选择合适的防渗形式

根据上水库库区工程地质条件，库区地下水位大部分低于正常蓄水位，岩石透水性较大，存在向库外渗漏问题，需要进行全库防渗处理。根据国内、外抽水蓄能电站水库工程经验，全库防渗方案一般可采用钢筋混凝土面板全库防渗方案、沥青混凝土面板全库防渗方案、库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜综合防渗方案以及库岸钢筋混凝土面板+库底黏土铺盖综合防渗方案。通过料场调查，工程区附近黏土储量较少，品质较差，经初步估算，库底黏土铺盖厚度按5.0m设置所需的黏土料约58万m3，料场的储量和质量均不能满足本工程的要求，另外，为保证电站发电所需调节库容，库底还需增加石方明挖约49万m3，工程投资并不占优。因此，在进行上水库防渗方案拟订时，不考虑库底黏土铺盖防渗方案，只进行沥青混凝土面板全库防渗方案、钢筋混凝土面板全库防渗方案、库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜综合防渗方案的综合比较。

（1）钢筋混凝土面板全库防渗方案。

库/坝顶高程为1943.00m，环库总长度为1751.9m，库/坝坡均为1∶1.6，库岸岩坡、堆石坝坡和库底均采用0.3m钢筋混凝土面板防渗，库底与库坡折坡处设置连接板。坝坡及库底设置级配碎石排水垫层，岩坡区面板下设置无砂混凝土排水垫层，坝坡碎石排水垫层水平宽3.0m，库岸岩坡无砂混凝土排水垫层厚0.3m，库底碎石排水垫层厚0.5m。在库底排水垫层中设内径15cm的排水管，间距为25.0m，将渗水汇集到周边及库底排水检查廊道内。混凝土面板防渗总面积约为24.24万m2，其中库底11.47万m2，岸坡及坝坡12.77万m2。

（2）沥青混凝土面板全库防渗方案。

库/坝顶高程为1943.00m，库岸总长度为2533.629m，库/坝坡均为1∶2，库岸岩坡、堆石坝坡和库底均采用沥青混凝土面板防渗，面板后设碎石排水垫层，堆石坝坝坡碎石排水垫层水平宽3.0m，库岸岩坡碎石排水垫层厚0.6m，库底碎石排水垫层厚0.5m。在库底排水垫层中设内径15cm的排水管，将渗水汇集到周边及库底排水检查廊道内。沥青混凝土面板防渗总面积约为26万m2，其中库底10.7万m2，岸坡及坝坡15.3万m2。沥青混凝土通常有复式和简式两种断面结构形式，根据工程经验，对地质条件差、防渗要求高的重要工程及地震沉陷量大的坝才采用复式断面，近期兴建的工程大多采用简式断面，其优点为结构层次简化、工程量小、施工速度快、造价低，但防渗安全度较复式断面差。鉴于本工程上水库库岸稳定性较好、库底系开挖形成、工作水深不大，基础变形容易控制，选择简式断面防渗结构。沥青混凝土面板防渗结构类比山西西龙池抽水蓄能电站上水库确定，防渗总厚度为20.2cm，自上而下依次为0.2cm的封闭层、10cm的防渗层及10cm的整平胶结层。

