王樱畯，李金荣

（1.国家能源水电工程技术研发中心抽水蓄能工程技术研发分中心，浙江省杭州市 311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

沥青混凝土面板有良好的防渗性能，渗透系数小于10-8cm/s，且有较强的适应基础变形和温度变形的能力，能够适应较差的地基地质条件和较大的水位变幅，即使在严寒的气候下，沥青混凝土仍具有一定的变形能力，且沥青混凝土面板缺陷能快速修补，修补完24h以后即可蓄水，近年来沥青混凝土面板在抽水蓄能电站上水库防渗中得到广泛应用。

我国研究开发抽水蓄能电站始于20世纪60年代，目前我国已建、在建抽水蓄能电站已达到60座。1998年9月，华东电网第一座大型日调节纯抽水蓄能电站——天荒坪抽水蓄能电站第一台机组建成投产，电站总装机容量1800MW，安装6台300MW水泵水轮发电电动机。最大发电水头567m，最大抽水扬程614m。2000年底，6台机全部并网发电。上水库采用全库盆沥青混凝土面板防渗，较好地适应了复杂的工程地质条件，设置了完善的排水观测系统保障工程安全运行。

本文全面阐述了天荒坪工程的上水库库盆防渗、排水设计方案，以及大坝坝轴线布置、坝体分区等，并总结了近年来抽水蓄能工程库盆防渗及筑坝技术发展趋势。

1 上水库概述

天荒坪抽水蓄能电站上水库位于大溪左岸支沟龙潭坎的沟源洼地，其东、西两侧分别为搁天岭（顶高程973.48m）和天荒坪（顶高程930.19m）。主要岩层为侏罗系流纹质熔凝灰岩、辉石安山岩、层凝灰岩、第四系全风化岩土（残积层）、坡—洪积层及坡积层等，工程地质条件较复杂，各处岩石风化程度不一，南库底和西库岸以全风化岩（土）为主，部分为强弱风化和强风化岩石掺杂其间。上水库库盆呈现物理力学性质上显著的不均质性，水库蓄水后沉降和不均匀沉降难以避免。水库库岸全线除了进/出水口及其邻近区域相对隔水层顶板高程高于上水库设计最高蓄水位外，其余均低于设计最高蓄水位。

上水库设计最高蓄水位905.20m，最低蓄水位863.00m。总库容919.2万m3，有效库容881.23万m3，水库工作深度42.20m，正常运行时水位日变幅28.42m。上水库工程平面布置参如图1所示。

上水库布置了建在洼地南端的主坝和在东、北、西、西南4个地形垭口的4座副坝。根据地形地质条件，主副坝均采用土石坝坝型。为获得必需的库容并取得筑坝材料，在东库岸进/出水口附近和西库岸作了大规模的开挖。

图1 上水库平面图Fig.1 Layout plan of the upper reservoir

上水库主坝最大坝高72m，北、东、西、西南副坝最大坝高分别为35m、32.5m、17m及9.3m。

除进/出水口附近的东库岸岩质边坡用喷混凝土护面，前池底部用混凝土护底外，上水库全库盆采用沥青混凝土面板防渗，整个库盆防渗面积为28.5万m2。大坝坝体面板坡比1∶2.0，库岸面板坡比1∶2.0～1∶2.4，库底北高南低，并且倾向进/出水口。

2 上水库设计方案

上水库主坝和北副坝为土石坝，东副坝为堆石坝，西副坝及西南副坝为土坝。主、副坝上游面、库底及除进/出水口范围外的库岸采用沥青混凝土护面防渗，东库岸进/出水口附近的岩质岸坡为喷混凝土护面，进/出水口前的部分库底为钢筋混凝土护底。

2.1 坝坡岸坡坡比

2.1.1 迎水面边坡

主、副坝的上游面及其他库岸均设沥青混凝土防渗护面。结合本工程所用筑坝材料、库岸地质条件、施工便利性并考虑天荒坪夏季气温较高的特点，除西库岸边坡采用1∶2.4，其余迎水面坝坡和其余岸坡段坡比均为1∶2.0。库岸变坡处以渐变段相连。

2.1.2 下游坝坡

根据坝高和筑坝材料不同，采用边坡为：主坝1∶2.0～1∶2.2，西南副坝、西副坝和北副坝1∶2.0，东副坝1∶1.3。东副坝下游背水坡设干砌石护面，其余各坝下游坝面均设草皮护坡，以保护坡面并有利于环境绿化。

