抽水蓄能电站库盆的防渗型式*

臧真麟，刘志林

（西藏农牧学院 水利土木工程学院，西藏 林芝 860000）

1 概述

抽水蓄能电站是当电站电力处于负荷状态或者出于用电低峰时，利用过剩电力将下游水库的水运送至上水库；当处于电能负荷高峰期时，再将抽送至上水库的水源下方完成发电。抽水蓄能电站的上水库常水头一般较高，附近水源补给不多，渗漏的水量即意味着损失的电量，并且渗漏的水源还有可能危及到水库周边建筑物、岸坡的地基安全。由此，抽水蓄能电站水库的防渗要求一般较高。

2 垂直防渗式

垂直防渗通常指在库址和库周设的幕帷灌浆或者垂直防渗墙，但在实际施工中，以幕帷灌浆作为防渗方案居多。

幕帷灌浆防渗的原理是将浆液灌入岩体或者土层的裂缝中，利用形成的连续帷幕减少水源的渗漏。帷幕的顶部要与闸底板或者库体相连接，底部要一定程度的深入不透水岩体。

当水库临近高达山体且水库地下水位偏高时，若地质条件比较理想，则仅在库体地下水位较低区域实施帷幕灌浆即可解决渗漏问题。与表面防渗方案相比，帷幕灌浆防渗技术相对成熟，对施工现场要求低，施工简单，工程成本相对较低[1]。

其局限性在于帷幕的质量不能得到保证，可靠性差。其原因在几个方面：（1）施工质量的影响。施工过程中，可能存在钻孔孔斜偏差、灌浆压力和浆液浓度的选择或调整不当影响帷幕质量，从而达不到预定的防渗效果。（2）帷幕密实性能的影响。帷幕幕体的密实性与其防渗效果以及耐久性有直接关系。实验数据表明，即使施工现场严格按照灌浆（ω<0.002）进行灌浆，幕体中仍然存在相当部分的渗漏孔隙，存在向外渗流通道，影响防渗效果。（3）特殊地层的影响。穿过某些特殊的地层（如破碎带等）会对帷幕产生不良影响。当岩体自身的抗力不足或具有不完整性时，原有的裂缝会在库体与水压力的作用下张开，破坏帷幕的完整性，影响防渗效果。（4）地下水侵蚀的影响。地下水对帷幕的影响是长期作用的后果，其中最明显的是溶出性侵蚀，由图1 可见，其CaO 的累积溶出率大于25%时将会导致结石强度急剧下降[2]。

图1 CaO 溶出率与抗压强度的关系曲线

其次，幕帷灌浆防渗的局限性在于其并不能将库水与库岸分隔开，不能保证水库岸坡的稳定性。水-岩作用对岩石的物理、化学损伤效应对岩石的岩体强度影响显著，随着时间的延长，水库岸坡的稳定性下降，产生安全隐患[3]。

工程实例：

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省丹东市宽甸满族自治县境内。上水库主要建筑物由面板堆石坝、进/出水口、库岸、库底、导流洞等组成。库周帷幕布置在右岸库周的山脊上，防渗帷幕轴线长1618.6m。设计帷幕灌浆为单排孔，孔距2.0m，孔深55.7～99.9m，帷幕深入基岩相对不透水层以下3.0m。帷幕灌浆采取自下而上分段卡塞、孔内循环式灌浆法；对不良部位采用自上而下分段孔口封闭灌浆法施工[4]。

3 表面防渗式

3.1 土工膜防渗

土工膜作为防渗材料的优势有：适应性强，延展性好。当以土基或者变形大的堆石作为防渗结构的基础时，土工膜能很好的适应地基的变形；施工简便，施工的复杂性低，设备投入少，施工周期短[1]；造价低，单位面积投入少，与沥青混凝土防渗等方案相比经济性显著；质量轻，容易搬运和储存。

土工膜防渗所选取的土工膜材料主要有HDPE（高密度聚乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）、CSPE（氯磺化聚乙烯）等塑料材料。在国外，土工膜主要应用于坝面防渗、填筑坝坝内防渗、水库及池底衬护、渠道衬护、地下工程防水等[5]。

