五岳抽水蓄能電站上水庫防滲型式比選研究

劉 要 來，穆 君，鄭 小 偉，狄 崢

(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 概 述

抽水蓄能電站對水庫防滲要求高，水庫滲漏影響著電站的經(jīng)濟效益，大壩的滲透或滲漏問題也影響壩基、庫岸邊坡、地下洞室圍巖、水道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和水庫的水量平衡，還可能引起山體和已有建筑物的失穩(wěn)和低凹地區(qū)的浸沒。因此，要求水庫具有全面較好的防滲性能[1-2]。

五岳抽水蓄能電站上水庫擋水建筑物為1級建筑物，最大壩高128.2 m(壩軸線處)[3]。根據(jù)《混凝土面板堆石壩設計規(guī)范》(DL/T 5016-2011)第10.2.2條要求，1級壩及高壩的帷幕深度可按深入巖體透水率為3～5 Lu區(qū)域內(nèi)5 m。

該工程為抽水蓄能電站，上水庫集雨面積僅0.311 km2，無天然徑流補水，庫水滲漏相當于電能損失，結合DL/T 5028-2005《抽水蓄能電站設計導則》：“庫盆為微透水(1 Lu)巖體是可以滿足要求的；若庫盆內(nèi)有部分為弱透水性下限的巖體(3 Lu)，但只要其滲漏量不大于庫容的0.5‰也能滿足要求。因此，僅從滲漏量分析上水庫防滲要求以1～3 Lu為宜”。該工程上水庫中等風化及其以下巖體則總體上為微～弱透水，以q<1 Lu為標準的庫周分水嶺相對不透水層埋藏深度10～50 m，深度適中，故按照上水庫庫盆防滲設計標準為1 Lu設計。

該工程上水庫大致可以分為四個區(qū)域：混凝土面板堆石壩填筑區(qū)、庫底石渣回填區(qū)、庫底開挖區(qū)和庫岸開挖區(qū)。大壩填筑采用鋼筋混凝土面板堆石壩，上游壩面采用鋼筋混凝土防滲。庫底基于上水庫土石方開挖平衡的原則，利用部分開挖料及棄渣回填庫底死水位以下部分庫容，減少初期蓄水量和棄渣量，回填高程310 m。庫底開挖區(qū)范圍及開挖高程根據(jù)蓄能電站調(diào)節(jié)庫容的要求及上水庫土石方挖填平衡的原則確定，開挖區(qū)底板高程310 m，開挖區(qū)高程310 m巖體以微新巖體為主，地層巖性為整體塊狀結構花崗巖，地質(zhì)構造相對簡單，巖體透水率為微透水。開挖庫岸地層巖性為整體塊狀結構花崗巖，地質(zhì)構造相對簡單，無斷層穿過開挖庫周山脊分水嶺，開挖形成的永久邊坡巖體均為中風化～微風化至新鮮巖體，除局部埡口地帶外巖體透水率為微透水。

根據(jù)該工程上水庫地形地質(zhì)條件，結合抽水蓄能電站上水庫防滲設計的工程實踐經(jīng)驗，對上水庫防滲方案的影響因素進行系統(tǒng)的分析研究。擬定垂直防滲方案、全庫盆防滲方案和綜合防滲方案進行綜合比選，以確定適宜的防滲設計方案。

2 垂直帷幕防滲方案

結合該工程地形地質(zhì)條件和樞紐布置方案，上水庫庫周由開挖庫岸和大壩組成，開挖庫岸地層巖性為整體塊狀結構花崗巖，地質(zhì)構造相對簡單，無斷層穿過開挖庫周山脊分水嶺，開挖形成的永久邊坡巖體均為中風化～微風化至新鮮巖體，巖體呈微透水，垂直帷幕防滲方案設計如下：

大壩壩型為混凝土面板堆石壩。大壩頂高程為351 m，防浪墻頂高程352.2 m。大壩迎水面采用混凝土面板防滲，面板厚t=0.30+0.003H m。該工程筑壩材料主要為花崗巖。堆石料的母巖為上水庫開挖料，其巖性為整體塊狀結構花崗巖，質(zhì)地較硬，壩體堆石料分區(qū)從上游至下游依次為特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)和塊石護坡。在面板上游高程295 m以下，設置“粉煤灰+碎石”鋪蓋作為輔助防滲。鋪蓋上游設石渣混合料蓋重區(qū)，頂部高程295 m，頂部水平寬度9 m，上游坡比1∶2.0。

