抽水蓄能電站庫盆的防滲型式*

臧真麟，劉志林

（西藏農牧學院 水利土木工程學院，西藏 林芝 860000）

1 概述

抽水蓄能電站是當電站電力處于負荷狀態或者出于用電低峰時，利用過剩電力將下游水庫的水運送至上水庫；當處于電能負荷高峰期時，再將抽送至上水庫的水源下方完成發電。抽水蓄能電站的上水庫常水頭一般較高，附近水源補給不多，滲漏的水量即意味著損失的電量，并且滲漏的水源還有可能危及到水庫周邊建筑物、岸坡的地基安全。由此，抽水蓄能電站水庫的防滲要求一般較高。

2 垂直防滲式

垂直防滲通常指在庫址和庫周設的幕帷灌漿或者垂直防滲墻，但在實際施工中，以幕帷灌漿作為防滲方案居多。

幕帷灌漿防滲的原理是將漿液灌入巖體或者土層的裂縫中，利用形成的連續帷幕減少水源的滲漏。帷幕的頂部要與閘底板或者庫體相連接，底部要一定程度的深入不透水巖體。

當水庫臨近高達山體且水庫地下水位偏高時，若地質條件比較理想，則僅在庫體地下水位較低區域實施帷幕灌漿即可解決滲漏問題。與表面防滲方案相比，帷幕灌漿防滲技術相對成熟，對施工現場要求低，施工簡單，工程成本相對較低[1]。

其局限性在于帷幕的質量不能得到保證，可靠性差。其原因在幾個方面：（1）施工質量的影響。施工過程中，可能存在鉆孔孔斜偏差、灌漿壓力和漿液濃度的選擇或調整不當影響帷幕質量，從而達不到預定的防滲效果。（2）帷幕密實性能的影響。帷幕幕體的密實性與其防滲效果以及耐久性有直接關系。實驗數據表明，即使施工現場嚴格按照灌漿（ω<0.002）進行灌漿，幕體中仍然存在相當部分的滲漏孔隙，存在向外滲流通道，影響防滲效果。（3）特殊地層的影響。穿過某些特殊的地層（如破碎帶等）會對帷幕產生不良影響。當巖體自身的抗力不足或具有不完整性時，原有的裂縫會在庫體與水壓力的作用下張開，破壞帷幕的完整性，影響防滲效果。（4）地下水侵蝕的影響。地下水對帷幕的影響是長期作用的后果，其中最明顯的是溶出性侵蝕，由圖1 可見，其CaO 的累積溶出率大于25%時將會導致結石強度急劇下降[2]。

圖1 CaO 溶出率與抗壓強度的關系曲線

其次，幕帷灌漿防滲的局限性在于其并不能將庫水與庫岸分隔開，不能保證水庫岸坡的穩定性。水-巖作用對巖石的物理、化學損傷效應對巖石的巖體強度影響顯著，隨著時間的延長，水庫岸坡的穩定性下降，產生安全隱患[3]。

工程實例：

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內。上水庫主要建筑物由面板堆石壩、進/出水口、庫岸、庫底、導流洞等組成。庫周帷幕布置在右岸庫周的山脊上，防滲帷幕軸線長1618.6m。設計帷幕灌漿為單排孔，孔距2.0m，孔深55.7～99.9m，帷幕深入基巖相對不透水層以下3.0m。帷幕灌漿采取自下而上分段卡塞、孔內循環式灌漿法；對不良部位采用自上而下分段孔口封閉灌漿法施工[4]。

3 表面防滲式

3.1 土工膜防滲

土工膜作為防滲材料的優勢有：適應性強，延展性好。當以土基或者變形大的堆石作為防滲結構的基礎時，土工膜能很好的適應地基的變形；施工簡便，施工的復雜性低，設備投入少，施工周期短[1]；造價低，單位面積投入少，與瀝青混凝土防滲等方案相比經濟性顯著；質量輕，容易搬運和儲存。

土工膜防滲所選取的土工膜材料主要有HDPE（高密度聚乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）、CSPE（氯磺化聚乙烯）等塑料材料。在國外，土工膜主要應用于壩面防滲、填筑壩壩內防滲、水庫及池底襯護、渠道襯護、地下工程防水等[5]。

