五岳抽水蓄能电站上水库防渗型式比选研究

刘 要 来，穆 君，郑 小 伟，狄 峥

(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 概 述

抽水蓄能电站对水库防渗要求高，水库渗漏影响着电站的经济效益，大坝的渗透或渗漏问题也影响坝基、库岸边坡、地下洞室围岩、水道系统的稳定性和水库的水量平衡，还可能引起山体和已有建筑物的失稳和低凹地区的浸没。因此，要求水库具有全面较好的防渗性能[1-2]。

五岳抽水蓄能电站上水库挡水建筑物为1级建筑物，最大坝高128.2 m(坝轴线处)[3]。根据《混凝土面板堆石坝设计规范》(DL/T 5016-2011)第10.2.2条要求，1级坝及高坝的帷幕深度可按深入岩体透水率为3～5 Lu区域内5 m。

该工程为抽水蓄能电站，上水库集雨面积仅0.311 km2，无天然径流补水，库水渗漏相当于电能损失，结合DL/T 5028-2005《抽水蓄能电站设计导则》：“库盆为微透水(1 Lu)岩体是可以满足要求的；若库盆内有部分为弱透水性下限的岩体(3 Lu)，但只要其渗漏量不大于库容的0.5‰也能满足要求。因此，仅从渗漏量分析上水库防渗要求以1～3 Lu为宜”。该工程上水库中等风化及其以下岩体则总体上为微～弱透水，以q<1 Lu为标准的库周分水岭相对不透水层埋藏深度10～50 m，深度适中，故按照上水库库盆防渗设计标准为1 Lu设计。

该工程上水库大致可以分为四个区域：混凝土面板堆石坝填筑区、库底石渣回填区、库底开挖区和库岸开挖区。大坝填筑采用钢筋混凝土面板堆石坝，上游坝面采用钢筋混凝土防渗。库底基于上水库土石方开挖平衡的原则，利用部分开挖料及弃渣回填库底死水位以下部分库容，减少初期蓄水量和弃渣量，回填高程310 m。库底开挖区范围及开挖高程根据蓄能电站调节库容的要求及上水库土石方挖填平衡的原则确定，开挖区底板高程310 m，开挖区高程310 m岩体以微新岩体为主，地层岩性为整体块状结构花岗岩，地质构造相对简单，岩体透水率为微透水。开挖库岸地层岩性为整体块状结构花岗岩，地质构造相对简单，无断层穿过开挖库周山脊分水岭，开挖形成的永久边坡岩体均为中风化～微风化至新鲜岩体，除局部垭口地带外岩体透水率为微透水。

根据该工程上水库地形地质条件，结合抽水蓄能电站上水库防渗设计的工程实践经验，对上水库防渗方案的影响因素进行系统的分析研究。拟定垂直防渗方案、全库盆防渗方案和综合防渗方案进行综合比选，以确定适宜的防渗设计方案。

2 垂直帷幕防渗方案

结合该工程地形地质条件和枢纽布置方案，上水库库周由开挖库岸和大坝组成，开挖库岸地层岩性为整体块状结构花岗岩，地质构造相对简单，无断层穿过开挖库周山脊分水岭，开挖形成的永久边坡岩体均为中风化～微风化至新鲜岩体，岩体呈微透水，垂直帷幕防渗方案设计如下：

大坝坝型为混凝土面板堆石坝。大坝顶高程为351 m，防浪墙顶高程352.2 m。大坝迎水面采用混凝土面板防渗，面板厚t=0.30+0.003H m。该工程筑坝材料主要为花岗岩。堆石料的母岩为上水库开挖料，其岩性为整体块状结构花岗岩，质地较硬，坝体堆石料分区从上游至下游依次为特殊垫层区、垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区和块石护坡。在面板上游高程295 m以下，设置“粉煤灰+碎石”铺盖作为辅助防渗。铺盖上游设石渣混合料盖重区，顶部高程295 m，顶部水平宽度9 m，上游坡比1∶2.0。

防渗帷幕沿大坝趾板，并于库岸帷幕连接。在趾板布置1排帷幕灌浆孔，孔距2 m，灌浆孔深入相对不透水层(1 Lu)顶板以下5 m。为防止绕坝渗漏，两岸坝头部位，防渗帷幕伸入岸坡内的范围、深度以及帷幕轴线的方向，根据工程地质、水文条件确定，延伸到相对不透水层与正常蓄水位相交处，并与趾板帷幕相接，形成垂直封闭防渗体系。

开挖库周由于自身封闭性好，不作系统防渗处理，在开挖段相对不透水层线低于坝顶高程352.10 m部位进行帷幕灌浆，灌浆深度为相对不透水层以下5 m，并与大坝段防渗帷幕相接，形成垂直封闭防渗体系。库底为整体块状结构花岗岩，不存在大规模渗漏问题，不作防渗处理。

