西龙池抽水蓄能电站沥青混凝土防渗护面工程设计

1、西龙池抽水蓄能电站沥青混凝土防渗护面工程设计更新时间：2008-9-26摘要：西龙池抽水蓄能电站位于山西省忻洲地区五台县境内，总装机容量1200MW，安装四台单机容 量为300MW单级混流可逆式水泵水轮机机组，建成后在山西电网中承担调峰、填谷、调相、事故备用 等任务。电站枢纽主要建筑物包括上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站及补水建筑 物等。电站为一等工程，工程等别为大（I）型。关键词：西龙池抽水蓄能电站沥青混凝土防渗护面工程设计一、工程概况西龙池抽水蓄能电站位于山西省忻洲地区五台县境内，总装机容量1200MW，安装四台单机容量 为300MW单级混流可逆式水泵水轮机机组，建成后在

2、山西电网中承担调峰、填谷、调相、事故备用等 任务。电站枢纽主要建筑物包括上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站及补水建筑物 等。电站为一等工程，工程等别为大（I）型。上水库位于滹沱河左岸山顶西龙池村西闪虎沟沟脑部位，为峰顶夷平面，是工程区最高点，库岸由 五个浑圆的山包和四个垭口组成，山体坡度较缓（2030），沟底较平坦（沟底宽5.035.0m），库 尾至坝轴线长700.0m左右，坡降5.7%，具备布置库盆的天然地形条件。水库无天然径流补给，为挖填 筑坝围库而成。水库正常蓄水位为1492.5m，总库容485.1万m3,调节库容424.1万m3,最大库深32.5m， 工作水深25.5m

3、，最大水位降落速度5.42m/h。由于上水库存在基岩（白云岩）遇水软化和渗漏等问题，需 进行全面的防渗处理。经技术、经济比较确定上水库挡水坝坝型为面板堆石坝，主坝最大坝高50m，另 有两座副坝，库岸岩坡和坝坡均采用沥青混凝土面板防渗。防渗面板坡度均为1： 2,总衬砌面积22.46 万m2（其中库底11.55万m2,库坡10.91万m2），沥青混凝土方量约5.28万m3。沥青混凝土面板采用 简式结构，面板总厚度为20.2cm。下水库位于滹沱河左岸约800m的大龙池沟沟脑部位，沟谷地形较开阔，正常蓄水位高程处约宽 500 m，库内长约480m，沟底比降18%，为挖填筑坝围库而成。水库正常蓄水位为8

4、38m，总库容494.2 万m3，调节库容421.5万m3，最大库深55m，工作水深40m，最大水位降落速度6.2m/h。由于下水库 在库底与坝基存在第四系覆盖层（建库时未全挖除），透水性强；库岸基岩裂隙、断层发育，库底有断层 通过，具备库水外渗和集中渗漏的条件，故需进行全库防渗处理。经技术、经济比较选定岩坡采用钢筋 混凝土面板防渗（衬砌面积6.72万m2）、库底及坝坡采用沥青混凝土面板防渗（衬砌面积5.33万m2+5.92 万m2）的全库防渗方案。挡水坝坝型为面板堆石坝，坝轴线处填筑体最大高度约97m（未计覆盖层厚度） 坝体沥青混凝土面板坡比为1： 2,沥青混凝土总衬砌面积为11.25万m2

5、,方量约2.86万m3。沥青混 凝土面板采用简式结构，面板总厚度为22.2cm。二、气象及工程地质条件1、上水库（1）气象资料上水库所在地区属严寒地区，最低月平均气温-11.1C，月平均最低气温-18.4C，极端最低气温 -30.4C；极端最高气温38Co（2）库区渗漏问题上水库库区高悬于河谷，库周山体较单薄，内外受冲沟切割，存在着4个垭口，其中两个垭口的高 程低于正常蓄水位，需建副坝。右岸外侧为一大陡崖，成为高陡的临空面，为库区渗漏提供了有利的地 形条件；建库的冲沟位于背斜的轴部，岩层向库外倾斜，岩体内高角度断层和裂隙发育，裂隙大部分张 开，沿断层、裂隙风化强烈，岩体内又存在着一定范围的卸荷

