溧陽抽水蓄能電站土工膜防滲應用綜述

龔家明，劉 聰，石含鑫，劉軍國

(1.江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇溧陽213334；2.中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066；3.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站樞紐建筑物由上、下水庫, 輸水系統及發電廠房系統等四部分組成。上水庫主要由1主2副混凝土面板堆石壩及庫周、庫底防滲體系形成，正常蓄水位291.00 m，總庫容1 423萬m3。主壩最大壩高165.00 m，壩頂長1 113.2 m；庫底通過開挖和回填整形，形成240、248 m高程兩大平臺，總面積約25萬m2，庫底回填石渣最大高度約70 m。該工程土工膜主要用于上水庫庫底防滲，最大工作水頭51.64 m，水頭變動最大速率6 m/h。本文重點針對上水庫庫底土工膜防滲方案研究、土工膜材料采購、現場施工及管理進行總結，以期能為同行提供參考借鑒。

2 庫底防滲方案研究

2.1 工程條件

電站地處江蘇與安徽交界處的溧陽市西南部，區域地形為志留系砂巖組成的低山，整體趨勢為西高東低，上水庫主要利用兩條平緩的沖溝修建3座面板堆石壩與山體合圍而成。由于上水庫庫周分水嶺整體較單薄，且巖體內斷層及節理裂隙密集發育，形成了較好的透水網絡，相對不透水層埋藏深80～150 m，低于正常蓄水位16～130 m。水庫蓄水后，庫水將通過分水嶺向庫外滲漏。同時，雖然未發現大規模斷層帶穿越，但由于小斷層發育，也易形成庫水外滲的集中通道，并有沿其發生滲透變形的可能，為此，本工程上水庫滲漏問題至關重要。

2.2 防滲方案

考慮到抽水蓄能電站對上水庫防滲要求較高，采用帷幕防滲不僅投資大，防滲效果也很難保障，可研階段就提出了上水庫宜采用全庫盆表面防滲的結構形式。由于上水庫庫底系采取降低兩條沖溝之間的山脊和填平溝谷的方式進行整形處理，最大填筑高度約70 m，庫底不均勻沉降變形問題比較突出。為適應不均勻沉降變形產生的影響，庫底防滲采用柔性防滲方式為佳。經對土工膜、瀝青混凝土面板、粘土及土工膜+粘土4種柔性防滲材料方案進行研究、比較(見表1)，在滿足滲漏、適應不均勻沉降變形的前提下，可研階段庫底防滲最后確定以投資相對較省、又便于后期修復處理的土工膜+粘土組合全庫底防滲方案。

表1 溧陽電站上水庫庫底防滲方案比較

可研之后，隨著對庫底防滲方案的進一步研究和對土工膜防滲技術征詢工作的開展，考慮到電站周邊有用的粘土料儲量不足且粘土碾壓施工難度相對較大等因素，對庫底防滲結構調整為全庫底土工膜防滲(取消黏土防滲層)方案，并經水電水利規劃設計總院組織專家評審確定。在開展土工膜材料采購技術交流的過程中，對土工膜防滲結構又進一步細化，對土工膜與大壩、庫岸以及庫內建筑物的連接方式等進行了優化，最終庫底防滲結構形式由上至下依次為0.2 m×0.2 m×0.1 cm混凝土預制塊網格狀壓覆、土工布(500 g/m2)、1.50 mm厚HDPE土工膜、三維復合排水網(1 300 g/m2)、0.05 m厚砂墊層、0.4 m厚碎石層、1.5 m厚過渡料層。并將土工膜延伸到庫底面板周邊縫機械連接進行封閉，與庫內建筑物采用水平機械連接。

3 材料采購

3.1 技術指標

根據溧陽電站上水庫庫底特點，土工膜采用黑色HDPE材料，要求土工膜實測密度≥0.94 g/cm3、單位面積質量≥1 410 g/m2、炭黑含量2.0%～3.0%、厚度1.50 mm。橫向、縱向物理性能參數為：拉伸屈服強度≥22 N/mm、拉伸屈服伸長率≥12%、拉伸斷裂強度≥40 N/mm、拉伸斷裂伸長率≥700%、直角撕裂負荷≥190 N；并要求抗刺穿強度≥480 N、拉伸負荷應力開裂時間(切口恒載應力法)≥300 h、常壓氧化誘導時間(OIT)≥100 min、85 ℃熱老化(90 d后常壓OIT保留率)≥55%、水蒸氣滲透系數≤1.0×10-13g·cm/(cm2·s·Pa)、紫外線照射1 600 h后高壓OIT保留率≥50%。

