某抽水蓄能電站上水庫庫底土工膜防滲設計研究

王素香

(廈門市國水水務咨詢有限公司，福建 廈門 361004)

1 工程概況

江蘇省某市區新建一座蓄能電站，緊靠周圍城鎮用電區和負荷中心，是日調節式抽水蓄能電站。此抽水蓄能電站預計裝機容量為1350MW(6×225MW)，共分兩期進行施工，主要樞紐由上水庫、輸水系統、下水庫、開關站、地下廠房組成，上下庫施工設計為一次建成。上水庫由混凝土主壩、混凝土副壩、庫周公路、庫盆防滲等組成，是直徑約為1390m的三面環山天然盆地，共集水3.96km2，近五年平均徑流量0.155m2/s，正常蓄水水位265m，總庫容1723km3，上水庫和下水庫的主壩和副壩均使用瀝青混凝土面板堆石壩。總平面圖如圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站工程總平面圖

經地質勘測發現上水庫和下水庫的天然水頭較低只有63m左右，需要采取措施增高上水庫庫底，從而增高水庫的天然水頭，于是經技術人員探討確定上水庫庫盆施工方式選擇半填半挖的方式，但是這種施工方式土石方的開挖和填方工程量比較大，預計庫底的填方高度要達到120m左右，工程總平面圖見圖1。

2 上水庫工程特點

上水庫位于山峰南側，在上水庫的北面、東面和南面由高程為283.6-400.7m的埡口和山脊組成，上水庫的南面為一高程為88-117m的溝底，地形較復雜，水庫施工難度較大。下水庫位于山峰東北側，庫盆是由橋溝和小沖溝組成，下水庫地面高程為55-83m，溝底地勢較平坦。上文提到，上水庫和下水庫的天然水頭較低只有63m左右，需要采取人工填渣措施增高上水庫庫底，從而增高水庫的天然水頭。

1)上水庫滲透現象嚴重。上水庫周圍埡口、山脊、溝底存在形式較多，地勢復雜，周圍山體主要為弱-中強度的白云巖，在巖體的巖脈接觸帶、斷層帶和層面巖溶發育較好，有較強透水性和通透性，地質勘探發現巖體內還存在巖溶管道方向通向庫外，巖溶的形成較深，巖體相對隔水層頂板和庫壩區地下水埋深較大,專家推斷在巖斷層的內部可以出現了集中滲漏，因此不能使用垂直帷幕的方法做防滲處理，根據上水庫地質條件綜合考慮后其庫岸防滲施工采用瀝青混凝土面板防滲，以保證庫岸的工程質量[1-3]。

2)上水庫防滲難度大要求高。上水庫形成的天然盆地集水面積較小，天然水量較少，僅有7.81km2，在施工時庫盆需要半挖半填，施工量較大石渣回填高度可達120m左右，人工回填石渣會產生不均勻沉降、庫底防滲施工和周邊建筑連接處容易變形等問題。針對這種現象，決定采用土工膜作為防滲施工的庫底防滲體，土工膜有較好的延展性，滲透性也比較小，適用于變形較大的建筑施工，本工程采用土工膜作為庫底防滲材料，能夠降低庫底的滲透量，符合工程設計要求。

綜上，在本工程的上水庫中，使用瀝青混凝土面板對上水庫的庫岸進行防滲處理，對水庫的庫底則使用土工膜的方法進行防滲施工。瀝青混凝土面板在庫岸中的防滲處理應用簡式的結構，要求整平膠結層與防滲層的厚度相同，均為10cm，而表面的封閉層厚度2mm，大壩和庫岸承受最大水頭為30m左右。

