溧陽抽水蓄能電站土工膜防滲應(yīng)用綜述

龔家明，劉 聰，石含鑫，劉軍國

(1.江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽213334；2.中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066；3.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站樞紐建筑物由上、下水庫, 輸水系統(tǒng)及發(fā)電廠房系統(tǒng)等四部分組成。上水庫主要由1主2副混凝土面板堆石壩及庫周、庫底防滲體系形成，正常蓄水位291.00 m，總庫容1 423萬m3。主壩最大壩高165.00 m，壩頂長1 113.2 m；庫底通過開挖和回填整形，形成240、248 m高程兩大平臺，總面積約25萬m2，庫底回填石渣最大高度約70 m。該工程土工膜主要用于上水庫庫底防滲，最大工作水頭51.64 m，水頭變動最大速率6 m/h。本文重點針對上水庫庫底土工膜防滲方案研究、土工膜材料采購、現(xiàn)場施工及管理進(jìn)行總結(jié)，以期能為同行提供參考借鑒。

2 庫底防滲方案研究

2.1 工程條件

電站地處江蘇與安徽交界處的溧陽市西南部，區(qū)域地形為志留系砂巖組成的低山，整體趨勢為西高東低，上水庫主要利用兩條平緩的沖溝修建3座面板堆石壩與山體合圍而成。由于上水庫庫周分水嶺整體較單薄，且?guī)r體內(nèi)斷層及節(jié)理裂隙密集發(fā)育，形成了較好的透水網(wǎng)絡(luò)，相對不透水層埋藏深80～150 m，低于正常蓄水位16～130 m。水庫蓄水后，庫水將通過分水嶺向庫外滲漏。同時，雖然未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模斷層帶穿越，但由于小斷層發(fā)育，也易形成庫水外滲的集中通道，并有沿其發(fā)生滲透變形的可能，為此，本工程上水庫滲漏問題至關(guān)重要。

2.2 防滲方案

考慮到抽水蓄能電站對上水庫防滲要求較高，采用帷幕防滲不僅投資大，防滲效果也很難保障，可研階段就提出了上水庫宜采用全庫盆表面防滲的結(jié)構(gòu)形式。由于上水庫庫底系采取降低兩條沖溝之間的山脊和填平溝谷的方式進(jìn)行整形處理，最大填筑高度約70 m，庫底不均勻沉降變形問題比較突出。為適應(yīng)不均勻沉降變形產(chǎn)生的影響，庫底防滲采用柔性防滲方式為佳。經(jīng)對土工膜、瀝青混凝土面板、粘土及土工膜+粘土4種柔性防滲材料方案進(jìn)行研究、比較(見表1)，在滿足滲漏、適應(yīng)不均勻沉降變形的前提下，可研階段庫底防滲最后確定以投資相對較省、又便于后期修復(fù)處理的土工膜+粘土組合全庫底防滲方案。

表1 溧陽電站上水庫庫底防滲方案比較

可研之后，隨著對庫底防滲方案的進(jìn)一步研究和對土工膜防滲技術(shù)征詢工作的開展，考慮到電站周邊有用的粘土料儲量不足且粘土碾壓施工難度相對較大等因素，對庫底防滲結(jié)構(gòu)調(diào)整為全庫底土工膜防滲(取消黏土防滲層)方案，并經(jīng)水電水利規(guī)劃設(shè)計總院組織專家評審確定。在開展土工膜材料采購技術(shù)交流的過程中，對土工膜防滲結(jié)構(gòu)又進(jìn)一步細(xì)化，對土工膜與大壩、庫岸以及庫內(nèi)建筑物的連接方式等進(jìn)行了優(yōu)化，最終庫底防滲結(jié)構(gòu)形式由上至下依次為0.2 m×0.2 m×0.1 cm混凝土預(yù)制塊網(wǎng)格狀壓覆、土工布(500 g/m2)、1.50 mm厚HDPE土工膜、三維復(fù)合排水網(wǎng)(1 300 g/m2)、0.05 m厚砂墊層、0.4 m厚碎石層、1.5 m厚過渡料層。并將土工膜延伸到庫底面板周邊縫機械連接進(jìn)行封閉，與庫內(nèi)建筑物采用水平機械連接。

