五岳抽水蓄能電站上水庫(kù)防滲型式比選研究

劉 要 來(lái)，穆 君，鄭 小 偉，狄 崢

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

1 概 述

抽水蓄能電站對(duì)水庫(kù)防滲要求高，水庫(kù)滲漏影響著電站的經(jīng)濟(jì)效益，大壩的滲透或滲漏問(wèn)題也影響壩基、庫(kù)岸邊坡、地下洞室圍巖、水道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和水庫(kù)的水量平衡，還可能引起山體和已有建筑物的失穩(wěn)和低凹地區(qū)的浸沒(méi)。因此，要求水庫(kù)具有全面較好的防滲性能[1-2]。

五岳抽水蓄能電站上水庫(kù)擋水建筑物為1級(jí)建筑物，最大壩高128.2 m(壩軸線處)[3]。根據(jù)《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5016-2011)第10.2.2條要求，1級(jí)壩及高壩的帷幕深度可按深入巖體透水率為3～5 Lu區(qū)域內(nèi)5 m。

該工程為抽水蓄能電站，上水庫(kù)集雨面積僅0.311 km2，無(wú)天然徑流補(bǔ)水，庫(kù)水滲漏相當(dāng)于電能損失，結(jié)合DL/T 5028-2005《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》：“庫(kù)盆為微透水(1 Lu)巖體是可以滿足要求的；若庫(kù)盆內(nèi)有部分為弱透水性下限的巖體(3 Lu)，但只要其滲漏量不大于庫(kù)容的0.5‰也能滿足要求。因此，僅從滲漏量分析上水庫(kù)防滲要求以1～3 Lu為宜”。該工程上水庫(kù)中等風(fēng)化及其以下巖體則總體上為微～弱透水，以q<1 Lu為標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)周分水嶺相對(duì)不透水層埋藏深度10～50 m，深度適中，故按照上水庫(kù)庫(kù)盆防滲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1 Lu設(shè)計(jì)。

該工程上水庫(kù)大致可以分為四個(gè)區(qū)域：混凝土面板堆石壩填筑區(qū)、庫(kù)底石渣回填區(qū)、庫(kù)底開(kāi)挖區(qū)和庫(kù)岸開(kāi)挖區(qū)。大壩填筑采用鋼筋混凝土面板堆石壩，上游壩面采用鋼筋混凝土防滲。庫(kù)底基于上水庫(kù)土石方開(kāi)挖平衡的原則，利用部分開(kāi)挖料及棄渣回填庫(kù)底死水位以下部分庫(kù)容，減少初期蓄水量和棄渣量，回填高程310 m。庫(kù)底開(kāi)挖區(qū)范圍及開(kāi)挖高程根據(jù)蓄能電站調(diào)節(jié)庫(kù)容的要求及上水庫(kù)土石方挖填平衡的原則確定，開(kāi)挖區(qū)底板高程310 m，開(kāi)挖區(qū)高程310 m巖體以微新巖體為主，地層巖性為整體塊狀結(jié)構(gòu)花崗巖，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，巖體透水率為微透水。開(kāi)挖庫(kù)岸地層巖性為整體塊狀結(jié)構(gòu)花崗巖，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)斷層穿過(guò)開(kāi)挖庫(kù)周山脊分水嶺，開(kāi)挖形成的永久邊坡巖體均為中風(fēng)化～微風(fēng)化至新鮮巖體，除局部埡口地帶外巖體透水率為微透水。

根據(jù)該工程上水庫(kù)地形地質(zhì)條件，結(jié)合抽水蓄能電站上水庫(kù)防滲設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上水庫(kù)防滲方案的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。擬定垂直防滲方案、全庫(kù)盆防滲方案和綜合防滲方案進(jìn)行綜合比選，以確定適宜的防滲設(shè)計(jì)方案。