上水库垂直防渗方案典型断面见图1。

图1 上水库垂直防渗方案典型断面图

3 土工膜全库盆防渗方案

结合该工程的具体情况，参照国内外抽水蓄能电站上水库防渗型式工程建设实践经验[4]，五岳抽水蓄能电站上水库库底表面防渗方案拟定如下：

大坝迎水面采用混凝土面板防渗，面板等厚0.4 m，面板在310 m高程设周边缝和下部的趾板/连接板相连。趾板建于基岩上，趾板最低建基面高程308.4 m，宽度为7 m。连接板支承于主堆石体上，连接板底部高程308.4 m，宽度为7 m。连结板以下取消面板、垫层、趾板，以反滤层代之。大坝趾板(连接板)与库底防渗结构相接，并与排水灌浆廊道形成封闭的防渗体系。

库底防渗结构采用土工膜防渗。根据工程地质条件，结合上水库死水位311.50 m，针对防渗方案的具体情况，本着以“挖”定“填”的原则，最后确定库内回填高程为308m。库底在原始地面上清除植被后回填石渣分层碾压至回填高程，然后自下往上依次设置过渡层(厚度1.5 m)、碎石垫层(厚0.4 m)、细沙垫层(厚0.1 m)、三维复合排水网、HDPE土工膜(厚1.5 mm)、土工织物(500 g/m2)、土工砂袋护面(30 kg/袋)。库底防渗层总厚度为2 m，顶部高程为310 m。

库岸开挖区采用钢筋混凝土面板防渗，开挖坡比1∶1.32，面板等厚0.4 m，面板以下铺筑无沙混凝土(厚0.35 m)。在库底高程310 m坡脚通过库底周边排水廊道与库底土工膜防渗结构连成封闭整体。

上水库表面防渗方案典型断面见图2。

图2 土工膜全库盆防渗方案典型断面图

4 综合防渗方案

结合该工程的具体情况，参照国内外抽水蓄能电站上水库防渗型式工程建设实践经验，五岳抽水蓄能电站上水库综合防渗方案拟定如下：

库底回填高程为308 m，库底在原始地面上清除植被后回填石渣分层碾压至回填高程，然后自下往上依次设置过渡层(厚度1.5 m)、碎石垫层(厚0.4 m)、细沙垫层(厚0.1 m)、三维复合排水网、HDPE土工膜(厚1.5 mm)、土工织物(500 g/m2)、土工砂袋护面(30 kg/袋)。库底防渗层总厚度为2 m，顶部高程为310 m。

库内开挖区不做全面的防渗处理，为确保防渗体系的完整性和封闭性，库底土工膜防渗范围向库内开挖区适当扩大，经分析确定土工模防渗平面范围延伸至高程310 m平面相对不透水层线(透水率小于1 lu)以内不小于20 m，并在端部做可靠的锚固和保护。

两岸坝头部位，防渗帷幕伸入岸坡内的范围、深度以及帷幕轴线的方向，根据工程地质、水文条件确定，延伸到相对不透水层与正常蓄水位线以下5 m，并与大坝混凝土面板防渗体系相接，形成垂直封闭防渗体系。

上水库综合防渗方案典型断面见图3。

图3 综合渗方案典型断面图

5 防渗型式综合比选

5.1 防渗效果比较

根据渗水量对比分析，结合类似工程设计理论及运行实践经验，对拟定的垂直帷幕防渗方案、土工膜全库盆防渗方案和综合防渗方案渗漏量计算成果对比分析见表1。

表1 防渗方案渗流量计算成果表

从渗漏量计算结果看，垂直帷幕防渗方案渗漏量最大，土工膜全库盆防渗方案渗漏量最小，但三个方案均小于DL/T 5028-2005《抽水蓄能设计导则》所规定的小于总库容的0.5‰的要求。

根据地下厂房影响分析，该工程地下厂房采用首部式布置方案，地下厂房与上水库的水平距离最小为290 m。该部位岩体为微风化～新鲜花岗岩，岩体完整性较好，目前，没有发现贯通性断层发育，结构面主要为节理裂隙，钻孔压水试验的透水率值基本小于1 Lu，为微透水岩体，裂隙之间的连通性差，从地下厂房勘探平洞揭露的情况来看，也未发现有大的渗水现象，洞壁均较干燥，仅沿节理或断层带有极少量的渗水。根据沿线工程地质条件综合分析后认为，上水库蓄水后对厂房的影响甚微，不会造成上水库库水大量向厂房区渗漏的情况。同时，地下厂房结合洞室开挖的实际情况，动态调整完善防渗系统设计，减小上水库渗漏对地下洞室群的影响。

5.2 工程技术难度对比

从设计角度看，垂直防渗方案与土工膜方案国内均有较多的工程实例，技术成熟，不存在设计技术难度差异。

从施工经验看，钢筋混凝土面板和帷幕灌浆的施工在国内已有成熟的经验，抽水蓄能电站上库用钢筋混凝土面板和垂直帷幕防渗施工难度不大。而土工膜全库盆防渗方案和综合防渗方案需要对库底回填石渣进行碾压后再进行库底防渗膜施工，库底防渗层厚度2.5 m，分五层，由下至上分别为碎石排水垫层、土工席垫、土工织物、黏土、土工膜、沙土盖重和碎石护面，施工工艺相对比较复杂。