2.2 沥青混凝土防渗体

2.2.1 沥青混凝土护面

沥青混凝土防渗护面为简式结构，由整平胶结层、防渗层、加厚层和表面封闭层组成。

（1）沥青混凝土防渗层。防渗层是防渗体的主体部分，属密级配沥青混凝土，不仅要求有良好的防渗性、稳定性，而且要求有良好的柔性，以适应基础变形。防渗层厚度为10cm。

（2）沥青混凝土整平胶结层。整平胶结层是防渗层的基础层，要求平整、密实，且有一定的排水能力，能排走从防渗层渗下去的渗水。坝坡及岸坡的整平胶结层厚度为10cm，库底为8cm。

（3）沥青混凝土加厚层。加厚层是为了加强坡脚反弧段和进/出水口前圆弧段而设置的，层厚5cm。加厚层材料要求同防渗层材料。

2.2.2 与周边建筑物连接及细部设计

沥青混凝土护面与混凝土面的连接部位，用钢丝刷和压缩空气清除混凝土面上所有的附着物并凿毛，然后涂沥青涂料及IGAS后摊铺沥青混凝土护面。

坝坡、岸坡与库底的连接是一个半径为50m的反弧段，进/出水口前是一个半径为30m的圆弧。反弧段和圆弧段部位均设置沥青混凝土加厚层，层厚5cm，设于防渗层的上面。在防渗层和加厚层之间设置聚酯网格。

2.3 上水库护面喷淋系统

上水库正常运行期间的白天水位变化在905.2～892m之间，这超过10m的环形库岸条带是逐渐暴晒于阳光之下的，而正常蓄水位905.20～908.3m之间的防渗护面则一直受到阳光照射。由于沥青混凝土吸热性能好，使得防渗护面表面温度比周围环境高很多。为防止沥青混凝土防渗护面在夏季高温季节发生向下流淌现象，有必要采用洒水降温措施。

经过一年多的研究和实验，对微喷灌喷头喷淋方案和固定式喷头喷淋方案进行了比较，最终选定效果较好的固定式喷头喷淋系统。多年的运行实践表明，该喷淋系统基本达到了设计要求，有效地保护了沥青混凝土防渗护面。

2.4 排水系统设计

整个上库的排水系统由以下几部分组成：坝坡、岸坡及库底的排水垫层；库底PVC/REP排水管；1、2、3、4号排水观测廊道、主排水观测廊道及西库岸的排水交通洞；截水墙廊道。所有库内渗水和地下水将通过排水垫层，PVC/REP排水管，1、2、4号排水观测廊道、主排水观测廊道、排水交通洞及截水墙廊道，最后通过3号排水观测廊道将水排入主坝下游坝脚附近的香炉山集水池。并通过泵房将水抽至上库搁天岭高位水池用作沥青混凝土防渗护面喷淋降温系统的水源。

图2 上水库排水系统布置图Fig.2 Layout of the drainage system of the upper reservoir

主、副坝坝体面板后的碎石排水垫层水平宽度为2m，过渡层水平宽度为4m；库岸边坡面板下的排水垫层（包括反滤层）厚度为90cm，库底碎石排水垫层（包括反滤层）厚度为60cm，基础较差部位适当加厚。

排水垫层料由新鲜岩石人工轧制而成，最大粒径为8cm，设计干容重19.21kN/m3，加水20%，用10t振动碾压4～6遍，压实后相对密度≥0.9，渗透系数≥ 5×10-2cm/s。

排水垫层作为沥青混凝土的下卧层，具有排水功能及自身的渗透稳定性，为适应上部沥青混凝土施工机械的运作，压实后排水垫层料表面的变形模量大于35MPa。

库底排水管为PVC/REP复合管，布置于排水垫层内，内径20cm，间距25m，直管两端接入排水观测廊道或截水墙廊道内。

2.5 上水库填筑料设计

整个上水库（包括坝体、库底、库岸）的填筑料共分为5个区，分别为反滤层、排水垫层、碎石过渡层、上游堆石区、下游全强风化土石区。

（1）主坝断面分区。

主坝在坝体剖面上，从迎水面至背水面的填筑分区依次为：水平宽2m的碎石排水垫层；水平宽3m的过渡层；主堆石区；水平宽1.5m的过渡层；全强风化土石料区。在全强风化土石料区内，每5m高差填筑1层50cm厚的碎石排水层；高程840m和835m以下仍为主堆石料区。

