山西西龙池抽水蓄能电站上下库沥青混凝土防渗面板技术特点

(山西省滹沱河坪上水利工程管理局，山西 忻州 035503)

水电站技术

山西西龙池抽水蓄能电站上下库沥青混凝土防渗面板技术特点

王一超

(山西省滹沱河坪上水利工程管理局，山西 忻州 035503)

西龙池抽水蓄能电站工程区地形及地质条件复杂，气温低、坝址基础介质不均匀、运行时库水位变幅大、水位升降速度快，上下水库堆石坝面板不但要具有适应基础变形能力和极其良好的抗渗性能，还必须具备低温抗裂性能；为此，电站上库全库、下库库底、内坝坡均采用沥青混凝土面板防渗，效果良好。运行至今8年多，已经历多年高低温、高低水位以及库水位骤升、骤降考验，渗漏量很小，运行安全可靠，是我国严寒地区沥青混凝土面板防渗工程的成功先例。

西龙池抽水蓄能电站；沥青混凝土面板；改性沥青；技术指标；基础处理

1 工程概况

山西西龙池抽水蓄能电站位于忻州市五台县境内的滹沱河与清水河交汇处上游3km处的滹沱河左岸，电站装机1200MW(4×300MW)，额定水头640m，年发电量18.05亿kW·h，年抽水电量24.07亿kW·h，年发电利用小时数1504h；电站以500kV电压接入山西电网，承担调峰、调频、调相和事故备用任务。工程于2003年8月正式开工建设，2008年12月第一台机组发电，2011年9月全部机组投入运行。

电站枢纽由地下厂房系统、地面开关站及副厂房、输水系统、上下水库和补水建筑物等组成；工程为Ⅰ等大(1)型工程；上、下水库挡水建筑设计洪水标准200年一遇，校核标准1000年一遇。上水库位于西闪虎沟沟脑部位，为整个工程区最高点，水库为沥青混凝土全库防渗，总衬砌面积22.46万m2；大坝为面板堆石坝，主坝坝高50.85m，顶长401m；水库西北侧凹口建有两座副坝(1号坝高18m、顶长221m；2号坝高15m、顶长136m)，正常蓄水位1492.50m，死水位1467.00m，总库容468.97万m3，全库由岩坡开挖、填筑围库而成；坝坡及库岸坡比均为1∶2；最大库深32.5m，工作水深25.5m；进出水口采用竖井式布置。沥青面板施工期为2006年5—12月。

下水库布置于滹沱河左岸龙池沟，距滹沱河约600m，采用开挖、拦沟堆石筑坝成库，全库采用混合防渗型式，总面积17.93万m2；其中库底及坝坡采用沥青混凝土面板，面积11.08万m2；库岸岩坡采用钢筋混凝土面板，面积6.85万m2，主坝最大坝高97m，顶长537m，上游面坝坡坡比1∶2.0，下游坝坡1∶1.7，库岸岩坡开挖坡比1∶0.75；水库正常蓄水位838.00m，死水位798.00m，总库容502.99万m3，调节库容432.20万m3，最大工作水深40m。沥青面板施工期为2007年5—11月。

2 基本条件及特点

上水库多年平均气温4.7℃，年极端最高气温36.2℃，下水库多年平均气温8.1℃，年极端最高气温39.1℃，通过豆村和定襄气象站观测资料修正到上、下水库的极端最低气温分别为-34.5℃、-30.4℃。

上水库库区原始地面高程1460.00～1516.00m；两岸邻谷切割极深，其基岩为中奥陶统上马家沟组呈“互层”状的厚层灰岩和白云岩，岩体具有隔层风化特点，依岩性不同分为8个小层，第2、4、6、8层为泥质白云岩，呈全风化状态，第1、3、5、7层为灰岩或白云质灰岩，呈强风化至弱风化、新鲜状态；白云岩透水性较弱，起着局部相对隔水作用，厚层灰岩透水性相对较强；西河-耿家庄背斜纵贯库区，岩体内张性高角度断层和裂隙发育，尤以NE向贯穿性张性断裂最为发育，库区内开挖揭露的断层基本均通向库外，裂隙大部分张开，且沿东北向构造溶蚀强烈，采用达西公式进行渗漏估算，上库库区天然状态下蓄水后渗漏量达15729m3/d，渗漏比较严重，且渗漏范围广、深度大，需进行全面防渗处理。

