[科普中國]-抽水蓄能電站上池防滲

抽水蓄能電站上池防滲是指在水電站進(jìn)行防水的技術(shù)。隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，抽水蓄能電站的建設(shè)越來越多，開工建設(shè)的有張河灣、西龍池、寶泉等。已建抽水蓄能電站總裝機(jī)為5610MW、在建為10020MW，預(yù)計到2020 年將達(dá)到40000MW，裝機(jī)雖低于美國(2001年已建裝機(jī)為25600MW) 、日本(1996 年已建裝機(jī)為22890MW) ，但發(fā)展速度和最終規(guī)模將位居世界第一。

簡介隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，抽水蓄能電站的建設(shè)越來越多，近期開工的有張河灣、西龍池、寶泉等。已建抽水蓄能電站總裝機(jī)為5610MW、在建為10020MW，預(yù)計到2020 年將達(dá)到40000MW，裝機(jī)雖低于美國(2001年已建裝機(jī)為25600MW) 、日本(1996 年已建裝機(jī)為22890MW) ，但發(fā)展速度和最終規(guī)模將位居世界第一。20 世紀(jì)國外絕大多數(shù)抽水蓄能電站上池全池防滲采用水工瀝青混凝土方案，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低。國內(nèi)十三陵抽水蓄能電站采用的是混凝土面板防滲，天荒坪工程采用的是水工瀝青防滲，張河灣、西龍池、寶泉等工程將通過國際招標(biāo)采用瀝青混凝土防滲。

混凝土面板壩施工在國內(nèi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)及相應(yīng)配套的規(guī)程、規(guī)范和施工設(shè)備，工程造價低，防滲效果能滿足工程要求，對常規(guī)面板堆石壩優(yōu)勢是比較明顯的。對運(yùn)行條件嚴(yán)酷、防滲要求高的抽水蓄能電站上池全池防滲而言，因面板接縫多、面板易開裂等原因，接縫止水設(shè)計和面板防裂成為工程長期安全耐久運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。與水工瀝青混凝土全池防滲工程比較，因工程數(shù)目少，不足瀝青工程的10 % ，時間短，在抗?jié)B、耐寒、耐凍融、承受不均勻變位等方面還沒有足夠的長期資料，評價其安全使用壽命尚需時日。

十三陵抽水蓄能電站上池防滲曾論證過水工瀝青方案，后因技術(shù)(包括當(dāng)時不能肯定水工瀝青對水質(zhì)、環(huán)境無害) 等原因，選擇了鋼筋混凝土面板全池防滲。它是國內(nèi)首次采用混凝土面板全池防滲的工程，在此前，國外采用混凝土面板全池防滲的類似工程只有兩座，一是德國瑞本勒特(Rabenleite) 抽水蓄能電站，另一座是法國拉古施(LaCoche) 抽水蓄能電站。

從十三陵上池建成以來8 年的運(yùn)行效果看，雖然存在面板裂縫等問題，但與國外類似工程相比，全池防滲效果是最好的，與國內(nèi)外使用水工瀝青混凝土防滲的類似工程比，也是一個非常成功的例子，說明用混凝土面板作抽水蓄能電站上池全池防滲是可行的。90 %多的工程全池防滲用水工瀝青混凝土，由于水工瀝青混凝土的適應(yīng)變形能力、耐低溫、抗凍融循環(huán)等能力強(qiáng)，因此可降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、提高工程安全使用壽命。但水工瀝青混凝土由國外壟斷施工，將工程造價降低到與混凝土面板可比是比較困難的，因此需要加快水工瀝青混凝土國內(nèi)施工等配套研究，盡早實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化1。