2 垂直帷幕防滲方案

結(jié)合該工程地形地質(zhì)條件和樞紐布置方案，上水庫(kù)庫(kù)周由開(kāi)挖庫(kù)岸和大壩組成，開(kāi)挖庫(kù)岸地層巖性為整體塊狀結(jié)構(gòu)花崗巖，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)斷層穿過(guò)開(kāi)挖庫(kù)周山脊分水嶺，開(kāi)挖形成的永久邊坡巖體均為中風(fēng)化～微風(fēng)化至新鮮巖體，巖體呈微透水，垂直帷幕防滲方案設(shè)計(jì)如下：

大壩壩型為混凝土面板堆石壩。大壩頂高程為351 m，防浪墻頂高程352.2 m。大壩迎水面采用混凝土面板防滲，面板厚t=0.30+0.003H m。該工程筑壩材料主要為花崗巖。堆石料的母巖為上水庫(kù)開(kāi)挖料，其巖性為整體塊狀結(jié)構(gòu)花崗巖，質(zhì)地較硬，壩體堆石料分區(qū)從上游至下游依次為特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)和塊石護(hù)坡。在面板上游高程295 m以下，設(shè)置“粉煤灰+碎石”鋪蓋作為輔助防滲。鋪蓋上游設(shè)石渣混合料蓋重區(qū)，頂部高程295 m，頂部水平寬度9 m，上游坡比1∶2.0。

防滲帷幕沿大壩趾板，并于庫(kù)岸帷幕連接。在趾板布置1排帷幕灌漿孔，孔距2 m，灌漿孔深入相對(duì)不透水層(1 Lu)頂板以下5 m。為防止繞壩滲漏，兩岸壩頭部位，防滲帷幕伸入岸坡內(nèi)的范圍、深度以及帷幕軸線的方向，根據(jù)工程地質(zhì)、水文條件確定，延伸到相對(duì)不透水層與正常蓄水位相交處，并與趾板帷幕相接，形成垂直封閉防滲體系。

開(kāi)挖庫(kù)周由于自身封閉性好，不作系統(tǒng)防滲處理，在開(kāi)挖段相對(duì)不透水層線低于壩頂高程352.10 m部位進(jìn)行帷幕灌漿，灌漿深度為相對(duì)不透水層以下5 m，并與大壩段防滲帷幕相接，形成垂直封閉防滲體系。庫(kù)底為整體塊狀結(jié)構(gòu)花崗巖，不存在大規(guī)模滲漏問(wèn)題，不作防滲處理。

上水庫(kù)垂直防滲方案典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 上水庫(kù)垂直防滲方案典型斷面圖

3 土工膜全庫(kù)盆防滲方案

結(jié)合該工程的具體情況，參照國(guó)內(nèi)外抽水蓄能電站上水庫(kù)防滲型式工程建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4]，五岳抽水蓄能電站上水庫(kù)庫(kù)底表面防滲方案擬定如下：

大壩迎水面采用混凝土面板防滲，面板等厚0.4 m，面板在310 m高程設(shè)周邊縫和下部的趾板/連接板相連。趾板建于基巖上，趾板最低建基面高程308.4 m，寬度為7 m。連接板支承于主堆石體上，連接板底部高程308.4 m，寬度為7 m。連結(jié)板以下取消面板、墊層、趾板，以反濾層代之。大壩趾板(連接板)與庫(kù)底防滲結(jié)構(gòu)相接，并與排水灌漿廊道形成封閉的防滲體系。

庫(kù)底防滲結(jié)構(gòu)采用土工膜防滲。根據(jù)工程地質(zhì)條件，結(jié)合上水庫(kù)死水位311.50 m，針對(duì)防滲方案的具體情況，本著以“挖”定“填”的原則，最后確定庫(kù)內(nèi)回填高程為308m。庫(kù)底在原始地面上清除植被后回填石渣分層碾壓至回填高程，然后自下往上依次設(shè)置過(guò)渡層(厚度1.5 m)、碎石墊層(厚0.4 m)、細(xì)沙墊層(厚0.1 m)、三維復(fù)合排水網(wǎng)、HDPE土工膜(厚1.5 mm)、土工織物(500 g/m2)、土工砂袋護(hù)面(30 kg/袋)。庫(kù)底防滲層總厚度為2 m，頂部高程為310 m。

