王櫻畯，李金榮

（1.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心抽水蓄能工程技術(shù)研發(fā)分中心，浙江省杭州市 311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

瀝青混凝土面板有良好的防滲性能，滲透系數(shù)小于10-8cm/s，且有較強(qiáng)的適應(yīng)基礎(chǔ)變形和溫度變形的能力，能夠適應(yīng)較差的地基地質(zhì)條件和較大的水位變幅，即使在嚴(yán)寒的氣候下，瀝青混凝土仍具有一定的變形能力，且瀝青混凝土面板缺陷能快速修補(bǔ)，修補(bǔ)完24h以后即可蓄水，近年來瀝青混凝土面板在抽水蓄能電站上水庫防滲中得到廣泛應(yīng)用。

我國研究開發(fā)抽水蓄能電站始于20世紀(jì)60年代，目前我國已建、在建抽水蓄能電站已達(dá)到60座。1998年9月，華東電網(wǎng)第一座大型日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站——天荒坪抽水蓄能電站第一臺(tái)機(jī)組建成投產(chǎn)，電站總裝機(jī)容量1800MW，安裝6臺(tái)300MW水泵水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)。最大發(fā)電水頭567m，最大抽水揚(yáng)程614m。2000年底，6臺(tái)機(jī)全部并網(wǎng)發(fā)電。上水庫采用全庫盆瀝青混凝土面板防滲，較好地適應(yīng)了復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，設(shè)置了完善的排水觀測(cè)系統(tǒng)保障工程安全運(yùn)行。

本文全面闡述了天荒坪工程的上水庫庫盆防滲、排水設(shè)計(jì)方案，以及大壩壩軸線布置、壩體分區(qū)等，并總結(jié)了近年來抽水蓄能工程庫盆防滲及筑壩技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1 上水庫概述

天荒坪抽水蓄能電站上水庫位于大溪左岸支溝龍?zhí)犊驳臏显赐莸?，其東、西兩側(cè)分別為擱天嶺（頂高程973.48m）和天荒坪（頂高程930.19m）。主要巖層為侏羅系流紋質(zhì)熔凝灰?guī)r、輝石安山巖、層凝灰?guī)r、第四系全風(fēng)化巖土（殘積層）、坡—洪積層及坡積層等，工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，各處巖石風(fēng)化程度不一，南庫底和西庫岸以全風(fēng)化巖（土）為主，部分為強(qiáng)弱風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖石摻雜其間。上水庫庫盆呈現(xiàn)物理力學(xué)性質(zhì)上顯著的不均質(zhì)性，水庫蓄水后沉降和不均勻沉降難以避免。水庫庫岸全線除了進(jìn)/出水口及其鄰近區(qū)域相對(duì)隔水層頂板高程高于上水庫設(shè)計(jì)最高蓄水位外，其余均低于設(shè)計(jì)最高蓄水位。

上水庫設(shè)計(jì)最高蓄水位905.20m，最低蓄水位863.00m?？値烊?19.2萬m3，有效庫容881.23萬m3，水庫工作深度42.20m，正常運(yùn)行時(shí)水位日變幅28.42m。上水庫工程平面布置參如圖1所示。

上水庫布置了建在洼地南端的主壩和在東、北、西、西南4個(gè)地形埡口的4座副壩。根據(jù)地形地質(zhì)條件，主副壩均采用土石壩壩型。為獲得必需的庫容并取得筑壩材料，在東庫岸進(jìn)/出水口附近和西庫岸作了大規(guī)模的開挖。

圖1 上水庫平面圖Fig.1 Layout plan of the upper reservoir

上水庫主壩最大壩高72m，北、東、西、西南副壩最大壩高分別為35m、32.5m、17m及9.3m。

除進(jìn)/出水口附近的東庫岸巖質(zhì)邊坡用噴混凝土護(hù)面，前池底部用混凝土護(hù)底外，上水庫全庫盆采用瀝青混凝土面板防滲，整個(gè)庫盆防滲面積為28.5萬m2。大壩壩體面板坡比1∶2.0，庫岸面板坡比1∶2.0～1∶2.4，庫底北高南低，并且傾向進(jìn)/出水口。

2 上水庫設(shè)計(jì)方案

上水庫主壩和北副壩為土石壩，東副壩為堆石壩，西副壩及西南副壩為土壩。主、副壩上游面、庫底及除進(jìn)/出水口范圍外的庫岸采用瀝青混凝土護(hù)面防滲，東庫岸進(jìn)/出水口附近的巖質(zhì)岸坡為噴混凝土護(hù)面，進(jìn)/出水口前的部分庫底為鋼筋混凝土護(hù)底。