3 材料采購

3.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)溧陽電站上水庫庫底特點，土工膜采用黑色HDPE材料，要求土工膜實測密度≥0.94 g/cm3、單位面積質(zhì)量≥1 410 g/m2、炭黑含量2.0%～3.0%、厚度1.50 mm。橫向、縱向物理性能參數(shù)為：拉伸屈服強度≥22 N/mm、拉伸屈服伸長率≥12%、拉伸斷裂強度≥40 N/mm、拉伸斷裂伸長率≥700%、直角撕裂負(fù)荷≥190 N；并要求抗刺穿強度≥480 N、拉伸負(fù)荷應(yīng)力開裂時間(切口恒載應(yīng)力法)≥300 h、常壓氧化誘導(dǎo)時間(OIT)≥100 min、85 ℃熱老化(90 d后常壓OIT保留率)≥55%、水蒸氣滲透系數(shù)≤1.0×10-13g·cm/(cm2·s·Pa)、紫外線照射1 600 h后高壓OIT保留率≥50%。

3.2 土工膜采購

溧陽電站土工膜屬甲供物資，通過公開招標(biāo)方式進(jìn)行采購。在土工膜材料招標(biāo)采購的前期，對土工膜從生產(chǎn)制造、倉儲保管、現(xiàn)場鋪裝、焊接及質(zhì)量檢查等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了調(diào)研和技術(shù)交流。目前土工膜的生產(chǎn)、焊接工藝及質(zhì)量控制手段等均已成熟，而確保土工膜防滲材料質(zhì)量的關(guān)鍵是原材料質(zhì)量的控制及生產(chǎn)過程的監(jiān)督管理，生產(chǎn)配料絕不允許添加回料和填充料，同時加強生產(chǎn)過程質(zhì)量控制和試驗檢測，加強生產(chǎn)管理及成品保護(hù)。為此，在土工膜招標(biāo)技術(shù)文件中明確規(guī)定土工膜生產(chǎn)技術(shù)要求和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，并開展現(xiàn)場生產(chǎn)24 h跟蹤監(jiān)造，以確保土工膜產(chǎn)品質(zhì)量。

4 現(xiàn)場施工與管理

4.1 施工準(zhǔn)備

為規(guī)范土工膜施工，保證庫底防滲的可靠性、安全性。首先，根據(jù)土工膜相關(guān)規(guī)程規(guī)范和設(shè)計技術(shù)要求，編制操作手冊；其次，組織施工、監(jiān)理及建設(shè)管理等技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場培訓(xùn)；再次，開展現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗，針對土工膜與混凝土體的連接、土工膜熱熔和擠壓焊接等連接方式，分別進(jìn)行土工膜錨固連接張拉試驗，熱熔、擠壓焊接試驗，以及確定焊接設(shè)備、技術(shù)參數(shù)和相應(yīng)的環(huán)境條件等；最后，根據(jù)庫底形狀、挖填特性、土工膜的展向以及庫周連接施工要求等，對土工膜施工進(jìn)行分區(qū)規(guī)劃與放線。

4.2 現(xiàn)場施工

施工程序：下層結(jié)構(gòu)驗收合格、清掃干凈→土工膜運輸→攤鋪、裁膜→試焊、正式焊接→焊接質(zhì)量檢測(無損和破壞性檢測)→鋪裝土工布和壓護(hù)混凝土預(yù)制塊。

土工膜采用自帶起重設(shè)施的8 t運輸車吊運，人工攤鋪、調(diào)節(jié)焊縫搭接寬度(10 cm)。鋪設(shè)遵循“先中央、后周邊”、“先庫頭、后庫尾”、“相鄰區(qū)塊連續(xù)施工”的順序進(jìn)行。鋪設(shè)時避免形成“十”字形接頭，“T”字形接頭之間距離不得小于3 m。焊接按照試驗參數(shù)先焊短邊縫，再焊長邊縫，形成的“T”字形接頭采用擠壓焊接法打補丁進(jìn)行加強處理。

4.3 質(zhì)量檢測

土工膜焊接結(jié)束，分別進(jìn)行外觀、熱熔焊充氣檢測、擠壓焊真空罩和電火花檢測，并按比例抽樣進(jìn)行破壞性試驗檢測。檢測結(jié)果不合格，立即對相應(yīng)焊縫進(jìn)行修復(fù)處理，已達(dá)到檢測通過率100%。溧陽電站土工膜施工質(zhì)量檢測結(jié)果見表2。從現(xiàn)場施工過程中檢測的一次性合格率情況看，土工膜施工質(zhì)量優(yōu)良。

