海水抽水蓄能電站庫盆防滲方案研究

李定林，陳滿，段繼周，李言濤，趙霞，徐瑋辰，黃彥良

（1.南方電網調峰調頻發電有限公司，廣州 510635；2.中國科學院海洋研究所 海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室，山東 青島 266071；3.中國科學院海洋大科學研究中心，山東 青島 266071；4.青島海洋科學與技術國家實驗室，海洋腐蝕與防護開放工作室，山東 青島 266237）

抽水蓄能電站啟動速度快，運行靈活，具有調峰填谷功能，可為電網的穩定提供保障，對電力系統乃至能源結構調整具有重要意義[1]。火電、核電等行業的快速發展促進了對抽水蓄能電站的需求，過去的十幾年間是我國抽水蓄能電站快速發展的時期，在役、在建和規劃中的抽水蓄能電站已達 40余座。截止2015年底，我國抽水蓄能系統的總裝機容量已達22.74 GW，在建容量達到23.08 GW，預計2020年在役抽水蓄能電站的總裝機容量將突破50 GW[2]。目前在役抽水蓄能電站均為內陸的以淡水為運行工質的常規抽水蓄能電站，受限于江河湖泊等自然環境、氣候條件、地形地貌等限制，并對生態環境造成潛在威脅和負面影響。此外，近年來溫室效應影響加劇，淡水資源日益緊張，而電力調峰需求卻在不斷增大。海水抽水蓄能電站與傳統淡水電站相比，無需專門的下水庫，節約建造成本；可就近建在風電廠、火電廠等附近，節省傳輸成本；使用海水勢能存儲電能，完全不占用淡水資源。種種原因使得海水抽水蓄能電站具有更廣泛應用前景[1,3,4]。研究開發海水抽水蓄能發電技術是值得世界各國電力行業高度重視，具有重大現實意義的研究課題。

目前海水抽水蓄能電站還存在很多亟待解決的問題，其中上水庫的海水滲漏是最為關鍵的問題之一。首先，水量滲漏意味著能量的損失；其次，滲漏將嚴重影響周圍建筑基礎和岸坡安全；再次，海水滲漏會對電站周圍的生態環境造成嚴重破壞[5-7]。因此，海水抽水蓄能電站對庫盆的防滲性能要求很高，同時，相較于淡水而言，海水具有更強的腐蝕性，對于防滲工程和材料的負面影響可能比淡水更加嚴重。

文中針對抽水蓄能電站工程應用的單一防滲和聯合防滲方案進行了綜合論述，首次對海水抽水蓄能電站的防滲方案進行探索。目前海水抽水蓄能電站在工程上的實例極少，有文獻可查的已建工程僅有日本沖繩山原海的抽水蓄能電站[8-9]，目前已停運。希臘也正在開展海水抽水蓄能電站相關研究，但在防滲方面基本套用日本的方案[6,10]。文中將結合近幾十年以來國內外在淡水抽水蓄能電站工程防滲方面的經驗，探討針對海水庫盆的合理防滲方案。

1 防滲方案優缺點分析

防滲工程材料及方案主要有垂直灌漿帷幕防滲、黏土鋪蓋、鋼筋混凝土面板、瀝青混凝土面板和土工膜襯砌等幾種[11]。

1.1 垂直灌漿帷幕

垂直灌漿帷幕是最為成熟的技術之一，對水文地質條件和工程地質條件要求較高，且復雜條件下的大規模灌漿對精度要求極高，不確定性比較大，難以精確控制，施工難度大，防滲效果和長效性難以保證[11]。一般在結構較為簡單的水池或垃圾填埋場等工程上應用較多，由于抽水蓄能電站的地質條件非常依賴于自然環境，垂直帷幕灌漿防滲技術很少應用，不適用于海水抽水蓄能電站的庫盆防滲。