下水库库区位于滹沱河左岸大龙池沟洪积扇上，原始地面高程750.00～830.00m，库底高出滹沱河河床超过150m，虽然靠山侧山体宽厚，但正常水位以下库岸基岩主要为崮山组厚层灰岩和薄层泥质条带灰岩，其透水性较强,加之库岸范围内断层、裂隙发育，蓄水后极易通过透水岩层及断层、裂隙向外渗漏。库盆开挖后，出露的地层为中更新统洪积物，主要分布在坝前，厚度20～40m，局部深达100m，分布面积约1.90万m2，占整个库底面积的33%，洪积物由块石、碎石土组成，夹有碎石、块石、粉质土的透镜体，大部分有不同程度的胶结，天然级配极不均匀，力学性质相差较大，渗透性极强，为库水渗漏的主要通道。加之覆盖层与基加岩接触面倾角较陡，其本身组成物质分布极不均匀，易导致不均匀沉陷。

抽水蓄能电站运行的特点是升降转换频繁，库水位变幅大、变化快；上水库坝基岩体透水率为10～100Lu，为中等透水岩体，岩体内与坝轴线斜交及大角度相交的张扭性断层裂隙发育，沿断裂构造溶蚀作用强烈，为库水外渗提供了良好途径；下水库第四系覆盖层渗透系数为35～327m/d，为强透水性，与基岩力学性质差异较大，且基岩中的软弱夹层及断层影响带都会导致地基较大的不均匀变形；上下库均无天然径流补给，必须通过建设在滹沱河上的泵站向库内补水；据此，上下库均选择沥青混凝土面板进行全库防渗处理，下水库限于施工条件对于边坡太陡(1∶0.75)的岩体库岸部分采用钢筋混凝土面板防渗。

3 沥青混凝土面板

3.1 基础处理

上水库：ⓐ将出露在库底的第4层厚度约3m、分布面积约18000m2的白云岩全强风化层做置换处理，置换料为过渡料；ⓑ对于库底发育的溶洞和溶蚀宽缝，直径小于3m的全部用C20素混凝土回填，直径3～9m的用2m厚碎石垫层过渡，然后回填3m厚混凝土，上部2m厚范围内配钢筋，并在洞壁设锚杆；ⓒ对于出露在库岸第6层中的k0+313～k0+544、k1+273～k1+400两段全强风化层采用水泥碎石混合料置换处理，k0+544～k0+807、k0+943～k1+052两段用C10混凝土做补坡处理(部分锚筋)；主坝建在基岩上。

下水库：ⓐ下库覆盖层主沟部位清基7.5～8m，将中更新统洪积物全部挖除，基岩按清坡2m处理，基岩与覆盖层基础交界部位以1∶4挖坡(在岩石基础侧开挖)衔接；ⓑ施工期间对覆盖层内发育的土质透镜体与架空层进行了地质雷达探测，对于埋深5m以上的全部挖除，覆盖层利用部分铺设2m、基岩上铺设1m厚的排水垫层进行过渡处理；ⓒ下库区内F104断层横贯左右坝肩，对坝基出露的断层按其宽度的2～3倍掏挖，然后做混凝土塞处理。

3.2 坝体材料分区

上下库堆石坝坝体材料分区基本相同，从上游到下游分为4部分，即垫层区，过渡区，主堆石区、下游堆石区、下游坡脚排水棱体，下游坡面干砌石护坡；面板整平胶结层下部碎石排水垫层水平填筑宽度为3m，材料由库盆及坝基开挖的弱风化或新鲜岩料经砂石料系统加工而成，石料抗压强度不低于80MPa，软化系数大于0.80，不均匀系统Cu>20，压实后干密度2.20t/m3相应孔隙率19%，变形模量，库底部分不小于60MPa，斜坡部分不小于40MPa，垫层料渗透系数K不小于8×10-3cm/s。

