王素香

(廈門市國(guó)水水務(wù)咨詢有限公司，福建 廈門 361004)

1 工程概況

江蘇省某市區(qū)新建一座蓄能電站，緊靠周圍城鎮(zhèn)用電區(qū)和負(fù)荷中心，是日調(diào)節(jié)式抽水蓄能電站。此抽水蓄能電站預(yù)計(jì)裝機(jī)容量為1350MW(6×225MW)，共分兩期進(jìn)行施工，主要樞紐由上水庫、輸水系統(tǒng)、下水庫、開關(guān)站、地下廠房組成，上下庫施工設(shè)計(jì)為一次建成。上水庫由混凝土主壩、混凝土副壩、庫周公路、庫盆防滲等組成，是直徑約為1390m的三面環(huán)山天然盆地，共集水3.96km2，近五年平均徑流量0.155m2/s，正常蓄水水位265m，總庫容1723km3，上水庫和下水庫的主壩和副壩均使用瀝青混凝土面板堆石壩?？偲矫鎴D如圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站工程總平面圖

經(jīng)地質(zhì)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)上水庫和下水庫的天然水頭較低只有63m左右，需要采取措施增高上水庫庫底，從而增高水庫的天然水頭，于是經(jīng)技術(shù)人員探討確定上水庫庫盆施工方式選擇半填半挖的方式，但是這種施工方式土石方的開挖和填方工程量比較大，預(yù)計(jì)庫底的填方高度要達(dá)到120m左右，工程總平面圖見圖1。

2 上水庫工程特點(diǎn)

上水庫位于山峰南側(cè)，在上水庫的北面、東面和南面由高程為283.6-400.7m的埡口和山脊組成，上水庫的南面為一高程為88-117m的溝底，地形較復(fù)雜，水庫施工難度較大。下水庫位于山峰東北側(cè)，庫盆是由橋溝和小沖溝組成，下水庫地面高程為55-83m，溝底地勢(shì)較平坦。上文提到，上水庫和下水庫的天然水頭較低只有63m左右，需要采取人工填渣措施增高上水庫庫底，從而增高水庫的天然水頭。

1)上水庫滲透現(xiàn)象嚴(yán)重。上水庫周圍埡口、山脊、溝底存在形式較多，地勢(shì)復(fù)雜，周圍山體主要為弱-中強(qiáng)度的白云巖，在巖體的巖脈接觸帶、斷層帶和層面巖溶發(fā)育較好，有較強(qiáng)透水性和通透性，地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)巖體內(nèi)還存在巖溶管道方向通向庫外，巖溶的形成較深，巖體相對(duì)隔水層頂板和庫壩區(qū)地下水埋深較大,專家推斷在巖斷層的內(nèi)部可以出現(xiàn)了集中滲漏，因此不能使用垂直帷幕的方法做防滲處理，根據(jù)上水庫地質(zhì)條件綜合考慮后其庫岸防滲施工采用瀝青混凝土面板防滲，以保證庫岸的工程質(zhì)量[1-3]。

2)上水庫防滲難度大要求高。上水庫形成的天然盆地集水面積較小，天然水量較少，僅有7.81km2，在施工時(shí)庫盆需要半挖半填，施工量較大石渣回填高度可達(dá)120m左右，人工回填石渣會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降、庫底防滲施工和周邊建筑連接處容易變形等問題。針對(duì)這種現(xiàn)象，決定采用土工膜作為防滲施工的庫底防滲體，土工膜有較好的延展性，滲透性也比較小，適用于變形較大的建筑施工，本工程采用土工膜作為庫底防滲材料，能夠降低庫底的滲透量，符合工程設(shè)計(jì)要求。

