某抽水蓄能电站上水库库底土工膜防渗设计研究

王素香

(厦门市国水水务咨询有限公司，福建 厦门 361004)

1 工程概况

江苏省某市区新建一座蓄能电站，紧靠周围城镇用电区和负荷中心，是日调节式抽水蓄能电站。此抽水蓄能电站预计装机容量为1350MW(6×225MW)，共分两期进行施工，主要枢纽由上水库、输水系统、下水库、开关站、地下厂房组成，上下库施工设计为一次建成。上水库由混凝土主坝、混凝土副坝、库周公路、库盆防渗等组成，是直径约为1390m的三面环山天然盆地，共集水3.96km2，近五年平均径流量0.155m2/s，正常蓄水水位265m，总库容1723km3，上水库和下水库的主坝和副坝均使用沥青混凝土面板堆石坝。总平面图如图1所示。

图1 抽水蓄能电站工程总平面图

经地质勘测发现上水库和下水库的天然水头较低只有63m左右，需要采取措施增高上水库库底，从而增高水库的天然水头，于是经技术人员探讨确定上水库库盆施工方式选择半填半挖的方式，但是这种施工方式土石方的开挖和填方工程量比较大，预计库底的填方高度要达到120m左右，工程总平面图见图1。

2 上水库工程特点

上水库位于山峰南侧，在上水库的北面、东面和南面由高程为283.6-400.7m的垭口和山脊组成，上水库的南面为一高程为88-117m的沟底，地形较复杂，水库施工难度较大。下水库位于山峰东北侧，库盆是由桥沟和小冲沟组成，下水库地面高程为55-83m，沟底地势较平坦。上文提到，上水库和下水库的天然水头较低只有63m左右，需要采取人工填渣措施增高上水库库底，从而增高水库的天然水头。

1)上水库渗透现象严重。上水库周围垭口、山脊、沟底存在形式较多，地势复杂，周围山体主要为弱-中强度的白云岩，在岩体的岩脉接触带、断层带和层面岩溶发育较好，有较强透水性和通透性，地质勘探发现岩体内还存在岩溶管道方向通向库外，岩溶的形成较深，岩体相对隔水层顶板和库坝区地下水埋深较大,专家推断在岩断层的内部可以出现了集中渗漏，因此不能使用垂直帷幕的方法做防渗处理，根据上水库地质条件综合考虑后其库岸防渗施工采用沥青混凝土面板防渗，以保证库岸的工程质量[1-3]。

2)上水库防渗难度大要求高。上水库形成的天然盆地集水面积较小，天然水量较少，仅有7.81km2，在施工时库盆需要半挖半填，施工量较大石渣回填高度可达120m左右，人工回填石渣会产生不均匀沉降、库底防渗施工和周边建筑连接处容易变形等问题。针对这种现象，决定采用土工膜作为防渗施工的库底防渗体，土工膜有较好的延展性，渗透性也比较小，适用于变形较大的建筑施工，本工程采用土工膜作为库底防渗材料，能够降低库底的渗透量，符合工程设计要求。

综上，在本工程的上水库中，使用沥青混凝土面板对上水库的库岸进行防渗处理，对水库的库底则使用土工膜的方法进行防渗施工。沥青混凝土面板在库岸中的防渗处理应用简式的结构，要求整平胶结层与防渗层的厚度相同，均为10cm，而表面的封闭层厚度2mm，大坝和库岸承受最大水头为30m左右。

3 库底土工膜的防渗排水设计

3.1 防渗的设计

土工膜设计通过建成的库底钢筋混凝土连接板和大坝及库岸的沥青混凝土面板进行连接，主要结构包括上部保护层、下部支持层、土工膜防渗层等。

土工膜结构的下部支持层主要包括过渡层、厚垫层、土工席垫，施工厚度分别为150cm、60cm、6mm，施工方式按照自上而下进行。过渡层的施工材料选择微风化、级配良好、粒径在30cm内的开挖爆破料，孔隙率要达到20%，渗透系数保证在8×10-3-2×10-1cm/s之间，干密度设计23.6KN/m3。厚垫层施工材料选择小石、中石、砂掺配成的混合材料，后垫层上部铺设20cm混合材料最大粒径保证在2cm以内，后垫层下部铺设40cm混合材料最大粒径保证在4cm以内，孔隙率要达到18%，渗透系数保证在5×10-4-5×10-2cm/s之间，干密度设计22.4KN/m3。土工席垫是一种三维网状材料，表面平整，在热熔条件下塑料丝条可以进行连接，抗压性较强、耐久性较好，将土工席垫设置在土工膜和碎石垫层之间可以很好起到缓冲的作用降低土工膜的受力，防止石块划破土工膜影响库底防渗的施工质量。