庫(kù)岸開(kāi)挖區(qū)采用鋼筋混凝土面板防滲，開(kāi)挖坡比1∶1.32，面板等厚0.4 m，面板以下鋪筑無(wú)沙混凝土(厚0.35 m)。在庫(kù)底高程310 m坡腳通過(guò)庫(kù)底周邊排水廊道與庫(kù)底土工膜防滲結(jié)構(gòu)連成封閉整體。

上水庫(kù)表面防滲方案典型斷面見(jiàn)圖2。

圖2 土工膜全庫(kù)盆防滲方案典型斷面圖

4 綜合防滲方案

結(jié)合該工程的具體情況，參照國(guó)內(nèi)外抽水蓄能電站上水庫(kù)防滲型式工程建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，五岳抽水蓄能電站上水庫(kù)綜合防滲方案擬定如下：

庫(kù)底回填高程為308 m，庫(kù)底在原始地面上清除植被后回填石渣分層碾壓至回填高程，然后自下往上依次設(shè)置過(guò)渡層(厚度1.5 m)、碎石墊層(厚0.4 m)、細(xì)沙墊層(厚0.1 m)、三維復(fù)合排水網(wǎng)、HDPE土工膜(厚1.5 mm)、土工織物(500 g/m2)、土工砂袋護(hù)面(30 kg/袋)。庫(kù)底防滲層總厚度為2 m，頂部高程為310 m。

庫(kù)內(nèi)開(kāi)挖區(qū)不做全面的防滲處理，為確保防滲體系的完整性和封閉性，庫(kù)底土工膜防滲范圍向庫(kù)內(nèi)開(kāi)挖區(qū)適當(dāng)擴(kuò)大，經(jīng)分析確定土工模防滲平面范圍延伸至高程310 m平面相對(duì)不透水層線(透水率小于1 lu)以內(nèi)不小于20 m，并在端部做可靠的錨固和保護(hù)。

兩岸壩頭部位，防滲帷幕伸入岸坡內(nèi)的范圍、深度以及帷幕軸線的方向，根據(jù)工程地質(zhì)、水文條件確定，延伸到相對(duì)不透水層與正常蓄水位線以下5 m，并與大壩混凝土面板防滲體系相接，形成垂直封閉防滲體系。

上水庫(kù)綜合防滲方案典型斷面見(jiàn)圖3。

圖3 綜合滲方案典型斷面圖

5 防滲型式綜合比選

5.1 防滲效果比較

根據(jù)滲水量對(duì)比分析，結(jié)合類似工程設(shè)計(jì)理論及運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)擬定的垂直帷幕防滲方案、土工膜全庫(kù)盆防滲方案和綜合防滲方案滲漏量計(jì)算成果對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 防滲方案滲流量計(jì)算成果表

從滲漏量計(jì)算結(jié)果看，垂直帷幕防滲方案滲漏量最大，土工膜全庫(kù)盆防滲方案滲漏量最小，但三個(gè)方案均小于DL/T 5028-2005《抽水蓄能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》所規(guī)定的小于總庫(kù)容的0.5‰的要求。

根據(jù)地下廠房影響分析，該工程地下廠房采用首部式布置方案，地下廠房與上水庫(kù)的水平距離最小為290 m。該部位巖體為微風(fēng)化～新鮮花崗巖，巖體完整性較好，目前，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)貫通性斷層發(fā)育，結(jié)構(gòu)面主要為節(jié)理裂隙，鉆孔壓水試驗(yàn)的透水率值基本小于1 Lu，為微透水巖體，裂隙之間的連通性差，從地下廠房勘探平洞揭露的情況來(lái)看，也未發(fā)現(xiàn)有大的滲水現(xiàn)象，洞壁均較干燥，僅沿節(jié)理或斷層帶有極少量的滲水。根據(jù)沿線工程地質(zhì)條件綜合分析后認(rèn)為，上水庫(kù)蓄水后對(duì)廠房的影響甚微，不會(huì)造成上水庫(kù)庫(kù)水大量向廠房區(qū)滲漏的情況。同時(shí)，地下廠房結(jié)合洞室開(kāi)挖的實(shí)際情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整完善防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減小上水庫(kù)滲漏對(duì)地下洞室群的影響。

