溧阳抽水蓄能电站土工膜防渗应用综述

龚家明，刘 聪，石含鑫，刘军国

(1.江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳213334；2.中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610066；3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

1 工程概况

溧阳抽水蓄能电站枢纽建筑物由上、下水库, 输水系统及发电厂房系统等四部分组成。上水库主要由1主2副混凝土面板堆石坝及库周、库底防渗体系形成，正常蓄水位291.00 m，总库容1 423万m3。主坝最大坝高165.00 m，坝顶长1 113.2 m；库底通过开挖和回填整形，形成240、248 m高程两大平台，总面积约25万m2，库底回填石渣最大高度约70 m。该工程土工膜主要用于上水库库底防渗，最大工作水头51.64 m，水头变动最大速率6 m/h。本文重点针对上水库库底土工膜防渗方案研究、土工膜材料采购、现场施工及管理进行总结，以期能为同行提供参考借鉴。

2 库底防渗方案研究

2.1 工程条件

电站地处江苏与安徽交界处的溧阳市西南部，区域地形为志留系砂岩组成的低山，整体趋势为西高东低，上水库主要利用两条平缓的冲沟修建3座面板堆石坝与山体合围而成。由于上水库库周分水岭整体较单薄，且岩体内断层及节理裂隙密集发育，形成了较好的透水网络，相对不透水层埋藏深80～150 m，低于正常蓄水位16～130 m。水库蓄水后，库水将通过分水岭向库外渗漏。同时，虽然未发现大规模断层带穿越，但由于小断层发育，也易形成库水外渗的集中通道，并有沿其发生渗透变形的可能，为此，本工程上水库渗漏问题至关重要。

2.2 防渗方案

考虑到抽水蓄能电站对上水库防渗要求较高，采用帷幕防渗不仅投资大，防渗效果也很难保障，可研阶段就提出了上水库宜采用全库盆表面防渗的结构形式。由于上水库库底系采取降低两条冲沟之间的山脊和填平沟谷的方式进行整形处理，最大填筑高度约70 m，库底不均匀沉降变形问题比较突出。为适应不均匀沉降变形产生的影响，库底防渗采用柔性防渗方式为佳。经对土工膜、沥青混凝土面板、粘土及土工膜+粘土4种柔性防渗材料方案进行研究、比较(见表1)，在满足渗漏、适应不均匀沉降变形的前提下，可研阶段库底防渗最后确定以投资相对较省、又便于后期修复处理的土工膜+粘土组合全库底防渗方案。

表1 溧阳电站上水库库底防渗方案比较

可研之后，随着对库底防渗方案的进一步研究和对土工膜防渗技术征询工作的开展，考虑到电站周边有用的粘土料储量不足且粘土碾压施工难度相对较大等因素，对库底防渗结构调整为全库底土工膜防渗(取消黏土防渗层)方案，并经水电水利规划设计总院组织专家评审确定。在开展土工膜材料采购技术交流的过程中，对土工膜防渗结构又进一步细化，对土工膜与大坝、库岸以及库内建筑物的连接方式等进行了优化，最终库底防渗结构形式由上至下依次为0.2 m×0.2 m×0.1 cm混凝土预制块网格状压覆、土工布(500 g/m2)、1.50 mm厚HDPE土工膜、三维复合排水网(1 300 g/m2)、0.05 m厚砂垫层、0.4 m厚碎石层、1.5 m厚过渡料层。并将土工膜延伸到库底面板周边缝机械连接进行封闭，与库内建筑物采用水平机械连接。

3 材料采购

3.1 技术指标

根据溧阳电站上水库库底特点，土工膜采用黑色HDPE材料，要求土工膜实测密度≥0.94 g/cm3、单位面积质量≥1 410 g/m2、炭黑含量2.0%～3.0%、厚度1.50 mm。横向、纵向物理性能参数为：拉伸屈服强度≥22 N/mm、拉伸屈服伸长率≥12%、拉伸断裂强度≥40 N/mm、拉伸断裂伸长率≥700%、直角撕裂负荷≥190 N；并要求抗刺穿强度≥480 N、拉伸负荷应力开裂时间(切口恒载应力法)≥300 h、常压氧化诱导时间(OIT)≥100 min、85 ℃热老化(90 d后常压OIT保留率)≥55%、水蒸气渗透系数≤1.0×10-13g·cm/(cm2·s·Pa)、紫外线照射1 600 h后高压OIT保留率≥50%。