6、、松动岩带，为库水外渗提供了良好的途 径；本区岩溶作用较强烈，岩体中溶隙、溶蚀宽缝、溶洞发育，规模亦较大，可能成为库水向库外渗漏 的集中途径；组成库岸及库底的基岩为灰岩与白云岩，透水性较强，其吕容（Lu）值多为110和10 100，属于弱中等透水，并且库底在相当深的范围内找不到相对隔水的岩层，地下水位亦很低，为库 区渗漏提供了有利的水文地质条件。因此，上水库存在渗漏问题，且无径流补给，故需全库防渗。（3）基础变形与库岸稳定问题库址区基岩岩性为交互成生的泥质团块灰岩、白云质灰岩和白云岩及泥质白云岩，岩层倾角平缓， 并有顺层及微切层的软弱夹层发育，以第四层内的夹层规模较大，且延伸较长。岩石的风化程

7、度受岩性 控制，灰岩风化较弱，白云岩风化较灰岩强烈，致使岩体风化在铅直方向上有深浅风化程度交替出现的 特点。全、强风化带的下限受软层控制，若以白云岩的风化作为总体风化带的控制下限，则风化带较厚， 一般全风化带厚010.5m，强风化带厚615.0m，弱风化带厚15.559.7m。因此，上水库存在基岩（白 云岩）遇水软化、第四层内有缓倾角夹层发育等对库岸稳定不利的因素，故要求防渗设施需安全可靠和 渗漏量小。2、下水库（1）气象资料下水库月平均最低气温-16C，极端最低气温-27.2C ；极端最高气温37.8C。（2）库区渗漏下水库位于滹沱河左岸的大龙池沟内，库底高出河床近150.0m左右。虽然靠山

8、一侧库岸山体宽厚， 但组成库岸的基岩（正常蓄水位838.0m以下）为E2z和E3g的岩石透水性较强，一般吕容（Lu）值 大于6.0，属弱?中等透水；并且库区无永久性地表径流，地下水位很低，位于库底以下87.2m；库底大 面积覆盖第四纪松散堆积物，厚度达20100m，其属于强透水，将可能成为库底渗漏的主要途径。 下水库构造部位出于宽缓背斜的轴部，发育有工程区第二断裂束，岩体内断裂亦较发育，有多条断层位 于库岸和库底，造成库岸的岩体完整性较差，并且厚层灰岩中岩溶亦较为发育，从而增强了岩体的透水 性。因此，下水库存在全面渗漏问题，需进行全面防渗处理。（3）基础变形与渗漏稳定问题由于下水库位于大龙池沟

9、沟脑处，库岸山高壁陡，库区上游冲沟发育，经过多次构造运动和河道变 迁，库底、坝基上覆第四系崩坡积（Q24col+dl）物和洪积（Q24pl）物，分布范围较大，坝轴线处 厚度为2040m，下游局部深达100m以上，结构颗粒级配不均匀，且有架空现象。崩坡积物主要分布 于坡脚，全新世的崩坡积物，密实度较差，覆盖于坡脚或早期洪积物和崩坡积物之上，厚度为010.0m； 中更新世的崩坡积物（Q2col+dl ）分布在右岸坡脚，其结构较为密实，且有不同程度胶结，厚度为10 50.0m； Q4pl的洪积物分布于主沟沟脑部位和沟底表层，组成物资在三度空间分布极不均匀，出露宽度 30.090.0m，厚度10.02

10、0.0m；沟底下部及两侧为Q3pl和Q2pl的洪积物，其大部分有不同程度的胶 结，结构相对较密实，块石、碎石层的颗粒间接触亦较为紧密，而孔隙间无充填或充填少量土夹碎石， 致使天然密度、天然级配极不均匀，力学性质差别很大，厚度为10.050.0m。因此，由于下水库存在 覆盖层内组成物质不均匀、力学性质差别较大及土质透镜体和不同材料防渗面板接头较多等特点，故需 要求防渗面板应具有较大的适应基础变形的能力和较小的渗漏量。三、坝、库盆、库底填筑料与排水系统设计1、上水库面板下填筑料设计上水库库岸由主、副坝和开挖边坡组成，坝坡、库岸边坡均为1： 2。防渗面板下的坝体及库岸边 坡填筑料设计如下：坝体填筑料

11、由外向里为：排水垫层料、过渡层料、主堆石料。其中：排水垫层料：水平宽度300cm，由新鲜灰岩人工扎制而成，最大粒径8cm，相对密度0.85，渗透 系数1x10-11x10-2cm/s，级配应符合设计要求，并具有抗渗稳定性能。过渡层料：水平宽度300cm，由新鲜灰岩人工扎制而成，最大粒径30cm，对排水垫层和主堆石具 有反滤作用，要求其有良好的抗渗稳定性和能自由排水。库岸边坡填筑料由外向里为：排水垫层料。排水垫层料：垂直厚度60，其余同坝体排水垫层料要求。库底填筑料由外向里为：排水垫层料，局部有碎石回填。其中：排水垫层料：垂直厚度50cm，其余同坝体排水垫层料要求。局部碎石回填：依部位不同而不同