2.1 壩坡岸坡坡比

2.1.1 迎水面邊坡

主、副壩的上游面及其他庫岸均設(shè)瀝青混凝土防滲護(hù)面。結(jié)合本工程所用筑壩材料、庫岸地質(zhì)條件、施工便利性并考慮天荒坪夏季氣溫較高的特點(diǎn)，除西庫岸邊坡采用1∶2.4，其余迎水面壩坡和其余岸坡段坡比均為1∶2.0。庫岸變坡處以漸變段相連。

2.1.2 下游壩坡

根據(jù)壩高和筑壩材料不同，采用邊坡為：主壩1∶2.0～1∶2.2，西南副壩、西副壩和北副壩1∶2.0，東副壩1∶1.3。東副壩下游背水坡設(shè)干砌石護(hù)面，其余各壩下游壩面均設(shè)草皮護(hù)坡，以保護(hù)坡面并有利于環(huán)境綠化。

2.2 瀝青混凝土防滲體

2.2.1 瀝青混凝土護(hù)面

瀝青混凝土防滲護(hù)面為簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu)，由整平膠結(jié)層、防滲層、加厚層和表面封閉層組成。

（1）瀝青混凝土防滲層。防滲層是防滲體的主體部分，屬密級(jí)配瀝青混凝土，不僅要求有良好的防滲性、穩(wěn)定性，而且要求有良好的柔性，以適應(yīng)基礎(chǔ)變形。防滲層厚度為10cm。

（2）瀝青混凝土整平膠結(jié)層。整平膠結(jié)層是防滲層的基礎(chǔ)層，要求平整、密實(shí)，且有一定的排水能力，能排走從防滲層滲下去的滲水。壩坡及岸坡的整平膠結(jié)層厚度為10cm，庫底為8cm。

（3）瀝青混凝土加厚層。加厚層是為了加強(qiáng)坡腳反弧段和進(jìn)/出水口前圓弧段而設(shè)置的，層厚5cm。加厚層材料要求同防滲層材料。

2.2.2 與周邊建筑物連接及細(xì)部設(shè)計(jì)

瀝青混凝土護(hù)面與混凝土面的連接部位，用鋼絲刷和壓縮空氣清除混凝土面上所有的附著物并鑿毛，然后涂瀝青涂料及IGAS后攤鋪瀝青混凝土護(hù)面。

壩坡、岸坡與庫底的連接是一個(gè)半徑為50m的反弧段，進(jìn)/出水口前是一個(gè)半徑為30m的圓弧。反弧段和圓弧段部位均設(shè)置瀝青混凝土加厚層，層厚5cm，設(shè)于防滲層的上面。在防滲層和加厚層之間設(shè)置聚酯網(wǎng)格。

2.3 上水庫護(hù)面噴淋系統(tǒng)

上水庫正常運(yùn)行期間的白天水位變化在905.2～892m之間，這超過10m的環(huán)形庫岸條帶是逐漸暴曬于陽光之下的，而正常蓄水位905.20～908.3m之間的防滲護(hù)面則一直受到陽光照射。由于瀝青混凝土吸熱性能好，使得防滲護(hù)面表面溫度比周圍環(huán)境高很多。為防止瀝青混凝土防滲護(hù)面在夏季高溫季節(jié)發(fā)生向下流淌現(xiàn)象，有必要采用灑水降溫措施。

經(jīng)過一年多的研究和實(shí)驗(yàn)，對(duì)微噴灌噴頭噴淋方案和固定式噴頭噴淋方案進(jìn)行了比較，最終選定效果較好的固定式噴頭噴淋系統(tǒng)。多年的運(yùn)行實(shí)踐表明，該噴淋系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，有效地保護(hù)了瀝青混凝土防滲護(hù)面。

2.4 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)上庫的排水系統(tǒng)由以下幾部分組成：壩坡、岸坡及庫底的排水墊層；庫底PVC/REP排水管；1、2、3、4號(hào)排水觀測(cè)廊道、主排水觀測(cè)廊道及西庫岸的排水交通洞；截水墻廊道。所有庫內(nèi)滲水和地下水將通過排水墊層，PVC/REP排水管，1、2、4號(hào)排水觀測(cè)廊道、主排水觀測(cè)廊道、排水交通洞及截水墻廊道，最后通過3號(hào)排水觀測(cè)廊道將水排入主壩下游壩腳附近的香爐山集水池。并通過泵房將水抽至上庫擱天嶺高位水池用作瀝青混凝土防滲護(hù)面噴淋降溫系統(tǒng)的水源。