土工膜防渗材料选用高密度聚乙烯(HDPE)土工膜，厚度为1.5mm，这种土工膜具有优良耐环境应力开裂性能，抗老化，抗高温，耐腐蚀和较长的使用寿命适用此工程的设计要求。上部保护层直接采用土工布进行覆盖，并运用沙袋在土工布表面之上覆盖，要求沙袋为30kg土工布沙袋，以1.5m×1.5m的间距进行布置，土工膜防渗层上不再进行粗砂、填渣保护施工。沙袋压覆的作用是防止盖好土工布及土工膜被外力掀动影响施工质量。

库底石渣回填高度预计120m左右，施工时填方量较大所以挖方时应尽量减少石渣中途施工运输损失，施工回填石料要除掉接近土工膜的垫层料和过渡料，回填石料成分较复杂，不能直接回填，要按照施工要求从下到上依次回填坝基底和上水库库底除腐殖土剥离的碎石黏土、上水库库盆微风化白云岩及少量蚀变闪长玢岩、下水库库盆的白云岩掺灰岩、粗面岩、安山岩等等[4-6]。

3.2 排水的设计

当施工完成后，有时质量较好的土工膜也会出现一些渗漏的现象，库底及库岸土层中也会产生一定水分和气体，库岸由于压力也会渗水，这些水分和气体在土工膜底部会产生一个反向作用力，致使土工膜受损，影响上水库库底土工膜防渗质量。为了有效避免土工膜下垫层积水、积气破坏土工膜，需要采取一定排水、排气措施。

按照“上截下排”的排水设计要求，需要建立一系列排水系统，使土工膜防渗层下方渗水能顺畅排出，避免破坏土工膜。具体施工方式为，建立一个排水层，即在岩坡与沥青混凝土中间加一碎石排水垫层，厚度约为0.8m，方便渗水从碎石排水垫层流出。为使土工膜下排水顺畅，需要在土工膜垫层内铺设间距为25m×25m的土工排水管网，土工管的直径90mm，在土工管外部铺设土工布100g/m2，在库底建设一排水廊道，排水沟水排入排水廊道内。

排水廊道除了有引流库底积水、积气的作用外，还具有一定的监测作用，方便技术人员观察水库的渗水及部分库底的渗压情况，另外排水廊道作为连接板还有一定连接作用,通过将廊道库岸沥青混凝土面板和库底土工膜防渗体系连接起来形成完整的防渗体系。排水廊道在岩库周围的底部布置，在水库的西、北库岸分别设置一个出水口，出水口位置建设集水井，集水井内设立泵站，利用泵站将出水口内渗漏水抽回，再引流到水库内，降低水库水流损耗。

4 库底土工膜的有限元计算

4.1 库底回填区沉降位移分析

竣工期坝最大断面上的位移如图2所示。

图2 上水库竣工期最大断面回填区沉降位移

由图2可以看出，回填区的沉降位移程度比较大，沉降量最大位置发生在库底1/3处，沉降量可达170cm,对回填区沉降量大的原因进行分析发现，其主要原因是回填区回填材料参数比大坝的填筑材料参数低。在上水库蓄水后，在水压作用下，库底沉降加剧，最大沉降量增加到206cm，库底回填高度为120m，其最大沉降量为库底回填高度的1.72%。

4.2 土工膜变形分析

本工程施工的土工膜防渗设计变形分析采用膜单元进行模拟操作，工程采用的土工膜弹性模量比较低，与下伏堆石体变形幅度相差很小，由此在采用膜单元模拟时，可以忽略由土工膜和土体出现相对滑移。为方便后面的计算,将堆石体产生的位移当作土工膜位移进行变形处理。