十三陵上池止水方案用混凝土面板作全池防滲時，因分縫多，水位升降頻繁等，止水設(shè)計是關(guān)鍵技術(shù)之一，在寒冷地帶修建的工程尤其如此。20 世紀(jì)80 年代之前，面板壩止水設(shè)計比較簡單，漏水量普遍較大。哥倫比亞的安其卡亞面板壩，1974 年建成，壩高140m ，最大漏水量達(dá)到1800 lPs ，后不得不放空水庫重做止水，修復(fù)后漏水量穩(wěn)定在154 lPs。德國的瑞本勒特、法國拉古施抽水蓄能電站止水設(shè)計雖在一般面板壩基礎(chǔ)上進(jìn)一步做了加強(qiáng)，但都存在技術(shù)不足，因此竣工后需要大量運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

在十三陵之前，面板壩周邊縫多采用3道止水，比較典型的代表工程為巴西1980 年建成的阿里亞面板壩和墨西哥1994 年建成蓄水的阿瓜密爾巴面板壩，國內(nèi)外的面板壩仍多采用這兩種類型，尤其是阿里亞面板壩。阿里亞面板壩壩高160m ，建成蓄水后，1980 年測得的最大漏水量為236 lPs ，1998 年測得的最大漏水量為274 lPs ，2002 年測得的最大漏水量為161 lPs。

阿瓜密爾巴面板壩，壩高187m ，1994 年初期蓄水時測得的漏水量為8 lPs ，但1994～1996 年到最高蓄水位時，漏水量超過了250 lPs。對面板壩而言，阿里亞、阿瓜密爾巴壩的漏水量是可以接受的，但對抽水蓄能電站而言則是不行的。

止水機(jī)理既有相同點(diǎn)，又有不同。設(shè)在表層的嵌縫材料、粉煤灰在壓力水作用下將流到中部或底部，密封有可能存在的漏水通道，從而實(shí)現(xiàn)止水的目的，在概念上屬于流動止水或不穩(wěn)定止水，雖設(shè)了上、中、下3 道止水，但作用機(jī)理上，獨(dú)立的只有1 道或2 道。這種設(shè)計的主要弊端就是在水壓力下，當(dāng)嵌縫材料流向下層的時候，存在容易被高壓水擊穿或者不能完全封閉漏水通道的缺陷，其可靠性不易在蓄水前得到確認(rèn)，特別是作為高面板壩或重要的面板壩止水。

十三陵上池在設(shè)計與施工階段做了大量的止水研究與調(diào)研，采用的增強(qiáng)措施還有銅止水“T”型、“十”字型接頭和橡膠止水帶現(xiàn)場硫化接頭儀等。由于上池存在冬季空庫情況，沒有嚴(yán)格意義上的受壓縫，對傳統(tǒng)劃分方法劃出的受壓縫表層止水，止水設(shè)計與受拉縫類似，只是去掉表層的梯形GB 填料，其它與受拉縫類似2。

十三陵止水方案特點(diǎn)十三陵上池運(yùn)行8年，接縫止水是成功的。與之前的工程比，其接縫止水最顯著不同之處有兩點(diǎn)，一是表層止水穩(wěn)定、獨(dú)立，二是中部采用復(fù)合GB橡膠止水帶。

十三陵表層止水由5mm厚的三元乙丙橡膠板和10mm厚的GB膠組成，梯形槽中的GB 作為安全余度。三元乙丙橡膠板是面板接縫止水的表層蓋板，具有良好的耐老化、耐高溫、耐低溫等性能，但不易與接縫處面板混凝土牢固粘接。利用GB材料的優(yōu)良性能，在工廠將厚3mm 的GB板復(fù)合到三元乙丙橡膠板上，形成表層止水復(fù)合板，并與貼在混凝土表面的厚7mm 的GB止水板聯(lián)合應(yīng)用，成為新型的表面止水結(jié)構(gòu)。其表面止水結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)其施工沒有干擾，質(zhì)量容易控制； (2)止水面為平面，水壓作用下容易壓緊，有利于防滲；(3)縫張開時，止水面受剪切作用，比受拉有利?，F(xiàn)場和室內(nèi)水壓實(shí)驗(yàn)表明，止水效果良好。