3.3 沥青混凝土面板

上下库均全库防渗，上库全部采用沥青混凝土面板，下库库岸岩坡部分因太陡采用钢筋混凝土防渗面板；为防止渗漏水进入基础并有效监控面板渗漏情况，保证工程安全，沥青混凝土采用简式结构，厚度20.2cm，库底相应设置完备的排水廊道系统，所有渗漏水直接快速通过排水廊道排至库外。

3.3.1 面板坡度

《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计准则》(SLJ 01—88)规定：“沥青混凝土面板的坡度除满足填筑自身稳定外，宜不陡于1∶1.70。”根据国内外已建工程经验，考虑坝坡和库底碎石垫层自身稳定、热铺沥青混合料自身稳定、沥青混凝土面板施工机械限制，面板坡度确定为1∶2。

库底坡度在考虑施工机械行走要求基础上，由沥青混凝土排水层的排水能力确定，取为2.85%。

3.3.2 面板结构分层

在进行大量室内试验研究基础上，整平胶结层与防渗层沥青含量分别取为4%和7.50%(沥青含量与混合料总量之比)，考虑到最极端的情况是面板外露部分上水库冬季最低温时易冻裂，下水库夏季高温时斜坡流淌，采用黏弹性无限嵌固板应力分析法，通过计算分析，加上大量的室内和现场试验，确定上、下库除库底外均采用改性沥青混凝土防渗层，解决低温冻断和高温流淌问题。上、下库沥青混凝土面板各结构层厚度及沥青含量见下表。

上、下库沥青混凝土面板各结构层厚度及沥青含量表

设计单位对上下库面板进行了应力应变有限元计算，结果面板内拉应变基本上不大于0.40%，最大拉应变出现在下库坝轴线平面外凸曲线起始段的上游面板下部的反弧区域，为0.52%。工程上采取结构措施对变形较大部位进行处理，在面板反弧段采用防渗层加厚5cm，并铺设聚酯网格的措施。

经计算，上库面板总渗漏量为5.07L/s，约为总库容的万分之一；下库面板总渗漏量为6.74L/s(其中沥青混凝土面板为3.20L/s)，约为总库容的1/8500。上水库防渗面板平面布置见图1。

图1 上水库沥青混凝土面板平面布置图(尺寸单位：m)

3.4 接头设计

上水库进出水口为竖井式，图2为沥青混凝土面板与进出水口底板及廊道连接构造图。

图2 进出水口与沥青混凝土面板构造连接详图(尺寸单位：cm)

图3 下水库沥青混凝土面板平面布置图(尺寸单位：m)

4 运行效果分析

4.1 上水库沥青混凝土面板

上水库2007年10月通过供水系统开始向库内充水，2011年9月前由于种种原因电站运行没能达到设计指标，电站冬季一旦一周内不运行就会结冰，2008年冬天最大冰厚达50cm，沿冰层与面板接触面 进行破冰，电站2011年投入后通过年度发电运行低水位时专项检查，沥青混凝土表面无任何裂缝。

主坝0+076.50和0+205.02桩号面板下部的反弧区域2个监测断面共设置10个测点，沿坡向分别埋设应变计，截至2016年8月，实测面板应变为(-376.71～315.49)×10-6，即观测最大拉应变为315.49×10-6，远小于设计监控指标拉应变不大于5000×10-6(拉应变不大于0.50%)的要求。

为监测上水库沥青混凝土面板基础的渗透水压力，以及在库水骤降时面板基础的反向水压力，在库底、库坡及进出水口面板基础共布置25支渗压计，截至2016年8月，实测面板基础渗透水作用水头基本在2m以下，且大部分区域面板基础未形成作用水头(测点渗透水压力为零值)，说明沥青混凝土面板的防渗和基础排水效果良好。

上水库渗流量是综合表证全库沥青混凝土面板防渗效果的重要指标，2016年8月26日实测沿库底排水及外排廊道的总渗流量为0.22L/s，相应库水位为1489.89m，上水库蓄水运行以来监测最大渗流量为3.39L/s，时间为2008年12月15日，相应库水位为1478.02m，其最大渗漏量为相应总库容的0.13‰，远小于渗漏量不大于总库容1.0‰的监控指标，说明上水库全库沥青混凝土面板渗流量较小，防渗效果良好。