表2 土工膜焊接質(zhì)量檢測匯總表

4.4 成品保護(hù)

土工膜運輸至工地現(xiàn)場專用臨時堆放場堆存，施工場所隔離封閉，嚴(yán)禁非施工車輛及非作業(yè)人員進(jìn)入現(xiàn)場?，F(xiàn)場作業(yè)人員一律穿軟底鞋，實行登記出入。

為確保土工膜不受墜物破壞，對其上部有施工作業(yè)的位置搭設(shè)簡易腳手架，掛阻燃式密目網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。同時在鄰近周邊建筑物3 m范圍內(nèi)覆蓋棉被保護(hù)，并利用棉被作為人行通道，避免施工人員直接在土工膜上行走。庫底防滲施工結(jié)束，水庫蓄水前清除全部防護(hù)設(shè)施。上水庫初期蓄水，為防止外抽水沖擊土工膜，在抽水管道距離庫底15 m的位置設(shè)置減壓閥，同時在蓄水管底部用砂袋鋪設(shè)一個20 m×10 m×1 m(長×寬×厚)的緩沖防護(hù)區(qū)域，確保土工膜在初期蓄水不受損壞。

4.5 滲漏檢測

土工膜施工結(jié)束和正式蓄水前，進(jìn)行兩次土工膜電學(xué)滲漏位置探測。該方法參考“ASTMD 6747土工膜電學(xué)滲漏位置探測方法選擇與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，其原理是在土工膜上施加電壓，通過在電勢場內(nèi)移動探測設(shè)備探測有回路的位置，從而找到滲漏點。兩次檢測的面積分別為7.5萬、25萬m2，分別檢測出破損孔洞195處和94處，從土工膜破損孔洞的大小、形狀和狀態(tài)分析，大部分孔洞是由異物刺穿所致。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)的孔洞，采用擠壓焊接法打補丁處理至滿足要求。

5 上水庫滲漏修復(fù)處理

工程上水庫初期蓄水過程中曾發(fā)生過2次漏水。第一次滲漏發(fā)生在2016年7月上水庫首次蓄水至270.50 m高程時。1號進(jìn)出水塔南側(cè)土工膜沿塔體周邊撕裂長約1.2 m，其下部沿塔體弧線方向長約41 m范圍(含深坑)均有不同程度的塌陷，其中沖坑部位最大寬度1.2 m，最深處3.1 m；同時，2號進(jìn)出水塔東南側(cè)存在部分土工膜穿孔現(xiàn)象。本次最大滲水量約1 520 L/s。經(jīng)現(xiàn)場檢測，1號進(jìn)出水塔南側(cè)沿原地形沖溝有明顯的滲水通道，庫內(nèi)填筑體有架空現(xiàn)象，主壩墊層及后部結(jié)構(gòu)未遭破壞。

第二次滲漏發(fā)生在2017年7月水庫首次蓄水至正常高水位291 m之后的初期運行過程中，1號副壩段排水廊道邊壁面有一處土工膜局部撕裂，其下部形成沖坑寬1.05 m、長1.6 m，深約0.8 m；交通橋臺基礎(chǔ)4個轉(zhuǎn)角部位土工膜局部撕裂。本次最大滲水量約41 L/s。

從現(xiàn)場情況看，兩次滲漏表象相同，滲水點集中，均發(fā)生在土工膜與混凝土剛性構(gòu)筑物連接處。經(jīng)現(xiàn)場檢查、專家咨詢，認(rèn)為兩次漏水的主要原因為：構(gòu)筑物周邊的庫底回填體壓實度不夠，自然沉降時間短，導(dǎo)致水庫蓄水過程中產(chǎn)生不均勻沉降(第一次最大沉降約33 cm，第二次最大沉降約20 cm)過大，致使土工膜下部脫空，在水力作用下靠近剛性結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)筑物的土工膜應(yīng)力集中被撕裂，形成集中滲水點，并在滲水作用下淘空帶走填筑體中的細(xì)顆粒料盡而形成土工膜下部的較大空腔。庫底、庫周其余部位未發(fā)現(xiàn)明顯滲水通道。