上庫主壩面板周邊縫中部，設(shè)有一道橡膠止水帶。橡膠止水帶具有良好的耐寒性、變形性和抗老化性，但易在混凝土和止水帶之間形成滲漏通道。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究采用新型橡膠止水帶，即在橡膠止水帶兩側(cè)齒間復(fù)合GB 條帶。它比常規(guī)橡膠止水帶具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 延長滲徑；(2) 易被壓緊，GB 和新鮮混凝土粘接效果好；(3) GB 材料在混凝土干縮后及止水帶受力時可以密封滲漏通道，因此，避免了水通過混凝土與止水帶之間發(fā)生繞滲現(xiàn)象，提高了止水效果。大型模擬實(shí)驗(yàn)表明，水頭達(dá)到63m ，面板接縫拉伸變位30.79mm ，剪切變位37.5mm 時，面板接縫不漏水。

十三陵工程之后止水結(jié)構(gòu)的新發(fā)展十三陵工程之后，結(jié)合水布埡面板壩止水結(jié)構(gòu)與止水材料的研究，在十三陵止水方案基礎(chǔ)上，作者提出了與波浪型止水帶結(jié)合的帶支撐的穩(wěn)定表層止水，這一新的止水形式已應(yīng)用于芹山面板壩，在建中的水布埡、洪家度、吉林臺、紫坪鋪、引子渡等工程將采用與芹山相類似的止水結(jié)構(gòu)。芹山面板堆石壩位于福建省周寧縣，壩址是一個V 字型的狹谷，壩高120m ，壩長28615m ，岸坡陡。1998 年1 月開工，1999 年10 月開始蓄水，2000 年7 月正式完工。

從1999 年到2002 年，當(dāng)水位上升到設(shè)計水位值時，測得的壩的總滲漏量小于4 lPs ，巴西的工程師提出了簡化的彈性止水，類似于常規(guī)的橡膠止水帶。Ita 面板壩(高125m ，建于1999 年) 、Machadinho 面板壩(高119m ，建于2001) 、Itapebi面板壩(高110m ，建于2002 年) 等工程已開始應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。對于水頭低于130m 的工程，每延米表層止水的材料價在1000 元左右。據(jù)介紹，面板壩蓄水后漏水量最大為1200 lPs ，后做了防滲處理。

十三陵工程若采用芹山的止水形式將更為安全可靠，由于后者是安裝型的，就是幾十年后材料老化，重裝也是可行的。巴西的彈性止水結(jié)構(gòu)是一種有益的嘗試，由于它的安裝是通過粘結(jié)固定的，進(jìn)一步簡化了施工，因此對抽水蓄能電站上池止水設(shè)計也是可參考的。

總結(jié)面板堆石壩在我國壩型選擇方面具有競爭優(yōu)勢，很多情況下，它不僅是低壩建設(shè)的選擇，同時也是一些高壩如水布埡( H = 233m) 、三板溪( H = 185.5m) 、洪家渡( H = 180m) 、紫坪鋪( H = 156m)等壩的選擇方案。到2001 年年底，我國已建、在建高于60m 以上的面板堆石壩有58 座。大多數(shù)面板壩運(yùn)行良好，漏水量小于100 lPs ，隨著時間的推移，漏水量將會越來越小。止水是面板堆石壩施工中的關(guān)鍵問題之一，隨著十三陵、芹山等工程的運(yùn)行和新工程的不斷建設(shè)，新型表層止水技術(shù)在我國更廣泛采用的同時，新的止水結(jié)構(gòu)和止水材料也將進(jìn)一步發(fā)展，混凝土面板壩的滲漏量將與瀝青混凝土面板壩接近，并具有與碾壓混凝土壩的可比性。

對于抽水蓄能電站上池，在水工瀝青混凝土國內(nèi)施工技術(shù)發(fā)展以后，水工瀝青混凝土防滲方案將優(yōu)于混凝土面板防滲方案。但隨著混凝土面板抗裂、抗凍融技術(shù)的進(jìn)步，采用混凝土面板作抽水蓄能電站上池的防滲，也將是合適的選擇3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所