綜上，在本工程的上水庫中，使用瀝青混凝土面板對(duì)上水庫的庫岸進(jìn)行防滲處理，對(duì)水庫的庫底則使用土工膜的方法進(jìn)行防滲施工。瀝青混凝土面板在庫岸中的防滲處理應(yīng)用簡(jiǎn)式的結(jié)構(gòu)，要求整平膠結(jié)層與防滲層的厚度相同，均為10cm，而表面的封閉層厚度2mm，大壩和庫岸承受最大水頭為30m左右。

3 庫底土工膜的防滲排水設(shè)計(jì)

3.1 防滲的設(shè)計(jì)

土工膜設(shè)計(jì)通過建成的庫底鋼筋混凝土連接板和大壩及庫岸的瀝青混凝土面板進(jìn)行連接，主要結(jié)構(gòu)包括上部保護(hù)層、下部支持層、土工膜防滲層等。

土工膜結(jié)構(gòu)的下部支持層主要包括過渡層、厚墊層、土工席墊，施工厚度分別為150cm、60cm、6mm，施工方式按照自上而下進(jìn)行。過渡層的施工材料選擇微風(fēng)化、級(jí)配良好、粒徑在30cm內(nèi)的開挖爆破料，孔隙率要達(dá)到20%，滲透系數(shù)保證在8×10-3-2×10-1cm/s之間，干密度設(shè)計(jì)23.6KN/m3。厚墊層施工材料選擇小石、中石、砂摻配成的混合材料，后墊層上部鋪設(shè)20cm混合材料最大粒徑保證在2cm以內(nèi)，后墊層下部鋪設(shè)40cm混合材料最大粒徑保證在4cm以內(nèi)，孔隙率要達(dá)到18%，滲透系數(shù)保證在5×10-4-5×10-2cm/s之間，干密度設(shè)計(jì)22.4KN/m3。土工席墊是一種三維網(wǎng)狀材料，表面平整，在熱熔條件下塑料絲條可以進(jìn)行連接，抗壓性較強(qiáng)、耐久性較好，將土工席墊設(shè)置在土工膜和碎石墊層之間可以很好起到緩沖的作用降低土工膜的受力，防止石塊劃破土工膜影響庫底防滲的施工質(zhì)量。

土工膜防滲材料選用高密度聚乙烯(HDPE)土工膜，厚度為1.5mm，這種土工膜具有優(yōu)良耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能，抗老化，抗高溫，耐腐蝕和較長(zhǎng)的使用壽命適用此工程的設(shè)計(jì)要求。上部保護(hù)層直接采用土工布進(jìn)行覆蓋，并運(yùn)用沙袋在土工布表面之上覆蓋，要求沙袋為30kg土工布沙袋，以1.5m×1.5m的間距進(jìn)行布置，土工膜防滲層上不再進(jìn)行粗砂、填渣保護(hù)施工。沙袋壓覆的作用是防止蓋好土工布及土工膜被外力掀動(dòng)影響施工質(zhì)量。

庫底石渣回填高度預(yù)計(jì)120m左右，施工時(shí)填方量較大所以挖方時(shí)應(yīng)盡量減少石渣中途施工運(yùn)輸損失，施工回填石料要除掉接近土工膜的墊層料和過渡料，回填石料成分較復(fù)雜，不能直接回填，要按照施工要求從下到上依次回填壩基底和上水庫庫底除腐殖土剝離的碎石黏土、上水庫庫盆微風(fēng)化白云巖及少量蝕變閃長(zhǎng)玢巖、下水庫庫盆的白云巖摻灰?guī)r、粗面巖、安山巖等等[4-6]。

3.2 排水的設(shè)計(jì)

當(dāng)施工完成后，有時(shí)質(zhì)量較好的土工膜也會(huì)出現(xiàn)一些滲漏的現(xiàn)象，庫底及庫岸土層中也會(huì)產(chǎn)生一定水分和氣體，庫岸由于壓力也會(huì)滲水，這些水分和氣體在土工膜底部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向作用力，致使土工膜受損，影響上水庫庫底土工膜防滲質(zhì)量。為了有效避免土工膜下墊層積水、積氣破壞土工膜，需要采取一定排水、排氣措施。

