洪屏抽水蓄能电站上水库库盆防渗设计

朱安龙，冯仕能，李郁春

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)



洪屏抽水蓄能电站上水库库盆防渗设计

朱安龙，冯仕能，李郁春

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)

洪屏抽水蓄能电站上水库水文地质复杂，不仅存在岩体和断层的水平渗透问题，也存在断层垂直渗透风险。通过对水文地质条件的分析，结合本工程渗漏控制要求，提出了主副防渗体系结合的方案，主防渗体系控制渗流量并确保建筑物运行安全，副防渗体系主要针对断层垂直渗漏，减小厂房排水压力。在防渗措施上，综合采用了库岸混凝土面板、帷幕灌浆、土工膜铺盖等多种方式，经防渗处理后，库盆防渗效果显著。

水文地质条件；垂直渗漏；水平渗漏；防渗设计；洪屏抽水蓄能电站

1 工程概况

洪屏抽水蓄能电站总装机容量2 400 MW，分两期开发，各1 200 MW，为一等大(1)型工程。上水库位于江西省靖安县三瓜仑乡洪屏村，利用天然高山盆地修建，盆地四周环山，为一个直径约1 800 m的近圆形盆地。上水库由一座主坝和两座副坝组成，水库正常蓄水位733.0 m，死水位716.0 m，总库容为2 960万 m3，有效库容2 031万 m3。主坝位于狮子口冲沟，采用混凝土重力坝，最大坝高42.5 m；西南副坝位于库盆西北垭口上游，采用混凝土面板堆石坝，最大坝高37.4 m；西副坝位于库盆西侧冲沟，采用混凝土面板堆石坝，最大坝高57.7 m。上水库断层发育，水文地质条件复杂，存在库盆渗透通道。招标、施工阶段在对水文地质条件进一步研究的基础上，根据库盆渗透特性、渗漏的危害性进行水文地质分区设计，综合采用了库岸面板、帷幕灌浆、库底土工膜、粘土铺盖等多种形式进行联合防渗。

2 地质条件

2.1 库盆地形、地质条件概况

上水库为一个四面环山的沟源天然盆地，集雨面积约6.67 km2。盆底高程690～710 m，库周山体较雄厚，山顶高程为900～1 119 m，属中低山区。库内冲沟发育，走向以北西、北北西和北东东向为主。上水库库区第四系大片覆盖，主要有冲洪层的粘土、粉质粘土、砂(卵)砾石层等，分布厚度不均，除东南库岸覆盖层较厚外，其余大部分在3 m以下。基岩岩性为变质含砾中粗砂岩(主要分布于北东侧库岸、东南侧库岸、主坝及西南副坝坝址左侧的大片区域)、变质长石石英中细砂岩(北侧库岸经库盆中部穿过西南副坝右岸的条带分布)、变质泥质粉砂岩(主要分布于北库岸到西副坝一带的大片区域)。

工程区的区域构造位置处于大源～滩下(丁坑口)向斜北翼，距武宁岩～燕山断裂带(区域断层)不足2 km，受其及周围地质构造影响，库区内岩层褶皱、断裂和挤压破碎带较发育，并形成一系列劈理带，局部受牵引扭曲严重。上库区总体为洪屏向斜构造，由NE向SW向倾伏延伸，核部位于西副坝中部至库盆中部洪屏村。受洪屏向斜的影响，上水库揭露的31条断层中，NE向(主要分布在N50°～80°E范围内)有23条，占74%，与向斜的轴向基本一致，断层产状沿向斜的核部对称分布。

