呼和浩特抽水蓄能电站上水库布置与设计

任少辉　赵　轶　陈建华

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司）

摘　要：本文主要介绍了上水库的布置与设计特点。呼和浩特抽水蓄能电站地处严寒强震地区，最冷月平均气温-15.7℃，设计地震水平峰值加速度0.374g。上水库采用全库盆沥青混凝土面板防渗，主要建筑物包括堆石坝、库盆和排水系统，要求面板具有良好的高温抗斜坡流淌和低温抗裂性能、坝体具有良好的抗震性能。

关键词：蓄能电站；上水库沥青混凝土面板；低温抗裂；堆石坝抗震

1　工程概况

呼和浩特抽水蓄能电站位于内蒙古自治区呼和浩特市东北部的大青山区，在蒙西电网中担任调峰、填谷、调频、调相和事故备用任务，装机容量1200MW，属Ⅰ等大（1）型工程。枢纽主要由上水库、水道系统、地下厂房系统和下水库组成。

上水库极端最高气温35.1℃，最冷月平均气温-15.7℃，极端最低气温-41.8℃，多年平均水面蒸发量1883.6mm，多年平均降水量428.2mm，冻土深度284cm，冬季负气温指数约为1360℃·d，年冻融循环次数140次。

上水库校核洪水位1940.38m，设计洪水位1940.29m，正常蓄水位1940.00m，死水位1903.00m，工作水深37m。总库容690万m3，其中调节库容637.7万m3，死库容42万m3。主要建筑物为1级，包括堆石坝、库盆和排水系统。正常运用洪水标准为200年一遇，非常运用洪水标准为1000年一遇。壅水建筑物抗震设防类别为甲类，抗震设计标准采用基准期100年超越概率2%的地震水平峰值加速度0.374g；校核标准采用基准期100年超越概率1%的地震水平峰值加速度0.437g。

2　上水库布置

上水库位于大青山山顶的古夷平面上，库区岩石主要包括片麻状花岗岩、斜长角闪岩和云母片岩。片麻状花岗岩和斜长角闪岩较坚硬，但分布的云母片岩的岩性软弱，风化强烈，岩体较破碎，其发育的大多数区域存在渗漏问题和地基不均匀变形问题，冻融作用对岩石强度有明显的影响。库区构造不发育，主要结构面有小断层、密集带、长大裂隙等，裂隙较发育且连通性好，岩体大部分为块状、镶嵌碎裂结构。岩体的卸荷风化程度不太严重，基岩以弱风化岩石为主，风化岩体及宽大的断裂带透水性较强，属中等或强透水岩体。库区地下水位除西北角和北坡略高于正常蓄水位外，其余部位低于正常蓄水位，泉水露头也低于正常蓄水位，以库水补给周边地下水为主，渗漏问题突出。

上水库布置充分利用了山顶的地形地质条件，采用自西南、南、东南、东北侧筑坝、北西侧开挖的总体布置格局，形成较为方正的库盆，上水库平面布置图见图1，避免了西北侧形成过高的边坡，东北侧落在山脊较薄小山梁的内侧，尽量远离西南角单薄分水岭，减少了对内蒙古自治区新闻出版广电局706台的不利影响。为满足电站调节库容的要求，库盆至706台最小距离约220m，专门进行了库盆施工对706台影响及防护措施研究，上水库施工表明：机械产生的振动、噪声对706台设施的正常运行未造成不利影响；施工时控制爆破规模，采取合理的爆破方案和必要的施工防护措施，可将爆破产生的地震效应、爆破飞石和噪声等不利影响控制在允许的安全范围内。

上水库库顶高程1943.00m，顶宽10m，库顶轴线长1818m，其中堆石坝轴线长1266m，顶部设1.2m高封闭的防浪墙。库底高程1900.00m，库内侧坡比1∶1.75。全库盆采用沥青混凝土面板防渗，防渗总面积为24.5万m2，其中库底防渗面积10.1万m2，库岸防渗面积14.4万m2。由于库水位变化频繁，且变化幅度大，考虑到库水位骤降时面板后可能形成反向水压力及冻胀作用，在面板下设碎石垫层排水，库底设排水检查廊道系统。

