抽水蓄能电站全库盆防渗形式选择与设计

辛俊生，王富强，郝军刚

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

随着国家“碳中和、碳达峰”目标的提出，抽水蓄能电站建设进入了前所未有的快速发展阶段。国家发展改革委、国家能源局先后印发了《进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》[1]和《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》[2]作为指导抽水蓄能产业发展的纲领性文件，为抽水蓄能快速发展奠定了坚实的基础。“十四五”期间，我国抽水蓄能产业全面进入高质量发展新阶段[3]。根据抽水蓄能电站核准计划，“十四五”期间拟核准建设抽水蓄能电站项目219个、共计2.7亿kW[2]，目前众多抽水蓄能电站工程正在抓紧推进前期工作。

当库区岩体岩溶或裂隙发育、地下水位低、不透水层埋深大时，需采用全库盆防渗方案。目前，采用全库盆防渗的工程应用较多的有全库盆沥青混凝土面板、库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜2种防渗方案，此外还有一些工程采用其他组合防渗方案。最早采用全库盆防渗方案的工程为浙江天荒坪抽水蓄能电站，上水库采用沥青混凝土面板全库盆防渗，下水库采用库岸沥青混凝土面板+库底土工膜防渗。后来也有一些工程相继采用了全库盆防渗方案，例如，张河湾、西龙池、呼和浩特抽水蓄能电站上水库均采用了沥青混凝土面板全库盆防渗[4-5]，溧阳抽水蓄能电站上水库采用了库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜防渗[6]。此外，由于各工程的建设条件不同，也有部分工程采用了一些其他组合形式的防渗方案，例如，句容抽水蓄能电站上水库采用了库岸沥青混凝土面板+库底土工膜防渗，下水库采用了库岸沥青混凝土+库底黏土铺盖防渗，镇安抽水蓄能电站上水库采用了库岸钢筋混凝土面板+库底沥青混凝土面板防渗。

本文总结了抽水蓄能电站全库盆不同防渗形式的主要技术特点，探讨全库盆防渗形式选择应考虑的主要因素，为库盆防渗设计提供参考。

1 采用全库盆防渗的抽水蓄能工程

本文收集了我国采用全库盆防渗的部分抽水蓄能电站工程实例，工程的部分设计参数见表1。

表1 抽水蓄能电站全库盆防渗典型工程汇总

由表1可知：①较多已建工程采用沥青混凝土面板全库盆防渗。②有几个项目采用库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜防渗，除溧阳抽水蓄能电站上水库为已建工程外，多数项目仍处于前期论证阶段。③有些项目采用其他组合防渗方案，例如，句容抽水蓄能电站上水库为适应库底超高填筑体不均匀沉降变形，采用库岸沥青混凝土面板+库底土工膜防渗方案，部分项目结合黏土料源丰富的特点，采用了库底黏土防渗。

2 各种防渗结构的主要特点及优缺点

抽水蓄能电站库盆防渗形式主要有沥青混凝土面板、钢筋混凝土面板、土工膜、黏土防渗等，以及各种防渗结构的组合[7]。

2.1 沥青混凝土面板

沥青混凝土面板防渗结构目前一般采用简式防渗面板，自上而下依次为沥青玛蹄脂封闭层、厚0.2、10 cm沥青混凝土防渗层和厚10 cm沥青混凝土整平胶结层；沥青混凝土面板结构下部为填筑坝体时需设置的垫层和过渡层，下部为岸坡基岩时仅设置垫层区，以便排除面板后渗漏水，渗水通过垫层汇集于坝基排水廊道排出。垫层区和过渡区厚度根据反滤排水需要结合碾压施工要求确定。沥青混凝土面板坡度通常不陡于1∶1.7。