2.1 水文地质条件及水文地质分区设计

(1)水文地质条件。北侧库岸～东南侧库岸山体地形雄厚，地下水位及相对隔水层(q≤1Lu)均高于正常蓄水位，不存在渗漏问题。西北垭口库岸段、西库岸段(西副坝与西南副坝之间库岸)和南库岸段(主坝与西南副坝之间库岸)均存在山体地下水位、相对隔水层(q≤1Lu)低于设计正常蓄水位的问题，同时西库岸～南库岸的断层发育，且由库盆穿过库岸与库外的低谷相通，可成为渗漏通道；坝基及坝肩(主坝、西南副坝、西副坝坝基及两侧坝肩)存在渗漏问题，主坝至西南副坝附近库盆底部可通过断层，破碎岩体向库外渗漏。库盆渗漏问题主要表现为岩体水平渗漏、断层水平渗漏和断层垂直渗漏，其中断层的垂直渗漏是主要问题。根据计算，天然条件下蓄水后库盆总渗漏量为26 492.1 m3/d，其中断层垂直渗漏约为20 348.7 m3/d，占总渗漏量的77%。上水库区揭露的31条断层中，以北东～北东东向压扭性断层最为发育，次为北西向张扭性，多数为中～陡倾角，部分为缓倾角，是上库区主要集中渗透通道。断层集中分布在主坝～西南副坝的南库盆(包括南库岸和南库底)、西副坝坝基及坝前库底，其中西副坝区域的断层主要由洪屏向斜构造形成。可行性研究阶段因地下厂房长探洞开挖，导致南库岸地下水位骤降至库底高程以下，形成渗透漏斗。根据南库岸示踪试验，南库岸断层与地下洞室群断层之间存在贯通的渗透网络。综合示踪试验反演成果和断层压水试验成果，库区断层的渗透系数取值为10-2～10-3cm/s。库区断层分布情况及南库岸地下水位渗漏漏斗分别如图1和图2所示。

图2 A1区渗漏网络

(2)水文地质分区设计。依据上水库区的渗漏条件，尤其是断层发育程度和性质，同时综合考虑地下水位、覆盖层厚度、地形地貌特征及与地下厂房的距离等与现场相关条件，对上水库库盆进行水文地质分区。库区水文地质总体分区为A、B、C区，并在此基础上根据渗透特性进一步细分。A区为存在渗漏问题相对较大区，B区为相对弱渗漏问题区，C区为相对微弱或基本无渗漏问题区。各区相对位置详见图1，渗透特性见表1。

3 库盆防渗设计

3.1 防渗体系设计

国内一些抽水蓄能电站由于上库防渗问题突出而采用全库盆或者半库盆全封闭的防渗方案，例如天荒坪[1]、泰安[2]、西龙池[3]、张河湾[4]、溧阳[5]等。本工程上水库库盆面积大，正常蓄水位对应水面面积达1.6 km2，库周地形冲沟发育，采用全库盆防渗方案在投资上难以承受，而且从水文地质条件来看，存在渗透通道的部位在整个库盆中所占比例较小，因此需要结合各区的渗透特性及其存在的危害，对防渗的功能、目标进行定位，并以此为基础进行防渗设计。结合本工程的特点，对水文地质条件进一步分析，可知：

表1 库区各区渗透特性

分区位置渗透特性A1区主坝～西南副坝库岸及坝前500m断层18条,占上水库断层总数的58%。主要为库岸、库底断层形成渗漏网络,经深部水平断层与地下厂区连通。A2区西副坝及坝前500m范围的库底及副坝之间库岸洪屏向斜所致,断层12条,占上水库总数的39%。主要是断层和岩体通向西副坝下游的水平渗漏以及副坝之间库岸山体的水平渗透。当发育北东向渗透性好的断层时存在垂直渗透的风险。A3区西北库岸发育断层2条,主要为岩体、断层水平渗漏问题。B1区近坝区1km库盆中除A以外部分断层不发育,主要为A区断层的延伸。存在断层垂直渗透风险。B2区库尾的北库底距离厂房较远。断层不发育,主要为A区断层的延伸。存在断层垂直渗透风险。C区库尾部分库底、北库岸和东库岸山体雄厚,地下水位和相对隔水层高于正常蓄水位,基本无渗透问题。

(1)库盆渗漏量主要集中在断层垂直渗漏，占总渗漏量的77%。但垂直渗漏的通道主要为南库岸和库底的断层，其渗漏出口为厂房地下洞室开挖后揭露的断层。除南库岸断层渗漏对进出水口及上平洞存在不利影响外，库底断层的渗漏通道对上水库大坝等建筑物不会造成直接危害，但是可能造成断层集中渗漏破坏且增加地下厂区排水系统的排水压力。因此，从渗透危害上分析，南库岸断层渗漏对建筑物有直接危害，而库底断层垂直渗漏主要为水量损失。

