土工膜防渗体在抽水蓄能电站的应用

黄和平，阳桥辉

（1.中国水利水电第十二工程局有限公司，310004，杭州；2.金华市方圆建设监理有限公司，321000，金华）

一、工程概况

泰安抽水蓄能电站位于山东省泰安市泰山西南麓，距泰安市5 km，电站建成后，在山东省电网中担任调峰填谷和调频、调相及事故备用等任务。

泰安抽水蓄能电站由上水库、下水库、输水系统及地下厂房系统等建筑物组成。上水库正常蓄水位410m，相应库容1127.6万m3；下水库正常蓄水位165 m，相应库容2234.7万m3，为不完全多年调节水库。上水库布置在樱桃园沟内，由大坝、放水洞（兼导流、泄洪）、上库进/出水口、库盆及其防渗设施等组成。混凝土面板堆石坝坝顶高程为413.80m，坝顶长540.46 m，最大坝高100.50m，坝顶宽10m。库盆采用混凝土面板、土工膜（HDPE）及帷幕灌浆的综合防渗方案。下水库系利用已建大河水库，需对现有拦河坝、溢洪道和放水洞分别进行加固和改建。下库大坝为均质土坝，坝顶全长为773 m（包括副坝），最大坝高22 m。

二、库底防渗施工特点和难点

上水库库盆距离地下厂房最近直线距离约200m，设计采用综合防渗方案：右岸横岭距坝轴线约818 m范围的岸坡采用坡度为1:1.5、0.3 m等厚的混凝土面板防渗，岸坡面板下游侧与堆石坝防渗面板相接；库底回填石渣区采用HDPE膜水平防渗，HDPE膜与大坝面板及右岸岸坡面板相接、左岸及库尾处HDPE膜埋入库底观测廊道的二期混凝土中，廊道基础设锁边帷幕。其中，HDPE膜水平防渗铺盖面积160798m2，HDPE 膜防渗库底高程EL374.20m，膜上作用最大水头36 m、膜下填渣体最大厚度40m。

土工膜虽然在我国已经应用了近50年，但是在蓄能电站上水库库底水平防渗系统中还没有应用先例，且防渗膜为1.5mm厚HDPE膜、基础为石渣填筑体（最厚处近40m）、上保护层为单层500g/m2的土工布，从类似HDPE膜防渗系统分层结构、材料选择、施工工艺等方面均没有先例可循。通过大量的生产工艺试验，解决了施工中所遇到的难题，确保工程施工质量优良。

解决的技术难题主要有：

①HDPE膜防渗分层结构、周边连接结构和施工工艺参数；②材料的可焊性与机械设备选型的对应关系；③缺陷修复材料与母材的相容、有效性关系；④不同季节、不同温度和气候条件下土工膜施工最佳施工参数；⑤基础填筑体技术指标；⑥砂土上摊铺、焊接HDPE膜的质量保证措施；⑦大面积铺设HDPE膜，各施工区域的HDPE膜受气温变化影响幅度不同，HDPE膜膜面温度受气温、风速、光照等影响的变化规律；⑧周边不规则连接线的施工方法；⑨相邻块的土工膜铺设温差控制问题及周边连接结构的锚固问题；⑩HDPE膜表面褶皱处理问题；11○HDPE膜直缝、T形接头、缺陷修补点和周边连接结构的质量检测方法；12○施工期间的安全维护问题。

三、主要施工方法

1.工艺流程

首先对上水库库底土石方开挖，开挖至弱风化基岩，将开挖的料石运输至弃料场。接着在挖好的基岩上填筑过渡料，厚度控制在120cm，其中埋设土工排水盲管，推土机配合推平，使用振动碾进行碾压密实。然后在过渡料层上填铺60cm的垫层料，碾压密实、平整。

待过渡料密实平整后，上面铺一层6 mm厚的土工席垫，采用人工铺设、横纵向对接连接，并用塑料扣扣接牢固，保证土工席垫连成一个整体。

土工布分上下两层，均采用人工机械运输、滚铺，两层土工布中间铺设HDPE土工膜。下层土工布采用直缝法进行连接，上层土工布采用搭接连接。

最后在上层土工布上按1 m×1 m格子覆盖砂袋。

主要工程量：垫层石渣回填100978m3，土工排水盲管铺设13430m，上土工布铺设160519m2，土工膜铺设160797m2，土工膜周边缝1884 m，土工席垫铺设15350m2，下土工布铺设160519m2。