（3）库底土工膜+岸坡钢筋混凝土面板防渗方案。

库底土工膜+岸坡钢筋混凝土面板防渗方案除库底与钢筋混凝土面板全库防渗方案不同外，库盆布置、岸坡钢筋混凝土面板防渗形式结构与钢筋混凝土面板全库防渗方案完全相同。

库岸岩坡、坝坡采用钢筋混凝土面板防渗，防渗面积约为12.77万m2；库底采用土工膜防渗，防渗面积为11.47万m2。土工膜与库岸混凝土面板（连接板）之间通过机械连接。抽水蓄能电站上水库具有水位变化频繁、快速涨落的特点，运行条件比较恶劣，目前在抽水蓄能电站上水库大规模采用土工膜防渗的国内工程为山东泰安抽水蓄能电站上水库。根据泰安抽水蓄能电站工程资料：上水库库盆采用综合防渗方案，其中库底回填石渣区为适应石渣沉陷量大、与面板堆石坝连接板变形协调、防渗性能高等要求，经比较论证采用了复合土工膜防渗。复合土工膜防渗面积约为15万m2，作用水头为36.0m，其防渗结构从下至上分别为120cm厚下支持过渡层、60cm厚下支持垫层、6mm厚土工席垫、涤纶针刺土工织物+HDPE土工膜防渗层+涤纶针刺土工织物、混凝土预制压板。呼和浩特抽水蓄能电站上水库库底面积为11.7万m2，库底大部分为开挖基岩，回填石渣区较小，作用水头43.0m，其防渗结构可类比泰安抽水蓄能电站工程确定，由于库底基础不均匀沉陷小，土工膜下垫层的作用以找平基础开挖面并为土工膜提供必要的下支持厚度来确定，采用的防渗结构从下至上分别为50cm厚过渡找平碎石层、30cm厚中粗砂下支持垫层、6mm厚土工席垫、涤纶针刺土工织物（500g/m2）+HDPE土工膜防渗层（厚度1.8mm）+涤纶针刺土工织物（500g/m2）、混凝土预制压板（厚度0.12m）。此外，为便于库底土工膜的渗漏监测和修补，在库底通过混凝土格埂将库底每2000m2分成一个区，格埂断面尺寸采用0.3m×0.8m。

在可行性研究阶段，从各方案布置的工程量及土建可比投资、挖填平衡条件、防渗材料适应基础变形的性能、施工条件和运行检修条件四个方面进行了详细比较，经综合比较，并考虑沥青混凝土沥青原材料技术暂不满足工程沥青混凝土低温冻断要求，推荐上水库采用钢筋混凝土面板全库盆防渗方案。

呼和浩特抽水蓄能电站上水库区1月份平均气温为-15.7℃，为严寒地区，极端最低温度为-41.8℃，7月份极端最高温度为35.1℃，运行环境恶劣。采用钢筋混凝土面板全库盆防渗，可研阶段通过面板混凝土配合比室内试验、面板表面防水材料性能初步试验，以及表层止水材料性能和结构形式的初步试验，结合相关工程经验分析，认为钢筋混凝土面板全库防渗技术上是可行的，但其冻融问题突出。如采用沥青混凝土面板全库盆防渗，当时国内外还不具备如此低温条件下实施沥青混凝土面板的基础条件，沥青生产厂家不能生产低温性能良好的改性沥青，科研单位缺乏沥青混凝土低温冻断试验手段，施工单位缺少改性沥青混凝土施工经验。国内气温最低的沥青混凝土面板防渗工程为山西西龙池抽水蓄能电站上水库，极端最低温度-34.5℃，沥青混凝土面板防渗层设计指标-38℃。因此，呼和浩特抽水蓄能电站可研阶段推荐钢筋混凝土面板全库防渗是合适的。由于我国的水工沥青混凝土技术发展很快，基本与国外最新技术同步。1994年，浙江天荒坪抽水蓄能电站开工建设，上水库沥青混凝土防渗护面工程采用国际招标，引进国外专业施工队伍和现代化施工机械，施工技术达到国际先进水平。天荒坪上水库沥青混凝土防渗面板面积28.5万m2，于1997年成功建成，成为我国现代沥青混凝土防渗工程建设的转折点。进入21世纪后，沥青混凝土面板防渗技术在国内抽水蓄能电站中得到了较多应用，2007年前后，相继建成河北张河湾抽水蓄能电站上水库（防渗面积33.7万m2）、山西西龙池抽水蓄能电站上水库（防渗面积22.46万m2）和下水库大坝（防渗面积11.25万m2）、河南宝泉抽水蓄能电站上水库大坝（防渗面积16.6万m2）等沥青混凝土面板防渗工程。

水库采用沥青混凝土面板在面板的整体性与防渗性能、适应基础变形性能、施工质量控制、运行期检修及维修条件等方面均优于钢筋混凝土面板。沥青混凝土低温抗裂性能的优劣取决于沥青混凝土自身的材料性能，所以研究选择指标优良的沥青混凝土原材料是问题的关键。应该说，只要我们解决了沥青混凝土面板严寒环境防渗的技术可行性问题，就可以在呼和浩特抽水蓄能电站上水库实施沥青混凝土面板全库盆防渗方案。随着国内沥青混凝土防渗技术的发展，尤其是天荒坪、张河湾、西龙池、宝泉等抽水蓄能电站水库沥青混凝土面板的陆续建成和成功运行，通过大量试验研究进一步改善沥青混凝土的低温抗裂性能，找到适应呼和浩特抽水蓄能电站上水库低温环境的沥青混凝土成为可能。沥青混凝土低温抗裂性能主要决定于沥青品种、沥青含量、矿料品质、级配等，其中沥青品种是最重要的影响因素。2010年9月，对国内水工沥青产品的研发最新成果、生产能力及供货方式等做了详细的调研。相关生产企业针对呼和浩特抽水蓄能电站上水库沥青混凝土运行环境的实际情况积极研发了相应的产品，同时有关科研机构开展了系列研究试验。(www.xing528.com)

