李定林，陳滿，段繼周，李言濤，趙霞，徐瑋辰，黃彥良

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣州 510635；2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；3.中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，山東 青島 266071；4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，海洋腐蝕與防護(hù)開放工作室，山東 青島 266237）

抽水蓄能電站啟動(dòng)速度快，運(yùn)行靈活，具有調(diào)峰填谷功能，可為電網(wǎng)的穩(wěn)定提供保障，對(duì)電力系統(tǒng)乃至能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義[1]?；痣姟⒑穗姷刃袠I(yè)的快速發(fā)展促進(jìn)了對(duì)抽水蓄能電站的需求，過去的十幾年間是我國(guó)抽水蓄能電站快速發(fā)展的時(shí)期，在役、在建和規(guī)劃中的抽水蓄能電站已達(dá) 40余座。截止2015年底，我國(guó)抽水蓄能系統(tǒng)的總裝機(jī)容量已達(dá)22.74 GW，在建容量達(dá)到23.08 GW，預(yù)計(jì)2020年在役抽水蓄能電站的總裝機(jī)容量將突破50 GW[2]。目前在役抽水蓄能電站均為內(nèi)陸的以淡水為運(yùn)行工質(zhì)的常規(guī)抽水蓄能電站，受限于江河湖泊等自然環(huán)境、氣候條件、地形地貌等限制，并對(duì)生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅和負(fù)面影響。此外，近年來溫室效應(yīng)影響加劇，淡水資源日益緊張，而電力調(diào)峰需求卻在不斷增大。海水抽水蓄能電站與傳統(tǒng)淡水電站相比，無需專門的下水庫(kù)，節(jié)約建造成本；可就近建在風(fēng)電廠、火電廠等附近，節(jié)省傳輸成本；使用海水勢(shì)能存儲(chǔ)電能，完全不占用淡水資源。種種原因使得海水抽水蓄能電站具有更廣泛應(yīng)用前景[1,3,4]。研究開發(fā)海水抽水蓄能發(fā)電技術(shù)是值得世界各國(guó)電力行業(yè)高度重視，具有重大現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。

目前海水抽水蓄能電站還存在很多亟待解決的問題，其中上水庫(kù)的海水滲漏是最為關(guān)鍵的問題之一。首先，水量滲漏意味著能量的損失；其次，滲漏將嚴(yán)重影響周圍建筑基礎(chǔ)和岸坡安全；再次，海水滲漏會(huì)對(duì)電站周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[5-7]。因此，海水抽水蓄能電站對(duì)庫(kù)盆的防滲性能要求很高，同時(shí)，相較于淡水而言，海水具有更強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)于防滲工程和材料的負(fù)面影響可能比淡水更加嚴(yán)重。

文中針對(duì)抽水蓄能電站工程應(yīng)用的單一防滲和聯(lián)合防滲方案進(jìn)行了綜合論述，首次對(duì)海水抽水蓄能電站的防滲方案進(jìn)行探索。目前海水抽水蓄能電站在工程上的實(shí)例極少，有文獻(xiàn)可查的已建工程僅有日本沖繩山原海的抽水蓄能電站[8-9]，目前已停運(yùn)。希臘也正在開展海水抽水蓄能電站相關(guān)研究，但在防滲方面基本套用日本的方案[6,10]。文中將結(jié)合近幾十年以來國(guó)內(nèi)外在淡水抽水蓄能電站工程防滲方面的經(jīng)驗(yàn)，探討針對(duì)海水庫(kù)盆的合理防滲方案。

1 防滲方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

防滲工程材料及方案主要有垂直灌漿帷幕防滲、黏土鋪蓋、鋼筋混凝土面板、瀝青混凝土面板和土工膜襯砌等幾種[11]。

1.1 垂直灌漿帷幕

垂直灌漿帷幕是最為成熟的技術(shù)之一，對(duì)水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件要求較高，且復(fù)雜條件下的大規(guī)模灌漿對(duì)精度要求極高，不確定性比較大，難以精確控制，施工難度大，防滲效果和長(zhǎng)效性難以保證[11]。一般在結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的水池或垃圾填埋場(chǎng)等工程上應(yīng)用較多，由于抽水蓄能電站的地質(zhì)條件非常依賴于自然環(huán)境，垂直帷幕灌漿防滲技術(shù)很少應(yīng)用，不適用于海水抽水蓄能電站的庫(kù)盆防滲。

1.2 黏土

對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)土料比較豐富的條件，黏土鋪蓋防滲是非常好的方式。黏土具有一定的自愈合能力，在輕微破損情況下能夠自修復(fù)[12]，但黏土的防滲等級(jí)普遍不高，較難以滿足海水抽水蓄能電站的防滲要求。由于其較低的成本和自愈合能力，可考慮作為輔助材料與其他防滲材料共用。此外，還有報(bào)道對(duì)比了風(fēng)化料與黏土的防滲性能，如果控制好粗顆粒的含量，也能達(dá)到較好的防滲效果[13]，但以海水抽水蓄能電站庫(kù)盆的防滲要求，也僅能作為輔助材料使用。

1.3 鋼筋混凝土面板

鋼筋混凝土面板具有一定的防滲性能，施工簡(jiǎn)單，工藝和質(zhì)量控制技術(shù)成熟，成本不高，但由于其剛性結(jié)構(gòu)，變形模量大，對(duì)不均勻變形的適應(yīng)性比較差，抗拉強(qiáng)度僅為1.3 MPa左右[14]，一般應(yīng)用于庫(kù)盆庫(kù)岸防滲結(jié)構(gòu)[15-16]。但也有將鋼筋混凝土面板應(yīng)用于全庫(kù)盆防滲的案例，十三陵抽水蓄能電站上水庫(kù)為我國(guó)第一個(gè)應(yīng)用實(shí)例：考慮到干縮、溫度應(yīng)力和不均勻變形等，合理分縫至關(guān)重要；還要對(duì)局部軟性地基進(jìn)行開挖置換，用過渡料回填壓實(shí)；此外，面板的微小裂縫采用改性環(huán)氧漿液或聚氨酯處理[17]。十三陵抽水蓄能電站前十年服役期間滿足相關(guān)防滲標(biāo)準(zhǔn)，后期暫無可查證數(shù)據(jù)。

針對(duì)鋼筋混凝土防滲面板的不足，可應(yīng)用一些特殊的防護(hù)方法。柔性聚合物砂漿技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來的用于保護(hù)混凝土防滲面板的技術(shù)，可與混凝土材料粘結(jié)，提高抗背水壓性能和彈性模量，大幅增強(qiáng)適應(yīng)變形的能力。聚合物顆粒相互連接，可在混凝土基材的毛細(xì)孔內(nèi)形成枝蔓狀封閉體系，填塞混凝土結(jié)構(gòu)的滲水通道和表面的微裂縫，從一定程度上增強(qiáng)鋼筋混凝土材料的耐久性和防滲性能[18-19]。針對(duì)混凝土的一種高滲透環(huán)氧涂料與之類似，也有一定程度的應(yīng)用[20]。另一方面，國(guó)家海洋腐蝕防護(hù)工程技術(shù)研究中心研制了一種鋼筋混凝土柔韌涂料，包括封閉底漆、密封膩?zhàn)?、延展中涂和耐候面漆四層，具有較強(qiáng)的混凝土裂縫追隨性能，能夠承受混凝土的微小裂縫，已在港口碼頭和電廠等工程中有較多實(shí)際應(yīng)用，對(duì)混凝土防滲性能的提升也有一定效果[21]。此外，混凝土接縫的薄弱部位還有應(yīng)用納米改性的有機(jī)止水材料進(jìn)行防滲或修復(fù)處理的實(shí)例（寧波溪口抽水蓄能電站）[22]。因此，鋼筋混凝土可以作為庫(kù)岸的防滲基材，但往往需要配合面板的防護(hù)技術(shù)才能更好地滿足海水抽水蓄能電站的防滲需求。

1.4 瀝青混凝土面板

瀝青混凝土面板也是較常用的防滲材料，在抽水蓄能電站中有廣泛應(yīng)用，其適應(yīng)變形能力強(qiáng)（常溫下抗拉強(qiáng)度在5 MPa左右），出現(xiàn)裂縫后有一定的自愈合能力，易修補(bǔ)[23]，相較于鋼筋混凝土更適用于庫(kù)底防滲[15]。然而，瀝青混凝土對(duì)材料要求較高，與剛性建筑物的連接部位易形成結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形突變，接頭部位為防滲性能薄弱處，處理工序復(fù)雜（例如需要兩套混凝土拌和系統(tǒng)），施工及生產(chǎn)工序較多。此外，瀝青需求量較高，而運(yùn)輸成本也不得不作統(tǒng)籌考慮。瀝青混凝土在庫(kù)盆底部和庫(kù)周防滲中均有應(yīng)用[11,15][16]，由于其本身具有較強(qiáng)的防水性能，很少使用類似于鋼筋混凝土面板的防護(hù)技術(shù)。