防滲帷幕沿大壩趾板，并于庫岸帷幕連接。在趾板布置1排帷幕灌漿孔，孔距2 m，灌漿孔深入相對不透水層(1 Lu)頂板以下5 m。為防止繞壩滲漏，兩岸壩頭部位，防滲帷幕伸入岸坡內(nèi)的范圍、深度以及帷幕軸線的方向，根據(jù)工程地質(zhì)、水文條件確定，延伸到相對不透水層與正常蓄水位相交處，并與趾板帷幕相接，形成垂直封閉防滲體系。

開挖庫周由于自身封閉性好，不作系統(tǒng)防滲處理，在開挖段相對不透水層線低于壩頂高程352.10 m部位進行帷幕灌漿，灌漿深度為相對不透水層以下5 m，并與大壩段防滲帷幕相接，形成垂直封閉防滲體系。庫底為整體塊狀結構花崗巖，不存在大規(guī)模滲漏問題，不作防滲處理。

上水庫垂直防滲方案典型斷面見圖1。

圖1 上水庫垂直防滲方案典型斷面圖

3 土工膜全庫盆防滲方案

結合該工程的具體情況，參照國內(nèi)外抽水蓄能電站上水庫防滲型式工程建設實踐經(jīng)驗[4]，五岳抽水蓄能電站上水庫庫底表面防滲方案擬定如下：

大壩迎水面采用混凝土面板防滲，面板等厚0.4 m，面板在310 m高程設周邊縫和下部的趾板/連接板相連。趾板建于基巖上，趾板最低建基面高程308.4 m，寬度為7 m。連接板支承于主堆石體上，連接板底部高程308.4 m，寬度為7 m。連結板以下取消面板、墊層、趾板，以反濾層代之。大壩趾板(連接板)與庫底防滲結構相接，并與排水灌漿廊道形成封閉的防滲體系。

庫底防滲結構采用土工膜防滲。根據(jù)工程地質(zhì)條件，結合上水庫死水位311.50 m，針對防滲方案的具體情況，本著以“挖”定“填”的原則，最后確定庫內(nèi)回填高程為308m。庫底在原始地面上清除植被后回填石渣分層碾壓至回填高程，然后自下往上依次設置過渡層(厚度1.5 m)、碎石墊層(厚0.4 m)、細沙墊層(厚0.1 m)、三維復合排水網(wǎng)、HDPE土工膜(厚1.5 mm)、土工織物(500 g/m2)、土工砂袋護面(30 kg/袋)。庫底防滲層總厚度為2 m，頂部高程為310 m。

庫岸開挖區(qū)采用鋼筋混凝土面板防滲，開挖坡比1∶1.32，面板等厚0.4 m，面板以下鋪筑無沙混凝土(厚0.35 m)。在庫底高程310 m坡腳通過庫底周邊排水廊道與庫底土工膜防滲結構連成封閉整體。

上水庫表面防滲方案典型斷面見圖2。

圖2 土工膜全庫盆防滲方案典型斷面圖

4 綜合防滲方案

結合該工程的具體情況，參照國內(nèi)外抽水蓄能電站上水庫防滲型式工程建設實踐經(jīng)驗，五岳抽水蓄能電站上水庫綜合防滲方案擬定如下：

庫底回填高程為308 m，庫底在原始地面上清除植被后回填石渣分層碾壓至回填高程，然后自下往上依次設置過渡層(厚度1.5 m)、碎石墊層(厚0.4 m)、細沙墊層(厚0.1 m)、三維復合排水網(wǎng)、HDPE土工膜(厚1.5 mm)、土工織物(500 g/m2)、土工砂袋護面(30 kg/袋)。庫底防滲層總厚度為2 m，頂部高程為310 m。

庫內(nèi)開挖區(qū)不做全面的防滲處理，為確保防滲體系的完整性和封閉性，庫底土工膜防滲范圍向庫內(nèi)開挖區(qū)適當擴大，經(jīng)分析確定土工模防滲平面范圍延伸至高程310 m平面相對不透水層線(透水率小于1 lu)以內(nèi)不小于20 m，并在端部做可靠的錨固和保護。