1.2 黏土

對于施工現場土料比較豐富的條件，黏土鋪蓋防滲是非常好的方式。黏土具有一定的自愈合能力，在輕微破損情況下能夠自修復[12]，但黏土的防滲等級普遍不高，較難以滿足海水抽水蓄能電站的防滲要求。由于其較低的成本和自愈合能力，可考慮作為輔助材料與其他防滲材料共用。此外，還有報道對比了風化料與黏土的防滲性能，如果控制好粗顆粒的含量，也能達到較好的防滲效果[13]，但以海水抽水蓄能電站庫盆的防滲要求，也僅能作為輔助材料使用。

1.3 鋼筋混凝土面板

鋼筋混凝土面板具有一定的防滲性能，施工簡單，工藝和質量控制技術成熟，成本不高，但由于其剛性結構，變形模量大，對不均勻變形的適應性比較差，抗拉強度僅為1.3 MPa左右[14]，一般應用于庫盆庫岸防滲結構[15-16]。但也有將鋼筋混凝土面板應用于全庫盆防滲的案例，十三陵抽水蓄能電站上水庫為我國第一個應用實例：考慮到干縮、溫度應力和不均勻變形等，合理分縫至關重要；還要對局部軟性地基進行開挖置換，用過渡料回填壓實；此外，面板的微小裂縫采用改性環氧漿液或聚氨酯處理[17]。十三陵抽水蓄能電站前十年服役期間滿足相關防滲標準，后期暫無可查證數據。

針對鋼筋混凝土防滲面板的不足，可應用一些特殊的防護方法。柔性聚合物砂漿技術是近十幾年發展起來的用于保護混凝土防滲面板的技術，可與混凝土材料粘結，提高抗背水壓性能和彈性模量，大幅增強適應變形的能力。聚合物顆粒相互連接，可在混凝土基材的毛細孔內形成枝蔓狀封閉體系，填塞混凝土結構的滲水通道和表面的微裂縫，從一定程度上增強鋼筋混凝土材料的耐久性和防滲性能[18-19]。針對混凝土的一種高滲透環氧涂料與之類似，也有一定程度的應用[20]。另一方面，國家海洋腐蝕防護工程技術研究中心研制了一種鋼筋混凝土柔韌涂料，包括封閉底漆、密封膩子、延展中涂和耐候面漆四層，具有較強的混凝土裂縫追隨性能，能夠承受混凝土的微小裂縫，已在港口碼頭和電廠等工程中有較多實際應用，對混凝土防滲性能的提升也有一定效果[21]。此外，混凝土接縫的薄弱部位還有應用納米改性的有機止水材料進行防滲或修復處理的實例（寧波溪口抽水蓄能電站）[22]。因此，鋼筋混凝土可以作為庫岸的防滲基材，但往往需要配合面板的防護技術才能更好地滿足海水抽水蓄能電站的防滲需求。

1.4 瀝青混凝土面板

瀝青混凝土面板也是較常用的防滲材料，在抽水蓄能電站中有廣泛應用，其適應變形能力強（常溫下抗拉強度在5 MPa左右），出現裂縫后有一定的自愈合能力，易修補[23]，相較于鋼筋混凝土更適用于庫底防滲[15]。然而，瀝青混凝土對材料要求較高，與剛性建筑物的連接部位易形成結構應力和變形突變，接頭部位為防滲性能薄弱處，處理工序復雜（例如需要兩套混凝土拌和系統），施工及生產工序較多。此外，瀝青需求量較高，而運輸成本也不得不作統籌考慮。瀝青混凝土在庫盆底部和庫周防滲中均有應用[11,15][16]，由于其本身具有較強的防水性能，很少使用類似于鋼筋混凝土面板的防護技術。