3　沥青混凝土面板设计

上水库地处严寒地区，极端最低气温-41.8℃，极端最高气温35.1℃，高低温差最大达76.9℃，运行条件为国内同类工程中最差的，对沥青混凝土面板的高温抗斜坡流淌性能、低温抗裂性能要求很高。沥青混凝土面板采用简式断面，由内至外分别为整平胶结层、防渗层和封闭层。面板局部基础变形大的部位，包括库岸与库底面板相接区、基础断层和云母片岩处理区、库盆挖填交界区，可能产生较大拉应变，采用加厚面板方式处理，以增强面板的抗渗、抗变形和抗裂能力。防渗加厚层的厚度采用5cm，在加厚层上部设聚酯类材料加筋网。

3.1　封闭层

封闭层采用改性沥青玛脂，厚度为2mm，其作用是密封防渗层表面的残留孔隙，提高面板防渗性；减少空气、水、紫外线对防渗层的影响，延缓面板老化防止防渗层受滑落冰雪的磨耗作用。封闭层要求高温不流淌，低温不脆裂，并易于涂刷或喷洒。封闭层技术要求见表1，推荐配合比为改性沥青∶填料=3.5∶6.5。

3.2　防渗层

防渗层厚度按工作水头经验公式估算为8.6cm，按水库允许日渗漏量不超过总库容的1/10000经验公式估算为8.7cm。由于电站补水困难，上水库水量的损失又是电量的损失，综合考虑施工机械及工艺技术水平，防渗层厚度采用10cm。

沥青混凝土面板的低温开裂指标，我国现行规范均采用低温冻断温度，如《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL 501—2010）强调“沥青混凝土的低温冻断试验是目前检验沥青混凝土低温开裂性能的最直观最有效的方法”；沥青混凝土冻断温度的标准设定，在《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（DL/T 5411—2009）中提出“按当地最低气温确定”。

对严寒地区的沥青混凝土面板，合理确定防渗层的冻断温度至关重要，不仅涉及改性沥青和改性沥青混凝土配合比优选的经济性，还可能因拟定标准过高导致沥青混凝土面板方案不可行。呼和浩特抽水蓄能电站上水库极端最低气温为-41.8℃；100年超越概率的最低气温，假定符合P-Ⅲ型曲线正态分布的情况下为-42.7℃。把两者中绝对值的大者加上适当裕度，将-45℃作为设计冻断温度。

防渗层（包括加厚层）采用改性沥青混凝土，其技术要求及推荐配合比分别见表2、表3。

3.3　整平胶结层

整平胶结层采用普通石油沥青混凝土，厚度为8cm，其作用是使沥青混凝土面板与基础垫层结合良好，并为防渗层的填筑起到支撑作用，需具有一定的强度和透水能力，其技术要求及推荐配合比分别见表4、表5。

3.4　沥青混凝土面板与钢筋混凝土接头设计

沥青混凝土面板与钢筋混凝土接头处，由于软硬相接，变形不同，同时受沥青混凝土专用摊铺及碾压设备运行条件限制，常辅以人工摊铺和压实，一般为防渗薄弱部位，需采用特殊的连接结构。

在库底沥青混凝土面板与进/出水口钢筋混凝土之间设钢筋混凝土结构连接过渡（见图2）。为尽量减小不均匀沉陷和应力集中，连接部位钢筋混凝土结构采用滑动式扩大接头，接头范围为5.35m，顶部设一条宽20m、高25cm的凹槽，槽内填满塑性填料。防渗层延伸到连接部位钢筋混凝土结构凹槽顶，搭接长度0.75m。为避免变形开裂，接头7m宽范围内增设一层厚5cm的加厚层，其上铺设宽8m的加筋网。整平胶结层与加厚层之间设沥青砂浆楔形体，为保证接头适应变形的能力，在沥青砂浆楔形体与连接部位钢筋混凝土结构接触面上均匀铺一层厚10mm的塑性填料并涂刷沥青涂料。

为保证沥青混凝土面板与防浪墙钢筋混凝土接头牢固，在面板顶部防渗层和整平胶结层之间铺设加筋网，并将沥青混凝土摊铺到防浪墙基础内0.5m处后，在防浪墙迎水面将面板切割成1∶0.2坡面，用改性沥青玛脂填料封缝。

3.5　面板喷淋系统设计

由于沥青混凝土为黑色，容易吸收大量热量，大幅提高面板表面温度。上水库面板表面最高温度可达70℃，为防止面板沥青混凝土在高温季节发生流淌，设置喷淋系统。喷淋水在面板表面形成一层流动水膜，按水膜厚0.5mm、流速40mm/s、喷淋时间3h/d计算所需水量为393m3，加上6月最大蒸发量106m3/h，则每天间断性喷淋用水量为711m3。设计引用流量取250m3/h，喷淋系统供水池有效容量按满足4h的喷淋水量1000m3考虑，利用两个相距很近的500m3施工水池通过管路连接。

