抽水蓄能電站全庫盆防滲形式選擇與設計

辛俊生，王富強，郝軍剛

(水電水利規劃設計總院，北京 100120)

隨著國家“碳中和、碳達峰”目標的提出，抽水蓄能電站建設進入了前所未有的快速發展階段。國家發展改革委、國家能源局先后印發了《進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》[1]和《抽水蓄能中長期發展規劃(2021—2035年)》[2]作為指導抽水蓄能產業發展的綱領性文件，為抽水蓄能快速發展奠定了堅實的基礎。“十四五”期間，我國抽水蓄能產業全面進入高質量發展新階段[3]。根據抽水蓄能電站核準計劃，“十四五”期間擬核準建設抽水蓄能電站項目219個、共計2.7億kW[2]，目前眾多抽水蓄能電站工程正在抓緊推進前期工作。

當庫區巖體巖溶或裂隙發育、地下水位低、不透水層埋深大時，需采用全庫盆防滲方案。目前，采用全庫盆防滲的工程應用較多的有全庫盆瀝青混凝土面板、庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜2種防滲方案，此外還有一些工程采用其他組合防滲方案。最早采用全庫盆防滲方案的工程為浙江天荒坪抽水蓄能電站，上水庫采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲，下水庫采用庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜防滲。后來也有一些工程相繼采用了全庫盆防滲方案，例如，張河灣、西龍池、呼和浩特抽水蓄能電站上水庫均采用了瀝青混凝土面板全庫盆防滲[4-5]，溧陽抽水蓄能電站上水庫采用了庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲[6]。此外，由于各工程的建設條件不同，也有部分工程采用了一些其他組合形式的防滲方案，例如，句容抽水蓄能電站上水庫采用了庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜防滲，下水庫采用了庫岸瀝青混凝土+庫底黏土鋪蓋防滲，鎮安抽水蓄能電站上水庫采用了庫岸鋼筋混凝土面板+庫底瀝青混凝土面板防滲。

本文總結了抽水蓄能電站全庫盆不同防滲形式的主要技術特點，探討全庫盆防滲形式選擇應考慮的主要因素，為庫盆防滲設計提供參考。

1 采用全庫盆防滲的抽水蓄能工程

本文收集了我國采用全庫盆防滲的部分抽水蓄能電站工程實例，工程的部分設計參數見表1。

表1 抽水蓄能電站全庫盆防滲典型工程匯總

由表1可知：①較多已建工程采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲。②有幾個項目采用庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲，除溧陽抽水蓄能電站上水庫為已建工程外，多數項目仍處于前期論證階段。③有些項目采用其他組合防滲方案，例如，句容抽水蓄能電站上水庫為適應庫底超高填筑體不均勻沉降變形，采用庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜防滲方案，部分項目結合黏土料源豐富的特點，采用了庫底黏土防滲。

2 各種防滲結構的主要特點及優缺點

抽水蓄能電站庫盆防滲形式主要有瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土面板、土工膜、黏土防滲等，以及各種防滲結構的組合[7]。

2.1 瀝青混凝土面板

瀝青混凝土面板防滲結構目前一般采用簡式防滲面板，自上而下依次為瀝青瑪蹄脂封閉層、厚0.2、10 cm瀝青混凝土防滲層和厚10 cm瀝青混凝土整平膠結層；瀝青混凝土面板結構下部為填筑壩體時需設置的墊層和過渡層，下部為岸坡基巖時僅設置墊層區，以便排除面板后滲漏水，滲水通過墊層匯集于壩基排水廊道排出。墊層區和過渡區厚度根據反濾排水需要結合碾壓施工要求確定。瀝青混凝土面板坡度通常不陡于1∶1.7。

瀝青混凝土面板結構防滲性能較優，其滲透系數<1×10-8cm/s。面板施工一般采用成套設備完成攤鋪、碾壓施工，機械化施工效率高，條幅施工速度可到60～120 m/h，月施工強度可達2萬～3萬m2，由于瀝青面板為高溫攤鋪施工，施工縫接頭處理較為方便，工效和質量保證率高。瀝青混凝土屬于柔性防滲結構，25 ℃時可承受8%的彎拉應變不漏水，2 ℃時可承受2%的彎拉應變不漏水，面板不需設置結構縫，適應基礎不均勻變形能力強。此外，瀝青混凝土具備適應寒冷氣候的特點，呼和浩特抽水蓄能電站上水庫極端最低氣溫為-41.8 ℃，瀝青混凝土面板采用改性瀝青，凍斷溫度達-45 ℃[5]，工程于2013年蓄水，目前運行良好。