(2)从各区渗透风险上分析，B区虽然存在垂直渗漏风险，但距离厂房较远，而且从地下水位漏斗的分布范围来看，渗漏范围主要限于南库岸及上游局部库底。在地下厂房开挖期间也未出现地下水位漏斗进一步向库尾延伸的情况，故B区实际发生垂直渗漏的风险较低。

(3)从渗漏控制要求上分析，本工程具有一定的汇水面积，库底冲沟常年流水不断，月平均天然径流达到0.07～0.461 m3/s，平均0.213 m3/s，对应每天可补给库水6 048～39 830 m3，平均18 400 m3。与天荒坪、张河湾、西龙池等上水库几乎无天然径流补给的工程相比，渗漏损失问题并不突出，防渗处理应以保证建筑物运行安全为主要控制目标。

综合上述对水文地质条件的认识，本工程大坝、进/出水口、库岸等涉及建筑物安全、库岸稳定的部位作为主要防渗部位，其防渗功能应以满足建筑物运行安全、控制渗漏量为主；库底断层作为辅助防渗部位，应以控制渗漏量为主。上水库防渗布置如图3所示。

图3 上水库防渗布置

(1)主防渗体系。该防渗体系由主坝～西副坝基础(及库岸)帷幕灌浆、南库岸面板及西北库岸帷幕灌浆组成，其中主坝～西副坝防渗体为一整体，西北库岸帷幕灌浆为一整体，二者之间由于库岸山体天然地下水位和相对隔水层顶板高于正常蓄水位而未采取防渗措施。

(2)辅助防渗体系。该防渗体系由A1区库底铺盖和A2区库底铺盖组成。A1区防渗铺盖的主要作用在于截断该区断层垂直渗透通道，减小渗漏对地下厂房的不利影响，降低断层渗透破坏的风险。A2区断层为水平渗透，通过西副坝趾板帷幕进行防渗，但是考虑到库底断层发育，采用库盆开挖料进行回填，可以进一步减小断层渗漏量，对西副坝的安全运行也具有积极意义。

3.2 防渗结构设计

(1)南库岸防渗设计。南库岸防渗结构包括防渗面板、趾板、排水垫层、排水廊道及排水洞。防渗面板采用35 cm等厚C25钢筋混凝土面板，抗渗等级W8，抗冻等级F100。面板标准段每12 m设置一道结构缝，结构缝设2道止水封闭。面板下部设置厚30～80 cm的C10无砂混凝土排水垫层。为减小无砂混凝土与防渗面板之间的约束，在无砂混凝土表面喷涂不小于厚2 mm的乳化沥青+砂。防渗面板底部设置宽5 m的C25钢筋混凝土趾板，抗渗等级W8，抗冻等级F100。通过趾板与基础灌浆衔接形成表面防渗与基础防渗的封闭。面板、趾板分别于主坝、进/出水口、西南副坝通过结构缝连接，形成封闭的防渗体。为了排除面板渗水以及降雨期间山体反向渗水，在趾板下游侧设置排水廊道，并通过南库岸排水兼交通洞将汇水排入主坝下游。

(2)帷幕灌浆设计。主坝、南库岸、西南副坝地础以及西南副坝～西副坝库岸、西北库岸均设置帷幕灌浆防渗，防渗标准为1.0 Lu。一般条件下采用单排帷幕，孔距2.0 m，孔深至相对隔水层顶板(q≤1.0 Lu)下部5 m。特殊部位设计方案为：① 南库岸岩石风化程度以弱风化为主，但断层发育，该区域帷幕灌浆的深度以截断主要断层水平渗透通道为主，兼顾垂直渗透的目的，防渗深度为50 m。②西副坝中下部断层集中发育，在断层集中发育的区域(约705.0 m高程以下)设置双排帷幕，主帷幕深度50 m，副帷幕深度30 m。③ 其他部位的断层采用双排帷幕灌浆进行加强处理。

