抽水蓄能电站面板防渗技术的开发及应用

抽水蓄能电站面板防渗技术的开发及应用

于世海

中国葛洲坝集团市政工程有限公司  湖北宜昌  443000

摘要：近年来，抽水蓄能电站面板防渗技术快速发展，促使其被有效运用到各抽水蓄能电站工程中。在抽水蓄能电站面板防渗技术具有突出优势，基于此笔者将以其作为研究对象，研究设计抽水蓄能电站沥青混凝土防渗面板和实际运用的问题。

关键词：防渗技术；沥青混凝土面板；抽水蓄能电站

前言：沥青混凝土存在相对柔性、耐寒、抗酸碱侵蚀、防渗性能较好的优势，可以在各种地基地质条件下使用，尤其是在地质条件较差的情况下，如存在明显变形的全风化土地基，因此其现阶段已经发展成为水利水电工程中的常用防渗材料。在实际水利水电工程中，虽然在很早以前就开始有学者尝试应用沥青混凝土面板强化抽水蓄能电站防渗性能，但是一直未有效解决其低温抗裂问题，在不断研究优化中，相关人员已经成功使用改性沥青混凝土建设防渗层，并且达到了-45℃的抗冻断温度，相关技术已经达到较高水平。

1、沥青混凝土面板防渗结构设计

1.1 防渗结构

沥青混凝土面板主要分为两种形式，分别为简式结构和复式结构。其中简式结构断面由底层整平胶结层、表面封闭层、面层防渗层组成，倘若沥青混凝土下卧层无法完成排水工作，必须额外完成排水层设计；复式结构断面由整平胶结层、中间排水层、底层防渗层、面层防渗层、表面封闭层组成[1]。

复式结构和简式结构都有各自的优点和不足。在早期建设的工程中，多采用了复式断面。此类构造形式多层次、成本支出高、施工复杂，一般在一些需要特别设计的项目中使用。

在现代生产条件下，对沥青混凝土面层的设计形式提出了更高的要求，即减少了沥青混凝土防渗面板的层数，方便了施工。与复式结构比较，简式结构省去了中间排水层和防渗底层，不但减少了施工所需时间，还能够使工程投入成本降低。我国目前已建成仅存在较少的复式结构断面形式而且均是较早建成的，新近建成的数个抽水蓄能电站其沥青混凝土防渗面板大多为简化结构[2]。

1.2 面板坡比

在选择面板坡比时需要注意：一是要保证填料自身的稳定性，其稳定性与填料的材质和地基状况有直接关系；二是要注意建筑物等级和坝体高度等方面的影响；三是在使用沥青混凝土面板时，还需注意其斜坡施工安全性和温度稳定性。

以往，适用于沥青混凝土面板施工相关人员大多使用1:1.5的最陡坡比，该值是指热沥青拌和料压实前后在斜面处于稳定状态的极限，也是无专用装备时工作人员能够安全站立的最大值。尤其在降雨多的区域，若边坡陡峭，则在施工期间，床垫层会被雨水冲刷损坏，维修不便且难以确保质量，故其斜率不应超过1:1.7。

资料显示，在传统的水电站中大部分的坡比为1:1.7，而在抽水蓄能电站中，则主要为1:2.0。

1.3 面板厚度

当前，在防渗面板每一层的厚度计算中，应参照现有的施工经验和国内外有关的计算方法。在已建成的项目中：简式结构面板通常会由一层整平胶结层和一层防渗层组成，其中前者厚度为6—10cm，后者厚度为8—10cm（在很多工程中出于提高防渗层厚度的目的，部分人员也可能多设施两层防渗层），总厚度约为20cm。

复式结构面板厚度一般为30—40厘米。其中：平整胶结层为6—8cm厚度，防渗底层为5—6cm厚度，排水层为8—10cm厚度，防渗面层为6—10cm厚度。在初期的设计中多加了两个层，均为5—7cm厚度。

在本次工程中相关人员使用了以下公式计算防渗层厚度：

在上式中，防渗层厚度用h表示，单位为cm；骨料质量与形状相关的常数用c表示，在正常情况下c的取值范围为6—7cm；防渗层承受的最大水头用H表示，单位为m[3]。

2、沥青混凝土面板防渗实际应用

2.1 工程概况

某抽水蓄能电站为两侧均为山岭地形，顶高程分别为930.19m和973.48m，主要岩层为坡-洪积层、层凝灰岩、第四层全风化岩土、侏罗系流纹质熔凝灰岩等组成，该工程拥有较为复杂的地质条件，各地区存在不同的岩石风化程度，西库岸和南库底主要是全风化岩，与最高设计蓄水位相比大部分库岸为较低地段。在实际施工中，除了进/出口前池底部和进/出水口周边东库岸边坡使用混凝土外，使用沥青混凝土面板开展上水库全库盆防渗。