5.2 工程技術(shù)難度對(duì)比

從設(shè)計(jì)角度看，垂直防滲方案與土工膜方案國(guó)內(nèi)均有較多的工程實(shí)例，技術(shù)成熟，不存在設(shè)計(jì)技術(shù)難度差異。

從施工經(jīng)驗(yàn)看，鋼筋混凝土面板和帷幕灌漿的施工在國(guó)內(nèi)已有成熟的經(jīng)驗(yàn)，抽水蓄能電站上庫(kù)用鋼筋混凝土面板和垂直帷幕防滲施工難度不大。而土工膜全庫(kù)盆防滲方案和綜合防滲方案需要對(duì)庫(kù)底回填石渣進(jìn)行碾壓后再進(jìn)行庫(kù)底防滲膜施工，庫(kù)底防滲層厚度2.5 m，分五層，由下至上分別為碎石排水墊層、土工席墊、土工織物、黏土、土工膜、沙土蓋重和碎石護(hù)面，施工工藝相對(duì)比較復(fù)雜。

5.3 施工難度及工期對(duì)比

垂直帷幕防滲方案：帷幕灌漿總長(zhǎng)度為2.25萬(wàn)m，壩基帷幕灌漿在已澆筑好的混凝土趾板上進(jìn)行，由于趾板布置在庫(kù)盆內(nèi)側(cè)，帷幕灌漿與壩體填筑分別施工，相互干擾較小。帷幕灌漿不占直線工期，混凝土趾板按分塊澆筑完，達(dá)到28 d齡期后(并要求相鄰塊齡期不少于14 d)，即可進(jìn)行帷幕灌漿施工，施工工期6個(gè)月左右。

全庫(kù)盆土工膜防滲方案：土工膜防滲總面積約為23.08萬(wàn)m2，自下往上依次設(shè)置過(guò)渡層(厚度1.5 m)、碎石墊層(厚0.4 m)、細(xì)沙墊層(厚0.1 m)、三維復(fù)合排水網(wǎng)、HDPE土工膜(厚1.5 mm)、土工織物(500 g/m2)、土工砂袋護(hù)面(30 kg/袋)。土工膜施工工藝相對(duì)較復(fù)雜。土工膜施工基本不占直線工期，由于土工膜施工以人工為主，施工工期相比帷幕防滲方案長(zhǎng)。

綜合防滲方案：土工膜防滲總面積約為16.27萬(wàn)m2，防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同全庫(kù)盆土工膜方案防滲結(jié)構(gòu)。庫(kù)底土工膜防滲施工與壩體填筑分別進(jìn)行，相互干擾較小。土工膜施工工藝相對(duì)較復(fù)雜。土工膜施工基本不占直線工期，由于土工膜施工主要是以人工為主，施工工期相比帷幕防滲方案長(zhǎng)，相對(duì)全庫(kù)盆土工膜防滲方案短。

綜上所述，從簡(jiǎn)化施工程序，確保工程施工質(zhì)量等考慮，宜采用垂直帷幕防滲方案。

5.4 投資比較

從工程量上看，全庫(kù)盆土工膜防滲方案和綜合防滲方案因減少了死水位以下趾板，開(kāi)挖量和帷幕灌漿量減少，但增加了庫(kù)底防滲層工程量及土石方開(kāi)挖量。從投資上看，垂直帷幕防滲方案比全庫(kù)盆土工膜防滲方案投資少6 030.81萬(wàn)元，比綜合防滲方案投資多1 136.07萬(wàn)元。