12、，0200cm不等。排水系统设计上库的排水系统由坝坡、岸坡及库底的排水垫层料；库底排水垫层料下的复合PVC排水管；库底、 库周、坝下观测、排水交通廊道及深层排水洞组成。所有库内渗水由两个排水通道进入坝下廊道排出(通过排水垫层料，从主坝基础排水层中进入坝 下廊道排出；通过库底排水管及环库排水观测廊道进入坝下廊道排出。)或引入深层排水洞排出。2、下水库（1）面板下填筑料设计下水库库岸由主坝和开挖边坡组成，坝坡和库底采用沥青混凝土衬砌，库岸采用钢筋混凝土面板衬 砌。坝坡为1： 2,库岸边坡为1： 0.75。沥青防渗面板下的坝体及库底填筑料设计如下：坝体及库底填筑料除库底碎石排水垫层料厚度较上水库稍大

13、，为60cm外，其余基本与上水库相同。（2）排水系统设计下库的排水系统除具有与上水库相同的排水系统外，还增加有：在覆盖层上布设截水复合土工膜和 库岸截水排水洞。四、防渗面板设计西龙池上、下水库库盆的防渗面板均采用沥青混凝土材料，为简式结构。其设计标准为1级建筑物， 施工拟进行国际招标。上水库沥青混凝土面板总厚度为20.2cm，其中沥青玛蹄脂封闭层厚0.2cm，防渗层厚10cm，整平 胶结层厚10cm。下水库沥青混凝土面板总厚度为22.2cm，其中沥青玛蹄脂封闭层厚0.2cm，防渗层厚 12cm，整平胶结层厚10cm。1、本工程水库工作特点与沥青混凝土面板特性由于上、下水库防渗面板的安全直接影响

14、本工程的安全和效益，同时因本工程具有库址区气温较低 （上水库极端最低气温-30.4C，月平均最低气温-18.4C）、水库水位变幅较大（最大水库水位变幅约 40m，水位降落速度56m/h）、面板基础介质不均一（弹模高低差别及岩基与覆盖层交接）等特点， 要求防渗面板应具有较好的抗渗性、耐久性、高温抗流淌、低温抗裂及适应基础变形的能力。表1沥青混凝土性能与试验项目或指标对应表沥青混凝土性能试验项目或指标沥青混凝土面板防渗性渗透系数、孔隙率、渗透变形试验沥青混凝 土面板稳定性热稳定性斜坡流淌试验、热稳定系数水稳定性水稳定系数沥青混凝土面板抗裂性能 适应不均匀沉降变形能力弯曲变形试验（小梁及圆盘）拉伸强

15、度试验、拉伸、弯曲蠕变试验低温抗裂 性能冻断试验、线收缩系数、热传导系数低温时的拉伸、蠕变试验、三轴试验沥青混凝土面板耐久性 （抗疲劳性）周期性弯曲变形试验但沥青混凝土是由沥青、填料、粗细骨料经热拌和而成的一种混合材料，因其材料的多样化和其原 材料的物理力学性能各不相同，而使得其混合物性能更具有复杂多样性。沥青混凝土原材料性能、其控 制指标及混合料的配合比等，均是决定沥青混凝土面板强度、变形、低温开裂等性能的关键。因此，我 们在招标设计阶段就拟通过试验对其进行研究，可为设计及施工准备提供可靠的参数与依据。由于沥青 的基本性能是影响沥青混凝土性能的主要因素之一，而不同原油、不同生产工艺条件下生产

16、的沥青其性 能又有所不同，故沥青原材料检验又是其试验中关键并必不可少的一部分。汇总工程特点与沥青混合料及试验之间的关系如表1。2、沥青混凝土面板结构计算（1）面板应力应变有限元计算可研及招标阶段均对上下水库防渗面板进行了应力应变有限元计算。可研阶段计算结论：面板内大 部分拉应变均小于0.4%，但下水库坝体部位面板局部最大拉应变值为0.52%，接近于设计控制值（可研 阶段未作沥青混凝土试验，0.5%的设计拉应变值为经验值），出现在坝轴线平面外凸曲线起始段的上 游面板的下部。拟通过加强结构设计，如加大上游坝坡与库底连接段反弧的半径，控制坝基开挖面的纵、 横坡度，以缓坡过渡等手段，以减少该段的拉应变