工程实例：

江苏省某市区新建一座蓄能电站[7]，仅靠市区，是日调节式抽水蓄能电站，装机容量1350 MW。上水库由混凝土主（副）坝、库盆防渗等组成。

该抽水蓄能电站上水库周围地势复杂，所依靠的山体主要为弱-中强度的白云岩，有较强的透水性和通透性，而且岩层内部存在通向库外的岩溶管道。

考虑到上水库防渗难度大，要求高，而且岩断层内部可能出现了集中渗漏，因此不能使用垂直帷幕的方法做防渗处理，故采用沥青混凝土面板防渗，保证库岸的工程质量；采用1.5mm 厚的HDPE 土工膜作为防渗施工的案底防渗材料，该种土工膜性能优良，具有抗老化、抗高温以及耐腐蚀等特性，保证了库底的防渗能力。上水库平面布置见图2。

该方案的最终结构布置方案为（自上而下）：

图2 江苏省某抽水蓄能电站总平面布置图

（1）1.5m*1.5m 为间距布置的30kg 土工布沙袋压覆。

（2）土工布覆盖。

（3）1.5mm 厚的 HDPE 土工膜防渗层。

（4）6mm 厚土工席垫（粒径在30cm 以内的开挖爆破料）。

（5）60cm 厚下支持垫层（上部20cm 厚粒径小于2cm，下部40cm 厚粒径小于4cm）。

（6）150cm 厚下支持过渡层。

（7）80cm 厚碎石排水垫层。

3.2 聚脲喷涂防渗式

与传统沥青和橡胶防渗相比，聚脲喷涂防渗方案的防渗水性能更加出色，而且拥有更好的基础适应性以及温度变形性；附着性好，抗拉强度高，更具有耐摩擦、耐老化、耐腐蚀等特点；在施工设备及人员上投入较少，施工方便。

该方案的局限性在于以下几点：一是对聚脲材料的要求较高；二是对施工的环境要求极高。原因在于若基面的强度、密实性或者透水性等性能达不到施工要求，由于喷涂聚脲有着非常快的反应速度，会导致污染物渗透进入粘合界面[7]，最终使得涂层脱落，影响防渗性能。图3 为在不同含水率的基面上进行喷涂聚脲试验的试验结果。

图3 基面含水率对聚脲涂层黏结强度的影响曲线

喷涂聚脲的施工工艺一般为：基面处理、聚脲涂料喷涂、后处理、面漆施工等过程。聚脲主要分为双组分和单组分两种，双组分可用专用喷涂设备喷涂施工，单组分可由人工涂抹施工。

工程实例：

回龙抽水蓄能电站位于河南省南阳市南召县境内的江淮分水岭附近，工程总装机容量120MW。上水库包括主（副）坝、库盆、进出水口等主要建筑物。

上水库库盆防渗方案采用混凝土面板与挂网喷混凝土面层结合的全封闭防渗方案。上水库库盆自建成后就一直存在渗漏问题，后针对此现象进行过多次防渗处理，但渗漏问题导致的防水砂浆保护层脱落、PVC 防渗涂层老化等现象一直存在。

后经研究，采用了2mm 双组分聚脲柔性材料表面防渗方案（双组分聚脲材料是由异氰酸酯组分（A 料）与端氨基化合物组分（B 料）通过专用喷涂设备快速混合反应形成的弹性涂层）。该方案综合评价指标如表1 所示[8]。

图4 沥青混凝土面板的两种断面形式

表1 2mm 双组分聚脲柔性材料表面防渗透的给合性能

在施工完成后，为检验库盆的防渗处理效果，遵循电站运行管理计划对上水库库盆进行蓄水，蓄水期间不断对主坝和上水库库盆渗漏量进行不间断的监测记录，具体监测数据如表2 所示。

从数据分析来看，上水库库盆和大坝渗漏量在经过防渗处理后分别减少98.8%和99.9%，防渗效果十分显著。该项治理项目在国内首次采用了全库盆大面积聚脲防渗，克服了地形、水压等困难因素下的技术难题，成功解决的渗漏问题。

3.3 沥青混凝土面板防渗式

随着抽水蓄能电站的发展，沥青混凝土面板以其优越的防渗性能和适应变形性被越来越多的工程所采用。代表工程有宝泉、天荒坪、西龙池等抽水蓄能电站。

沥青混凝土面板具有良好的防渗性能，渗漏量小，防渗效果显著；对坝基和填柱体的不均匀沉陷的适应性强；无结构缝，具有很好的完整性；易修复，修复破损面板工短而且修复后24 小时后即可蓄水。