圖2 上水庫排水系統(tǒng)布置圖Fig.2 Layout of the drainage system of the upper reservoir

主、副壩壩體面板后的碎石排水墊層水平寬度為2m，過渡層水平寬度為4m；庫岸邊坡面板下的排水墊層（包括反濾層）厚度為90cm，庫底碎石排水墊層（包括反濾層）厚度為60cm，基礎(chǔ)較差部位適當(dāng)加厚。

排水墊層料由新鮮巖石人工軋制而成，最大粒徑為8cm，設(shè)計(jì)干容重19.21kN/m3，加水20%，用10t振動(dòng)碾壓4～6遍，壓實(shí)后相對(duì)密度≥0.9，滲透系數(shù)≥ 5×10-2cm/s。

排水墊層作為瀝青混凝土的下臥層，具有排水功能及自身的滲透穩(wěn)定性，為適應(yīng)上部瀝青混凝土施工機(jī)械的運(yùn)作，壓實(shí)后排水墊層料表面的變形模量大于35MPa。

庫底排水管為PVC/REP復(fù)合管，布置于排水墊層內(nèi)，內(nèi)徑20cm，間距25m，直管兩端接入排水觀測(cè)廊道或截水墻廊道內(nèi)。

2.5 上水庫填筑料設(shè)計(jì)

整個(gè)上水庫（包括壩體、庫底、庫岸）的填筑料共分為5個(gè)區(qū)，分別為反濾層、排水墊層、碎石過渡層、上游堆石區(qū)、下游全強(qiáng)風(fēng)化土石區(qū)。

（1）主壩斷面分區(qū)。

主壩在壩體剖面上，從迎水面至背水面的填筑分區(qū)依次為：水平寬2m的碎石排水墊層；水平寬3m的過渡層；主堆石區(qū)；水平寬1.5m的過渡層；全強(qiáng)風(fēng)化土石料區(qū)。在全強(qiáng)風(fēng)化土石料區(qū)內(nèi)，每5m高差填筑1層50cm厚的碎石排水層；高程840m和835m以下仍為主堆石料區(qū)。

（2）北庫岸、南庫岸及西庫岸。

庫岸巖基部位回填90cm厚的排水墊層料，全風(fēng)化巖（土）部位先鋪設(shè)30cm厚的反濾料，再鋪設(shè)60cm厚的排水墊層料。

（3）南庫底和北庫底。

上水庫庫底分為兩部分：南庫底和北庫底。庫底開挖區(qū)內(nèi)巖基部位鋪設(shè)60cm厚的排水墊層料，全風(fēng)化土基部位則先鋪設(shè)20cm厚的反濾料，再鋪設(shè)40cm厚的排水墊層料。在施工過程中，由于南庫底近西庫岸全風(fēng)化土基礎(chǔ)變形模量較低，在開挖至設(shè)計(jì)高程后，再挖深1.5m，回填30cm厚的反濾料和120cm厚的過渡層。對(duì)回填區(qū)內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化巖為主的土石料區(qū)，要求每隔5m高程設(shè)1層80cm厚的排水層。

3 上水庫設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）天荒坪工程上水庫工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，各處巖石的風(fēng)化程度不一，南庫底和西庫岸以全風(fēng)化巖為主，最深達(dá)30多米，全風(fēng)化巖中夾強(qiáng)、弱風(fēng)化巖塊，其尺寸大小不一，分布不均。水庫蓄水后不均勻沉降難以避免，上水庫選擇用瀝青混凝土面板柔性防滲方式適應(yīng)了不利的工程地質(zhì)條件。

（2）天荒坪工程上水庫是國內(nèi)第一次大規(guī)模采用瀝青混凝土面板防滲技術(shù)。依托天荒坪工程，研究并系統(tǒng)地提出瀝青、聚酯網(wǎng)和瀝青混凝土技術(shù)指標(biāo)；瀝青混凝土面板防滲層10cm厚一次施工，施工冷縫后處理方式在國內(nèi)工程中第一次進(jìn)行并取得成功，在施工工藝和方法上實(shí)現(xiàn)飛躍。

（3）鑒于抽水蓄能電站庫水位變化頻繁，且變幅較大，為防止在水位急劇下降時(shí)面板下出現(xiàn)較大的反向水壓力，要求面板下墊層具有較強(qiáng)的排水能力。天荒坪工程上水庫設(shè)置了可靠完善的排水系統(tǒng)，為工程安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造條件，是國內(nèi)抽水蓄能電站防滲工程的成功實(shí)踐范例。