17、。（2）面板温度应力应变计算由于本工程冬季气温较低，加之水库水位变幅频繁，水位变幅区的面板温度应力应变如何？是设计 所关心的重点内容之一。拟在招标阶段对面板进行三维温度应力计算。3、沥青混凝土原材料设计与室内试验本工程沥青混凝土原材料设计：主要材料有沥青、骨料（粗、细骨料）和填料三种。另根据使用部 位的变形和温度及粘接等要求，设计拟填加的有掺料、加筋材料、接缝材料、涂层材料。具体材料将根 据试验成果确定。招标设计进行的原材料试验及设计要求如下：(1)沥青试验料主要以国产克拉玛依沥青、欢喜岭沥青为主。沥青的标号为70号沥青和50号沥青。70号沥青用于整平胶结层、防渗层、加厚层，50号沥青用于封闭

18、层。沥青的检测项目及设计指标见表2。(2)骨料及填料粗骨料粗骨料为水泉湾料场新鲜灰岩人工轧石；粒径为2.3619mm，分为五组：2.364.75mm、4.75 9.5mm、9.513.2mm、13.216、1619mm。沥青混凝土各层设计控制的粒径为：整平胶结层为2.3619mm；防渗层为2.3613.2mm。细骨料一般工程经验认为在沥青用量较少的情况下，采用天然砂有较好的和易性，施工方便，且强度较高; 而人工砂因其比表面积大，吸附力强可以优化沥青混凝土性能，尤其是可以提高热稳定指标。根据本工 程采用的天然砂存在含泥量较高和运距较远的缺点，本项目细骨料确定以水泉湾料场新鲜灰岩人工砂为 主要配合

19、比试验材料，粒径为0.0742.36mm。部分试验进行掺配豆罗砂料场天然砂进行配合比对比试 验。表2沥青混凝土防渗面板石油沥青技术指标序号检验项目技术要求检验标准防渗层与整平胶结层封闭层1针入度(100g，5s)(1/10mm) 25C 7090 3050 GB/T4509 2 延伸度(cm)(5cm/min) 15C 150 50 GB/T4508 延伸度(cm)(1cm/min) 4C 15 3 软化点(环球法)(C)4752 5060GB/T4507 4 溶解度(三氯乙烯，)(%) 99.5 99 GB/T11148 5 薄膜烘箱试验(163C,5h)重量损失(%) 68 68 GB/T

20、4509延伸度 (5cm/min)cm 25C 40 GB/T4508 延伸度(5cm/min)cm 15C 100 延伸度(1cm/min)cm 4C 8 6 闪 点(开 口杯)(C) 230 260 GB/T267 7 蜡含量(裂解法)() 2.0 2.0 SH/T0425 8 比重-8 GB/T4510 10 当量脆点(C)见注1填料填料要求为不含有机质、泥土等杂质，无结块、团粒的新鲜灰岩轧石矿粉或附近小水泥厂买进的未 掺粘土前的水泥生料。掺料掺料可根据沥青混凝土性能要求，在沥青混合料中掺加人工纤维掺料，以便提高其热稳定性和强度 或改善低温特性。掺料的初始选择标准除考虑其物理力学性能外，

21、还需考虑其施工条件、环境保护和经 济性。4、沥青混凝土配合比设计与试验由于沥青混凝土的复杂性及其材料的多样化，其配合比设计方法和设计理论至今还不完善。我们根 据本工程环境(高温、低温、坝体反弧段平面及三维有限元计算成果0.5%应变)、面板使用要求及沥 青混凝土的特性，提出了招标阶段设计配合比技术指标，并拟通过室内试验(包括初步配合比试验和混 合料力学性能试验)对其技术指标进行修正和完善，进而提出施工参考配合比与施工面板质量评定标准。 招标阶段拟进行的试验项目如下：防渗层：密度、孔隙率、渗透系数、斜坡流淌试验、水稳定系数、马歇尔试验、小梁拉伸试验、冻 断试验、小梁弯曲试验、圆盘渗漏变形试验、拉伸

22、蠕变试验、弯曲蠕变试验、三轴试验、动三轴试验、 线膨胀及热传导系数试验。整平胶结层：密度、孔隙率、渗透系数、热稳定系数试验。封闭层：要求高温(70C)不流淌，低温(-35C)不开裂，不搓边，易于涂刷或喷洒，并与防渗层有良 好粘结力。5、面板接头设计根据已建工程统计资料，不同材料面板接头部位及基础软硬接头部位易产生裂缝，西龙池面板基础 条件复杂，接头部位亦较多，我们注意吸取和分析了其它工程经验，并在体型和材料上进行研究，拟在 招标阶段进行室内材料试验，以求其适应运行期的变形要求。五、结束语目前西龙池抽水蓄能电站主体工程招标设计阶段工作刚刚开始，有关沥青混凝土面板的计算和试验 正在进行。以上参数主