（2）北库岸、南库岸及西库岸。

库岸岩基部位回填90cm厚的排水垫层料，全风化岩（土）部位先铺设30cm厚的反滤料，再铺设60cm厚的排水垫层料。

（3）南库底和北库底。

上水库库底分为两部分：南库底和北库底。库底开挖区内岩基部位铺设60cm厚的排水垫层料，全风化土基部位则先铺设20cm厚的反滤料，再铺设40cm厚的排水垫层料。在施工过程中，由于南库底近西库岸全风化土基础变形模量较低，在开挖至设计高程后，再挖深1.5m，回填30cm厚的反滤料和120cm厚的过渡层。对回填区内强风化岩为主的土石料区，要求每隔5m高程设1层80cm厚的排水层。

3 上水库设计特点

（1）天荒坪工程上水库工程地质条件较复杂，各处岩石的风化程度不一，南库底和西库岸以全风化岩为主，最深达30多米，全风化岩中夹强、弱风化岩块，其尺寸大小不一，分布不均。水库蓄水后不均匀沉降难以避免，上水库选择用沥青混凝土面板柔性防渗方式适应了不利的工程地质条件。

（2）天荒坪工程上水库是国内第一次大规模采用沥青混凝土面板防渗技术。依托天荒坪工程，研究并系统地提出沥青、聚酯网和沥青混凝土技术指标；沥青混凝土面板防渗层10cm厚一次施工，施工冷缝后处理方式在国内工程中第一次进行并取得成功，在施工工艺和方法上实现飞跃。

（3）鉴于抽水蓄能电站库水位变化频繁，且变幅较大，为防止在水位急剧下降时面板下出现较大的反向水压力，要求面板下垫层具有较强的排水能力。天荒坪工程上水库设置了可靠完善的排水系统，为工程安全和经济运行创造条件，是国内抽水蓄能电站防渗工程的成功实践范例。

图3 上水库主坝横剖面图Fig.3 The Cross section of the main dam of the upper reservoir

（4）充分利用沥青混凝土护面柔性好的特点，结合上水库布置，主坝采用弧形坝轴线，在增加投资有限的情况下增加了约10%的有效库容，年发电量增加约10%，经济效益明显。

（5）上水库主坝坝后坡打破传统的堆石坝次堆石区的设计观念，放缓边坡后利用了库底开挖的约80万m3全强风化土石料筑坝，既减少了弃料又节省了工程投资，大坝下游坝坡还可以植草绿化，美化环境。

4 抽水蓄能电站全库盆防渗型式及筑坝技术发展

4.1 库盆防渗型式

在20世纪90年代的十年间，先后有9座抽水蓄能电站投入运行，包括河北潘家口（270MW）、广东广州（2400MW）、北京十三陵（800MW）和浙江天荒坪（1800MW）等抽水蓄能电站，至2000年底抽水蓄能电站总装机容量达到5590MW。这一时期，工程设计、施工以学习借鉴国外技术为主。

2000年之后，工程设计、施工等技术日趋成熟并自主创新发展。在库盆防渗方面，更加重视根据水文地质条件和工程地质条件，选择型式多样的防渗方案。当单一的防渗处理措施难以达到处理要求或者需要付出较大的投资代价时，需要根据工程特点及工作条件等采用两种或两种以上的防渗措施（综合防渗）进行处理。综合防渗中各防渗措施的选择更具有针对性，因此可以在技术合理可行的基础上取得更好的经济效果。

河南宝泉抽水蓄能电站上水库采用库岸沥青混凝土面板+库底黏土铺盖的全库盆综合防渗型式，也是国内第一个采用库底黏土铺盖防渗的抽水蓄能电站防渗工程。随后，山东泰安、江苏溧阳、江西洪屏（已建）、江苏句容（在建）等大型抽水蓄能电站均采用综合防渗型式。

于2007年1月投产的安徽琅琊山抽水蓄能电站是我国建于岩溶地区的电站。工程实施阶段，根据库区水文、地质条件，上水库采用以垂直防渗为主，结合库区、防渗线上溶洞掏挖回填混凝土或混凝土防渗墙，库区局部黏土铺盖为辅的综合处理方案。水库蓄水后至今运行良好。该工程对地质条件复杂地区的库盆防渗具有较好的借鉴意义。