圖3 上水庫主壩橫剖面圖Fig.3 The Cross section of the main dam of the upper reservoir

（4）充分利用瀝青混凝土護(hù)面柔性好的特點(diǎn)，結(jié)合上水庫布置，主壩采用弧形壩軸線，在增加投資有限的情況下增加了約10%的有效庫容，年發(fā)電量增加約10%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（5）上水庫主壩壩后坡打破傳統(tǒng)的堆石壩次堆石區(qū)的設(shè)計(jì)觀念，放緩邊坡后利用了庫底開挖的約80萬m3全強(qiáng)風(fēng)化土石料筑壩，既減少了棄料又節(jié)省了工程投資，大壩下游壩坡還可以植草綠化，美化環(huán)境。

4 抽水蓄能電站全庫盆防滲型式及筑壩技術(shù)發(fā)展

4.1 庫盆防滲型式

在20世紀(jì)90年代的十年間，先后有9座抽水蓄能電站投入運(yùn)行，包括河北潘家口（270MW）、廣東廣州（2400MW）、北京十三陵（800MW）和浙江天荒坪（1800MW）等抽水蓄能電站，至2000年底抽水蓄能電站總裝機(jī)容量達(dá)到5590MW。這一時(shí)期，工程設(shè)計(jì)、施工以學(xué)習(xí)借鑒國外技術(shù)為主。

2000年之后，工程設(shè)計(jì)、施工等技術(shù)日趨成熟并自主創(chuàng)新發(fā)展。在庫盆防滲方面，更加重視根據(jù)水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件，選擇型式多樣的防滲方案。當(dāng)單一的防滲處理措施難以達(dá)到處理要求或者需要付出較大的投資代價(jià)時(shí)，需要根據(jù)工程特點(diǎn)及工作條件等采用兩種或兩種以上的防滲措施（綜合防滲）進(jìn)行處理。綜合防滲中各防滲措施的選擇更具有針對(duì)性，因此可以在技術(shù)合理可行的基礎(chǔ)上取得更好的經(jīng)濟(jì)效果。

河南寶泉抽水蓄能電站上水庫采用庫岸瀝青混凝土面板+庫底黏土鋪蓋的全庫盆綜合防滲型式，也是國內(nèi)第一個(gè)采用庫底黏土鋪蓋防滲的抽水蓄能電站防滲工程。隨后，山東泰安、江蘇溧陽、江西洪屏（已建）、江蘇句容（在建）等大型抽水蓄能電站均采用綜合防滲型式。

于2007年1月投產(chǎn)的安徽瑯琊山抽水蓄能電站是我國建于巖溶地區(qū)的電站。工程實(shí)施階段，根據(jù)庫區(qū)水文、地質(zhì)條件，上水庫采用以垂直防滲為主，結(jié)合庫區(qū)、防滲線上溶洞掏挖回填混凝土或混凝土防滲墻，庫區(qū)局部黏土鋪蓋為輔的綜合處理方案。水庫蓄水后至今運(yùn)行良好。該工程對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)的庫盆防滲具有較好的借鑒意義。

近年來，土工膜防滲在抽水蓄能工程中的應(yīng)用越來越多。已建的泰安、溧陽、洪屏等抽水蓄能電站工程，在土工膜防滲體結(jié)構(gòu)型式和技術(shù)參數(shù)、周邊錨固技術(shù)、焊接設(shè)備和方法、修補(bǔ)、檢測(cè)方法和施工工藝等方面取得了豐富成果。以色列Kokhav Hayarden工程土工膜運(yùn)用于庫岸防滲，上部不設(shè)置保護(hù)層，膜下排水排氣系統(tǒng)做了一定簡(jiǎn)化，同時(shí)結(jié)合工程特點(diǎn)，下水庫采用兩層土工膜防滲，其設(shè)計(jì)理念及思路值得借鑒。

4.2 瀝青混凝土面板防滲

天荒坪工程之后，瀝青混凝土防滲面板施工由借鑒國外技術(shù)（張河灣、西龍池）發(fā)展到全面自主施工（寶泉、呼和浩特），并發(fā)展了改性瀝青混凝土面板設(shè)計(jì)和施工技術(shù)（西龍池、呼和浩特），逐步實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的瀝青材料國產(chǎn)化。