工程實例：

江蘇省某市區新建一座蓄能電站[7]，僅靠市區，是日調節式抽水蓄能電站，裝機容量1350 MW。上水庫由混凝土主（副）壩、庫盆防滲等組成。

該抽水蓄能電站上水庫周圍地勢復雜，所依靠的山體主要為弱-中強度的白云巖，有較強的透水性和通透性，而且巖層內部存在通向庫外的巖溶管道。

考慮到上水庫防滲難度大，要求高，而且巖斷層內部可能出現了集中滲漏，因此不能使用垂直帷幕的方法做防滲處理，故采用瀝青混凝土面板防滲，保證庫岸的工程質量；采用1.5mm 厚的HDPE 土工膜作為防滲施工的案底防滲材料，該種土工膜性能優良，具有抗老化、抗高溫以及耐腐蝕等特性，保證了庫底的防滲能力。上水庫平面布置見圖2。

該方案的最終結構布置方案為（自上而下）：

圖2 江蘇省某抽水蓄能電站總平面布置圖

（1）1.5m*1.5m 為間距布置的30kg 土工布沙袋壓覆。

（2）土工布覆蓋。

（3）1.5mm 厚的 HDPE 土工膜防滲層。

（4）6mm 厚土工席墊（粒徑在30cm 以內的開挖爆破料）。

（5）60cm 厚下支持墊層（上部20cm 厚粒徑小于2cm，下部40cm 厚粒徑小于4cm）。

（6）150cm 厚下支持過渡層。

（7）80cm 厚碎石排水墊層。

3.2 聚脲噴涂防滲式

與傳統瀝青和橡膠防滲相比，聚脲噴涂防滲方案的防滲水性能更加出色，而且擁有更好的基礎適應性以及溫度變形性；附著性好，抗拉強度高，更具有耐摩擦、耐老化、耐腐蝕等特點；在施工設備及人員上投入較少，施工方便。

該方案的局限性在于以下幾點：一是對聚脲材料的要求較高；二是對施工的環境要求極高。原因在于若基面的強度、密實性或者透水性等性能達不到施工要求，由于噴涂聚脲有著非常快的反應速度，會導致污染物滲透進入粘合界面[7]，最終使得涂層脫落，影響防滲性能。圖3 為在不同含水率的基面上進行噴涂聚脲試驗的試驗結果。

圖3 基面含水率對聚脲涂層黏結強度的影響曲線

噴涂聚脲的施工工藝一般為：基面處理、聚脲涂料噴涂、后處理、面漆施工等過程。聚脲主要分為雙組分和單組分兩種，雙組分可用專用噴涂設備噴涂施工，單組分可由人工涂抹施工。

工程實例：

回龍抽水蓄能電站位于河南省南陽市南召縣境內的江淮分水嶺附近，工程總裝機容量120MW。上水庫包括主（副）壩、庫盆、進出水口等主要建筑物。

上水庫庫盆防滲方案采用混凝土面板與掛網噴混凝土面層結合的全封閉防滲方案。上水庫庫盆自建成后就一直存在滲漏問題，后針對此現象進行過多次防滲處理，但滲漏問題導致的防水砂漿保護層脫落、PVC 防滲涂層老化等現象一直存在。

后經研究，采用了2mm 雙組分聚脲柔性材料表面防滲方案（雙組分聚脲材料是由異氰酸酯組分（A 料）與端氨基化合物組分（B 料）通過專用噴涂設備快速混合反應形成的彈性涂層）。該方案綜合評價指標如表1 所示[8]。

圖4 瀝青混凝土面板的兩種斷面形式

表1 2mm 雙組分聚脲柔性材料表面防滲透的給合性能

在施工完成后，為檢驗庫盆的防滲處理效果，遵循電站運行管理計劃對上水庫庫盆進行蓄水，蓄水期間不斷對主壩和上水庫庫盆滲漏量進行不間斷的監測記錄，具體監測數據如表2 所示。

從數據分析來看，上水庫庫盆和大壩滲漏量在經過防滲處理后分別減少98.8%和99.9%，防滲效果十分顯著。該項治理項目在國內首次采用了全庫盆大面積聚脲防滲，克服了地形、水壓等困難因素下的技術難題，成功解決的滲漏問題。

3.3 瀝青混凝土面板防滲式

隨著抽水蓄能電站的發展，瀝青混凝土面板以其優越的防滲性能和適應變形性被越來越多的工程所采用。代表工程有寶泉、天荒坪、西龍池等抽水蓄能電站。

瀝青混凝土面板具有良好的防滲性能，滲漏量小，防滲效果顯著；對壩基和填柱體的不均勻沉陷的適應性強；無結構縫，具有很好的完整性；易修復，修復破損面板工短而且修復后24 小時后即可蓄水。