沥青混凝土面板结构防渗性能较优，其渗透系数<1×10-8cm/s。面板施工一般采用成套设备完成摊铺、碾压施工，机械化施工效率高，条幅施工速度可到60～120 m/h，月施工强度可达2万～3万m2，由于沥青面板为高温摊铺施工，施工缝接头处理较为方便，工效和质量保证率高。沥青混凝土属于柔性防渗结构，25 ℃时可承受8%的弯拉应变不漏水，2 ℃时可承受2%的弯拉应变不漏水，面板不需设置结构缝，适应基础不均匀变形能力强。此外，沥青混凝土具备适应寒冷气候的特点，呼和浩特抽水蓄能电站上水库极端最低气温为-41.8 ℃，沥青混凝土面板采用改性沥青，冻断温度达-45 ℃[5]，工程于2013年蓄水，目前运行良好。

2.2 钢筋混凝土面板

钢筋混凝土面板为最为常用的防渗结构，已建抽水蓄能电站应用混凝土面板堆石坝坝型的项目最多，工程经验丰富。为控制最大扬程与最小发电水头比值，上、下水库的消落深度和混凝土面板承受的水头通常不大，为便于施工常采用等厚混凝土面板设计，厚度可结合规范和工程具体要求确定。由于钢筋混凝土结构为刚性结构，承受不均匀变形能力较弱，需要设置结构缝以适应不均匀变形，结构分缝间距一般为12～18 m，结构缝底部设铜片止水，顶部设塑性止水。在寒冷地区，为提高混凝土耐久性，减少面板温度裂缝影响，部分工程在混凝土面板表层还涂刷防渗涂层，由于防渗涂层价格较高，对工程投资影响较大。钢筋混凝土面板上游坡度通常采用1∶1.4。

钢筋混凝土面板采用滑模施工，施工速度较快，但受接缝止水施工影响，整体施工速度低于沥青混凝土面板。

2.3 土工膜防渗

土工膜是典型的柔性结构，具有很好的弹性、适应变形的能力和防渗性能，其断裂伸长率≥200%，适应不均匀沉降的能力强，对地基、库底回填料料源及填筑碾压标准要求相对较低；土工膜自身具有良好的防渗性能，满足质量要求的土工膜渗透系数可达10-11～10-13cm/s。

土工膜接头需热熔焊接，土工膜与混凝土等其他材料之间的接头连接较为复杂，施工程序也较为复杂，需要的人工数量较多；同时耐久性能较差，暴露在阳光中易产生老化。目前，在全库盆防渗的抽水蓄能电站中，一般用于库底防渗。

2.4 黏土防渗

在黏土材料较丰富地区，可考虑采用黏土防渗。对黏土的要求可参考防渗土料相关要求，并做好与相关结构之间的连接设计。宝泉抽水蓄能电站上水库和句容抽水蓄能电站下水库库底均采用了黏土铺盖防渗。

2.5 几种主要防渗结构形式主要特点对比

沥青混凝土面板、钢筋混凝土面板和土工膜均具有较好的防渗性能，在施工质量满足设计要求的前提下，均可满足抽水蓄能电站的防渗要求。3种防渗形式的主要优缺点如表2所示。

表2 不同防渗形式主要优缺点对比

由表2可知：①沥青混凝土面板适应变形能力强，不设结构缝，采用成套设备机械化施工，施工速度较快，质量保证性好。②钢筋混凝土面板施工前需绑扎钢筋，面板需设置结构缝，接缝止水结构相对较为复杂，但混凝土面板在水电工程中应用广泛，具有成熟的施工经验。③土工膜型号较多，质量差异比较大，幅宽一般为6～8 m，不同条带间一般采用热熔焊接，与混凝土面板之间一般采用锚固连接，接头施工工艺较为复杂，人工用量较多，接头及接头交叉部位质量保证性较差，需加强接头施工质量管控，并做好施工期和运行期土工膜保护。

沥青混凝土面板、钢筋混凝土面板和土工膜防渗3种防渗结构均为薄型结构，质量较轻，承受反向水压力能力极低，因此，应重视并重点做好防渗结构的下游排水措施，土工膜同时应设置一定的压重。

3 库盆防渗形式选择主要考虑因素

3.1 防渗体系对地形地质条件的适应性

沥青混凝土面板坡度通常采用1∶1.75，钢筋混凝土面板通常采用1∶1.4。若库盆两岸岸坡陡峻，采用钢筋混凝土面板对库岸及库盆以上的边坡开口线控制较为有利。应根据地形地质条件，选择适宜的库盆防渗形式。