2.2 鋼筋混凝土面板

鋼筋混凝土面板為最為常用的防滲結構，已建抽水蓄能電站應用混凝土面板堆石壩壩型的項目最多，工程經驗豐富。為控制最大揚程與最小發電水頭比值，上、下水庫的消落深度和混凝土面板承受的水頭通常不大，為便于施工常采用等厚混凝土面板設計，厚度可結合規范和工程具體要求確定。由于鋼筋混凝土結構為剛性結構，承受不均勻變形能力較弱，需要設置結構縫以適應不均勻變形，結構分縫間距一般為12～18 m，結構縫底部設銅片止水，頂部設塑性止水。在寒冷地區，為提高混凝土耐久性，減少面板溫度裂縫影響，部分工程在混凝土面板表層還涂刷防滲涂層，由于防滲涂層價格較高，對工程投資影響較大。鋼筋混凝土面板上游坡度通常采用1∶1.4。

鋼筋混凝土面板采用滑模施工，施工速度較快，但受接縫止水施工影響，整體施工速度低于瀝青混凝土面板。

2.3 土工膜防滲

土工膜是典型的柔性結構，具有很好的彈性、適應變形的能力和防滲性能，其斷裂伸長率≥200%，適應不均勻沉降的能力強，對地基、庫底回填料料源及填筑碾壓標準要求相對較低；土工膜自身具有良好的防滲性能，滿足質量要求的土工膜滲透系數可達10-11～10-13cm/s。

土工膜接頭需熱熔焊接，土工膜與混凝土等其他材料之間的接頭連接較為復雜，施工程序也較為復雜，需要的人工數量較多；同時耐久性能較差，暴露在陽光中易產生老化。目前，在全庫盆防滲的抽水蓄能電站中，一般用于庫底防滲。

2.4 黏土防滲

在黏土材料較豐富地區，可考慮采用黏土防滲。對黏土的要求可參考防滲土料相關要求，并做好與相關結構之間的連接設計。寶泉抽水蓄能電站上水庫和句容抽水蓄能電站下水庫庫底均采用了黏土鋪蓋防滲。

2.5 幾種主要防滲結構形式主要特點對比

瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土面板和土工膜均具有較好的防滲性能，在施工質量滿足設計要求的前提下，均可滿足抽水蓄能電站的防滲要求。3種防滲形式的主要優缺點如表2所示。

表2 不同防滲形式主要優缺點對比

由表2可知：①瀝青混凝土面板適應變形能力強，不設結構縫，采用成套設備機械化施工，施工速度較快，質量保證性好。②鋼筋混凝土面板施工前需綁扎鋼筋，面板需設置結構縫，接縫止水結構相對較為復雜，但混凝土面板在水電工程中應用廣泛，具有成熟的施工經驗。③土工膜型號較多，質量差異比較大，幅寬一般為6～8 m，不同條帶間一般采用熱熔焊接，與混凝土面板之間一般采用錨固連接，接頭施工工藝較為復雜，人工用量較多，接頭及接頭交叉部位質量保證性較差，需加強接頭施工質量管控，并做好施工期和運行期土工膜保護。

瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土面板和土工膜防滲3種防滲結構均為薄型結構，質量較輕，承受反向水壓力能力極低，因此，應重視并重點做好防滲結構的下游排水措施，土工膜同時應設置一定的壓重。

3 庫盆防滲形式選擇主要考慮因素

3.1 防滲體系對地形地質條件的適應性

瀝青混凝土面板坡度通常采用1∶1.75，鋼筋混凝土面板通常采用1∶1.4。若庫盆兩岸岸坡陡峻，采用鋼筋混凝土面板對庫岸及庫盆以上的邊坡開口線控制較為有利。應根據地形地質條件，選擇適宜的庫盆防滲形式。

