第３９卷第３期 ２０１３年３月 水力发电 溧阳抽水蓄能电站上水库库底防渗设计 宁永升 ，李国权２孙念祖 （１．中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙４１００１４； ２．江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳２１３３３４） 摘要：针对溧阳抽水蓄能电站上水库地形条件复杂、地质构造发育、地下水埋藏深、库底填渣厚度Ｏ～７５ ｍ及不 均匀沉降较大等特点，同时从解决上水库大量弃渣的堆存问题、减少死库容、缩短初期蓄水时间、降低运行维护费 用及检修难度、减小施工难度和节约投资等多方面考虑，对库底防渗方案进行了研究，最终选用土工膜防渗方案。 实际应用表明，土工膜用于较高水头、深厚回填的水库库底的防渗是可行的。 关键词：上水库；库底防渗；土工膜；溧阳抽水蓄能电站 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｂｏｔｔｏｍ Ｓｅｅｐａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｕｐｐｅｒ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｏｆ Ｌｉｙａｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＮＩＮＧ Ｙｏｎｇｓｈｅｎｇ ，ＬＩ Ｇｕｏｑｕａｎ ，ＳＵＮ Ｎｉａｎｚｕ （１．ＨｙｄｒｏＣｈｉｎａ Ｚｈｏｎｇｎａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１４，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｇｕｏｘｉｎ Ｌｉｙａｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｉｙａｎｇ ２１３３３４，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｅｒｒａｉｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｅｅｐ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ，ｔｈｉｃｋ ｗａｓｔｅ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｗｉｔｈ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ０－７５ ｍ ｉｎ ｂｏｔｔｏｍ ａｎｄ ｓｅｒｉｏｕｓ ｕｎｅｖｅｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｕｐｐｅｒ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｏｆ Ｌｉｙａｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｆｏｒ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｄｕｍｐ ｉｎ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｂｏｔｔｏｍ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｄｅａｄ ｓｔｏｒａｇｅ，ｓｈｏｒｔｅｎｉｎｇ ｉｎｉｔｉａｌ ｗａｔｅｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ，ｌｏｗｅｒｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｃｏｓｔｓ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｄｉｉｃｕｌｔｆｙ，ｌｏｗｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｉｃｕｌｔｆｙ ｏｆ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ａｎｄ ｓａｖｉｎｇ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅ ｉｓ ｉｆｎａｌｌｙ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｂｏｔｔｏｍ．Ｔｈｉｓ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅ ｉｎ ｓｅｅｐａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｂｏｔｔｏｍ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｅｒ ｈｅａｄ ａｎｄ ｄｅｅｐ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｕｐｐｅｒ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；，ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｂｏｔｔｏｍ ｓｅｅｐａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅ；Ｌｉｙａｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＶ４４１；ＴＶ７４３（２５３） 文献标识码：Ａ 文章编号：０５５９￣９３４２（２ｏ１３）０３－００３５－０３ １工程概况 溧阳抽水蓄能电站总装机容量１ ５００ ＭＷ，多年 平均年发电量１４．４６亿ｋＷ・ｈ，平均年抽水用电量 （２）地质构造较复杂，岩层产状变化较大，节 理裂隙发育，岩体完整性较差，水库四周山体相对 较单薄，地下水及相对不透水层顶板埋藏较深，水 库防渗问题突出。 １９．２８亿ｋＷ・ｈ。上水库利用２条较平缓的冲沟在东 侧筑坝，库盆经修挖后形成。最大坝高１６５ ＩＴＩ，为 混凝土面板堆石坝。水库正常蓄水位２９１．Ｏ０ Ｉｎ，死 水位２５４．００ Ｉｎ。上水库库底采用土工膜防渗，防渗 面积达２５万ｍ ，开挖区约占１／３，回填区约占２／３。 （３）库底填渣厚度０～７５ Ｉｎ，不均匀沉降较大。 （４）水库集雨面积小，天然来水量少，防渗面 积大。且库盆防渗要求高，防渗材料需适应较大的 变形与不均匀变形。 ３库底防渗设计 从解决上水库大量弃渣的堆存问题、减少死 ２上水库工程特点 （１）地形零乱，沟谷纵横，成库条件较差。坝 基地形沿坝轴线呈“Ｗ”形，沟谷相对高差达３０～ 收稿日期：２０１３—０１—０７ ５０ ｍ：垂直坝轴线方向，坝基以约ｌ７。倾向下游， 上下游高差约６０ Ｉｎ。 作者简介：宁永升（１９７３一），男，湖南邵东人，高级工程师 从事水工结构设计工作． Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｖｏ１．３９Ｎｏ．３豳 库容、缩短初期蓄水时间、降低运行维护费用及 检修难度、减小施工难度和节约投资等多方面考 虑．对库底防渗方案进行了研究。研究表明：土 工膜用于库底防渗具有防渗效果好、变形适应性 强、施工难度小、工期短、投资省等优点，故库 底采用土工膜防渗方案。防渗体结构从上至下依 次为：０．３ ＩＴＩ厚砂袋保护层（土工布袋装）、５００ ｇ／ｍ 土工布、１．５ ｍｒｎＨＤＰＥ土工膜、５００ ｇ／ｍ２土工布、 ０．６ ｍ厚垫层、１．３ ｍ厚过渡层。库底防渗结构如 图１所示 三：ａｔｉ（５００ｇ／ｍ２） Ｉ Ｊ ， …．．、 勰石互 亟 ｆ厚耋 碎笪耍 ，石蚕磊下坠 次层 ．Ｊ— 结髅构层一ｆＰＶ管聚ｃ≯塑嚣１０料ｏ 排 、—水—曾—锋—∥——∥ — Ｖ 土堆行 “２４５ ８００ ｃ 需 底回填石渣 图１ 库底防渗结构示意 ３．