位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市東北部的呼和浩特抽水蓄能電站，上水庫采用全庫盆瀝青混凝土面板防滲。2014年11月，電站1號(hào)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。電站地處嚴(yán)寒地區(qū)，瀝青混凝土面板的低溫抗裂問題突出，經(jīng)多次試驗(yàn)研究，防滲層采用改性瀝青混凝土，抗凍斷溫度可達(dá)-45℃，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

張河灣工程是國內(nèi)首個(gè)采用瀝青混凝土復(fù)式斷面的防滲工程，由瀝青馬蹄脂封閉層、防滲層、排水層、整平膠結(jié)層組成，面板下基礎(chǔ)采用碎石墊層。整平膠結(jié)層抗?jié)B性能提高后，面板仍具有上、下兩層防滲層，安全系數(shù)高。句容工程上水庫庫岸采用瀝青混凝土面板防滲，設(shè)置排水觀測(cè)廊道或混凝土連接板與周邊建筑物連接，設(shè)計(jì)采取了預(yù)留沉降超高、設(shè)置增模區(qū)等綜合處理措施，有效消除了局部不均勻沉降差，保證了工程安全運(yùn)行。

經(jīng)過近二十年的發(fā)展，我國的瀝青材料品質(zhì)飛速提高，從天荒坪工程的瀝青材料從中東進(jìn)口，到國產(chǎn)瀝青配制的瀝青混凝土抗凍斷溫度達(dá)-45℃，我國的瀝青混凝土面板防滲工程建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。

由于瀝青混凝土對(duì)所用的骨料、瀝青的要求較高，雖然隨著瀝青混凝土面板技術(shù)的發(fā)展，瀝青混凝土面板的結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)化，但與鋼筋混凝土面板相比，瀝青混凝土面板生產(chǎn)及工藝復(fù)雜，對(duì)天氣等施工條件也較為敏感，施工管理較復(fù)雜，施工難度和造價(jià)都相對(duì)較高。在選用瀝青混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)時(shí)，需要進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

4.3 筑壩技術(shù)

天荒坪工程上水庫主壩下游放緩邊坡后利用了庫底開挖的全強(qiáng)風(fēng)化土石料筑壩，使開挖的土石方與壩體填筑盡量達(dá)到較好的平衡，避免另開料場(chǎng)。這一理念和原則，在抽水蓄能電站設(shè)計(jì)中被沿用至今。

大壩壩軸線形狀，從已建成的抽水蓄能電站上水庫來看，直線、弧線、折線及環(huán)形壩軸線的都有。相對(duì)來說，直線壩軸線的壩體設(shè)計(jì)及施工較為方便，無特殊條件制約時(shí)往往成為首選。如河南寶泉抽水蓄能電站上水庫主壩，減小壩高及壩體填筑量是主要的考慮；浙江仙居抽水蓄能電站上水庫，地形地質(zhì)條件均較好，但兩岸壩頭的選擇余地不大，故而選擇直線壩軸線。

弧線或折線之所以經(jīng)常被選用，主要是因?yàn)樯纤畮斓膸烊菀话爿^小，弧線或折線有利于增大庫容以提高發(fā)電效益?，樼鹕剑?005年）抽水蓄能電站上水庫為洼地水庫，總庫容1804萬m3，壩高65m，壩頂長(zhǎng)665m，為增加庫容，壩軸線采用折線布置，其折角約為23°，折點(diǎn)位于右岸壩高約35m處。

5 結(jié)束語

天荒坪抽水蓄能電站上水庫采用全庫盆瀝青混凝土護(hù)面防滲，壩體分區(qū)充分考慮利用庫盆開挖的土石混合料筑壩，主壩壩軸線布置成弧線。適應(yīng)了較差的地基地質(zhì)條件和較大的水位變幅。工程規(guī)模大，技術(shù)難度高。上水庫蓄水至今，目前總滲漏量穩(wěn)定在2L/s左右，運(yùn)行良好。在庫盆防滲型式選擇、瀝青混凝土面板設(shè)計(jì)與施工、大壩結(jié)構(gòu)布置與分區(qū)等方面均取得了成功，推動(dòng)了我國抽水蓄能建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。

隨著設(shè)計(jì)理念的提升、重型施工設(shè)備和施工技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)值分析手段的逐步應(yīng)用，在抽水蓄能工程建設(shè)和實(shí)踐過程中，還需不斷探索，勇于創(chuàng)新，進(jìn)一步優(yōu)化防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取在庫盆防滲、筑壩技術(shù)等方面取得更大的進(jìn)步。