按照“上截下排”的排水設(shè)計(jì)要求，需要建立一系列排水系統(tǒng)，使土工膜防滲層下方滲水能順暢排出，避免破壞土工膜。具體施工方式為，建立一個(gè)排水層，即在巖坡與瀝青混凝土中間加一碎石排水墊層，厚度約為0.8m，方便滲水從碎石排水墊層流出。為使土工膜下排水順暢，需要在土工膜墊層內(nèi)鋪設(shè)間距為25m×25m的土工排水管網(wǎng)，土工管的直徑90mm，在土工管外部鋪設(shè)土工布100g/m2，在庫底建設(shè)一排水廊道，排水溝水排入排水廊道內(nèi)。

排水廊道除了有引流庫底積水、積氣的作用外，還具有一定的監(jiān)測(cè)作用，方便技術(shù)人員觀察水庫的滲水及部分庫底的滲壓情況，另外排水廊道作為連接板還有一定連接作用,通過將廊道庫岸瀝青混凝土面板和庫底土工膜防滲體系連接起來形成完整的防滲體系。排水廊道在巖庫周圍的底部布置，在水庫的西、北庫岸分別設(shè)置一個(gè)出水口，出水口位置建設(shè)集水井，集水井內(nèi)設(shè)立泵站，利用泵站將出水口內(nèi)滲漏水抽回，再引流到水庫內(nèi)，降低水庫水流損耗。

4 庫底土工膜的有限元計(jì)算

4.1 庫底回填區(qū)沉降位移分析

竣工期壩最大斷面上的位移如圖2所示。

圖2 上水庫竣工期最大斷面回填區(qū)沉降位移

由圖2可以看出，回填區(qū)的沉降位移程度比較大，沉降量最大位置發(fā)生在庫底1/3處，沉降量可達(dá)170cm,對(duì)回填區(qū)沉降量大的原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其主要原因是回填區(qū)回填材料參數(shù)比大壩的填筑材料參數(shù)低。在上水庫蓄水后，在水壓作用下，庫底沉降加劇，最大沉降量增加到206cm，庫底回填高度為120m，其最大沉降量為庫底回填高度的1.72%。

4.2 土工膜變形分析

本工程施工的土工膜防滲設(shè)計(jì)變形分析采用膜單元進(jìn)行模擬操作，工程采用的土工膜彈性模量比較低，與下伏堆石體變形幅度相差很小，由此在采用膜單元模擬時(shí)，可以忽略由土工膜和土體出現(xiàn)相對(duì)滑移。為方便后面的計(jì)算,將堆石體產(chǎn)生的位移當(dāng)作土工膜位移進(jìn)行變形處理。

蓄水期最大斷面回填區(qū)土工膜變形曲線見圖3，主要包括蓄水沉降、順河向、軸向3部分。

圖3 蓄水期最大斷面回填區(qū)土工膜變形曲線(蓄水沉降向下為正、順河向向下游為正、壩軸向左岸為正)

由圖3可以看出，順河向、軸向這兩個(gè)土工膜變形量比較小，在蓄水期土工膜的變形量比較大，沉降位移較大，最低點(diǎn)處的沉降位移可達(dá)77cm。

蓄水期最大斷面土工膜的拉應(yīng)變見圖4，在水庫庫底存在非常高的填渣，并且回填的渣料十分的復(fù)雜，由此導(dǎo)致在水庫蓄水之后土工膜的形變較大，出現(xiàn)較大沉降，尤其是在混凝土連接板外邊緣與庫底填渣連接處的形變較大。