１ 土工膜选材 根据上水库工程特点，选用１．５ ｍｍ厚的ＨＤＰＥ 土工膜．其物理力学性能参数如下：密度≥０．９５２ ５ ｇ／ｃｍ ：吸水率≥０．０２％：炭黑含量≥２．４％；熔体流 动速率≥０．１３ ｇ／１０ ｒａｉｎ；拉伸屈服强度横向≥１９．１ ＭＰａ，纵向≥１９．２ ＭＰａ：纵横向拉伸屈服伸长率≥ １６％：拉伸断裂强度横向≥３１．５ ＭＰａ，纵向≥３２．１ ＭＰａ；拉伸断裂伸长率横向≥７７２％，纵向≥７６４％； 直角撕裂强度横向≥１４６ Ｎ／ｍｍ，纵向≥１４５ Ｎ／ｍｍ； 尺寸稳定性（１００℃，１５ ｍｉｎ）横向≤一０．４５％，纵 向≤一０．３３％：抗戳穿力≥６４８ Ｎ；２００℃时氧化诱导 时间＞１３５ ｒａｉｎ：通过一７０℃低温脆化冲击性能，水蒸 气渗透系数≤４．８６ｘ１０ ｇ／（ｉｎ・ｓ・Ｐａ），耐环境应力开 裂能力为２ ０００ ｈ无破损。 ３．２土工膜厚度选择 土工膜厚度的选择应考虑暴露、埋压、气候、 使用寿命、防渗漏、施工破损、水压击穿、撕裂、 适应变形等因素，常采用以下３种计算方法Ⅲ进行计 算：顾淦臣ｆ１９８５）的薄膜理论公式：前苏联全苏 水工科学研究院的经验公式；Ｊ・Ｐ・Ｇｉ—ｒｏｕｄ的铺在窄 缝上的膜近似公式。考虑到施工中接缝的抗拉强度 低于母材，需适当增加土工膜的厚度。经计算和综 合考虑。选择厚度为１．５ ｍｍ的ＨＤＰＥ土工膜。 ３．３土工膜防渗层结构设计 土工膜防渗结构由下部支持层、土工膜防渗层、 上部保护层组成。 羹豳ＷａｒｅｒＰｃ， ｅｒ Ｖｏ ．３９Ｎｏ．３ ３．３．１ 下部支持层 土工膜防渗体下部支持层应满足以下功能『２ｌ：① 具有一定的承载能力，以满足施工期及运行期传递 荷载的要求；②有合适的粒径、形状和级配，限制 其最大粒径，避免在高水压下土Ｔ膜被顶破；⑧保 证土工膜下的排水通畅；④库底碾压石渣和土工膜 之间的填筑料粒径应逐渐过渡，满足层问反滤关系， 以保证渗透稳定。 土工膜应铺设在密实的基础上，层面应平整。 与膜接触的表面宜为碾压密实的细土料层、细砂层 或混凝土层。现场碾压试验表明，土Ｔ膜下部支持 层为级配砂垫层时，上部施工对土Ｔ膜的损伤相对 较小．因此下部支持层采用２０ ｅｍ级配砂垫层和４０ ｃｍ级配碎石垫层。级配砂垫层应过筛，不得有粒径 超过５ ｌｎｍ的碎石。采用级配砂垫层后，不仅可防 止土工膜被碎石刺破，防止铺设时人为和机械压坏， 还可起排水层的作用，排出膜后的渗透水或孔隙水。 ３．３．２土工膜防渗层 工程防渗要求较高，需采用较厚的土工膜，若 选用复合土工膜，在膜布热复合后，两侧未复合预 留连接部位会出现严重的折皱现象，影响土Ｔ膜接 缝的焊接质量；另一方面复合土＿Ｔ膜中膜本身的质 量也不如光膜，表面缺陷也多于光膜。因此，溧阳 抽水蓄能电站上水库库底防渗选用ＨＤＰＥ膜。土Ｔ 膜宽度的选择应考虑施工时接缝最少．故应尽可能 选用较大的幅宽，最终选用６．１ ｍ。 ３．３．３上部保护层 为使土工膜表面避免紫外线照射、高温低温破 坏、生物破坏和机械损伤等，土工膜上部应设置保 护层，保护层为０．３ ｉｎ厚砂袋铺盖。为减少上部保 护层施工对土工膜的损伤，先在土工膜上铺设一层 ５００ ｇ／ｍ 土工布，再压覆土Ｔ布砂袋。 ３．３．４土工膜防渗层渗漏量估算 土工膜防渗层的渗漏量由两部分组成，即其本 身由渗透产生的渗漏量和施工缺陷引起的渗漏量。 经估算，库底土工膜本身渗漏量约为６３ ｒｎ３／ｄ．由土 工膜缺陷引起的渗漏量为６９５ ｍ３／ｄ，总渗漏量为７５８ ｍ３／ｄ［３１，渗漏量较小。 ３．４土工膜连接设计 土工膜的接缝设计应以接缝数量最少为原则， 接缝应设在平直处，避开弯角。ＨＤＰＥ膜接缝采用 焊接工艺连接，焊接接缝抗拉强度不应低于母材强 度，搭接宽度以１２ ｃｍ为宜。在订货时要对厂家提 出留边和长度要求，以利于焊接。 为适应土工膜防渗体下库底堆渣及与面板、岸 坡连接部位的变形，平面上应留有一定松弛度，且 丁Ｚ 丌，守：厨 Ｐ口北ｄ／Ｊ＼苗甘Ｅ吧如Ｌ，Ｊ＼Ｊ半Ｊ牛Ｊ 口 多１．叉 １＿ 在转折处预留褶皱裕度。在长期应力或反复应力作 端同接在混凝土塞上，另一端与库底防渗土工膜底 部连接。