兩岸壩頭部位，防滲帷幕伸入岸坡內(nèi)的范圍、深度以及帷幕軸線的方向，根據(jù)工程地質(zhì)、水文條件確定，延伸到相對不透水層與正常蓄水位線以下5 m，并與大壩混凝土面板防滲體系相接，形成垂直封閉防滲體系。

上水庫綜合防滲方案典型斷面見圖3。

圖3 綜合滲方案典型斷面圖

5 防滲型式綜合比選

5.1 防滲效果比較

根據(jù)滲水量對比分析，結合類似工程設計理論及運行實踐經(jīng)驗，對擬定的垂直帷幕防滲方案、土工膜全庫盆防滲方案和綜合防滲方案滲漏量計算成果對比分析見表1。

表1 防滲方案滲流量計算成果表

從滲漏量計算結果看，垂直帷幕防滲方案滲漏量最大，土工膜全庫盆防滲方案滲漏量最小，但三個方案均小于DL/T 5028-2005《抽水蓄能設計導則》所規(guī)定的小于總庫容的0.5‰的要求。

根據(jù)地下廠房影響分析，該工程地下廠房采用首部式布置方案，地下廠房與上水庫的水平距離最小為290 m。該部位巖體為微風化～新鮮花崗巖，巖體完整性較好，目前，沒有發(fā)現(xiàn)貫通性斷層發(fā)育，結構面主要為節(jié)理裂隙，鉆孔壓水試驗的透水率值基本小于1 Lu，為微透水巖體，裂隙之間的連通性差，從地下廠房勘探平洞揭露的情況來看，也未發(fā)現(xiàn)有大的滲水現(xiàn)象，洞壁均較干燥，僅沿節(jié)理或斷層帶有極少量的滲水。根據(jù)沿線工程地質(zhì)條件綜合分析后認為，上水庫蓄水后對廠房的影響甚微，不會造成上水庫庫水大量向廠房區(qū)滲漏的情況。同時，地下廠房結合洞室開挖的實際情況，動態(tài)調(diào)整完善防滲系統(tǒng)設計，減小上水庫滲漏對地下洞室群的影響。

5.2 工程技術難度對比

從設計角度看，垂直防滲方案與土工膜方案國內(nèi)均有較多的工程實例，技術成熟，不存在設計技術難度差異。

從施工經(jīng)驗看，鋼筋混凝土面板和帷幕灌漿的施工在國內(nèi)已有成熟的經(jīng)驗，抽水蓄能電站上庫用鋼筋混凝土面板和垂直帷幕防滲施工難度不大。而土工膜全庫盆防滲方案和綜合防滲方案需要對庫底回填石渣進行碾壓后再進行庫底防滲膜施工，庫底防滲層厚度2.5 m，分五層，由下至上分別為碎石排水墊層、土工席墊、土工織物、黏土、土工膜、沙土蓋重和碎石護面，施工工藝相對比較復雜。

5.3 施工難度及工期對比

垂直帷幕防滲方案：帷幕灌漿總長度為2.25萬m，壩基帷幕灌漿在已澆筑好的混凝土趾板上進行，由于趾板布置在庫盆內(nèi)側，帷幕灌漿與壩體填筑分別施工，相互干擾較小。帷幕灌漿不占直線工期，混凝土趾板按分塊澆筑完，達到28 d齡期后(并要求相鄰塊齡期不少于14 d)，即可進行帷幕灌漿施工，施工工期6個月左右。

全庫盆土工膜防滲方案：土工膜防滲總面積約為23.08萬m2，自下往上依次設置過渡層(厚度1.5 m)、碎石墊層(厚0.4 m)、細沙墊層(厚0.1 m)、三維復合排水網(wǎng)、HDPE土工膜(厚1.5 mm)、土工織物(500 g/m2)、土工砂袋護面(30 kg/袋)。土工膜施工工藝相對較復雜。土工膜施工基本不占直線工期，由于土工膜施工以人工為主，施工工期相比帷幕防滲方案長。