圖4 蓄水期最大斷面土工膜的拉應(yīng)變

由圖4也明顯看到，土工膜的拉應(yīng)變?cè)诮影逋膺吘壓蛶斓滋钤B接處發(fā)生明顯，最大拉應(yīng)變達(dá)到1.07%。另外開挖和回填分界線位置拉應(yīng)變也比較明顯，最大拉應(yīng)變達(dá)到0.36%，分析其形成的原因是壩體施工材料和庫底填渣材料性質(zhì)差別太大，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長(zhǎng)率為16%，對(duì)比上述數(shù)據(jù)，均在施工設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)土工膜破裂。

4.3 局部加固分析

從圖4可以看出土工膜的拉應(yīng)變?cè)诨炷吝B接板外邊緣與庫底填渣連接處最大拉應(yīng)變達(dá)到1.07%，為了防止連接處的拉應(yīng)變隨著水庫投入使用進(jìn)一步擴(kuò)大，需要進(jìn)行加固處理，降低庫底填渣的沉降量。具體的加固措施見圖5，加固的材料和上游堆石區(qū)材料的屬性相同，經(jīng)計(jì)算后確定水庫在蓄水期，最大斷面處土工膜的拉應(yīng)變及變形量見圖6、圖7，混凝土連接板外邊緣與庫底填渣連接處拉應(yīng)變由1.07%降為0.33%，降低率約為69%。從上述數(shù)據(jù)可以看出，采取加固措施后可以有效降低土工膜的不均勻沉降，提高水庫的穩(wěn)定性和防滲能力。

圖5 上水庫加固措施

圖6 蓄水期最大斷面處土工膜的拉應(yīng)變

5 結(jié) 語

抽水蓄能電站是一種電力消耗較少時(shí)耗電抽水，用電高峰時(shí)放水至下水庫水電站釋放能量發(fā)電的電能調(diào)節(jié)建筑，從地勢(shì)上講，較大的上水庫、下水庫水頭差可以減少施工投資。此抽水蓄能電站建于江蘇省某市區(qū)周邊，因地勢(shì)原因形成的天然水頭差較小，上水庫不足以放水至下水庫水電站釋放能量發(fā)電，因此需要人工墊高上水庫庫底，來增加水頭差，庫底回填施工高度120m，施工量大且施工難度大，回填材料主要有碎石黏土、微風(fēng)化白云巖、蝕變閃長(zhǎng)玢巖、白云巖摻灰?guī)r、粗面巖、安山巖、蝕變閃長(zhǎng)玢巖混合料等多種材料，成分較復(fù)雜，采用這些較差材料回填的主要原因一方面是堅(jiān)持土石方“盡量減少棄料”的施工原則，另一方面是回填量太大，如果采購較好材料工程投資太多，超出工程預(yù)算。

根據(jù)水庫地質(zhì)勘探結(jié)果，水庫施工位置的主要巖體為弱-中等強(qiáng)度的白云巖類，進(jìn)行連通實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上水庫壩址地下水和巖體相對(duì)隔水層頂板埋深較深且還存在通向庫外的巖溶管道，因此防滲方式選擇全庫盆防滲，另外上水庫庫底回填量及材料性能較差，所以選用具有優(yōu)良耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能，抗老化，抗高溫，耐腐蝕和較長(zhǎng)的使用壽命高密度聚乙烯(HDPE)土工膜。

竣工后對(duì)庫底土工膜各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行有限元計(jì)算，土工膜的拉應(yīng)變?cè)诨炷吝B接板外邊緣與庫底填渣連接處發(fā)生明顯，最大拉應(yīng)變達(dá)到1.07%，為了防止連接處的拉應(yīng)變隨著水庫投入使用進(jìn)一步擴(kuò)大，需要進(jìn)行加固處理，降低庫底填渣的沉降量，經(jīng)加固處理后混凝土連接板外邊緣與庫底填渣連接處拉應(yīng)變降為0.33%，降低率約為69%，遠(yuǎn)小于土工膜最大拉伸屈服伸長(zhǎng)率16%，對(duì)類似工程施工有參考意義。