库底开挖区沿垂直库底排水观测廊道的方 向按合适宽度设置与库底开挖区和回填区边界相同 的分隔措施，将开挖区的排水再次分成８个区，在 每一排水区的过渡层底部沿垂直排水观测廊道的方 用下，聚合物会因蠕动或疲劳而使强度降低，导致 其变薄或破裂，Ｉ夭Ｉ此，土工膜应松弛铺设。土工膜 与面板连接板、库底观测廊道及上水库进／出水口等 部位的连接采用连接锁扣连接。连接锁扣在大型水 电工程中尚属首次采用，连接锁扣与ＨＤＰＥ土工膜 向中线上铺设排水主管（￣２００ ｍｍ１，在垂直主管方 向铺设排水次管（＋１００ ｍｍ），间距１５ Ｉｌｌ，如图１所 示，排水主管与排水观测廊道相通，汇集开挖区的 渗漏水。库底回填区由于不均匀沉降较大，渗漏水 同材质。在铺膜端处的混凝土基层上，预埋好连接 锁扣．再将ＨＤＰＥ土工膜用单轨挤压焊接在连接锁 扣上。其构造简单、安装方便，密封性能极佳。连 接锁扣大样见图２。 ‘ ． 垂直下渗远比水平渗流大，分区难以达到有针对性 检修的目的，故回填区不分小区。排水管设置位置、 ． ‘ 、 管径等同库底开挖区。渗漏水下渗后经过大坝底部 排水区汇集到坝脚外量水堰。 －０ ｔ 洳 ‘．．ｌ－ ４结论 婴 ．．ｎ 『＾ （１）土工膜防渗关键技术是如何控制库底不均 ｊ ・ ： ｒ 匀沉降，减少防渗材料的张拉剪切变形。 ａ水平连接锁扣 ｂ竖向连接锁扣 （２）土工膜防渗的难点是土工膜接头施工，如 何采取措施确保土工膜接头部位施工质量是库底防 渗施１＝的关键。 图２土工膜连接锁扣大样（单位：ｉＴｌｍ） ３．５库底土工膜防渗体下排水设计 土Ｔ膜会产生渗漏，库岸也会产生渗水，土层 中的植物腐烂后也可能产生大量的气体，如果土工 膜下垫层排水、排气不畅．在运行过程中，可能会 受到下卧层中的反向水压力和气体的作用而损坏。 （３）在有效控制库底不均匀沉降和确保土工膜 接头施工质量的前提下，土工膜用于较高水头、深 厚回填的水库库底的防渗是可行的。 参考文献： ［１］￣５２合成材料工程应用手册编写委员会．土工合成材料工程应 因此应该采取相应的排水、排气措施。 排水系统设计遵循“上截下排”的原则。库底 土工膜防渗体下设置一层厚２０ ｃｍ级配砂垫层和一 层厚４０ ｃｍ级配碎石垫层．在碎石下垫层下部设置 用手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０００． ［２］ＳＬ／Ｔ ２３１—９８聚乙烯（ＰＥ）土工膜防渗工程技术规范［ｓ］． 『３］宁永升．石含鑫．江苏溧阳抽水蓄能电站上水库防渗设计专题 报告ｆＲ］．长沙：中国水电顾问集团中南勘测设计研究院．２００９． 厚１．３ ｍ排水过渡层。库底开挖区与回填区排水分 开布置．在开挖区与回填区的边界基岩面上槽挖混 凝土塞．设竖向ＨＤＰＥ土工膜进行分隔，土工膜一 业 Ｍ 业 舢 —； （责任编辑焦雪梅） （上接第３４页） 参考文献： 『１］杨泽艳，罗光其，罗洪波．洪家渡混凝土面板堆石坝设计［Ｊ］． 水力发电，２００１（９）：１４—１６． ５结语 溧阳抽水蓄能电站上水库大坝所处坝基较为开 阔，但地形起伏大，地质构造复杂，坝轴线存在弧 段，使得坝体结构受力复杂，坝体沉降与不均匀变 形问题突出。通过对坝基“ｗ”形条形山脊进行局 『２］林诚魁，姚秀梅，陈敏岩．等．芹山水电站混凝土面板堆石坝 设计『Ｊ］．水力发电，２０００（２）：１６—１８． ｆ３］侯靖，徐建军，等．泰安抽水蓄能电站上水库面板堆石坝设计 及优化ｆＣ］／／土石坝技术．２Ｏ０７． 『４］徐泽平．混凝土面板堆石坝应力变形特性研究［Ｍ］．郑州：黄河 水利出版社．２００５． 『５］曹克明，汪易森，等．混凝土面板堆石坝［Ｍ］．北京：中国水利 水电出版社．２００８． 『６］赵增凯．我国高混凝土面板堆石坝筑坝技术新进展［Ｃ］，／混凝土 面板堆石坝筑坝技术与研究．２００５． 部挖除处理，坝体断面分区优化并结合三维有限元 静动力计算等，对大坝进行了综合研究与设计，最 终选定了合适的面板堆石坝结构体形、坝体材料分 区和坝料填筑参数等，为大坝安全稳定运行奠定了 坚实的基础。 （责任编辑焦雪梅） Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．３团