3.2 防滲體系適應變形的能力

若整個庫盆基礎為覆蓋層或岸坡巖體質量較差，瀝青混凝土面板坡度較緩、適應變形能力較強，采用瀝青混凝土面板防滲更有利于控制庫盆岸坡穩定和適應庫盆基礎不均勻沉降變形。土工膜斷裂伸長率通常可達200%以上，適應變形能力最強，若庫盆地基覆蓋層深厚或庫底回填厚度大，采用土工膜更有利于適應庫底較大沉降變形，但由于其接頭結構復雜，通常在和不同材料之間的接頭或自身焊接接頭產生破損，或在外力作用下產生破損，實際過程中往往無法完全發揮其優良的防滲和變形能力，需加強施工質量控制。鋼筋混凝土面板為剛性結構，為適應基礎的不均勻沉降變形，通常需設置結構縫以適應變形，適應基礎不均勻變形能力相對較弱。

3.3 施工可靠性和難易程度

瀝青混凝土面板機械化施工程度高，不設結構縫，施工質量易保證，需要的人工數量少。鋼筋混凝土面板需設置結構縫，接縫止水通常設置底部銅片止水和表層塑性止水。銅片止水接頭通常在現場焊接，在施工中常因保護措施不足容易破損，現場檢查發現難度較大，異形銅片止水通常需要在專用工廠整體沖壓成型；接縫止水施工程序較為復雜，質量保證性較差。土工膜通常為6 m或8 m一幅，不同幅土工膜之間采用熱熔焊接，縱橫接縫相交處施工難度較大，質量保證性較低，另外土工膜和其他材料之間連接結構更為復雜，需刷底膠后采用扁鋼壓條壓邊然后用螺栓錨固。

3.4 建筑材料需求

瀝青混凝土通常需要采用堿性骨料，部分工程由于堿性骨料缺乏或運距較遠，造成瀝青混凝土單價較高，導致采用瀝青混凝土面板防滲經濟性較差。目前，國內也有部分工程經過大量的科研和試驗，瀝青混凝土采用了部分酸性骨料，例如，沂蒙抽水蓄能電站上水庫部分瀝青混凝土采用了酸性骨料。

3.5 工程量和防滲方案的經濟性

為便于進行直觀對比，考慮抽水蓄能電站的一般庫容要求和水頭變幅，采用簡化模型對不同防滲形式的全庫盆防滲工程防滲結構主要工程量進行對比，以便梳理不同防滲形式之間的主要差異。簡化模型假定水庫總容積1 000萬m3，庫底到庫頂總高度40 m，瀝青混凝土面板坡度1∶1.75，鋼筋混凝土面板坡度1∶1.4。

3.5.1 庫盆形狀對防滲工程量影響分析

不同的工程根據水庫區地形地質條件，庫盆形狀往往不同，在山頂臺地或山坳筑壩成庫，庫盆防滲形狀受地形限制較小，可采用不同的形狀，利用溝谷筑壩成庫通常為峽谷溝道形水庫，不通過的庫盆形狀，庫容相同，需要的庫盆防滲面積不同。本文對在相同庫容和庫頂庫底高差條件下，不同形狀的庫盆防滲總面積進行了對比分析，對比結果如表3所示。

表3 相同庫容條件下不同庫盆形狀防滲總面積對比

由表3可知，通常的長方形庫盆，假設庫底長方形長邊和短邊邊長的比值為10∶1，總庫容1 000萬m3，庫頂和庫底高差為40 m，庫底和庫岸防滲總面積為394 187 m2，其面積是相同庫容圓形庫盆面積的1.29倍，庫盆趨近正方形，其防滲總面積相應減小；正方形、五邊形、六邊形和圓形庫盆形狀，相同庫容和庫頂庫底高差下防滲總面積差別不大，正方形庫盆比圓形庫盆的防滲總面積僅增加約3%。總體來看，狹長形庫盆總體防滲面積較大，但趨近正方形后，庫盆形狀對防滲總面積的影響不大。

