张河湾抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板防渗结构

张河湾抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板防渗结构
张向前
【摘要】沥青混凝土面板防渗断面形式一般有简式和复式之分.考虑基础岩层中普遍分布有软弱夹层,张河湾抽水蓄能电站上水库采用沥青混凝土面板全库盆防渗,并对防渗面板断面形式进行了创新性的优化设计,成功实现以(防渗)整平胶结层替代下防渗层和原整平胶结层,减少了一层,取得了良好的防渗效果和经济效益,同时,对工程安全运行具有重要意义.%There are two structures of simple and composite type for bituminous concrete impervious facing in practice. After considering the weak intercalations in strata, the upper reservoir of Zhanghewan Pumped-storage Power Station adopts full basin anti-seepage with bituminous concrete facing, and the design of facing structure is innovatively optimized, in which,the second impervious layer and leveling and binder layer in traditional structure is substituted by new leveling and binder layer with certain impervious capacity. The practical operation of the reservoir shows that the new design has a good impervious effect and economic benefit, and at the same time, it also guarantees the safe operation of project.
【期刊名称】《水力发电》
【年(卷),期】2011(037)004
【总页数】4页(P39-42)
【关键词】沥青混凝土;防渗面板;简式断面;复式断面;(防渗)整平胶结层;张河湾抽水蓄能电站
【作者】张向前
【作者单位】中国水电顾问集团北京勘测设计研究院,北京,100024
【正文语种】中文
【中图分类】TV431.5(222)
沥青混凝土是以沥青为胶结材料，与骨料（碎石、砂、填充料等）按规定配合比
拌制、固结而成的建筑材料。

交通部门在高速公路、机场跑道建设上有着广泛的应用。

因其防渗性能好，也用于水利水电行业的土石坝、蓄水池、渠道、河道、堤防、护岸（坡）等的防渗体。

20世纪50、60年代，欧洲已将沥青混凝土用于水库大面积防渗。

近年来，随着天荒坪、张河湾、西龙池、宝泉等抽水蓄能电站沥青混凝土防渗工程的陆续建成，国内水工沥青混凝土防渗设计和施工技术得到了快速发展。

1 沥青混凝土防渗面板结构
沥青混凝土面板防渗断面形式一般有简式和复式之分，根据工程的重要程度、安全要求、地质条件等因素，综合考虑技术经济要求选用。

1.1 复式断面
传统的复式断面结构一般分5层，从上往下分别为封闭层、上防渗层、排水层、
下防渗层、整平胶结层，复式断面简图见图1，各结构层的作用及设计参数见表1。

1.2 简式断面
考虑到沥青混凝土防渗层本身渗透系数可以达到1×10-8cm/s以下，防渗性能很好，几乎可以认为是不透水的，除非发生破坏，复式断面中的排水层和下防渗层发
挥作用的几率很小。

因此，很多工程选择了省掉复式断面中的排水层和下防渗层的结构形式，这就是简式断面，简式断面简图见图2。

表1 传统沥青混凝土防渗面板复式断面结构设计参数
图1 复式断面结构简图
图2 简式断面结构简图
1.3 应用情况
欧美国家大多采用简式断面，德国的金谷（Goldisthal）、瑞本勒特（Rabenleite）、盖斯特哈赫特（Geesthacht）、埃格贝格（Eggberg）、瓦尔德克（Waldeck）上库，西班牙的费德罗（EI Federal）、科尔斯特-拉穆埃拉（Cortes-La Muela）上库，卢森堡的菲安登（Vianden）上库，比利时的特鲁瓦蓬（Coo-Trois Ponts）上库，意大利的欧雅斯托（Ogliastro）水库、车西玛（Cesima）上库，希腊的皮尔诺斯（Pyrnos Valley）水库，斯洛文尼亚的阿夫斯（Avce）上库，美国的路丁顿（Ludington）上库，都采用简式断面。

德国的金谷下水库、格莱姆斯（Glems）上库则采用了复式断面。

日本多采用复式断面，沼原坝、双叶坝、蛇尾川（盐原）八汐坝、京极等工程都采用了复式断面。

国内天荒坪、西龙池、宝泉等电站都采用了简式断面，张河湾电站采用复式断面。

实践证明，很多采用简式断面结构的工程实际运行效果很好，但是在某些情况下，如：基础条件不均匀、地下水位较低等，防渗面板有时会发生破坏，但由于简式断面不能很好地实时监测到漏水情况，无法及时作出处理反应，可能会导致严重后果和重大损失。