4　堆石坝设计

4.1　坝剖面设计

堆石坝坝顶高程1943.00m，预留了足够的地震安全加高。坝基倾向下游，最大坝高在坝趾处为95.2m。坝顶宽9.2m，上游设高1.2m混凝土防浪墙；下游设L型混凝土挡坎，坎顶有高1.1m的不锈钢栏杆。

堆石坝上游坡为1∶1.75；下游坡为1∶1.6，设厚0.6m的干砌石护坡，并分别在高程1922.00m、高程1902.00m和高程1882.00m设一条2m宽的马道。为满足下游坝坡交通和运行观测的需要，坡面上设四道宽1.5m踏步。

为防止地震作用下坝体表面堆石滚动滑落，高程1922.00m以上下游坝坡采用抗震锚筋与坝体相连。锚筋ϕ25mm，水平间距2m，层距1.6m，单根长11m。

为减少工程开挖大量弃渣对环境的影响，降低造价，将部分弃渣直接压覆在堆石坝下游坝面上。堆渣体作为坝脚压重，增加了坝体的稳定性，使下游坝坡稳定安全系数提高5%、下游坝坡沿基础危险滑动面稳定安全系数增加21%。

4.2　坝体分区及材料设计

堆石坝绝大部分坐落在强风化的片麻状黑云母花岗岩上，坝体填筑分区自上游向下游依次为：垫层水平宽3m，过渡层水平宽3m，上游堆石区，下游堆石区，干砌石护坡厚60cm，并在坝后设置堆渣区，堆渣顶高程1875.00m。为防止坝基粗骨料架空，沿坝基铺设厚1m过渡料。另外由于渗漏水沿沟汇集，在沟底设置厚3m的坝基排水区，堆石坝剖面见图3。坝体填筑料设计及压实控制指标见表6。

4.3　基础处理

堆石坝坐落于倾向下游的斜坡上，为保证坝基的稳定，坝基开挖主要以清基为主，将覆盖层、全风化片麻状花岗岩和云母片岩全部清除，并将岸坡修整平顺，不允许有妨碍坝体堆石碾压的反坡和陡于1∶0.25的陡坎。为消除或减少坝体在坝轴线方向的不均匀变形，坝体中部二号山梁部位的坝基开挖至高程1899.20m。为减小坝坡区与岩坡区面板的不均匀变形，两坝头岸坡以1∶5的缓坡渐变方式开挖，以保证面板拉伸在允许范围内。

坝基开挖揭露的地质缺陷有断层、裂隙密集带、云母片岩，根据不同宽度和深度采用混凝土塞或回填反滤料处理。

5　排水系统设计

上水库在水电站运行时，水位升降频繁且涨落速度快。若面板后渗水不能及排走，将形成反向水压力，反压若过大，会导致面板破坏，故在面板后设置了完善的排水系统，包括碎石排水层、排水检查廊道和排水盲沟管网系统。

库盆岩坡开挖区和库底混凝土面板下设置厚0.6m的碎石垫层。堆石坝混凝土面板下设置水平宽度3m的碎石垫层，并在坝基底部沟内及坝后堆渣底部设3m厚的排水层。要求垫层和排水层均具有良好的排水性能，渗透系数不小于10-2cm/s。面板渗漏水通过碎石垫层排到库底排水廊道，或沿坝基过渡层和排水层排到堆石坝下游。

库底设长3056m的排水检查廊道系统，包括库底周围廊道和连接廊道、进/出水口周边廊道、外排廊道、东端和西端安全检查廊道。库底设排水盲沟管网系统，以增强库底排水能力，收集面板渗水，并将渗水引入排水检查廊道，通过外排廊道集中排出库外。

6　结语

呼和浩特抽水蓄能电站上水库地处严寒强震地区，沥青混凝土面板采用简式断面，提出了面板各层厚度、技术要求及推荐配合比，配套面板喷淋系统，解决了严寒环境下沥青混凝土面板高温流淌、低温冻裂的防渗技术难题。堆石坝采用预留地震安全加高、下游坝坡干砌石护坡加抗震锚筋等措施，具有良好的抗震性能。上水库于2013年8月6日开始初期蓄水，最高蓄至正常蓄水位。监测表明堆石坝沉降量趋于稳定，上水库实测渗漏量小于设计标准，工程运行正常。