圖1 總庫容1 000萬m3不同庫盆形狀庫盆防滲結構總面積對比

3.5.2 坡度對防滲面積影響分析

在相同庫容條件下，采用不同的岸坡坡度，防滲面積有所差異。采用峽谷形庫盆，假設長寬比為10∶1時，庫盆防滲面積隨岸坡坡度的變化見表4。

表4 不同庫岸坡度庫盆防滲總面積對比

由表4可知，在相同庫容條件下，采用較緩的上游坡度，庫盆防滲面積增加，庫底防滲面積減小，總面積增加。采用瀝青混凝土面板或鋼筋混凝土面板防滲，在相同庫容條件下，需要的防滲結構總面積差異不大，瀝青混凝土面板方案防滲面積比鋼筋混凝土面板防滲方案防滲總面積增加約4%。

圖2 不同岸坡坡度庫盆防滲結構總面積對比

3.5.3 不同坡度對壩體填筑工程量的影響

考慮不同的防滲形式和壩料性質，由于壩坡坡度不同，在河谷形狀等一定的條件下，采用簡化模型研究了壩坡變化對填筑工程量的影響。簡化模型假定建基面河谷寬度為100 m，兩岸岸坡平順、坡度均為1∶0.75，壩高90 m，下游壩坡坡度為1∶1.5，上游壩坡坡度由1∶1.4變化至1∶2.0，壩體體積變化見表5。根據分析，壩坡越緩壩體填筑工程量越大，在假定模型條件下，瀝青混凝土面板堆石壩是鋼筋混凝土面板堆石壩填筑工程量的1.1倍。

表5 不同上游壩坡壩體填筑工程量對比

從以上分析可知，在相同庫容條件下，采用瀝青混凝土面板或鋼筋混凝土面板防滲方案，兩種防滲方案防滲結構總體面積工程量差異不大，但由于壩體坡度不同，對填筑工程量影響較為顯著。

不同防滲形式的主要差異體現在2個方面：①由于壩體坡度不同引起的防滲面積、庫盆開挖、壩體填筑工程量等的差異；②由于瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土與結構縫止水單價、土工膜單價不同引起的投資差異。

3.5.4 不同防滲結構經濟性對比

通過對全庫盆瀝青、庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜和全庫盆鋼筋混凝土3種不同結構的防滲形式進行工程投資估算可知，鋼筋混凝土面板由于面板混凝土、鋼筋和接縫止水的單價較高，采用全庫盆鋼筋混凝土防滲工程投資最高。未考慮庫頂以上開挖邊坡影響的情況下，瀝青混凝土面板全庫盆防滲總體工程投資居中；庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲方案，由于土工膜的單價低，采用庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜方案的工程投資最低。但由于市場上土工膜質量參差不齊，若采用質量保證性高的的土工膜，單價將會較大提高，且由于土工膜基礎處理和防護結構復雜，工程投資會顯著增加。

3.5.5 運行可靠性及檢修方便程度

根據已有工程的運行經驗，瀝青混凝土面板防滲的運行可靠性較高，修復處理難度較小，修復速度較快，修復后可立即重新蓄水運行；鋼筋混凝土面板易產生裂縫，根據裂縫的寬度和深度需要采取不同的處理措施，若接縫止水產生缺陷，缺陷段止水往往需要替換，修復處理工藝較為復雜；土工膜抗沖擊能力較差，在外力作用下易破損，土工膜產生缺陷破損，修復處理速度較快，但查找缺陷具體部位難度較大。

4 結 語

隨著抽水蓄能電站建設的推進，越來越多的抽水蓄能電站工程需要采用全庫盆防滲方案。由于水資源緊缺且地質條件較差，地下水位遠低于正常蓄水位，相對不透水層埋藏較深，處于西北、新疆等地區的抽水蓄能電站項目多數上水庫采用了全庫盆防滲方案。

防滲形式選擇應綜合考慮地形地質條件、防滲形式的適宜性、防滲效果、施工可靠性、工程投資等因素進行綜合技術經濟比較確定。目前，采用全庫盆防滲的工程應用較多的有全庫盆瀝青混凝土面板防滲、庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲2種方案，此外還有一些工程采用其他組合防滲形式。鋼筋混凝土面板為最常用的防滲結構，已建的抽水蓄能電站中混凝土面板堆石壩壩型應用最多。部分工程綜合考慮防滲效果、工程投資等因素，選擇采用庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲方案，但該防滲形式已建工程實例不多，由于土工膜及土工膜與庫岸混凝土等接頭較多，施工期需重點關注不同材料之間接頭的連接質量問題，并加強庫岸和庫底排水設計。