2.HDPE膜铺设

HDPE膜场内采用专用车辆运输，采用滚铺法施工，人工摊铺。

HDPE膜按“先中间、后四周”的原则进行作业。中央区域HDPE膜铺设时，根据HDPE膜幅宽在库盆周边预留施工道路，待中央区域HDPE膜全部铺设、焊接完成后再对预留部位与周边锚固HDPE膜进行同步施工。

HDPE膜接缝主要包括直缝、T形缝，施工中避免出现十字接头。膜与膜之间的接缝错缝距离不小于5 m。长直焊缝采用热楔式自动焊机焊接，搭焊宽度100mm、焊缝宽度1.4cm、缝间距5cm。短直焊缝和T形焊缝采用手持挤出式焊机、手持式半自动爬行热合熔焊接机组合施工，T形焊缝端部焊接气道采用电吹风热熔封闭。短直焊缝和T形焊缝缝宽约20mm，焊缝与相邻焊缝相接或形成封闭焊缝。低温时段或温度变幅较大的天气焊接HDPE膜，及时采用厚棉被对焊缝进行覆盖保温，避免焊缝部位温度梯度过大发生脆断。

HDPE膜受气温影响较大，随气温升高尺寸伸长、气温降低尺寸缩短。HDPE膜由于温度变化造成的表面褶皱，蓄水前通过对表面压重土工沙袋重新分布进行消除或减小。

四、采取的措施

HDPE膜在我国类似工程首次应用，没有成功经验可以借鉴。施工前，项目部成立了HDPE膜施工专题研究小组，制定了详细的施工质量计划和质量控制措施，并请专家来项目部进行技术培训，确保所有参建人员在施工前就已了解HDPE膜铺设工艺。

施工前，项目部共进行了长达12个月的试验研究，优化了防渗分层结构、施工工艺参数，并通过试验确定了工程施工材料。施工中，对新发现的技术问题制定专项措施进行研究，并通过再次试验进行改进、完善。根据本工程的水文气象条件，项目部对HDPE膜越冬的原材料和焊缝质量情况加强研究，并取得了宝贵的试验资料。所有的试验成果均上报监理工程师和设计代表以会议的形式进行讨论，并以会议纪要的形式明确试验成果。

HDPE膜铺设前，项目部均编制了详细的施工技术措施和安全防护措施上报监理工程师审批，对参建人员进行详细交底，并在铺设过程中进行技术指导。

HDPE膜施工过程中，项目部挑选了最精干的施工技术人员组建成专业队伍参与施工，并对全体人员进行岗前培训，培训合格者持证上岗。项目部安排了两名专业技术人员和两名质检员跟班监督指导，对分层结构施工质量均进行100%检查。同时，两名现场监理工程师和设计代表、业主代表也全程监督HDPE膜施工质量。通过全方位、立体监控措施，有力地保证了工程施工质量。

五、质量评价

1.下支持垫层施工质量

HDPE膜下支持垫层分上40cm、下25cm进行施工，通过对孔隙率、干密度、渗透系数等进行检测来控制施工质量，质量检测成果分别见表1、表2。

2.土工席垫施工质量

土工席垫施工主要控制其原材料质量和铺设是否平整、扣件连接是否牢固，原材料质量检测如下：

厚度检测3组，平均厚6.9 mm，范围 6.5～7.4 mm。

孔隙率检测24组，平均77.5%，范围74.1%～79.7%。

拉伸强度检测3组，纵向拉伸强度平均为4.2 MPa，范围在3.2 MPa～5.52 MPa之间，横向拉伸强度平均为1.4 MPa、 范围在 0.89 MPa～1.98 MPa之间。

表1 HDPE膜下支持垫层下层40cm检测成果

3.土工布施工质量

土工布主要从原材料、铺设的平整度、缝合的牢固度来控制施工质量，现场施工质量经检查全部合格。500 g/m2土工布原材料质量检测结果见表 3。

4.HDPE膜施工质量

HDPE膜原材料、焊缝及缺陷修补质量需要进行100%的检测，原材料通过自检和外委检测，现场铺设质量主要采用目测、充气检测、真空检测和拉伸测试进行检测。

（1）原材料质量

HDPE膜原材料检测结果见表4。

施工中，我们随机抽取HDPE膜片材放置露天自然冻融。越冬后，将片材对折 180°施加 19小时 0.4MPa的压力后，折痕有效受力部位性能检测结果见表5。

表2 HDPE膜下支持垫层上层20～25cm检测成果

表3 土工布质量检测结果

表4 HDPE膜质量检测结果

（2）铺设质量

目测：采用“看、摸、撕”三道工序进行检测。看：检查HDPE膜上是否具有孔眼、烫伤、深度划痕、褶皱，检查焊缝是否清晰、连续均匀无褶皱；摸：检查有无漏焊、虚焊；撕：待焊缝温度降至最低温度时，对每条焊缝沿缝进行100%剥离检查焊接是否充分。