该方案的短板在于其工艺控制复杂，而且部分材料及技术需要进口，造价较高；对沥青的材料要求较高。

沥青混凝土面板有复式和简式两种结构。复式断面结构层次较多，而且施工工艺较为复杂，费用高昂，近来已较少采用；简式结构由封闭层、防渗层、整平胶结层组成，断面结构层次简单，工程安全可靠性高，工程造价较低，而且防渗性能优良。图4 为沥青混凝土面板两种结构的简图[9]。

工程实例：

宝泉抽水蓄能电站位于河南省辉县市薄壁镇，上水库为堆石坝，最大坝高93.9m，坝体防渗采用的沥青混凝土面板，防渗面积达3.41 万m2。

上水库的沥青混凝土面板采用了简式断面型式。沥青混凝土面板厚20.2cm；其中整平胶结层一层铺压，防渗层两层铺压，封闭层一次刷铺。沥青混凝土采用较细的坚硬细骨料，粒径小于2.5mm，以增大沙子和沥青的接触面积使的混凝土更加密实。

表2 上水库库盆防渗处理前后相同水位渗漏量对比监测

图5 宝泉抽水蓄能电站上水库平面布置图

上水库沥青混凝土为3.21 万m3，总防渗面积为17.43 万 m2，大坝面板和岸坡坡度均为 1：1.7～1：2.0，最大斜坡长109.34m。图5 为上水库平面布置图[10]。

排水层为沥青轻附着的砾石，它汇集防渗面层的渗水，将其引入廊道或排水管排至填筑体外，排水层厚度一般为8～12cm。沥青混凝土面板采用分层铺筑，分条幅流水作业；条幅宽度为5m，最大斜坡长109.34m。

3.4 钢筋混凝土面板防渗式

钢筋混凝土面板从上世纪九十年代开始应用于抽水蓄能电站的防渗施工，到目前为止，与沥青混凝土面板同为在抽水蓄能电站中应用的最为广泛的全库盆防渗型式。

图6 宜兴抽水蓄能电站上水库平面布置图

钢筋混凝土面板的优点为：防渗性能好，耐高温、抗冲击；施工技术成熟，周期短，速度快；能够适应坡度大的边坡。

其局限性为：与沥青混凝土面板相比，接缝设计以及面板裂缝修补较为复杂；温度适应性和基础变形性差。

该种防渗型式的裂缝分为两种：结构性裂缝和收缩性裂缝。结构性裂缝可能发生在基础处理不当的全库盆混凝土面板工程。裂缝的存在会影响到面板的耐久性以及造成钢筋的锈蚀，造成防渗能力的下降。

如果面板出现温度裂缝（混凝土在浇筑硬化的过程中会产生大量的水化热，由于混凝土体积较大，导致内外散热不均匀，外快内慢，使得内外热胀冷缩的程度不同，导致混凝土表面形成一定的拉应力，由此形成了温度裂缝），若裂缝宽度小于0.2mm，可直接涂刷环氧增厚涂料或者贴防渗盖片处理裂缝；若为贯穿性裂缝，需要用设备凿槽回填环氧砂浆、塑性止水材料等措施处理。

工程实例：

江苏宜兴抽水蓄能电站位于宜兴市西南郊的铜官山区，该电站总装机容量为1000MW，上水库总库容530.7万m3。上水库由主（副）坝、进出水口、库盆及其防渗措施等组成。上水库采用全库盆钢筋混凝土面板防渗，均采用0.4m 等厚面板在靠近趾板和连接板一侧的混凝土面板增厚至0.6m。图6 为该电站平面布置图。

在除防浪墙分缝外其余接缝均设置两道止水：底部铜止水片和表面塑形填料止水。防浪墙分缝设一道铜止水。

在主坝面板下设置垫层水平宽度为2m 的垫层；库岸排水层采用厚度为30cm的C10 多孔混凝土。库底面板底部设置PVC 排水花管，排除渗漏水。上水库设置三套排水系统：主、副坝坝基排水系统和库盆排水系统。

4 结论

在使用过程中，大多数的库盆防渗型式均出现了一定的问题，应继续深入研究导致各种型式在使用中出裂缝、破坏的原因，以便改善型式结构。

防渗问题在近些年得到了充分的发展，随着复合材料技术的发展，也涌现出了像聚脲喷涂这种先进的防渗手段，虽然在技术实现上面临着对施工环境的要求极高类似的困难，但是伴随着科技的持续发展，类似技术可能会实现大规模、高精度的推广使用。