抽水蓄能电站库盆防渗技术的探讨

抽水蓄能电站库盆防渗技术的探讨来源：丁学琦(中国水电顾问有限公司，北京100011)关键词：防渗；库盆；全库封闭防渗；灌浆帷幕；抽水蓄能电站摘要：抽水蓄能电站上库库盆防渗关系到工程的正常运行，但当需要全库封闭防渗时，不但技术复杂，而且造价昂贵。通过对国内工程设计和实践的分析，建议加强水文地质、水量平衡和经济分析，以选择合宜的库盆防渗方案。对各种库盆防渗技术及其宜进一步深入解决的问题进行了探讨，建议在高陡库岸条件下，推荐采用灌浆帷幕封闭库岸的防渗结构。抽水蓄能电站上库一般缺乏天然径流，依靠电力抽蓄，因此都重视防止水库的渗漏。当存在不利的地形地质等条件而需要采用全库封闭防渗工程时，不但技术复杂，而且造价昂贵。据近期几个在建和拟建的抽水蓄能电站设计概算统计，此类上库工程的建筑费用多占全部枢纽工程建筑费用的比重较大。因此，探讨如何选用经济合理的防渗方案，极有现实意义。1库盆防渗的目的与要求1.1减少库水渗漏减少库水外渗的目的是共同的，设计者的任务是在具体工程情况下，选择防渗措施与允许渗漏量相匹配的经济方案。为此，应做好以下几项工作。1.1.1查明库区水文地质情况并进行深入分析和区划抽水蓄能电站上库多建于山颠沟谷，既无径流，且由于地形、岩性、风化、构造等作用，往往地下水位远低于库底，渗流垂直向下渗漏，需要封闭渗漏通道或采用全库盆防渗措施。当库周确有地下水时，渗流将沿地形地质缺陷处逸出，与地面径流河道上建库一样，地下水位高于水库蓄水位时不会渗漏；低时，垂直防渗结构将起防止(连接隔水层时)或减少(绕渗时)渗漏的作用。因此，查明库区水文地质条件，必要时分段细划水文地质单元，是选择库盆防渗措施的重要前提。如浙江溪口抽水蓄能电站水源来自上库，上库由原有水库改建，仅对左岸风化班岩岩脉横切山脊部分进行局部帷幕灌浆。江苏沙河抽水蓄能电站水源来自下库，上库库周地下水位较高，亦仅对库岸垭口及单薄山脊地下水洼槽进行局部帷幕灌浆。山东泰安抽水蓄能电站上库以库址谷底分界，两侧各是一个独立的水文地质单元，左侧库周地下水位高于水库水位，右岸山脊转薄且有冲沟及多条裂隙密集带横切，库周地下水位低，且发电系统为首部开发，库、厂之间无隔水层，厂房埋藏很深，运行后厂区防渗排水将降低地下水位，水库可能有垂直向渗漏，因此初步设计阶段采用了右侧半库封闭防渗方案。1.1.2进行水量平衡和经济分析库盆防渗的各种措施减少渗漏的程度存在差异，费用相差悬殊，宜进行枢纽整体水量平衡，比较抽水费用与防渗工程投资并进行经济分析，以选择合适的防渗措施。如江苏沙河抽水蓄能电站利用原有的沙河水库作为下库，沙河水库水量丰沛，蓄能电站仅占用其0.5m水位差的库容，上库渗水仍汇集于下库，因此即使上库防渗措施简易而导致少量漏水，也是经济合理的。渗漏量的准确计算比较困难，为概略对比各防渗体的渗漏量，按抽水蓄能电站一般情况，假定上库为垂直渗漏，平均水头20m(相对于库底排水廊道)，采用一般设计上的渗透系数，列见表1仅资对比。1.2防止地基恶化抽水蓄能电站上库库盆往往存在不利岩层和缓倾软弱夹层等，渗水长期影响可能使其软化和冲蚀，从而恶化库岸和坝基稳定条件，这也是选择库盆防渗型式时要考虑的重要因素。采用适当的防渗措施是一个需要深入研讨的课题。有的推荐采用两层防渗措施，如沥青混凝土复式面板，库盆防渗体表层和底层用两种防渗材料等。两层防渗措施虽然比较保险，但也带来施工复杂、造价较贵和检查不易等缺陷。