充气检测：对每一直焊缝和长条状修补焊缝，采用充气检测仪进行充气检测，检测焊缝气道是否漏气。

真空检测法：对T形接头、充气检测针孔和熔点、疤痕、孔洞、凹坑修补点等点状部位，采用真空检测。检测时，将肥皂液沾湿需测试的HDPE膜范围内的焊逢，将真空罩密贴在潮湿区，启动真空泵，调节真空压力大于或等于0.05MPa，保持30s后，检查焊缝边缘的肥皂液情况，以肥皂液不起泡即为合格。

拉伸测试：焊缝强度利用拉伸仪进行检测，以HDPE膜母材断裂而焊缝不破坏、也不可剥离为合格。

HDPE膜焊缝及缺陷修补均进行100%现场质量检测，检测结果均满足设计要求。HDPE膜焊缝强度外委检测10组，焊缝处平均拉伸强度28 kN/m、范围26～33 kN/m，焊缝处剥离强度平均 207 N/cm、范围 169～247 N/cm。

本工程共完成 160797.8m2土工膜、321040m2土工布、357 m的 SBS增强型防渗盖片、1884 m周边缝施工，焊缝 812条、缝长 34269.897 m。HDPE膜缺陷共计267处，其中由厂家生产及运输造成膜面缺陷208处，施工造成的漏焊、虚焊59处，T形接头900处，充气检测针孔69处，已全部处理，复检后合格。

HDPE膜铺设、周边缝施工，施工工艺均符合设计要求，质量控制全过程实行监理旁站，各类原始记录、试验资料齐全。

为了加强HDPE膜焊缝强度检测，我们对焊缝进行越冬测试，结果评价合格。

5.周边锚固质量

HDPE膜周边锚固结构质量通过渗透试验进行检测，即在周边连接部位安装密封箱，对密封箱进行加水加压至0.4MPa以上，以稳压8 h不渗水或压力表读数不下降为合格。现场选取5个测点，检测结果均满足设计技术要求。

6.监测成果及分析

截至2005年12月8日，上水库已蓄水至EL388.80m，即HDPE膜上承压水头14.6 m，大坝累计最大沉降量65.10cm，坝体水平位移最大29.17 mm，坝后量水堰流量4.65 L/s，库底观测廊道量水堰流量0.6 L/s，HDPE膜周边膜下渗压计观测值均为负压（小于安装时库底的大气压）。种种迹象表明，HDPE膜没有渗漏现象。

7.质量验收评定情况

HDPE膜下支持垫层验收63个单元、一次性验收合格率100%，其中61个单元优良，优良率96.8%。HDPE膜及周边连接结构验收67个单元、一次性验收合格率100%，其中64个单元优良、优良率96%。

HDPE膜防渗结构分部工程质量被评定为优良。

六、新成果的应用

本工程是在我国类似工程中首次采用HDPE膜进行上水库库底水平防渗的工程。工程采用了6 mm厚的土工席垫、1.5 mm厚的HDPE膜、SR三元乙丙防渗盖片、防渗填料、防渗盖片、化学锚固剂等；而且HDPE膜采用焊接，周边采用机械锚固，锚固采用的是快速、高强、无污染的化学锚固剂；HDPE膜采用真空检测（真空罩）、充气检测（充气检测针）及渗压箱检测等无损检测方法，保证了土工膜的完好性；HDPE膜焊接采用了热楔式自动焊机、手持挤出式焊机、手持式半自动爬行热合熔焊接机和热风枪，周边连接结构施工采用了钻石钻机；HDPE膜运输中采用了自制的专用台车。

厚土工膜防渗体在水库库底的成功应用，不仅从技术上解决了库底大面积防渗的难题，也在很大程度上为工程建设节约了大量的资金，使抽水蓄能电站的建设更加快捷，也为其他类似工程的建设提供了样本。