4.2 下水库沥青混凝土面板

下水库2008年3月开始通过供水系统充水，由于钢筋混凝土面板接缝存在渗漏通道，蓄水还未到死水位798.00m时即进行放空处理，重新蓄水后最大渗漏量曾达到28.60L/s，经水下检查，进出水口部位存在集中渗漏通道，后经两次水下处理，目前渗漏量大大减少。

主坝0+243.00、0+372.00和0+500.00桩号面板下部的反弧区域，沿坡向在面板内分别设置应变计，3个监测断面共设置18个测点，截至2016年8月，实测面板应变为(-2786～1257.45)×10-6，其最大拉应变为1257.45×10-6，小于拉应变不大于5000×10-6(拉应变不大于0.5%)的监控指标要求。

为监测下水库沥青混凝土面板基础的渗透水压力，以及在库水骤降时面板基础的反向水压力，在库底、坝坡面板基础共布置34支渗压计，截至2016年8月，实测面板基础最大渗透水作用水头为3.24m，其余基本在2m以下，且大部分区域面板基础未形成作用水头(测点渗透水压力为零值)，说明沥青混凝土面板、面板与刚性混凝土建筑物连接接头的防渗和基础排水效果良好。

2016年8月26日实测下水库沿库底排水及外排廊道的渗流量为1.90L/s，相应库水位为807.79m，下水库蓄水运行以来监测到的最大渗流量为28.60L/s，相应库水位为838.00m(正常蓄水位)，时间为2012年4月8日，其最大渗漏量为总库容的0.49‰，亦小于渗漏量不大于总库容1‰的监控指标(后对进出水口部位和库岸钢筋混凝土面板接缝的集中渗漏进行处理，其渗流量大幅减少)，下水库沥青混凝土面板渗流量较小，防渗效果良好。

5 结 语

西龙池抽水蓄能电站地形地质条件极其复杂，上水库地处严寒地区，极端最低气温达-34.50℃，下水库库岸均为基岩，年最高气温达39.10℃，而且下水库底底覆盖层利用20～30m，坝基地质条件复杂，在各参建单位共同努力下，对从沥青混凝土面板涉及的材料选择、室内试验、设计面板结构比选，到施工时沥青、砂石料选定，施工配合比试验、改性沥青混凝土试验、现场摊铺碾压等内容进行了大量研究，沥青混凝土面板防渗层和封闭层首次采用了改性沥青混凝土，这为我国气候寒冷、天然状态库盆渗漏严重地区建设沥青混凝土面板堆石坝提供了宝贵经验。目前电站上下水库沥青混凝土面板工程蓄水运行已有8年多，上下库蓄水后基础不均匀变形相对较大，但沥青混凝土面板没有裂缝，渗漏量均较小，上下库改性沥青混凝土均达到了设计预期的技术性能，上下库沥青混凝土防渗面板工程运行良好。

ShanxiXilongchiPumpedStoragePowerStationTechnicalCharacteristicsoftheAsphaltConcreteAnti-SeepagePaneloftheUpperandLowerReservoirs

WANG Yichao

(ShanxiHuotuoRiverPingshangWaterConservancyProjectAuthority,Xinzhou035503,China)

Xilongchi pumped storage power station engineering area is characterized by complicated topographic and geological conditions, low temperature, uneven damsite foundation medium, and large variation range of reservoir level during runtime and rapid water level lifting speed. Upper and lower reservoirs rockfill dam panel not only should have the ability of adapting to foundation deformation and excellent anti-penetrability performance, but also must have the low temperature crack resistance performance; therefore, asphalt concrete slab anti-seepage is adopted for the whole upper reservoir, the whole lower reservoir and inner dam slope of the power station with excellent effect. The project has been operated for more than 8 years till present, which has underwent high-low temperature, high-low water level and sharp increase of reservoir water level for many years, the seepage is low, operation is safe and reliable, and it is a successful example for asphalt concrete panel anti-seepage project in China cold regions.

Xilongchi pumped storage power station; asphalt concrete panel; modified asphalt; technical indicators; foundation treatment

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.007

TV737

：A

：1673-8241(2017)08-0024-06