針對滲漏特征，提出了漏水修復(fù)處理主要措施：①對填筑體進(jìn)行補強，減小不均勻沉降變形，確保土工膜安全運行。即對滲漏形成的通道以及塔體周邊約30 m范圍沉降變形較大的區(qū)域，中、深層采用充填灌漿，局部淺表層采用挖除置換，沖坑部位采用自密實和易充填的材料進(jìn)行回填，從而減小庫內(nèi)填筑體沿塔基周邊倒懸體和肋板處的沉降變形量和塔基外側(cè)不均勻沉降變形量，并沿塔體周邊預(yù)留沉降超高，提高土工膜適應(yīng)沉降變形的能力。②按原施工圖恢復(fù)土工膜防滲結(jié)構(gòu)，并將井筒周邊土工布上部原滿鋪的混凝土壓重塊改為點狀式敷設(shè)，便于土工膜受力拉伸變形。副壩段排水廊道邊壁面的處理思路與此相同。經(jīng)滲漏處理再次蓄水，上水庫滲漏監(jiān)測資料表明，處理后的上水庫防滲體系防滲效果好，滲漏量較小。

6 應(yīng)用效果

溧陽電站上水庫于2015年12月開始蓄水，經(jīng)兩次放空修復(fù)處理，于2017年8月恢復(fù)蓄水，至今已運行約11個月。從滲漏監(jiān)測設(shè)施收集的相關(guān)數(shù)據(jù)看，上水庫最大總滲流量值為13 L/s(2018年2月初)，日變幅值小于1 L/s(雨水天氣除外)，滲流量占庫容總量比約0.008%(含庫周及面板滲水等)，近一段時間匯總滲漏量值持續(xù)在10 L/s以內(nèi)變化，庫底土工膜防滲體系未見異常滲漏跡象，庫區(qū)整體防滲效果很好。從埋設(shè)在土工膜下部30支滲壓計測試資料看，目前主要受孔隙水壓力及環(huán)境溫度綜合影響，最大水滲透壓力值為6.4 m，測點日變幅值基本在5 cm以內(nèi)變化。從安裝在庫底土工膜上的43支柔性位移計監(jiān)測的資料反映，土工膜整體變化較小，最大測點拉伸值為37.15 mm/m。從安裝在進(jìn)出水塔井座周邊的自密實混凝土結(jié)合縫的8支縫隙監(jiān)測計，監(jiān)測縫隙受水荷載變化影響明顯，目前已趨穩(wěn)定，縫隙最大張開值為25.42 mm。從庫底各項監(jiān)測物理量結(jié)果綜合分析看，目前庫底擾動很小，暫未見異常情況。

另外，該工程共完成土工膜鋪裝31.5萬m2，含防滲體系結(jié)構(gòu)層共完成直接投資約4 500萬元，平均180元/m2(按庫底面積25萬m2計算)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

7 幾點建議

溧陽電站上水庫利用土工膜防滲，取得較好的

防滲效果，充分體現(xiàn)了土工膜適應(yīng)變形能力強、防滲性能良好、造價低廉、施工簡捷的特點。針對本工程庫底防滲方案選擇到現(xiàn)場施工，以及蓄水初期修復(fù)處理等問題，為更進(jìn)一步完善土工膜施工及質(zhì)量控制措施，提高土工膜在水電行業(yè)的適用性，提出以下幾點建議：

(1)土工膜原材料的質(zhì)量是保證土工膜防滲效果的關(guān)鍵，應(yīng)加強土工膜生產(chǎn)過程中原材料配料、在線監(jiān)測及試驗檢測等控制，嚴(yán)禁生產(chǎn)過程中添加回料和填充料。

(2)在庫底填筑區(qū)使用土工膜防滲，要充分考慮填筑體不均勻沉降產(chǎn)生的危害，尤其要注意土工膜與周邊建筑物接頭部位的處理，避免不均勻變形產(chǎn)生的應(yīng)力集中而撕裂土工膜，從而破壞土工膜防滲體系。

(3)加強現(xiàn)場施工管理和土工膜的成品保護(hù)，嚴(yán)格控制施工工藝，杜絕土工膜在鋪裝過程中或施工結(jié)束產(chǎn)生人為破壞。