3.2 土工膜采购

溧阳电站土工膜属甲供物资，通过公开招标方式进行采购。在土工膜材料招标采购的前期，对土工膜从生产制造、仓储保管、现场铺装、焊接及质量检查等各个环节进行了调研和技术交流。目前土工膜的生产、焊接工艺及质量控制手段等均已成熟，而确保土工膜防渗材料质量的关键是原材料质量的控制及生产过程的监督管理，生产配料绝不允许添加回料和填充料，同时加强生产过程质量控制和试验检测，加强生产管理及成品保护。为此，在土工膜招标技术文件中明确规定土工膜生产技术要求和质量控制标准，并开展现场生产24 h跟踪监造，以确保土工膜产品质量。

4 现场施工与管理

4.1 施工准备

为规范土工膜施工，保证库底防渗的可靠性、安全性。首先，根据土工膜相关规程规范和设计技术要求，编制操作手册；其次，组织施工、监理及建设管理等技术人员进行现场培训；再次，开展现场生产性试验，针对土工膜与混凝土体的连接、土工膜热熔和挤压焊接等连接方式，分别进行土工膜锚固连接张拉试验，热熔、挤压焊接试验，以及确定焊接设备、技术参数和相应的环境条件等；最后，根据库底形状、挖填特性、土工膜的展向以及库周连接施工要求等，对土工膜施工进行分区规划与放线。

4.2 现场施工

施工程序：下层结构验收合格、清扫干净→土工膜运输→摊铺、裁膜→试焊、正式焊接→焊接质量检测(无损和破坏性检测)→铺装土工布和压护混凝土预制块。

土工膜采用自带起重设施的8 t运输车吊运，人工摊铺、调节焊缝搭接宽度(10 cm)。铺设遵循“先中央、后周边”、“先库头、后库尾”、“相邻区块连续施工”的顺序进行。铺设时避免形成“十”字形接头，“T”字形接头之间距离不得小于3 m。焊接按照试验参数先焊短边缝，再焊长边缝，形成的“T”字形接头采用挤压焊接法打补丁进行加强处理。

4.3 质量检测

土工膜焊接结束，分别进行外观、热熔焊充气检测、挤压焊真空罩和电火花检测，并按比例抽样进行破坏性试验检测。检测结果不合格，立即对相应焊缝进行修复处理，已达到检测通过率100%。溧阳电站土工膜施工质量检测结果见表2。从现场施工过程中检测的一次性合格率情况看，土工膜施工质量优良。

表2 土工膜焊接质量检测汇总表

4.4 成品保护

土工膜运输至工地现场专用临时堆放场堆存，施工场所隔离封闭，严禁非施工车辆及非作业人员进入现场。现场作业人员一律穿软底鞋，实行登记出入。

为确保土工膜不受坠物破坏，对其上部有施工作业的位置搭设简易脚手架，挂阻燃式密目网进行防护。同时在邻近周边建筑物3 m范围内覆盖棉被保护，并利用棉被作为人行通道，避免施工人员直接在土工膜上行走。库底防渗施工结束，水库蓄水前清除全部防护设施。上水库初期蓄水，为防止外抽水冲击土工膜，在抽水管道距离库底15 m的位置设置减压阀，同时在蓄水管底部用砂袋铺设一个20 m×10 m×1 m(长×宽×厚)的缓冲防护区域，确保土工膜在初期蓄水不受损坏。

4.5 渗漏检测

土工膜施工结束和正式蓄水前，进行两次土工膜电学渗漏位置探测。该方法参考“ASTMD 6747土工膜电学渗漏位置探测方法选择与技术标准”，其原理是在土工膜上施加电压，通过在电势场内移动探测设备探测有回路的位置，从而找到渗漏点。两次检测的面积分别为7.5万、25万m2，分别检测出破损孔洞195处和94处，从土工膜破损孔洞的大小、形状和状态分析，大部分孔洞是由异物刺穿所致。经检查发现的孔洞，采用挤压焊接法打补丁处理至满足要求。

5 上水库渗漏修复处理

工程上水库初期蓄水过程中曾发生过2次漏水。第一次渗漏发生在2016年7月上水库首次蓄水至270.50 m高程时。1号进出水塔南侧土工膜沿塔体周边撕裂长约1.2 m，其下部沿塔体弧线方向长约41 m范围(含深坑)均有不同程度的塌陷，其中冲坑部位最大宽度1.2 m，最深处3.1 m；同时，2号进出水塔东南侧存在部分土工膜穿孔现象。本次最大渗水量约1 520 L/s。经现场检测，1号进出水塔南侧沿原地形冲沟有明显的渗水通道，库内填筑体有架空现象，主坝垫层及后部结构未遭破坏。