1.5 土工膜

土工膜襯砌是應用最為廣泛的防滲方式，不僅用于水庫的防滲，也大量應用于海水/淡水養殖行業。雖然相較于淡水而言，污水或海水對土工膜材料的侵蝕性有所增加，但近幾十年大量研究已經表明，橡膠材料對海水侵蝕的耐受性仍然是比較強的[24-26]。從20世紀60年代開始，土工膜就在歐洲大量使用，直至20世紀80年代，幾乎所有土工膜防滲系統的應用仍然都在歐洲，全球大多數的土工膜工程仍在采用歐洲延續下來的設計和技術[27]，針對淡水的土工膜技術目前已非常成熟。聚乙烯和聚氯乙烯都是土工膜合成防滲材料較常用的原料，而從20世紀90年代開始，土工膜與土工織物熱復合后組成的新型復合防滲材料也開始有越來越廣泛的應用。其相較于光膜的防滲性能更強，但表面褶皺現象較嚴重，表面缺陷更多，焊接難度增大，因此單一土工膜和復合土工膜的應用也各有優勢[28]。土工膜相較于混凝土面板而言，耐應力性能是最為突出的優勢，抗拉強度至少都在12 MPa以上，比鋼筋混凝土高出一個數量級。三峽工程二期上游圍堰的土工膜應變計原位測得高達20%的應變值[29]。

土工膜最關鍵的問題之一就是接縫的處理，直接影響防滲性能和服役壽命[28]。目前接縫技術有搭接、焊接和粘接等幾種，焊接的防滲效果最好，目前的技術能夠使焊接部位達到與主體材料同等水平的強度。但如果地質條件對變形量的要求較高，粘接工藝的接縫處柔軟度則高于焊接，適應變形能力更強。具體施工工藝還需要根據具體的設計要求進行選擇。日本沖繩海水抽水蓄能電站的防滲采用 EPDM 三元乙丙橡膠材質的土工膜進行全庫盆防滲，服役期間未有嚴重滲漏現象的報道[1,9]。

2 海水抽水蓄能電站聯合防滲方案對比

聯合防滲主要是針對不同的地質條件對庫岸和庫底進行不同形式的防滲。由于庫底不可能做到絕對平坦，因此耐形變能力較差的鋼筋混凝土面板極少應用于庫底（僅有十三陵抽水蓄能電站上水庫等實例，且針對實際情況進行了特殊處理[17]），海水庫盆的聯合防滲方案基本可確定為庫岸面板與庫底鋪蓋相結合的方式[16]。

2.1 土工膜+黏土

土工膜雖然已有很廣泛的應用，但目前基本全部在淡水環境中，海水養殖等行業防滲要求較低，日本沖繩的海水抽水蓄能電站的運行時間也僅有十幾年[8]，因此目前人們對土工膜海水防滲性能的認知僅僅停留在初步階段，在具體的耐侵蝕時間長度等方面不明確。上文已提到黏土可以作為輔助材料，其與土工膜的配合使用是較為典型的工程應用方式。黏土層為土工膜提供了較厚的保護層，減少了土工膜材料的老化起鼓，此外黏土的自愈合能力也極大地減少了土工膜檢修的需求，可以認為黏土保護層為土工膜的耐久性提供了一層保障。但兩者結合也有一些需要注意的工程問題，例如黏土顆粒的粒徑，要避免高壓水作用下顆粒物將土工膜頂破等。在實際工程中，土工膜的厚度在 1～2 mm，而黏土的鋪蓋厚度可達4～5 m[12]。土工膜在防滲性能優異的同時，具有較強的抗拉強度和抗形變性能，對施工氣候條件沒有特別要求，可快速進行大面積鋪設。黏土的覆蓋很大程度上解決了土工膜的老化問題，且抗形變能力甚至比土工膜更強，因此土工膜與黏土的配合對地質和地勢條件的寬容度最高，很適用于庫底防滲。泰安抽水蓄能電站[28]及溧陽抽水蓄能電站[12]庫底等均采用了土工膜與黏土結合的方式。