5.5 綜合比選

從上水庫(kù)工程地質(zhì)條件分析，開(kāi)挖庫(kù)岸及庫(kù)盆地層巖性為整體塊狀結(jié)構(gòu)花崗巖，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)斷層穿過(guò)開(kāi)挖庫(kù)周山脊分水嶺，巖體均為中風(fēng)化～微風(fēng)化至新鮮巖體，巖體呈微透水，開(kāi)挖庫(kù)岸穩(wěn)定性較好。結(jié)合國(guó)內(nèi)外抽水蓄能電站上水庫(kù)建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，五岳抽水蓄能電站上水庫(kù)地質(zhì)條件較好，滲漏問(wèn)題不太突出，庫(kù)盆滲漏范圍不大、斷層及構(gòu)造帶不太發(fā)育，具備采用垂直防滲的條件。

從設(shè)計(jì)角度分析，垂直帷幕防滲方案、全庫(kù)底土工膜防滲方案和綜合防滲方案的設(shè)計(jì)技術(shù)在已建抽水蓄能電站及常規(guī)水電工程中均有運(yùn)用，不存在明顯的設(shè)計(jì)技術(shù)難度差異。

從施工技術(shù)分析，3個(gè)方案施工技術(shù)也比較成熟，但垂直帷幕防滲方案施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，全庫(kù)底土工膜防滲方案和綜合防滲方案施工工藝相對(duì)比較復(fù)雜，同時(shí)，對(duì)回填區(qū)碾壓質(zhì)量要求也較高。

從防滲效果分析，全庫(kù)底土工膜防滲方案滲漏量最小，綜合防滲方案滲漏量次之，垂直防滲方案滲漏量最大，3個(gè)方案的滲水量均小于《抽水蓄能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》所規(guī)定的小于總庫(kù)容的0.5‰的要求。

從防滲體的耐久性及可靠性而言，土工膜的使用壽命一直是重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，土工膜防滲體設(shè)計(jì)使用年限一般為50年。由于施工期破損的小洞，在蓄水加載后應(yīng)力集中造成破損范圍擴(kuò)大。土工膜在長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生聚合物分解、硬化、膨脹甚至溶解等，降低力學(xué)性質(zhì)，增大滲透性。對(duì)于水泥結(jié)石致密的帷幕，防滲有效年限約為100 年以上，滿足設(shè)計(jì)使用年限要求。對(duì)于存在滲漏溶蝕危害的部位，水泥結(jié)石不夠致密，隨著時(shí)間延長(zhǎng)其帷幕防滲效果變差，可進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理以滿足設(shè)計(jì)要求。綜合分析而言，帷幕防滲體的耐久性及可靠性相比土工膜防滲體更好[5]。

從工程投資分析，垂直帷幕防滲方案比全庫(kù)盆土工膜防滲方案投資少6 030.81萬(wàn)元，比綜合防滲方案投資多1 136.07萬(wàn)元(占上水庫(kù)工程總投資比不足2%)。

從經(jīng)濟(jì)性分析，3個(gè)方案的主要差別在于投資不同，運(yùn)行期的電能損耗不同，依據(jù)滲漏量差別，垂直帷幕防滲方案和綜合防滲方案相對(duì)全庫(kù)底土工膜防滲方案每天電能損耗相差很小，相對(duì)投資差別增加的運(yùn)行費(fèi)用幾乎可以忽略，顯然，采垂直防滲方案和綜合防滲方案更為經(jīng)濟(jì)。

綜合上述分析，五岳抽水蓄能電站上水庫(kù)推薦采用垂直帷幕防滲方案。

6 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合五岳抽水蓄能電站上水庫(kù)水文條件及工程地質(zhì)條件，參照國(guó)內(nèi)為抽水蓄能電站建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上水庫(kù)防滲型式擬定垂直防滲方案、全庫(kù)盆防滲方案和綜合防滲方案3個(gè)比選方案，通過(guò)

防滲效果、工程技術(shù)難度、施工難度及工期、工程投資、防滲體耐久性、方案經(jīng)濟(jì)性等方面綜合比較，推薦采用垂直帷幕的防滲設(shè)計(jì)方案。