采用呼和浩特抽水蓄能电站工程当地的骨料及通过调研国内知名沥青生产厂家后选择的沥青，进行了沥青混凝土原材料检测试验，沥青混凝土防渗层、整平胶结层和封闭层配合比设计及物理力学性能试验。2012年2月，根据试验结果提出了满足呼和浩特抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板设计要求的相关材料、配合比及沥青混凝土的物理力学指标。选用试验合格且性能较优的改性沥青进行了指标检测，并进行了其他原材料复核性检测试验，根据试验报告中建议的防渗层配合比，进行了沥青混凝土的物理力学性能复核性试验。

经过参建各方的共同努力，呼和浩特抽水蓄能电站上水库面板沥青混凝土大量的试验研究成果表明，随着我国沥青生产、研发技术水平的不断提高，至2011年6月，水工沥青混凝土研究、施工技术能够很好地解决沥青混凝土的低温冻裂问题：国内的沥青生产企业能够生产出低温性能优良的水工改性沥青产品；科研单位采用工程当地的骨料和填料，选择低温性能优良的改性沥青，在室内能配置出满足呼和浩特抽水蓄能电站上水库低温环境的防渗层改性沥青混凝土和封闭层改性沥青玛蹄脂；施工单位的室内配合比设计试验、场外现场铺筑试验和场内生产性试验表明，现有施工设备和施工工艺能生产满足设计要求的沥青混凝土。

2013年3月20—22日通过了上水库防渗方案调整为全库盆沥青混凝土面板防渗方案。呼和浩特抽水蓄能电站上水库全库盆防渗方案由原钢筋混凝土面板方案变更为沥青混凝土面板方案后，为满足沥青混凝土防渗方案布置及运行需要，上水库主要做了如下变更：

1）全库盆沥青混凝土面板防渗方案布置是保持钢筋混凝土面板防渗方案南、东南、东北侧和北西侧库顶中心线不变，西南侧库顶中心线向外移动20m。

2）国内外已建的工程，面板坡度大多为1∶1.7～1∶2.5，考虑库容要求、岸坡基础情况、铺筑机械施工效果和人员安全、沥青混凝土的抗斜坡流淌性能，面板坡比确定为1∶1.75。

3）上水库正常蓄水位1940.00m、死水位1903.00m不变，正常蓄水位1940.00m库面面积沥青混凝土面板方案为22.48万m2，较钢筋混凝土面板方案21.99万m2大，增加冰冻库容0.49万m3。沥青混凝土面板方案总库容为690.02万m3，正常蓄水位以下水库容为679.72万m3，其中调节库容637.73万m3，死库容41.99万m3。库顶高程1943.00m、库底高程1900.00m、顶宽10.0m不变，沥青混凝土面板方案库顶轴线长1818.37m，防渗总面积为24.48万m2，其中库底防渗面积为10.11万m2，库岸防渗面积为14.37万m2，库底排水检查廊道长3056.04m（其中库底排水廊道长约2848m）。

4）沥青混凝土面板斜坡平面转弯处、斜坡与库底连接处，设置弧面过渡区与平面相切连接，岸坡四个角转弯处采用转弯半径为69.75～165m的圆弧面平顺连接，库岸面板与库底面板之间设半径为30m的圆弧面平顺连接。设置的弧面过渡区曲率满足沥青混凝土应力应变要求，并可使摊铺机能顺利施工。

5）受西侧库线外移的影响，水道系统除2号闸门井侧平台变窄、平台与坝顶连接公路向山体内移动引起部分开挖边坡变化外，上水库全库盆沥青混凝土面板防渗方案其他结构与钢筋混凝土面板防渗方案相同。

6）为避免沥青混凝土夏季出现高温斜坡流淌，考虑沿库周防浪墙设置一套沥青混凝土面板水喷淋系统。