近年来，土工膜防渗在抽水蓄能工程中的应用越来越多。已建的泰安、溧阳、洪屏等抽水蓄能电站工程，在土工膜防渗体结构型式和技术参数、周边锚固技术、焊接设备和方法、修补、检测方法和施工工艺等方面取得了丰富成果。以色列Kokhav Hayarden工程土工膜运用于库岸防渗，上部不设置保护层，膜下排水排气系统做了一定简化，同时结合工程特点，下水库采用两层土工膜防渗，其设计理念及思路值得借鉴。

4.2 沥青混凝土面板防渗

天荒坪工程之后，沥青混凝土防渗面板施工由借鉴国外技术（张河湾、西龙池）发展到全面自主施工（宝泉、呼和浩特），并发展了改性沥青混凝土面板设计和施工技术（西龙池、呼和浩特），逐步实现了高品质的沥青材料国产化。

位于内蒙古自治区呼和浩特市东北部的呼和浩特抽水蓄能电站，上水库采用全库盆沥青混凝土面板防渗。2014年11月，电站1号机组投产发电。电站地处严寒地区，沥青混凝土面板的低温抗裂问题突出，经多次试验研究，防渗层采用改性沥青混凝土，抗冻断温度可达-45℃，达到世界先进水平。

张河湾工程是国内首个采用沥青混凝土复式断面的防渗工程，由沥青马蹄脂封闭层、防渗层、排水层、整平胶结层组成，面板下基础采用碎石垫层。整平胶结层抗渗性能提高后，面板仍具有上、下两层防渗层，安全系数高。句容工程上水库库岸采用沥青混凝土面板防渗，设置排水观测廊道或混凝土连接板与周边建筑物连接，设计采取了预留沉降超高、设置增模区等综合处理措施，有效消除了局部不均匀沉降差，保证了工程安全运行。

经过近二十年的发展，我国的沥青材料品质飞速提高，从天荒坪工程的沥青材料从中东进口，到国产沥青配制的沥青混凝土抗冻断温度达-45℃，我国的沥青混凝土面板防渗工程建设进入一个新的发展阶段。

由于沥青混凝土对所用的骨料、沥青的要求较高，虽然随着沥青混凝土面板技术的发展，沥青混凝土面板的结构趋于简化，但与钢筋混凝土面板相比，沥青混凝土面板生产及工艺复杂，对天气等施工条件也较为敏感，施工管理较复杂，施工难度和造价都相对较高。在选用沥青混凝土面板作为防渗结构时，需要进行充分的技术经济比较。

4.3 筑坝技术

天荒坪工程上水库主坝下游放缓边坡后利用了库底开挖的全强风化土石料筑坝，使开挖的土石方与坝体填筑尽量达到较好的平衡，避免另开料场。这一理念和原则，在抽水蓄能电站设计中被沿用至今。

大坝坝轴线形状，从已建成的抽水蓄能电站上水库来看，直线、弧线、折线及环形坝轴线的都有。相对来说，直线坝轴线的坝体设计及施工较为方便，无特殊条件制约时往往成为首选。如河南宝泉抽水蓄能电站上水库主坝，减小坝高及坝体填筑量是主要的考虑；浙江仙居抽水蓄能电站上水库，地形地质条件均较好，但两岸坝头的选择余地不大，故而选择直线坝轴线。

弧线或折线之所以经常被选用，主要是因为上水库的库容一般较小，弧线或折线有利于增大库容以提高发电效益。琅琊山（2005年）抽水蓄能电站上水库为洼地水库，总库容1804万m3，坝高65m，坝顶长665m，为增加库容，坝轴线采用折线布置，其折角约为23°，折点位于右岸坝高约35m处。

5 结束语

天荒坪抽水蓄能电站上水库采用全库盆沥青混凝土护面防渗，坝体分区充分考虑利用库盆开挖的土石混合料筑坝，主坝坝轴线布置成弧线。适应了较差的地基地质条件和较大的水位变幅。工程规模大，技术难度高。上水库蓄水至今，目前总渗漏量稳定在2L/s左右，运行良好。在库盆防渗型式选择、沥青混凝土面板设计与施工、大坝结构布置与分区等方面均取得了成功，推动了我国抽水蓄能建设事业的发展。

随着设计理念的提升、重型施工设备和施工技术的发展，以及数值分析手段的逐步应用，在抽水蓄能工程建设和实践过程中，还需不断探索，勇于创新，进一步优化防渗结构设计，争取在库盆防渗、筑坝技术等方面取得更大的进步。