借鉴已建一般水库工程运行实践，如江西上犹江水电站和甘肃盐锅峡水电站坝基都存在缓倾软弱夹层，经一般基础处理(灌浆排水)后，经多年运行取样检查，未见夹层泥化现象，不像估计的那么严重。若沿夹层等确有渗流存在，建议尚可比较在采用一般单层护面防渗措施后，在坝(或岸坡)轴线前设置垂直排水幕至深层滑动极限深度的措施。2几种防渗措施的技术问题探讨2.1沥青混凝土面板近几十年来，随着抽水蓄能电站的发展，当库盆需要全库防渗时，国内外多采用沥青混凝土面板，其突出优点是不留永久分缝，浑然一体，适应变形能力相对较强，渗漏量较少，在基础条件均匀和保证施工质量的情况下，有的工程经运行观察，甚至没有发现漏水，近代采用专用设备和简式断面，施工亦不复杂。由于沥青混凝土面板要求边坡较缓(一般为1∶2.0～1∶1.7)，对具有高陡库岸的工程不能采用。另外，还需注意以下几方面的问题：①当基础软硬衔接和库岸库底连接处应力应变梯度集中时，虽一般可将沥青混凝土面板局部加厚加强，但仍应重视有开裂的可能，需对该处基础开挖形式和回填质量提出技术要求。②蓄能电站上库日间多为满库，但夜间水位削落、气温降低，有的存在冻断裂缝问题，宜进一步研究采用改性沥青。③当前国内仅建成由国外公司施工的天荒坪上库，其造价较高，亟待国内从合作入手，掌握此项施工技术，降低造价。2.2钢筋混凝土面板近些年来钢筋混凝土面板堆石坝在国内外都有飞速的发展，对混凝土面板防裂和适应大变形的分缝止水结构已有许多科研成果及工程经验，施工技术已成熟配套。国内已建工程观测到的大坝渗漏量一般为3～9L／（s·万m2），但用于全库盆防渗的工程国内仅有十三陵抽水蓄能电站，国外也不多见。十三陵抽水蓄能电站上库观测到的全库渗漏量远小于前述单独大坝工程，可能是由于以下原因：①面板(包括库底)置于基岩，接缝变位小，止水比较考究；②坝虽高，由于与库底封闭，渗压水头不高；③经几次检修后主要缺陷已经修补，且运行后有淤泥充填面板表面。需要研究的问题是：①防止混凝土面板裂缝及其冻涨破坏。十三陵抽水蓄能电站上库库岸混凝土面板受基础约束等原因裂缝较多，经修补后从其渗漏情况分析，一是运行初期渗漏集中在进水口及前池区，多来源于施工质量缺陷，后期虽渗量趋于减少，但全库各区均见渗漏；二是渗漏冬季大、夏季小。笔者初步认为，渗漏主要来自面板裂缝。抽水蓄能电站水位削落频繁，夜间严寒面板裸露，如裂缝中存水冻涨则十分不利。因此在寒冷地区宜研究采用纤维混凝土面板，或面板表面保护等措施，以延长面板寿命。②混凝土面板坝虽可以坝坡陡些，但库岸由于风化等原因往往仍需较缓边坡。在有局部陡岸岸坡时，可以研究采用局部回填加以改造；在大范围高陡岸坡时，有的采用陡坡混凝土护面，这时其设计和工艺已不属于混凝土面板坝范畴，宜按混凝土结构设计，诸如用纵横缝分为块体，加大配筋，插筋锚固，做好分缝止水，建立面板后可靠的排水体系等。此时高边坡开挖及骤降条件下面板稳定问题比较突出，造价较高。2.3库底水平铺盖抽水蓄能电站上库削落深度受水泵水轮机水头变幅的限制，而大坝拦断沟口坝高较高，死水位一般远高于库底。当需做全库盆防渗时，多将死库容(除进水口留有前池外)用石渣回填(如山东泰安、河南宝泉)和保留原沟底覆盖层(如天荒坪)，在库底做防渗铺盖。这种处理优点很多：①减少渗漏水头和防渗面积，减少渗漏量；②减少弃渣外运，方便大坝和库盆施工；③投资较少，工期较快。更主要的是，可以便于死水位以下护面工程的检查和维修，检查时不需另设放空水库的设施，回蓄时不需考虑抽水的措施。