(3)南库底防渗铺盖设计。由于库盆的东库岸分布有粘土料源，位于非渗漏区，从节省投资上考虑，部分铺盖采用库内粘土填筑。A1区库底水平铺盖区域总面积约9.7万m2，其中土工膜区域7万m2，粘土铺盖区域2.7万m2。土工膜防渗铺盖自下而上依次为开挖后的库底、厚50～100 cm的粘土支持层、土工布、土工膜、土工布、沙袋压覆。土工膜周边设置C20混凝土齿墙，考虑到齿墙基础开挖后表层受爆破振动影响较大，且表层的透水性较强，为减小绕渗采用固结灌浆处理。布置双排固结灌浆，深8.0 m，孔距2.0 m。断层部位加深至12.0 m。土工膜铺盖下部不设置排水系统。土工膜与周边齿墙以及南库岸趾板、西南副坝趾板、进出水口前池等采用螺栓、角钢等进行机械锚固。粘土铺盖防渗自下而上依次为开挖后的库底、厚300 cm的粘土铺盖、厚1 m的石渣保护层。

(4)西库底铺盖。库底相对平坦的区域铺设厚2～3 m的土石混合料。其主要目的是通过土石混合料中的细颗粒对断层渗透通道进行淤堵，以提高断层的抗渗性能。铺盖本身也具有一定的防渗能力，可以起到增加渗径，减小断层渗透压力，防止渗透破坏的效果。

4 结 语

洪屏抽水蓄能电站的上水库水文地质条件复杂，且由于库盆较大，从经济性上考虑难以采用全库盆防渗。招标、技施阶段，在对各区渗透特性和风险评价的基础上提出主副防渗体系结合的方案，并针对各区不同的渗透特性分别采取了库岸混凝土面板、帷幕灌浆、库底铺盖等防渗措施，防渗方案和防渗措施的选择更具针对性，在满足工程安全运行的前提下，达到技术与经济的统一协调，方案设计合理。经防渗处理后，库盆渗漏总量为5 681.6 m3/d，与防渗处理前比较，处理后减少渗漏量20 810 m3/d，防渗效果显著。日渗漏总量约占总库容(2 960万 m3)的0.019%，达到全库盆防渗所要求的日渗漏量不超过0.05%的渗漏控制标准。

[1]李金荣. 天荒坪抽水蓄能电站上水库设计[J]. 水力发电， 2013， 39(3)： 35- 37．

[2]何世海， 吴毅瑾， 李洪林. 土工膜防渗技术在泰安抽水蓄能电站上水库的应用[J]. 水利水电科技进展， 2009， 29(6)： 78- 82．

[3]何春雷， 戈文武. 西龙池抽水蓄能电站上库盆沥青混凝土面板施工[J]. 水利水电技术， 2008， 39(11)： 58- 61．

[4]张向前. 张河湾抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板防渗结构[J]. 水力发电， 2011， 37(4)： 39- 42．

[5]宁永升， 李国权， 孙念祖. 溧阳抽水蓄能电站上水库库底防渗设计[J]. 水力发电， 2001(6)： 22- 24．

(责任编辑 王 琪)

Anti-seepage Design of Upper Reservoir Basin in Hongping Pumped-storage Power Station

ZHU Anlong, FENG Shineng, LI Yuchun

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China)

Because the complex hydrological and geological conditions of upper reservoir in Hongping Pumped-storage Power Station, there not only exist horizontal leakage channels in rock mass and faults, but also the vertical leakage channels in faults. Based on the analysis of hydrogeological conditions and combining with the requirements of project anti-seepage control, a combining scheme of main and auxiliary anti-seepage systems is put forward. The main anti-seepage system will control the seepage flow volume and ensure the operation safety of hydraulic structures. The auxiliary anti-seepage system mainly treats the vertical leakage of faults and reduces the drainage of underground powerhouse. The seepage control measures include reservoir bank concrete panel, curtain grouting, geomembrane blanket and others. After anti-seepage treatment, the anti-seepage effect of reservoir basin is remarkable．

hydrogeological condition; vertical leakage; horizontal leakage; anti-seepage design; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 08

朱安龙(1980—)，男，江苏江宁人，高级工程师，硕士，研究方向为水工建筑物设计．

TV640.31；TV743(256)

B

0559- 9342(2016)08- 0030- 04