5.3 施工难度及工期对比

垂直帷幕防渗方案：帷幕灌浆总长度为2.25万m，坝基帷幕灌浆在已浇筑好的混凝土趾板上进行，由于趾板布置在库盆内侧，帷幕灌浆与坝体填筑分别施工，相互干扰较小。帷幕灌浆不占直线工期，混凝土趾板按分块浇筑完，达到28 d龄期后(并要求相邻块龄期不少于14 d)，即可进行帷幕灌浆施工，施工工期6个月左右。

全库盆土工膜防渗方案：土工膜防渗总面积约为23.08万m2，自下往上依次设置过渡层(厚度1.5 m)、碎石垫层(厚0.4 m)、细沙垫层(厚0.1 m)、三维复合排水网、HDPE土工膜(厚1.5 mm)、土工织物(500 g/m2)、土工砂袋护面(30 kg/袋)。土工膜施工工艺相对较复杂。土工膜施工基本不占直线工期，由于土工膜施工以人工为主，施工工期相比帷幕防渗方案长。

综合防渗方案：土工膜防渗总面积约为16.27万m2，防渗结构设计同全库盆土工膜方案防渗结构。库底土工膜防渗施工与坝体填筑分别进行，相互干扰较小。土工膜施工工艺相对较复杂。土工膜施工基本不占直线工期，由于土工膜施工主要是以人工为主，施工工期相比帷幕防渗方案长，相对全库盆土工膜防渗方案短。

综上所述，从简化施工程序，确保工程施工质量等考虑，宜采用垂直帷幕防渗方案。

5.4 投资比较

从工程量上看，全库盆土工膜防渗方案和综合防渗方案因减少了死水位以下趾板，开挖量和帷幕灌浆量减少，但增加了库底防渗层工程量及土石方开挖量。从投资上看，垂直帷幕防渗方案比全库盆土工膜防渗方案投资少6 030.81万元，比综合防渗方案投资多1 136.07万元。

5.5 综合比选

从上水库工程地质条件分析，开挖库岸及库盆地层岩性为整体块状结构花岗岩，地质构造相对简单，无断层穿过开挖库周山脊分水岭，岩体均为中风化～微风化至新鲜岩体，岩体呈微透水，开挖库岸稳定性较好。结合国内外抽水蓄能电站上水库建设实践经验，五岳抽水蓄能电站上水库地质条件较好，渗漏问题不太突出，库盆渗漏范围不大、断层及构造带不太发育，具备采用垂直防渗的条件。

从设计角度分析，垂直帷幕防渗方案、全库底土工膜防渗方案和综合防渗方案的设计技术在已建抽水蓄能电站及常规水电工程中均有运用，不存在明显的设计技术难度差异。

从施工技术分析，3个方案施工技术也比较成熟，但垂直帷幕防渗方案施工工艺相对简单，全库底土工膜防渗方案和综合防渗方案施工工艺相对比较复杂，同时，对回填区碾压质量要求也较高。

从防渗效果分析，全库底土工膜防渗方案渗漏量最小，综合防渗方案渗漏量次之，垂直防渗方案渗漏量最大，3个方案的渗水量均小于《抽水蓄能设计导则》所规定的小于总库容的0.5‰的要求。

从防渗体的耐久性及可靠性而言，土工膜的使用寿命一直是重点关注的问题，土工膜防渗体设计使用年限一般为50年。由于施工期破损的小洞，在蓄水加载后应力集中造成破损范围扩大。土工膜在长期运行中会产生聚合物分解、硬化、膨胀甚至溶解等，降低力学性质，增大渗透性。对于水泥结石致密的帷幕，防渗有效年限约为100 年以上，满足设计使用年限要求。对于存在渗漏溶蚀危害的部位，水泥结石不够致密，随着时间延长其帷幕防渗效果变差，可进行补强灌浆处理以满足设计要求。综合分析而言，帷幕防渗体的耐久性及可靠性相比土工膜防渗体更好[5]。

从工程投资分析，垂直帷幕防渗方案比全库盆土工膜防渗方案投资少6 030.81万元，比综合防渗方案投资多1 136.07万元(占上水库工程总投资比不足2%)。

从经济性分析，3个方案的主要差别在于投资不同，运行期的电能损耗不同，依据渗漏量差别，垂直帷幕防渗方案和综合防渗方案相对全库底土工膜防渗方案每天电能损耗相差很小，相对投资差别增加的运行费用几乎可以忽略，显然，采垂直防渗方案和综合防渗方案更为经济。

综合上述分析，五岳抽水蓄能电站上水库推荐采用垂直帷幕防渗方案。

6 结 语

结合五岳抽水蓄能电站上水库水文条件及工程地质条件，参照国内为抽水蓄能电站建设实践经验，对上水库防渗型式拟定垂直防渗方案、全库盆防渗方案和综合防渗方案3个比选方案，通过

防渗效果、工程技术难度、施工难度及工期、工程投资、防渗体耐久性、方案经济性等方面综合比较，推荐采用垂直帷幕的防渗设计方案。