2.2 瀝青混凝土+鋼筋混凝土

除土工膜以外，瀝青混凝土與鋼筋混凝土聯合防滲也有應用。在一些黏土資源缺乏的地域，利用瀝青混凝土進行庫底防滲，再利用鋼筋混凝土進行庫岸防滲也是一個可行方案，例如西龍池抽水蓄能電站[15]。水庫建于深厚的覆蓋層上，使得庫底能夠盡量平坦，柔性的瀝青混凝土能夠適應一定量的變形。如上文所說，由于形變量和受力條件不同，瀝青混凝土面板與剛性結構的連接位置是最薄弱部位，帶來較大的不確定性，要重點防范，如增加柔性連接材料等。

防滲鋼筋混凝土面板對淡水具有一定的防滲性能和耐久性能，但對于海水環境，其腐蝕性是不得不考慮的問題。柔性聚合物砂漿[18,19]或者多層的柔韌防腐防滲涂料[21]（詳見1.3節）有必要配合鋼筋混凝土面板使用，以提高其耐蝕防水性能。素混凝土面板很難在海水環境中長期使用。

2.3 瀝青/鋼筋混凝土+土工膜

混凝土與土工膜的聯合防滲方案也比較常見，此方案使用土工膜作為庫底防滲材料，而混凝土（鋼筋混凝土或瀝青混凝土）則一般作為庫岸防滲材料。雖然瀝青混凝土的抗拉強度和耐形變性能均可接受，但相較于土工膜仍然遠遠不足。有研究以泰安抽水蓄能電站的情況為例，用主成分分析（PCA）法和模糊綜合評價模型分析發現，在防滲效果、技術性能指標、經濟性能指標、土地綜合利用效果和環保指標上，土工膜均優于鋼筋或瀝青混凝土面板，其中在經濟指標和環保指標方面土工膜的優勢十分明顯。與瀝青混凝土相比而言，鋼筋混凝土各項指標均非常接近。該研究構建了防滲材料綜合評價指標體系，結果表明模型效果良好，研究方法可行[30-31]。

因此，對于海水抽水蓄能電站庫盆防滲而言，土工膜或者復合土工膜是庫底防滲的首選材料，但庫岸的坡度使得土工膜較難與黏土緊密結合，且日本沖繩電站庫岸橡膠襯砌在大風天氣甚至會由于負壓而脫離庫岸表面，因此混凝土面板可作為庫岸的主材料。鋼筋混凝土與瀝青混凝土相比，瀝青混凝土受限于原材料成本以及繁雜的施工工序，在成本和施工難易程度上明顯弱于鋼筋混凝土。從多方面考慮，鋼筋混凝土與土工膜聯合防滲方案的適應性比較強，基本能夠適用于大多數地質條件[11]，必須注意的是要在表面進行砂漿噴涂或涂覆涂層，以減少裂紋風險并增強耐蝕耐形變性能。此外，還有文獻報道了一種混凝土面板與土工膜聯合進行庫岸防滲的設計方案，即復合土工膜鋪設于庫岸墊層上，在其上預制混凝土面板并用瀝青粘合[32]。兩種防滲材料復合使用必將大幅增加工程造價，必要性和工程上的可行性還需要謹慎考慮。

目前筆者正在開展耐海水土工膜材料和針對鋼筋混凝土的保護涂層研究，期望為我國海水抽水蓄能電站前瞻性研究工作提供有針對性的防滲材料。

3 結論

文中從淡水庫盆防滲材料的角度出發，對比了各種防滲材料以及聯合防滲措施的優缺點，在此基礎上探討了海水抽水蓄能電站上水庫庫盆的防滲選材方案。根據各種防滲材料及聯合防滲方案的系統分析，建議選用土工膜與黏土聯合對庫底進行防滲，選用有涂層保護的鋼筋混凝土面板進行庫岸防滲。可為我國相關前瞻性研究工作提供參考，并在未來可能開展的工程設計上提供建議。