滲層、整平膠結(jié)層組成，斷面結(jié)構(gòu)層次簡單，工程安全可靠性高，工程造價較低，而且防滲性能優(yōu)良。圖4 為瀝青混凝土面板兩種結(jié)構(gòu)的簡圖[9]。

工程實例：

寶泉抽水蓄能電站位于河南省輝縣市薄壁鎮(zhèn)，上水庫為堆石壩，最大壩高93.9m，壩體防滲采用的瀝青混凝土面板，防滲面積達3.41 萬m2。

上水庫的瀝青混凝土面板采用了簡式斷面型式。瀝青混凝土面板厚20.2cm；其中整平膠結(jié)層一層鋪壓，防滲層兩層鋪壓，封閉層一次刷鋪。瀝青混凝土采用較細的堅硬細骨料，粒徑小于2.5mm，以增大沙子和瀝青的接觸面積使的混凝土更加密實。

表2 上水庫庫盆防滲處理前后相同水位滲漏量對比監(jiān)測

圖5 寶泉抽水蓄能電站上水庫平面布置圖

上水庫瀝青混凝土為3.21 萬m3，總防滲面積為17.43 萬 m2，大壩面板和岸坡坡度均為 1：1.7～1：2.0，最大斜坡長109.34m。圖5 為上水庫平面布置圖[10]。

排水層為瀝青輕附著的礫石，它匯集防滲面層的滲水，將其引入廊道或排水管排至填筑體外，排水層厚度一般為8～12cm。瀝青混凝土面板采用分層鋪筑，分條幅流水作業(yè)；條幅寬度為5m，最大斜坡長109.34m。

3.4 鋼筋混凝土面板防滲式

鋼筋混凝土面板從上世紀九十年代開始應(yīng)用于抽水蓄能電站的防滲施工，到目前為止，與瀝青混凝土面板同為在抽水蓄能電站中應(yīng)用的最為廣泛的全庫盆防滲型式。

圖6 宜興抽水蓄能電站上水庫平面布置圖

鋼筋混凝土面板的優(yōu)點為：防滲性能好，耐高溫、抗沖擊；施工技術(shù)成熟，周期短，速度快；能夠適應(yīng)坡度大的邊坡。

其局限性為：與瀝青混凝土面板相比，接縫設(shè)計以及面板裂縫修補較為復(fù)雜；溫度適應(yīng)性和基礎(chǔ)變形性差。

該種防滲型式的裂縫分為兩種：結(jié)構(gòu)性裂縫和收縮性裂縫。結(jié)構(gòu)性裂縫可能發(fā)生在基礎(chǔ)處理不當(dāng)?shù)娜珟炫杌炷撩姘骞こ?。裂縫的存在會影響到面板的耐久性以及造成鋼筋的銹蝕，造成防滲能力的下降。

如果面板出現(xiàn)溫度裂縫（混凝土在澆筑硬化的過程中會產(chǎn)生大量的水化熱，由于混凝土體積較大，導(dǎo)致內(nèi)外散熱不均勻，外快內(nèi)慢，使得內(nèi)外熱脹冷縮的程度不同，導(dǎo)致混凝土表面形成一定的拉應(yīng)力，由此形成了溫度裂縫），若裂縫寬度小于0.2mm，可直接涂刷環(huán)氧增厚涂料或者貼防滲蓋片處理裂縫；若為貫穿性裂縫，需要用設(shè)備鑿槽回填環(huán)氧砂漿、塑性止水材料等措施處理。

工程實例：

江蘇宜興抽水蓄能電站位于宜興市西南郊的銅官山區(qū)，該電站總裝機容量為1000MW，上水庫總庫容530.7萬m3。上水庫由主（副）壩、進出水口、庫盆及其防滲措施等組成。上水庫采用全庫盆鋼筋混凝土面板防滲，均采用0.4m 等厚面板在靠近趾板和連接板一側(cè)的混凝土面板增厚至0.6m。圖6 為該電站平面布置圖。

在除防浪墻分縫外其余接縫均設(shè)置兩道止水：底部銅止水片和表面塑形填料止水。防浪墻分縫設(shè)一道銅止水。

在主壩面板下設(shè)置墊層水平寬度為2m 的墊層；庫岸排水層采用厚度為30cm的C10 多孔混凝土。庫底面板底部設(shè)置PVC 排水花管，排除滲漏水。上水庫設(shè)置三套排水系統(tǒng)：主、副壩壩基排水系統(tǒng)和庫盆排水系統(tǒng)。

4 結(jié)論

在使用過程中，大多數(shù)的庫盆防滲型式均出現(xiàn)了一定的問題，應(yīng)繼續(xù)深入研究導(dǎo)致各種型式在使用中出裂縫、破壞的原因，以便改善型式結(jié)構(gòu)。

防滲問題在近些年得到了充分的發(fā)展，隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，也涌現(xiàn)出了像聚脲噴涂這種先進的防滲手段，雖然在技術(shù)實現(xiàn)上面臨著對施工環(huán)境的要求極高類似的困難，但是伴隨著科技的持續(xù)發(fā)展，類似技術(shù)可能會實現(xiàn)大規(guī)模、高精度的推廣使用。