而现有工程运行证明，库盆护面工程的检查和维修是不可避免的，但因此带来库岸护面与库底铺盖接缝的连接问题。库底覆盖层结构复杂，回填料源及铺填也难以过高要求，加之库底沟谷交错，填料软硬相间，不均匀变形较大，尤以岩坡坡脚为甚；同时验算表明，大坝和库岸坡脚张拉应力应变比较集中。钢筋混凝土面板设于库底，需分割为较小块体，接缝很多，比较复杂；用于岸坡(坝坡)与水平铺盖衔接，虽然混凝土的极限拉伸有限，但设有周边缝(或加连接板)，可将集中应力应变由分缝分散吸收调整，是其优点。沥青混凝土虽然极限抗拉应变高些，但因面板很薄，容易拉穿形成裂缝，对衔接处基础的体形和变模要有合适的要求。传统的粘土铺盖虽其极限抗拉应变稍低于沥青混凝土(沥青混凝土一般为0.5%，粘土一般为0.25%～0.5%)，但铺土厚度较大，表面开裂后拉应变急剧削减，不易拉穿；同时设计垫层符合反滤原则，即使开裂贯穿，每可自愈，因此应是首选方案。蓄能电站多建于城市近郊甚至旅游圣地，取土困难，如山东泰安蓄能电站采用土工膜铺盖。土工膜在水利水电工程上的应用近来有很大的发展，但大型蓄能电站工程库底面积巨大，因此除一般技术外，尚有一些问题有待于研究深化：①土工膜的保护措施。库底土工膜已埋藏于水下，无日晒和冰冻问题，保护层的作用在于防止局部锐物损伤和压重(抵抗水位变动时的渗水反压和气体上浮)，采用细砂和碎石两层保护极不便于检查维修时的清除和恢复(两层料将混合)，如用泡沫塑料代砂，可能更为简便。②土工膜渗漏监测。大面积土工膜分区监测才能方便维修。如采用国内已开始引进的光纤测漏技术，设想结合大面积土工膜的分区定位，敷设网格状、用钢钎插入垫层中固定的塑料板条作为分区边界，区内土工膜下设置蛇形测漏光纤，以分区量测漏水。③排气设施。大面积土工膜铺设时的空腔及垫层和堆渣渗水后挤出的气体，将顶托土工膜，除压重外尚需排气设施，排气阀比较复杂，且易造成渗水弱点，设想可在敷设的上述网格状塑板中，再设通气管并通入排水廊道，以形成排气系统。以上当属设想，细部有待于深入研究和实践。2.4库岸封闭帷幕加库底铺盖笔者曾建议采用库岸封闭帷幕加库底铺盖，以形成全库防渗方案(见图1)。此方案曾在山东泰安抽水蓄能电站上库防渗设计中参与比较。经比较此方案与库岸采用钢筋混凝土面板方案，在库底铺盖采用相同的防渗型式下，投资相当(略省)。特别在库岸为高陡边坡时，不仅投资较省(山西西龙池抽水蓄能电站下库防渗设计的方案比较结果，也说明了这一点)，而且此时与高陡边坡混凝土护面比较，具有以下优点：①库岸可基本维持原有天然边坡(不需做大削坡和库岸整治，只做环湖公路)，如有局部不稳岩体，采用一般加固排水即可，避免高陡边坡开挖和骤降条件下混凝土护面面板稳定的复杂工程。②利用环湖公路和库底铺盖与库岸衔接平台，进行露天灌浆和维修，钻孔不深，施工简便，质量易于保证。当库底有埋藏不深的隔水层，且库岸局部断裂密集渗漏带易于表面局部封闭时，底部倾斜帷幕可以省去。有关工程在方案比选中都担心帷幕防渗的可靠性，对此尚可商榷，灌浆帷幕是水利水电工程中惯用的常规防渗措施，近年来对各种地质条件下对应的灌浆工艺、材料和设备，已有许多成熟的科研成果和工程实践，特别是抽水蓄能电站的上库，多属帷幕不深、水头不高，只要认真施工，防渗效果应该能得到保证。众多大坝多年观测，帷幕防渗效果良好，而且不论那种防渗方案都有其优、缺点和适用条件。因此笔者在建议，特别在高陡库岸岸坡防渗且对防渗要求极高时，可考虑选用库岸封闭帷幕方案。