某抽水蓄能电站上水库库盆为沥青混凝土面板防渗，采用的是简式断面，首次蓄水后，观测到的渗水量不大，水库放空后发现库底有一条裂缝；修补后重新蓄水，发现异常后放空，库底发现9条裂缝；修补完成后再次蓄水，一年后放空检查又发
现7条裂缝；一年后再次放空再发现9条裂缝。

虽然库底设置了检查廊道，但大
部分渗漏水都直接进入山体内部，检查廊道收集到的水量只是实际渗漏量的很少一部分，较小的渗漏量变化可能会被忽略，甚至造成误判。

如果库底基础岩层存在遇水敏感的软弱层，渗水长期作用可能影响山体稳定，导致严重后果。

复式断面由于采用上、下两道防渗层和其间排水层的夹层式结构，可以监测出哪怕是非常小的水库渗漏量，对水库的安全运行具有重要意义。

但增加的排水层和下防渗层会增加材料费用和摊铺施工工作量，对工程造价和工期有较大影响。

2 沥青混凝土面板断面形式选择
在实际应用中，沥青混凝土面板断面形式选择应根据工程实际情况、施工技术水平综合考虑确定。

一般情况下，如果不存在制约工程稳定安全的控制性因素，采用简式断面可取得很好的防渗效果，且有很好的经济性；对渗漏影响较大，会改变基础水文地质条件，危及工程安全的，以及特别重要、失事后损失巨大或影响十分严重的，需加强水库渗漏控制的工程，一般采用复式断面。

伴随设计理论和施工技术工艺水平的发展进步，经比较论证，对面板断面形式进行不断优化改进，正在成为一种发展趋势。

3 张河湾电站上水库沥青混凝土面板设计
3.1 工程概况
张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县测鱼镇附近的甘陶河干流上。

电站总装机容量1 000 MW，装机4台，单机容量250 MW。

电站枢纽由上水库、下水库、水道系统、地下厂房系统等组成，工程等级为一等。

上水库位于下水库左岸的老爷庙山顶，采用开挖筑坝围库而成。

上水库采用沥青混凝土面板全库盆防渗，库坡防渗面积20万m2，库底防渗面积13.7万m2，总防渗面积33.7万m2。

上水库正常蓄水位810 m，死水位779 m，工作水深31 m，总库容770万m3，
调节库容715万m3，死库容55万m3。

3.2 地质条件
3.2.1 地形地貌
老爷庙台坪为古夷平面，呈北东－南西向不规则的条形展布，南北长约2 km，东西宽250～700 m，总体地势东北高，西南低，地面高程740～846 m。

台坪东、北、西三面受沟谷深切，台缘曲折，地形陡峻。

3.2.2 地层岩性
上水库地层由寒武系馒头组与长城系大红峪组组成，二者呈平行不整合接触。

寒武系地层大多为薄层状，其中砂质泥岩、砂泥岩夹泥灰岩的性质软弱，强度较低，遇水可软化，失水易崩解。

长城系大红峪组石英砂岩质地坚硬、性脆，强度高，高倾角裂隙发育，透水性强。

因层间错动地层中顺层发育有众多软弱夹层，强度低，亲水性较强，对坝基抗滑稳定不利。

3.2.3 水文地质
上水库周边为深切沟谷，排泄条件较好，无地表水体分布。

地下水埋藏很深，据钻孔ZK1的观测资料，地下水埋深284 m，地下水位为523.76 m。

3.2.4 软弱夹层
通过勘探揭露，上水库地层中普遍发育有顺层的软弱夹层。

其中馒头组地层有软弱夹层25条，库盆内大部分将被挖除，少部分在库周坝基下分布；大红峪组地层有软弱夹层53条，大多分布在库盆下并在台缘陡崖上出露。

软弱夹层按物质组成及结构特征分为两类：Ⅰ类为泥夹碎屑型，夹层面呈舒缓波状起伏，起伏差很小，普遍有泥膜，遇水软化，抗剪强度低；Ⅱ类为碎屑岩片型，夹在软硬相间岩层内，呈舒缓波状，起伏差较小，主要充填岩片和碎屑，局部见有泥膜，该类夹层长期受到水的浸泡作用，将逐渐向Ⅰ类夹层转化。

夹层粘土矿物（X－射线）分析资料表明，在大红峪组石英砂岩内的夹层（如
Rd3－1、Rd3－3等），矿物成分主要为伊利石，含量达99%～100%；馒头组内的夹层（如Rm1－4、Rm1－3等）伊利石含量为81.8%～83.9%，蒙脱石含量为7.1%～8.1%，此外还含有9.0%～10.1%的绿泥石和高岭石。