第二次渗漏发生在2017年7月水库首次蓄水至正常高水位291 m之后的初期运行过程中，1号副坝段排水廊道边壁面有一处土工膜局部撕裂，其下部形成冲坑宽1.05 m、长1.6 m，深约0.8 m；交通桥台基础4个转角部位土工膜局部撕裂。本次最大渗水量约41 L/s。

从现场情况看，两次渗漏表象相同，渗水点集中，均发生在土工膜与混凝土刚性构筑物连接处。经现场检查、专家咨询，认为两次漏水的主要原因为：构筑物周边的库底回填体压实度不够，自然沉降时间短，导致水库蓄水过程中产生不均匀沉降(第一次最大沉降约33 cm，第二次最大沉降约20 cm)过大，致使土工膜下部脱空，在水力作用下靠近刚性结构混凝土构筑物的土工膜应力集中被撕裂，形成集中渗水点，并在渗水作用下淘空带走填筑体中的细颗粒料尽而形成土工膜下部的较大空腔。库底、库周其余部位未发现明显渗水通道。

针对渗漏特征，提出了漏水修复处理主要措施：①对填筑体进行补强，减小不均匀沉降变形，确保土工膜安全运行。即对渗漏形成的通道以及塔体周边约30 m范围沉降变形较大的区域，中、深层采用充填灌浆，局部浅表层采用挖除置换，冲坑部位采用自密实和易充填的材料进行回填，从而减小库内填筑体沿塔基周边倒悬体和肋板处的沉降变形量和塔基外侧不均匀沉降变形量，并沿塔体周边预留沉降超高，提高土工膜适应沉降变形的能力。②按原施工图恢复土工膜防渗结构，并将井筒周边土工布上部原满铺的混凝土压重块改为点状式敷设，便于土工膜受力拉伸变形。副坝段排水廊道边壁面的处理思路与此相同。经渗漏处理再次蓄水，上水库渗漏监测资料表明，处理后的上水库防渗体系防渗效果好，渗漏量较小。

6 应用效果

溧阳电站上水库于2015年12月开始蓄水，经两次放空修复处理，于2017年8月恢复蓄水，至今已运行约11个月。从渗漏监测设施收集的相关数据看，上水库最大总渗流量值为13 L/s(2018年2月初)，日变幅值小于1 L/s(雨水天气除外)，渗流量占库容总量比约0.008%(含库周及面板渗水等)，近一段时间汇总渗漏量值持续在10 L/s以内变化，库底土工膜防渗体系未见异常渗漏迹象，库区整体防渗效果很好。从埋设在土工膜下部30支渗压计测试资料看，目前主要受孔隙水压力及环境温度综合影响，最大水渗透压力值为6.4 m，测点日变幅值基本在5 cm以内变化。从安装在库底土工膜上的43支柔性位移计监测的资料反映，土工膜整体变化较小，最大测点拉伸值为37.15 mm/m。从安装在进出水塔井座周边的自密实混凝土结合缝的8支缝隙监测计，监测缝隙受水荷载变化影响明显，目前已趋稳定，缝隙最大张开值为25.42 mm。从库底各项监测物理量结果综合分析看，目前库底扰动很小，暂未见异常情况。

另外，该工程共完成土工膜铺装31.5万m2，含防渗体系结构层共完成直接投资约4 500万元，平均180元/m2(按库底面积25万m2计算)，经济效益显著。

7 几点建议

溧阳电站上水库利用土工膜防渗，取得较好的

防渗效果，充分体现了土工膜适应变形能力强、防渗性能良好、造价低廉、施工简捷的特点。针对本工程库底防渗方案选择到现场施工，以及蓄水初期修复处理等问题，为更进一步完善土工膜施工及质量控制措施，提高土工膜在水电行业的适用性，提出以下几点建议：

(1)土工膜原材料的质量是保证土工膜防渗效果的关键，应加强土工膜生产过程中原材料配料、在线监测及试验检测等控制，严禁生产过程中添加回料和填充料。

(2)在库底填筑区使用土工膜防渗，要充分考虑填筑体不均匀沉降产生的危害，尤其要注意土工膜与周边建筑物接头部位的处理，避免不均匀变形产生的应力集中而撕裂土工膜，从而破坏土工膜防渗体系。

(3)加强现场施工管理和土工膜的成品保护，严格控制施工工艺，杜绝土工膜在铺装过程中或施工结束产生人为破坏。