23、要为可研阶段设计结果，关于西龙池工程沥青混凝土面板招标阶段的设计推荐指 标，还有待进一步的研究和完善。宝泉抽水蓄能电站上水库面板沥青混凝土施工宝泉抽水蓄能电站位于河南省新乡市辉县境内，总装机容量1200MW，工程枢 纽主要由上水库、水道系统，地下厂房系统及地面出线场、下水库等组成。上水库工 程主要包括大坝、库区防渗、库底排水、浆砌石副坝等。主坝为沥青混凝土面板堆石 坝，坝顶长度600.37m，上游坝坡1:1.7，下游坝坡1:1.5，最大坝高94.80m；副坝为 浆砌石重力坝，坝顶长度201.05m，最大坝高43.9m。总库容约776万m3。上水库主坝 和库岸周边采用沥青混凝土面板防渗，库盆底部

24、采用黏土铺盖防渗，这是继美国 LUDINGTON工程之后，世界上第二个采用此类防渗结构的工程沥青混凝土防渗面板总 防渗面积约16.6万m2。防渗面板采用简式结构，自下往上分别为厚60cm碎石垫层、 10cm整平胶结层、10cm防渗层及2mm玛蹄脂封闭层。面板最大斜面长度约110m，坡 度 1:1.70。工程特点坡度较陡，在国内采用沥青混凝土防渗的抽水蓄能电站中，宝泉工程的库岸和坝 坡坡度最陡，为1:1.7。因库岸和坝坡采用沥青混凝土防渗.而库底采用站土防渗.沥青混凝土与底部混 凝土廊道的连接结构复杂，施工难度较大。库岸和坝坡垫层料的铺筑、沥青混凝土施工及库底的黏土铺筑施工交叉进行，相 互干扰，

25、相互制约。宝泉工程是国内类似工程中第一个由国内承包商承包沥青混凝土面板施工的工 程，对推动我国水工沥青混凝土的发展和进步具有较大的排动作用施工创新点砂石骨科加工和矿粉的生产沥青混凝土对骨料的分级、针片状含位等要求较高，为保证宝泉工程沥青棍凝土所 需的骨料具有较高的品质，建造了十法生产的骨料加工系统，系统包括中碎系统和细 碎系统，生产的骨料粒径分级为02mm、25mm、58mm、813mm、1319mm。生 产的骨料级配稳定，各级料比例均衡，生产能力为100t/h，能很好地满足沥青混凝土 生产的要求。研发了主绞车及喂料车宝泉工程研发的主绞车整机重约l00t，具备牵引摊铺机、喂料车、振动碾、自行

26、走和侧面上料的功能。研发的斜坡喂料车容积为8t，行走速度为40m/s。研发了斜坡摊铺机研发的Voegele S-1800-2专用斜坡摊铺机附有双压实梁， 摊铺宽度2.55m，通过液压系统自动调整，摊铺厚度0300mm，摊铺速度为0 20m/min，无极变速，适用斜坡最大倾角为32。沥青混合料摊铺的预压实度可达90% 以上。研制了封闭层涂刷设备封闭层采用热改性沥青玛蹄脂，施工时采用热涂刷，涂刷温度180200P，涂刷 厚度2mm。封闭层涂刷厚度太薄，防紫外线能力不足太厚易形成流淌。针对封闭层施 工的要求，开发了封闭层的搅拌和涂刷设备，搅拌设备采用导热油加热，可对沥青和 矿粉进行加热和搅拌，搅拌锅的容积为1.5m3。涂刷机的涂刷宽度为2m,在涂刷过程 中可对沥青玛蹄脂进行加热。该设备可保证玛蹄脂的温度满足涂刷要求，从而保证涂 刷的厚度和均匀性。（5）弧线段曲面部位采用摊铺机摊铺在防渗面版曲面部位的沥青混凝土摊铺时，充分利用了摊铺机的变宽度摊铺功能。 由于所用摊铺机的熨平梁具有液压伸缩功能，摊铺宽度可以在35m之间变化。对于 各曲面部位，采取下窄上宽（凹弧段）或下宽上窄（凸弧段）的摊铺方式，避免了大 贷的人工摊铺，有利于保证施工质量和提高效率。（6）施工质量控制的专项试验施工过程中除了开展常规的试