3.2 土工膜采購

溧陽電站土工膜屬甲供物資，通過公開招標方式進行采購。在土工膜材料招標采購的前期，對土工膜從生產制造、倉儲保管、現場鋪裝、焊接及質量檢查等各個環節進行了調研和技術交流。目前土工膜的生產、焊接工藝及質量控制手段等均已成熟，而確保土工膜防滲材料質量的關鍵是原材料質量的控制及生產過程的監督管理，生產配料絕不允許添加回料和填充料，同時加強生產過程質量控制和試驗檢測，加強生產管理及成品保護。為此，在土工膜招標技術文件中明確規定土工膜生產技術要求和質量控制標準，并開展現場生產24 h跟蹤監造，以確保土工膜產品質量。

4 現場施工與管理

4.1 施工準備

為規范土工膜施工，保證庫底防滲的可靠性、安全性。首先，根據土工膜相關規程規范和設計技術要求，編制操作手冊；其次，組織施工、監理及建設管理等技術人員進行現場培訓；再次，開展現場生產性試驗，針對土工膜與混凝土體的連接、土工膜熱熔和擠壓焊接等連接方式，分別進行土工膜錨固連接張拉試驗，熱熔、擠壓焊接試驗，以及確定焊接設備、技術參數和相應的環境條件等；最后，根據庫底形狀、挖填特性、土工膜的展向以及庫周連接施工要求等，對土工膜施工進行分區規劃與放線。

4.2 現場施工

施工程序：下層結構驗收合格、清掃干凈→土工膜運輸→攤鋪、裁膜→試焊、正式焊接→焊接質量檢測(無損和破壞性檢測)→鋪裝土工布和壓護混凝土預制塊。

土工膜采用自帶起重設施的8 t運輸車吊運，人工攤鋪、調節焊縫搭接寬度(10 cm)。鋪設遵循“先中央、后周邊”、“先庫頭、后庫尾”、“相鄰區塊連續施工”的順序進行。鋪設時避免形成“十”字形接頭，“T”字形接頭之間距離不得小于3 m。焊接按照試驗參數先焊短邊縫，再焊長邊縫，形成的“T”字形接頭采用擠壓焊接法打補丁進行加強處理。

4.3 質量檢測

土工膜焊接結束，分別進行外觀、熱熔焊充氣檢測、擠壓焊真空罩和電火花檢測，并按比例抽樣進行破壞性試驗檢測。檢測結果不合格，立即對相應焊縫進行修復處理，已達到檢測通過率100%。溧陽電站土工膜施工質量檢測結果見表2。從現場施工過程中檢測的一次性合格率情況看，土工膜施工質量優良。

表2 土工膜焊接質量檢測匯總表

4.4 成品保護

土工膜運輸至工地現場專用臨時堆放場堆存，施工場所隔離封閉，嚴禁非施工車輛及非作業人員進入現場。現場作業人員一律穿軟底鞋，實行登記出入。

為確保土工膜不受墜物破壞，對其上部有施工作業的位置搭設簡易腳手架，掛阻燃式密目網進行防護。同時在鄰近周邊建筑物3 m范圍內覆蓋棉被保護，并利用棉被作為人行通道，避免施工人員直接在土工膜上行走。庫底防滲施工結束，水庫蓄水前清除全部防護設施。上水庫初期蓄水，為防止外抽水沖擊土工膜，在抽水管道距離庫底15 m的位置設置減壓閥，同時在蓄水管底部用砂袋鋪設一個20 m×10 m×1 m(長×寬×厚)的緩沖防護區域，確保土工膜在初期蓄水不受損壞。

4.5 滲漏檢測

土工膜施工結束和正式蓄水前，進行兩次土工膜電學滲漏位置探測。該方法參考“ASTMD 6747土工膜電學滲漏位置探測方法選擇與技術標準”，其原理是在土工膜上施加電壓，通過在電勢場內移動探測設備探測有回路的位置，從而找到滲漏點。兩次檢測的面積分別為7.5萬、25萬m2，分別檢測出破損孔洞195處和94處，從土工膜破損孔洞的大小、形狀和狀態分析，大部分孔洞是由異物刺穿所致。經檢查發現的孔洞，采用擠壓焊接法打補丁處理至滿足要求。

5 上水庫滲漏修復處理

工程上水庫初期蓄水過程中曾發生過2次漏水。第一次滲漏發生在2016年7月上水庫首次蓄水至270.50 m高程時。1號進出水塔南側土工膜沿塔體周邊撕裂長約1.2 m，其下部沿塔體弧線方向長約41 m范圍(含深坑)均有不同程度的塌陷，其中沖坑部位最大寬度1.2 m，最深處3.1 m；同時，2號進出水塔東南側存在部分土工膜穿孔現象。本次最大滲水量約1 520 L/s。經現場檢測，1號進出水塔南側沿原地形沖溝有明顯的滲水通道，庫內填筑體有架空現象，主壩墊層及后部結構未遭破壞。