綜合防滲方案：土工膜防滲總面積約為16.27萬m2，防滲結構設計同全庫盆土工膜方案防滲結構。庫底土工膜防滲施工與壩體填筑分別進行，相互干擾較小。土工膜施工工藝相對較復雜。土工膜施工基本不占直線工期，由于土工膜施工主要是以人工為主，施工工期相比帷幕防滲方案長，相對全庫盆土工膜防滲方案短。

綜上所述，從簡化施工程序，確保工程施工質(zhì)量等考慮，宜采用垂直帷幕防滲方案。

5.4 投資比較

從工程量上看，全庫盆土工膜防滲方案和綜合防滲方案因減少了死水位以下趾板，開挖量和帷幕灌漿量減少，但增加了庫底防滲層工程量及土石方開挖量。從投資上看，垂直帷幕防滲方案比全庫盆土工膜防滲方案投資少6 030.81萬元，比綜合防滲方案投資多1 136.07萬元。

5.5 綜合比選

從上水庫工程地質(zhì)條件分析，開挖庫岸及庫盆地層巖性為整體塊狀結構花崗巖，地質(zhì)構造相對簡單，無斷層穿過開挖庫周山脊分水嶺，巖體均為中風化～微風化至新鮮巖體，巖體呈微透水，開挖庫岸穩(wěn)定性較好。結合國內(nèi)外抽水蓄能電站上水庫建設實踐經(jīng)驗，五岳抽水蓄能電站上水庫地質(zhì)條件較好，滲漏問題不太突出，庫盆滲漏范圍不大、斷層及構造帶不太發(fā)育，具備采用垂直防滲的條件。

從設計角度分析，垂直帷幕防滲方案、全庫底土工膜防滲方案和綜合防滲方案的設計技術在已建抽水蓄能電站及常規(guī)水電工程中均有運用，不存在明顯的設計技術難度差異。

從施工技術分析，3個方案施工技術也比較成熟，但垂直帷幕防滲方案施工工藝相對簡單，全庫底土工膜防滲方案和綜合防滲方案施工工藝相對比較復雜，同時，對回填區(qū)碾壓質(zhì)量要求也較高。

從防滲效果分析，全庫底土工膜防滲方案滲漏量最小，綜合防滲方案滲漏量次之，垂直防滲方案滲漏量最大，3個方案的滲水量均小于《抽水蓄能設計導則》所規(guī)定的小于總庫容的0.5‰的要求。

從防滲體的耐久性及可靠性而言，土工膜的使用壽命一直是重點關注的問題，土工膜防滲體設計使用年限一般為50年。由于施工期破損的小洞，在蓄水加載后應力集中造成破損范圍擴大。土工膜在長期運行中會產(chǎn)生聚合物分解、硬化、膨脹甚至溶解等，降低力學性質(zhì)，增大滲透性。對于水泥結石致密的帷幕，防滲有效年限約為100 年以上，滿足設計使用年限要求。對于存在滲漏溶蝕危害的部位，水泥結石不夠致密，隨著時間延長其帷幕防滲效果變差，可進行補強灌漿處理以滿足設計要求。綜合分析而言，帷幕防滲體的耐久性及可靠性相比土工膜防滲體更好[5]。

從工程投資分析，垂直帷幕防滲方案比全庫盆土工膜防滲方案投資少6 030.81萬元，比綜合防滲方案投資多1 136.07萬元(占上水庫工程總投資比不足2%)。

從經(jīng)濟性分析，3個方案的主要差別在于投資不同，運行期的電能損耗不同，依據(jù)滲漏量差別，垂直帷幕防滲方案和綜合防滲方案相對全庫底土工膜防滲方案每天電能損耗相差很小，相對投資差別增加的運行費用幾乎可以忽略，顯然，采垂直防滲方案和綜合防滲方案更為經(jīng)濟。

綜合上述分析，五岳抽水蓄能電站上水庫推薦采用垂直帷幕防滲方案。

6 結 語

結合五岳抽水蓄能電站上水庫水文條件及工程地質(zhì)條件，參照國內(nèi)為抽水蓄能電站建設實踐經(jīng)驗，對上水庫防滲型式擬定垂直防滲方案、全庫盆防滲方案和綜合防滲方案3個比選方案，通過

防滲效果、工程技術難度、施工難度及工期、工程投資、防滲體耐久性、方案經(jīng)濟性等方面綜合比較，推薦采用垂直帷幕的防滲設計方案。