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（20～30°），沟底较平坦（沟底宽5.0～35.0m），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，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838m，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，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-11.1℃，月平均最低气温-18.4℃，极端最低气温-30.4℃；极端最高气温38℃。

　　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、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1～10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。

　　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0～10.5m，强风化带厚6～15.0m，弱风化带厚15.5～59.7m。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-16℃，极端最低气温-27.2℃；极端最高气温37.8℃。

　　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∈2z和∈3g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20 ～100m，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。

　　由于下水库位于大龙池沟沟脑处，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（Q2～4col+dl）物和洪积（Q2～4pl）物，分布范围较大，坝轴线处厚度为20～40m，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0～10.0m；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30.0～90.0m，厚度10.0～20.0m；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10.0～50.0m。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

　　（1）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：

　　① 坝体填筑料由外向里为：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≥1×10-1～1×10-2cm/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。

　　② 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。

　　③ 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，0～200cm不等。

　　（2）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（①通过排水垫层料，从主坝基础排水层中进入坝下廊道排出；②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。

　　（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，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。

　　由于上、下水库防渗面板的安全直接影响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-30.4℃，月平均最低气温-18.4℃）、水库水位变幅较大（最大水库水位变幅约40m，水位降落速度5～6m/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

　　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。

　　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。

　　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：

　　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号沥青用于封闭层。

　　沥青的检测项目及设计指标见表2。

　　① 粗骨料

　　粗骨料为水泉湾料场新鲜灰岩人工轧石；粒径为2.36～19mm，分为五组：2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16、16～19mm。

　　沥青混凝土各层设计控制的粒径为：整平胶结层为2.36～19mm；防渗层为2.36～13.2mm。

　　② 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比试验材料，粒径为0.074～2.36mm。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