3 庫底土工膜的防滲排水設計

3.1 防滲的設計

土工膜設計通過建成的庫底鋼筋混凝土連接板和大壩及庫岸的瀝青混凝土面板進行連接，主要結構包括上部保護層、下部支持層、土工膜防滲層等。

土工膜結構的下部支持層主要包括過渡層、厚墊層、土工席墊，施工厚度分別為150cm、60cm、6mm，施工方式按照自上而下進行。過渡層的施工材料選擇微風化、級配良好、粒徑在30cm內的開挖爆破料，孔隙率要達到20%，滲透系數保證在8×10-3-2×10-1cm/s之間，干密度設計23.6KN/m3。厚墊層施工材料選擇小石、中石、砂摻配成的混合材料，后墊層上部鋪設20cm混合材料最大粒徑保證在2cm以內，后墊層下部鋪設40cm混合材料最大粒徑保證在4cm以內，孔隙率要達到18%，滲透系數保證在5×10-4-5×10-2cm/s之間，干密度設計22.4KN/m3。土工席墊是一種三維網狀材料，表面平整，在熱熔條件下塑料絲條可以進行連接，抗壓性較強、耐久性較好，將土工席墊設置在土工膜和碎石墊層之間可以很好起到緩沖的作用降低土工膜的受力，防止石塊劃破土工膜影響庫底防滲的施工質量。

土工膜防滲材料選用高密度聚乙烯(HDPE)土工膜，厚度為1.5mm，這種土工膜具有優良耐環境應力開裂性能，抗老化，抗高溫，耐腐蝕和較長的使用壽命適用此工程的設計要求。上部保護層直接采用土工布進行覆蓋，并運用沙袋在土工布表面之上覆蓋，要求沙袋為30kg土工布沙袋，以1.5m×1.5m的間距進行布置，土工膜防滲層上不再進行粗砂、填渣保護施工。沙袋壓覆的作用是防止蓋好土工布及土工膜被外力掀動影響施工質量。

庫底石渣回填高度預計120m左右，施工時填方量較大所以挖方時應盡量減少石渣中途施工運輸損失，施工回填石料要除掉接近土工膜的墊層料和過渡料，回填石料成分較復雜，不能直接回填，要按照施工要求從下到上依次回填壩基底和上水庫庫底除腐殖土剝離的碎石黏土、上水庫庫盆微風化白云巖及少量蝕變閃長玢巖、下水庫庫盆的白云巖摻灰巖、粗面巖、安山巖等等[4-6]。

3.2 排水的設計

當施工完成后，有時質量較好的土工膜也會出現一些滲漏的現象，庫底及庫岸土層中也會產生一定水分和氣體，庫岸由于壓力也會滲水，這些水分和氣體在土工膜底部會產生一個反向作用力，致使土工膜受損，影響上水庫庫底土工膜防滲質量。為了有效避免土工膜下墊層積水、積氣破壞土工膜，需要采取一定排水、排氣措施。

按照“上截下排”的排水設計要求，需要建立一系列排水系統，使土工膜防滲層下方滲水能順暢排出，避免破壞土工膜。具體施工方式為，建立一個排水層，即在巖坡與瀝青混凝土中間加一碎石排水墊層，厚度約為0.8m，方便滲水從碎石排水墊層流出。為使土工膜下排水順暢，需要在土工膜墊層內鋪設間距為25m×25m的土工排水管網，土工管的直徑90mm，在土工管外部鋪設土工布100g/m2，在庫底建設一排水廊道，排水溝水排入排水廊道內。

排水廊道除了有引流庫底積水、積氣的作用外，還具有一定的監測作用，方便技術人員觀察水庫的滲水及部分庫底的滲壓情況，另外排水廊道作為連接板還有一定連接作用,通過將廊道庫岸瀝青混凝土面板和庫底土工膜防滲體系連接起來形成完整的防滲體系。排水廊道在巖庫周圍的底部布置，在水庫的西、北庫岸分別設置一個出水口，出水口位置建設集水井，集水井內設立泵站，利用泵站將出水口內滲漏水抽回，再引流到水庫內，降低水庫水流損耗。

4 庫底土工膜的有限元計算

4.1 庫底回填區沉降位移分析

竣工期壩最大斷面上的位移如圖2所示。

圖2 上水庫竣工期最大斷面回填區沉降位移

由圖2可以看出，回填區的沉降位移程度比較大，沉降量最大位置發生在庫底1/3處，沉降量可達170cm,對回填區沉降量大的原因進行分析發現，其主要原因是回填區回填材料參數比大壩的填筑材料參數低。在上水庫蓄水后，在水壓作用下，庫底沉降加劇，最大沉降量增加到206cm，庫底回填高度為120m，其最大沉降量為庫底回填高度的1.72%。

4.2 土工膜變形分析

本工程施工的土工膜防滲設計變形分析采用膜單元進行模擬操作，工程采用的土工膜彈性模量比較低，與下伏堆石體變形幅度相差很小，由此在采用膜單元模擬時，可以忽略由土工膜和土體出現相對滑移。為方便后面的計算,將堆石體產生的位移當作土工膜位移進行變形處理。