蓄水期最大断面回填区土工膜变形曲线见图3，主要包括蓄水沉降、顺河向、轴向3部分。

图3 蓄水期最大断面回填区土工膜变形曲线(蓄水沉降向下为正、顺河向向下游为正、坝轴向左岸为正)

由图3可以看出，顺河向、轴向这两个土工膜变形量比较小，在蓄水期土工膜的变形量比较大，沉降位移较大，最低点处的沉降位移可达77cm。

蓄水期最大断面土工膜的拉应变见图4，在水库库底存在非常高的填渣，并且回填的渣料十分的复杂，由此导致在水库蓄水之后土工膜的形变较大，出现较大沉降，尤其是在混凝土连接板外边缘与库底填渣连接处的形变较大。

图4 蓄水期最大断面土工膜的拉应变

由图4也明显看到，土工膜的拉应变在接板外边缘和库底填渣连接处发生明显，最大拉应变达到1.07%。另外开挖和回填分界线位置拉应变也比较明显，最大拉应变达到0.36%，分析其形成的原因是坝体施工材料和库底填渣材料性质差别太大，形成一定的沉降。工程采用的高密度聚乙烯(HDPE)土工膜最大拉伸屈服伸长率为16%，对比上述数据，均在施工设计范围内，不会出现土工膜破裂。

4.3 局部加固分析

从图4可以看出土工膜的拉应变在混凝土连接板外边缘与库底填渣连接处最大拉应变达到1.07%，为了防止连接处的拉应变随着水库投入使用进一步扩大，需要进行加固处理，降低库底填渣的沉降量。具体的加固措施见图5，加固的材料和上游堆石区材料的属性相同，经计算后确定水库在蓄水期，最大断面处土工膜的拉应变及变形量见图6、图7，混凝土连接板外边缘与库底填渣连接处拉应变由1.07%降为0.33%，降低率约为69%。从上述数据可以看出，采取加固措施后可以有效降低土工膜的不均匀沉降，提高水库的稳定性和防渗能力。

图5 上水库加固措施

图6 蓄水期最大断面处土工膜的拉应变

5 结 语

抽水蓄能电站是一种电力消耗较少时耗电抽水，用电高峰时放水至下水库水电站释放能量发电的电能调节建筑，从地势上讲，较大的上水库、下水库水头差可以减少施工投资。此抽水蓄能电站建于江苏省某市区周边，因地势原因形成的天然水头差较小，上水库不足以放水至下水库水电站释放能量发电，因此需要人工垫高上水库库底，来增加水头差，库底回填施工高度120m，施工量大且施工难度大，回填材料主要有碎石黏土、微风化白云岩、蚀变闪长玢岩、白云岩掺灰岩、粗面岩、安山岩、蚀变闪长玢岩混合料等多种材料，成分较复杂，采用这些较差材料回填的主要原因一方面是坚持土石方“尽量减少弃料”的施工原则，另一方面是回填量太大，如果采购较好材料工程投资太多，超出工程预算。

根据水库地质勘探结果，水库施工位置的主要岩体为弱-中等强度的白云岩类，进行连通实验发现，上水库坝址地下水和岩体相对隔水层顶板埋深较深且还存在通向库外的岩溶管道，因此防渗方式选择全库盆防渗，另外上水库库底回填量及材料性能较差，所以选用具有优良耐环境应力开裂性能，抗老化，抗高温，耐腐蚀和较长的使用寿命高密度聚乙烯(HDPE)土工膜。

竣工后对库底土工膜各项指标进行有限元计算，土工膜的拉应变在混凝土连接板外边缘与库底填渣连接处发生明显，最大拉应变达到1.07%，为了防止连接处的拉应变随着水库投入使用进一步扩大，需要进行加固处理，降低库底填渣的沉降量，经加固处理后混凝土连接板外边缘与库底填渣连接处拉应变降为0.33%，降低率约为69%，远小于土工膜最大拉伸屈服伸长率16%，对类似工程施工有参考意义。