3.2 防渗体系适应变形的能力

若整个库盆基础为覆盖层或岸坡岩体质量较差，沥青混凝土面板坡度较缓、适应变形能力较强，采用沥青混凝土面板防渗更有利于控制库盆岸坡稳定和适应库盆基础不均匀沉降变形。土工膜断裂伸长率通常可达200%以上，适应变形能力最强，若库盆地基覆盖层深厚或库底回填厚度大，采用土工膜更有利于适应库底较大沉降变形，但由于其接头结构复杂，通常在和不同材料之间的接头或自身焊接接头产生破损，或在外力作用下产生破损，实际过程中往往无法完全发挥其优良的防渗和变形能力，需加强施工质量控制。钢筋混凝土面板为刚性结构，为适应基础的不均匀沉降变形，通常需设置结构缝以适应变形，适应基础不均匀变形能力相对较弱。

3.3 施工可靠性和难易程度

沥青混凝土面板机械化施工程度高，不设结构缝，施工质量易保证，需要的人工数量少。钢筋混凝土面板需设置结构缝，接缝止水通常设置底部铜片止水和表层塑性止水。铜片止水接头通常在现场焊接，在施工中常因保护措施不足容易破损，现场检查发现难度较大，异形铜片止水通常需要在专用工厂整体冲压成型；接缝止水施工程序较为复杂，质量保证性较差。土工膜通常为6 m或8 m一幅，不同幅土工膜之间采用热熔焊接，纵横接缝相交处施工难度较大，质量保证性较低，另外土工膜和其他材料之间连接结构更为复杂，需刷底胶后采用扁钢压条压边然后用螺栓锚固。

3.4 建筑材料需求

沥青混凝土通常需要采用碱性骨料，部分工程由于碱性骨料缺乏或运距较远，造成沥青混凝土单价较高，导致采用沥青混凝土面板防渗经济性较差。目前，国内也有部分工程经过大量的科研和试验，沥青混凝土采用了部分酸性骨料，例如，沂蒙抽水蓄能电站上水库部分沥青混凝土采用了酸性骨料。

3.5 工程量和防渗方案的经济性

为便于进行直观对比，考虑抽水蓄能电站的一般库容要求和水头变幅，采用简化模型对不同防渗形式的全库盆防渗工程防渗结构主要工程量进行对比，以便梳理不同防渗形式之间的主要差异。简化模型假定水库总容积1 000万m3，库底到库顶总高度40 m，沥青混凝土面板坡度1∶1.75，钢筋混凝土面板坡度1∶1.4。

3.5.1 库盆形状对防渗工程量影响分析

不同的工程根据水库区地形地质条件，库盆形状往往不同，在山顶台地或山坳筑坝成库，库盆防渗形状受地形限制较小，可采用不同的形状，利用沟谷筑坝成库通常为峡谷沟道形水库，不通过的库盆形状，库容相同，需要的库盆防渗面积不同。本文对在相同库容和库顶库底高差条件下，不同形状的库盆防渗总面积进行了对比分析，对比结果如表3所示。

表3 相同库容条件下不同库盆形状防渗总面积对比

由表3可知，通常的长方形库盆，假设库底长方形长边和短边边长的比值为10∶1，总库容1 000万m3，库顶和库底高差为40 m，库底和库岸防渗总面积为394 187 m2，其面积是相同库容圆形库盆面积的1.29倍，库盆趋近正方形，其防渗总面积相应减小；正方形、五边形、六边形和圆形库盆形状，相同库容和库顶库底高差下防渗总面积差别不大，正方形库盆比圆形库盆的防渗总面积仅增加约3%。总体来看，狭长形库盆总体防渗面积较大，但趋近正方形后，库盆形状对防渗总面积的影响不大。