蓄水期最大斷面回填區土工膜變形曲線見圖3，主要包括蓄水沉降、順河向、軸向3部分。

圖3 蓄水期最大斷面回填區土工膜變形曲線(蓄水沉降向下為正、順河向向下游為正、壩軸向左岸為正)

由圖3可以看出，順河向、軸向這兩個土工膜變形量比較小，在蓄水期土工膜的變形量比較大，沉降位移較大，最低點處的沉降位移可達77cm。

蓄水期最大斷面土工膜的拉應變見圖4，在水庫庫底存在非常高的填渣，并且回填的渣料十分的復雜，由此導致在水庫蓄水之后土工膜的形變較大，出現較大沉降，尤其是在混凝土連接板外邊緣與庫底填渣連接處的形變較大。

圖4 蓄水期最大斷面土工膜的拉應變

由圖4也明顯看到，土工膜的拉應變在接板外邊緣和庫底填渣連接處發生明顯，最大拉應變達到1.07%。另外開挖和回填分界線位置拉應變也比較明顯，最大拉應變達到0.36%，分析其形成的原因是壩體施工材料和庫底填渣材料性質差別太大，形成一定的沉降。工程采用的高密度聚乙烯(HDPE)土工膜最大拉伸屈服伸長率為16%，對比上述數據，均在施工設計范圍內，不會出現土工膜破裂。

4.3 局部加固分析

從圖4可以看出土工膜的拉應變在混凝土連接板外邊緣與庫底填渣連接處最大拉應變達到1.07%，為了防止連接處的拉應變隨著水庫投入使用進一步擴大，需要進行加固處理，降低庫底填渣的沉降量。具體的加固措施見圖5，加固的材料和上游堆石區材料的屬性相同，經計算后確定水庫在蓄水期，最大斷面處土工膜的拉應變及變形量見圖6、圖7，混凝土連接板外邊緣與庫底填渣連接處拉應變由1.07%降為0.33%，降低率約為69%。從上述數據可以看出，采取加固措施后可以有效降低土工膜的不均勻沉降，提高水庫的穩定性和防滲能力。

圖5 上水庫加固措施

圖6 蓄水期最大斷面處土工膜的拉應變

5 結 語

抽水蓄能電站是一種電力消耗較少時耗電抽水，用電高峰時放水至下水庫水電站釋放能量發電的電能調節建筑，從地勢上講，較大的上水庫、下水庫水頭差可以減少施工投資。此抽水蓄能電站建于江蘇省某市區周邊，因地勢原因形成的天然水頭差較小，上水庫不足以放水至下水庫水電站釋放能量發電，因此需要人工墊高上水庫庫底，來增加水頭差，庫底回填施工高度120m，施工量大且施工難度大，回填材料主要有碎石黏土、微風化白云巖、蝕變閃長玢巖、白云巖摻灰巖、粗面巖、安山巖、蝕變閃長玢巖混合料等多種材料，成分較復雜，采用這些較差材料回填的主要原因一方面是堅持土石方“盡量減少棄料”的施工原則，另一方面是回填量太大，如果采購較好材料工程投資太多，超出工程預算。

根據水庫地質勘探結果，水庫施工位置的主要巖體為弱-中等強度的白云巖類，進行連通實驗發現，上水庫壩址地下水和巖體相對隔水層頂板埋深較深且還存在通向庫外的巖溶管道，因此防滲方式選擇全庫盆防滲，另外上水庫庫底回填量及材料性能較差，所以選用具有優良耐環境應力開裂性能，抗老化，抗高溫，耐腐蝕和較長的使用壽命高密度聚乙烯(HDPE)土工膜。

竣工后對庫底土工膜各項指標進行有限元計算，土工膜的拉應變在混凝土連接板外邊緣與庫底填渣連接處發生明顯，最大拉應變達到1.07%，為了防止連接處的拉應變隨著水庫投入使用進一步擴大，需要進行加固處理，降低庫底填渣的沉降量，經加固處理后混凝土連接板外邊緣與庫底填渣連接處拉應變降為0.33%，降低率約為69%，遠小于土工膜最大拉伸屈服伸長率16%，對類似工程施工有參考意義。