根据试验资料，地质给出的软弱夹层抗剪指标建议值见表2。

表2 上水库软弱夹层抗剪指标建议值
3.3 坝基抗滑稳定
上水库岩体中普遍发育的软弱夹层，对坝基抗滑稳定不利。

因此，根据软弱夹层抗剪指标地质建议值，选取饱和状态下的摩擦系数f=0.25计算坝基深层抗滑稳定。

结果表明，正常蓄水位＋7度地震工况下，坝基沿软弱夹层Rd3－1、Rd3－2的抗滑稳定安全系数达不到规范要求（k=1.10）；根据上水库三维渗流数值模拟研究的等水头线图，综合考虑软弱夹层可能的饱和范围和饱和状态，选取半干燥状态下的摩擦系数f=0.275计算坝基深层抗滑稳定，各工况下计算结果可以满足规范要求（k＞1.10），坝基深层抗滑稳定计算结果见表3。

表3 坝基深层抗滑稳定安全系数滑动面正常蓄水位正常蓄水位+7度地震规范允许安全系数
计算情况表明，软弱夹层饱水后强度降低，成为坝基抗滑稳定的控制因素，这也要求张河湾上水库采用防渗性能更好的沥青混凝土面板防渗形式，并进一步研究采用能实时监控渗漏情况、安全性更高的全库防渗系统。

3.4 沥青混凝土面板设计
初步设计阶段（等同可行性研究阶段）选择了沥青混凝土复式断面方案，考虑到沥青混凝土技术的发展，针对沥青混凝土面板复式断面和简式断面存在的问题，在保证防渗效果的基础上，转变设计思路，分析面板各层的工作原理，重点对整平胶结层的功能、工作性能、施工条件进行了分析和重新设计。

沥青混凝土上防渗层已经具有很好的防渗性能，一般不会发生渗漏。

面板在实际运
行中，由于基础不均匀变形，或者施工缺陷可能会造成局部细微裂缝漏水，渗漏水通过上防渗层裂缝进入排水层的过程中，已经损失了大部分的水头，因此，作为第二道防渗层，下防渗层设计标准可以大大降低。

整平胶结层本身材料也是沥青混凝土，只要将其配合比稍作调整，适当加大沥青和填料含量，完全可以起到下防渗层的作用。

经过研究和实践，相对于排水层渗透系数≥1×10-1cm/s来说，整平胶结层的渗透系数控制在5×10-5cm/s以下，即整平胶结层与排水层渗透系数相差2 000倍，完全可以起到相对隔水层的作用，配合排水廊（管）道系统，可以收集绝大部分的渗漏水。

整平胶结层（碾压后）的技术指标确定如表4所示。

表4 防渗整平胶结层技术指标
同时，从传统意义上来说，整平胶结层的作用只是整平基础，为上部面板提供一个机械作业的平面，同时也为沥青混凝土面板基础下卧层与面板之间的软硬过渡进行变形协调。

基础软硬以及摊铺机的压实效率对整平胶结层性能有一定制约，随着大型摊铺施工机械的发展应用，以目前的施工技术条件，整平胶结层要达到孔隙率≤5%，渗透系数≤5×10-5cm/s的目标，完全可以做到。

经优化设计，张河湾上水库最终实施的方案是：沥青混凝土防渗面板采用从上往下分别为封闭层、防渗层、排水层、（防渗）整平胶结层的4层结构形式，结构分层及技术指标见表5，断面简图见图3。

相对于传统的沥青混凝土复式断面，该方案可减少沥青混凝土工程量约12%～20%，由于少摊铺一层，可缩短工期20%。

更为重要的是，与库底完善的排水检查廊道系统配合，实现了渗漏水的收集和实时监控，一旦面板运行状况发生变化，可确保在第一时间作出处理反应，避免导致严重后果和重大损失。

表5 张河湾上水库沥青混凝土面板结构分层及技术指标
图3 张河湾上水库沥青混凝土面板断面结构简图
张河湾上水库沥青混凝土面板施工由日本大成建设株式会社与中国葛洲坝水电工程
集团组成的联营体中标承建。

相对原传统复式断面结构形式，减少沥青混凝土约1.9万m3，节省投资约5 800万元，缩短工期约3个月。

张河湾抽水蓄能电站上水库于2007年9月开始下闸蓄水，并于2008年9月28日成功蓄水至正常蓄水位810 m，经过近两年的运行，水库沥青混凝土面板本身基本无渗漏，表现出良好的防渗性能，目前运行正常。

4 结语
相比传统的复式结构形式，张河湾电站上水库改进后的沥青混凝土面板结构，在达到同样的防渗效果的前提下，工程造价相对较低，且能对工程的渗漏情况进行及时监控和评价，对确保工程的安全运行具有重要意义，对国内其他已经或考虑采用沥青混凝土防渗的工程也具有很好的借鉴作用。