第二次滲漏發生在2017年7月水庫首次蓄水至正常高水位291 m之后的初期運行過程中，1號副壩段排水廊道邊壁面有一處土工膜局部撕裂，其下部形成沖坑寬1.05 m、長1.6 m，深約0.8 m；交通橋臺基礎4個轉角部位土工膜局部撕裂。本次最大滲水量約41 L/s。

從現場情況看，兩次滲漏表象相同，滲水點集中，均發生在土工膜與混凝土剛性構筑物連接處。經現場檢查、專家咨詢，認為兩次漏水的主要原因為：構筑物周邊的庫底回填體壓實度不夠，自然沉降時間短，導致水庫蓄水過程中產生不均勻沉降(第一次最大沉降約33 cm，第二次最大沉降約20 cm)過大，致使土工膜下部脫空，在水力作用下靠近剛性結構混凝土構筑物的土工膜應力集中被撕裂，形成集中滲水點，并在滲水作用下淘空帶走填筑體中的細顆粒料盡而形成土工膜下部的較大空腔。庫底、庫周其余部位未發現明顯滲水通道。

針對滲漏特征，提出了漏水修復處理主要措施：①對填筑體進行補強，減小不均勻沉降變形，確保土工膜安全運行。即對滲漏形成的通道以及塔體周邊約30 m范圍沉降變形較大的區域，中、深層采用充填灌漿，局部淺表層采用挖除置換，沖坑部位采用自密實和易充填的材料進行回填，從而減小庫內填筑體沿塔基周邊倒懸體和肋板處的沉降變形量和塔基外側不均勻沉降變形量，并沿塔體周邊預留沉降超高，提高土工膜適應沉降變形的能力。②按原施工圖恢復土工膜防滲結構，并將井筒周邊土工布上部原滿鋪的混凝土壓重塊改為點狀式敷設，便于土工膜受力拉伸變形。副壩段排水廊道邊壁面的處理思路與此相同。經滲漏處理再次蓄水，上水庫滲漏監測資料表明，處理后的上水庫防滲體系防滲效果好，滲漏量較小。

6 應用效果

溧陽電站上水庫于2015年12月開始蓄水，經兩次放空修復處理，于2017年8月恢復蓄水，至今已運行約11個月。從滲漏監測設施收集的相關數據看，上水庫最大總滲流量值為13 L/s(2018年2月初)，日變幅值小于1 L/s(雨水天氣除外)，滲流量占庫容總量比約0.008%(含庫周及面板滲水等)，近一段時間匯總滲漏量值持續在10 L/s以內變化，庫底土工膜防滲體系未見異常滲漏跡象，庫區整體防滲效果很好。從埋設在土工膜下部30支滲壓計測試資料看，目前主要受孔隙水壓力及環境溫度綜合影響，最大水滲透壓力值為6.4 m，測點日變幅值基本在5 cm以內變化。從安裝在庫底土工膜上的43支柔性位移計監測的資料反映，土工膜整體變化較小，最大測點拉伸值為37.15 mm/m。從安裝在進出水塔井座周邊的自密實混凝土結合縫的8支縫隙監測計，監測縫隙受水荷載變化影響明顯，目前已趨穩定，縫隙最大張開值為25.42 mm。從庫底各項監測物理量結果綜合分析看，目前庫底擾動很小，暫未見異常情況。

另外，該工程共完成土工膜鋪裝31.5萬m2，含防滲體系結構層共完成直接投資約4 500萬元，平均180元/m2(按庫底面積25萬m2計算)，經濟效益顯著。

7 幾點建議

溧陽電站上水庫利用土工膜防滲，取得較好的

防滲效果，充分體現了土工膜適應變形能力強、防滲性能良好、造價低廉、施工簡捷的特點。針對本工程庫底防滲方案選擇到現場施工，以及蓄水初期修復處理等問題，為更進一步完善土工膜施工及質量控制措施，提高土工膜在水電行業的適用性，提出以下幾點建議：

(1)土工膜原材料的質量是保證土工膜防滲效果的關鍵，應加強土工膜生產過程中原材料配料、在線監測及試驗檢測等控制，嚴禁生產過程中添加回料和填充料。

(2)在庫底填筑區使用土工膜防滲，要充分考慮填筑體不均勻沉降產生的危害，尤其要注意土工膜與周邊建筑物接頭部位的處理，避免不均勻變形產生的應力集中而撕裂土工膜，從而破壞土工膜防滲體系。

(3)加強現場施工管理和土工膜的成品保護，嚴格控制施工工藝，杜絕土工膜在鋪裝過程中或施工結束產生人為破壞。