該方案的短板在于其工藝控制復雜，而且部分材料及技術需要進口，造價較高；對瀝青的材料要求較高。

瀝青混凝土面板有復式和簡式兩種結構。復式斷面結構層次較多，而且施工工藝較為復雜，費用高昂，近來已較少采用；簡式結構由封閉層、防滲層、整平膠結層組成，斷面結構層次簡單，工程安全可靠性高，工程造價較低，而且防滲性能優良。圖4 為瀝青混凝土面板兩種結構的簡圖[9]。

工程實例：

寶泉抽水蓄能電站位于河南省輝縣市薄壁鎮，上水庫為堆石壩，最大壩高93.9m，壩體防滲采用的瀝青混凝土面板，防滲面積達3.41 萬m2。

上水庫的瀝青混凝土面板采用了簡式斷面型式。瀝青混凝土面板厚20.2cm；其中整平膠結層一層鋪壓，防滲層兩層鋪壓，封閉層一次刷鋪。瀝青混凝土采用較細的堅硬細骨料，粒徑小于2.5mm，以增大沙子和瀝青的接觸面積使的混凝土更加密實。

表2 上水庫庫盆防滲處理前后相同水位滲漏量對比監測

圖5 寶泉抽水蓄能電站上水庫平面布置圖

上水庫瀝青混凝土為3.21 萬m3，總防滲面積為17.43 萬 m2，大壩面板和岸坡坡度均為 1：1.7～1：2.0，最大斜坡長109.34m。圖5 為上水庫平面布置圖[10]。

排水層為瀝青輕附著的礫石，它匯集防滲面層的滲水，將其引入廊道或排水管排至填筑體外，排水層厚度一般為8～12cm。瀝青混凝土面板采用分層鋪筑，分條幅流水作業；條幅寬度為5m，最大斜坡長109.34m。

3.4 鋼筋混凝土面板防滲式

鋼筋混凝土面板從上世紀九十年代開始應用于抽水蓄能電站的防滲施工，到目前為止，與瀝青混凝土面板同為在抽水蓄能電站中應用的最為廣泛的全庫盆防滲型式。

圖6 宜興抽水蓄能電站上水庫平面布置圖

鋼筋混凝土面板的優點為：防滲性能好，耐高溫、抗沖擊；施工技術成熟，周期短，速度快；能夠適應坡度大的邊坡。

其局限性為：與瀝青混凝土面板相比，接縫設計以及面板裂縫修補較為復雜；溫度適應性和基礎變形性差。

該種防滲型式的裂縫分為兩種：結構性裂縫和收縮性裂縫。結構性裂縫可能發生在基礎處理不當的全庫盆混凝土面板工程。裂縫的存在會影響到面板的耐久性以及造成鋼筋的銹蝕，造成防滲能力的下降。

如果面板出現溫度裂縫（混凝土在澆筑硬化的過程中會產生大量的水化熱，由于混凝土體積較大，導致內外散熱不均勻，外快內慢，使得內外熱脹冷縮的程度不同，導致混凝土表面形成一定的拉應力，由此形成了溫度裂縫），若裂縫寬度小于0.2mm，可直接涂刷環氧增厚涂料或者貼防滲蓋片處理裂縫；若為貫穿性裂縫，需要用設備鑿槽回填環氧砂漿、塑性止水材料等措施處理。

工程實例：

江蘇宜興抽水蓄能電站位于宜興市西南郊的銅官山區，該電站總裝機容量為1000MW，上水庫總庫容530.7萬m3。上水庫由主（副）壩、進出水口、庫盆及其防滲措施等組成。上水庫采用全庫盆鋼筋混凝土面板防滲，均采用0.4m 等厚面板在靠近趾板和連接板一側的混凝土面板增厚至0.6m。圖6 為該電站平面布置圖。

在除防浪墻分縫外其余接縫均設置兩道止水：底部銅止水片和表面塑形填料止水。防浪墻分縫設一道銅止水。

在主壩面板下設置墊層水平寬度為2m 的墊層；庫岸排水層采用厚度為30cm的C10 多孔混凝土。庫底面板底部設置PVC 排水花管，排除滲漏水。上水庫設置三套排水系統：主、副壩壩基排水系統和庫盆排水系統。

4 結論

在使用過程中，大多數的庫盆防滲型式均出現了一定的問題，應繼續深入研究導致各種型式在使用中出裂縫、破壞的原因，以便改善型式結構。

防滲問題在近些年得到了充分的發展，隨著復合材料技術的發展，也涌現出了像聚脲噴涂這種先進的防滲手段，雖然在技術實現上面臨著對施工環境的要求極高類似的困難，但是伴隨著科技的持續發展，類似技術可能會實現大規模、高精度的推廣使用。