图1 总库容1 000万m3不同库盆形状库盆防渗结构总面积对比

3.5.2 坡度对防渗面积影响分析

在相同库容条件下，采用不同的岸坡坡度，防渗面积有所差异。采用峡谷形库盆，假设长宽比为10∶1时，库盆防渗面积随岸坡坡度的变化见表4。

表4 不同库岸坡度库盆防渗总面积对比

由表4可知，在相同库容条件下，采用较缓的上游坡度，库盆防渗面积增加，库底防渗面积减小，总面积增加。采用沥青混凝土面板或钢筋混凝土面板防渗，在相同库容条件下，需要的防渗结构总面积差异不大，沥青混凝土面板方案防渗面积比钢筋混凝土面板防渗方案防渗总面积增加约4%。

图2 不同岸坡坡度库盆防渗结构总面积对比

3.5.3 不同坡度对坝体填筑工程量的影响

考虑不同的防渗形式和坝料性质，由于坝坡坡度不同，在河谷形状等一定的条件下，采用简化模型研究了坝坡变化对填筑工程量的影响。简化模型假定建基面河谷宽度为100 m，两岸岸坡平顺、坡度均为1∶0.75，坝高90 m，下游坝坡坡度为1∶1.5，上游坝坡坡度由1∶1.4变化至1∶2.0，坝体体积变化见表5。根据分析，坝坡越缓坝体填筑工程量越大，在假定模型条件下，沥青混凝土面板堆石坝是钢筋混凝土面板堆石坝填筑工程量的1.1倍。

表5 不同上游坝坡坝体填筑工程量对比

从以上分析可知，在相同库容条件下，采用沥青混凝土面板或钢筋混凝土面板防渗方案，两种防渗方案防渗结构总体面积工程量差异不大，但由于坝体坡度不同，对填筑工程量影响较为显著。

不同防渗形式的主要差异体现在2个方面：①由于坝体坡度不同引起的防渗面积、库盆开挖、坝体填筑工程量等的差异；②由于沥青混凝土面板、钢筋混凝土与结构缝止水单价、土工膜单价不同引起的投资差异。

3.5.4 不同防渗结构经济性对比

通过对全库盆沥青、库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜和全库盆钢筋混凝土3种不同结构的防渗形式进行工程投资估算可知，钢筋混凝土面板由于面板混凝土、钢筋和接缝止水的单价较高，采用全库盆钢筋混凝土防渗工程投资最高。未考虑库顶以上开挖边坡影响的情况下，沥青混凝土面板全库盆防渗总体工程投资居中；库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜防渗方案，由于土工膜的单价低，采用库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜方案的工程投资最低。但由于市场上土工膜质量参差不齐，若采用质量保证性高的的土工膜，单价将会较大提高，且由于土工膜基础处理和防护结构复杂，工程投资会显著增加。

3.5.5 运行可靠性及检修方便程度

根据已有工程的运行经验，沥青混凝土面板防渗的运行可靠性较高，修复处理难度较小，修复速度较快，修复后可立即重新蓄水运行；钢筋混凝土面板易产生裂缝，根据裂缝的宽度和深度需要采取不同的处理措施，若接缝止水产生缺陷，缺陷段止水往往需要替换，修复处理工艺较为复杂；土工膜抗冲击能力较差，在外力作用下易破损，土工膜产生缺陷破损，修复处理速度较快，但查找缺陷具体部位难度较大。

4 结 语

随着抽水蓄能电站建设的推进，越来越多的抽水蓄能电站工程需要采用全库盆防渗方案。由于水资源紧缺且地质条件较差，地下水位远低于正常蓄水位，相对不透水层埋藏较深，处于西北、新疆等地区的抽水蓄能电站项目多数上水库采用了全库盆防渗方案。

防渗形式选择应综合考虑地形地质条件、防渗形式的适宜性、防渗效果、施工可靠性、工程投资等因素进行综合技术经济比较确定。目前，采用全库盆防渗的工程应用较多的有全库盆沥青混凝土面板防渗、库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜防渗2种方案，此外还有一些工程采用其他组合防渗形式。钢筋混凝土面板为最常用的防渗结构，已建的抽水蓄能电站中混凝土面板堆石坝坝型应用最多。部分工程综合考虑防渗效果、工程投资等因素，选择采用库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜防渗方案，但该防渗形式已建工程实例不多，由于土工膜及土工膜与库岸混凝土等接头较多，施工期需重点关注不同材料之间接头的连接质量问题，并加强库岸和库底排水设计。