2.2 库盆防渗方案

2.2.1 防渗结构设计

在本次工程施工中使用简式结构的沥青混凝土防渗面板，其主要组成部分为表面封闭层、防渗层、加厚层和整平胶结层。

经过计算后相关人员最终决定在岸坡和坝坡处设置10cm厚度的整平胶结层，库底为8cm厚度的整平胶结层；出于增强进/出水口前圆弧段和坡脚反弧段的目的，设置了5cm厚度的加厚层，且使用与防渗层相同的材料。封闭层使用材料为以7:3比例混合的填料和沥青，封闭层为2cm厚度。

2.2.2 其他设计

将楔形体设置在混凝土和沥青混凝土搭接接头处，从而有效控制接头处变形问题，在实际工程中相关人员是使用细粒料沥青混凝土制造的楔形体。

在搭接混凝土和沥青混凝土的位置处需要增设厚度为5cm的加厚层，同时将聚酯网格安装在加厚层与防渗层之间，从而使接头处拥有更高的变形能力。同时，通过分析了解到，在该抽水蓄能电站实际运行过程中，沥青混凝土在上水库主坝上游坝脚反弧段转折点处的拉应变会处于较大水平，最高可达到0.5%拉应变值，比最大沥青混凝土拉伸值还要高出0.05%，再加上水压的影响，有很大几率出现拉裂的情况。借助将反弧半径增大的方式，也就是设置50m的反弧半径，同时将各种结构加固设施设置在反弧段，如柔性聚酯网格和加厚层等，最终经过三维有限元分析了解到其可达到1.88‰拉应变，明显比沥青混凝土极限拉伸值更低

[4]。图1为沥青混凝土面板反弧段典型剖面。

图1 沥青混凝土面板反弧段典型剖面

在处理坝顶部位沥青混凝土面板与防浪墙之间的接缝时封闭层材料使用沥青玛蹄脂，可以有效满足工程各项要求，并且能够为后续修补工作提供方面。

另外，出于提高连接质量、处理不均匀变形等方面的目的，需要将一层塑性止水材料铺设在常规混凝土和沥青混凝土之间，可以加强接头处的防渗止水性能。在施工过程中需要使用压缩空气或钢丝刷将混凝土表面上的附着物清理干净并凿毛，然后在混凝土表面摊铺IGAS和沥青涂料。

2.3 排水系统设计

在主、副坝体面板后分别设置4m和2m的过渡层和碎石排水垫层；库底边坡面板下设置60cm厚度的排水垫层，库岸90cm。对于存在较差基础的地点应根据实际情况增加厚度。另外，使用PVC/REP复合管作为库底排水管，在排水垫层内均匀布置，选用20cm内径管并保持24m间距，在布置时直接在截水墙廊道或排水观测廊道内布置。

2.4 运行效果

    该抽水蓄能电站自首次蓄水后，至今其上库仍然处于非常稳定地运行状态，其近年来始终保持约2L/s的总渗漏量，存在较为良好的运行情况。

3、结束语

    综上所述，抽水蓄能电站沥青混凝土防渗面板和实际运用的问题可知，其面板防渗技术具有一定的优越性，相关人员想要进一步提升抽水蓄能电站防渗性能，可深入研究其面板防渗技术，并借助实际工程案例开展论证工作。

参考文献：

[1]崔溦,谢武,江志安.抽水蓄能电站微细裂隙岩层防渗技术研究[J].水电与抽水蓄能,2022,8(5):6-10.

[2]王硕,沈振中,徐力群,等.某抽水蓄能电站下水库混凝土面板坝防渗系统优选研究[J].水电能源科学,2023,41(2):5.

[3]金辉,董延超,温斌,等.荒沟抽水蓄能电站面板堆石坝建基优化设计[J].东北水利水电,2021,39(10):3.

[4]雷显阳,王樱畯,王爱林,等.岩溶地区某抽水蓄能电站防渗方案设计[J].云南水力发电,2022,38(1):4.