1.5 土工膜

土工膜襯砌是應(yīng)用最為廣泛的防滲方式，不僅用于水庫(kù)的防滲，也大量應(yīng)用于海水/淡水養(yǎng)殖行業(yè)。雖然相較于淡水而言，污水或海水對(duì)土工膜材料的侵蝕性有所增加，但近幾十年大量研究已經(jīng)表明，橡膠材料對(duì)海水侵蝕的耐受性仍然是比較強(qiáng)的[24-26]。從20世紀(jì)60年代開始，土工膜就在歐洲大量使用，直至20世紀(jì)80年代，幾乎所有土工膜防滲系統(tǒng)的應(yīng)用仍然都在歐洲，全球大多數(shù)的土工膜工程仍在采用歐洲延續(xù)下來的設(shè)計(jì)和技術(shù)[27]，針對(duì)淡水的土工膜技術(shù)目前已非常成熟。聚乙烯和聚氯乙烯都是土工膜合成防滲材料較常用的原料，而從20世紀(jì)90年代開始，土工膜與土工織物熱復(fù)合后組成的新型復(fù)合防滲材料也開始有越來越廣泛的應(yīng)用。其相較于光膜的防滲性能更強(qiáng)，但表面褶皺現(xiàn)象較嚴(yán)重，表面缺陷更多，焊接難度增大，因此單一土工膜和復(fù)合土工膜的應(yīng)用也各有優(yōu)勢(shì)[28]。土工膜相較于混凝土面板而言，耐應(yīng)力性能是最為突出的優(yōu)勢(shì)，抗拉強(qiáng)度至少都在12 MPa以上，比鋼筋混凝土高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。三峽工程二期上游圍堰的土工膜應(yīng)變計(jì)原位測(cè)得高達(dá)20%的應(yīng)變值[29]。

土工膜最關(guān)鍵的問題之一就是接縫的處理，直接影響防滲性能和服役壽命[28]。目前接縫技術(shù)有搭接、焊接和粘接等幾種，焊接的防滲效果最好，目前的技術(shù)能夠使焊接部位達(dá)到與主體材料同等水平的強(qiáng)度。但如果地質(zhì)條件對(duì)變形量的要求較高，粘接工藝的接縫處柔軟度則高于焊接，適應(yīng)變形能力更強(qiáng)。具體施工工藝還需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇。日本沖繩海水抽水蓄能電站的防滲采用 EPDM 三元乙丙橡膠材質(zhì)的土工膜進(jìn)行全庫(kù)盆防滲，服役期間未有嚴(yán)重滲漏現(xiàn)象的報(bào)道[1,9]。

2 海水抽水蓄能電站聯(lián)合防滲方案對(duì)比

聯(lián)合防滲主要是針對(duì)不同的地質(zhì)條件對(duì)庫(kù)岸和庫(kù)底進(jìn)行不同形式的防滲。由于庫(kù)底不可能做到絕對(duì)平坦，因此耐形變能力較差的鋼筋混凝土面板極少應(yīng)用于庫(kù)底（僅有十三陵抽水蓄能電站上水庫(kù)等實(shí)例，且針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了特殊處理[17]），海水庫(kù)盆的聯(lián)合防滲方案基本可確定為庫(kù)岸面板與庫(kù)底鋪蓋相結(jié)合的方式[16]。

2.1 土工膜+黏土

土工膜雖然已有很廣泛的應(yīng)用，但目前基本全部在淡水環(huán)境中，海水養(yǎng)殖等行業(yè)防滲要求較低，日本沖繩的海水抽水蓄能電站的運(yùn)行時(shí)間也僅有十幾年[8]，因此目前人們對(duì)土工膜海水防滲性能的認(rèn)知僅僅停留在初步階段，在具體的耐侵蝕時(shí)間長(zhǎng)度等方面不明確。上文已提到黏土可以作為輔助材料，其與土工膜的配合使用是較為典型的工程應(yīng)用方式。黏土層為土工膜提供了較厚的保護(hù)層，減少了土工膜材料的老化起鼓，此外黏土的自愈合能力也極大地減少了土工膜檢修的需求，可以認(rèn)為黏土保護(hù)層為土工膜的耐久性提供了一層保障。但兩者結(jié)合也有一些需要注意的工程問題，例如黏土顆粒的粒徑，要避免高壓水作用下顆粒物將土工膜頂破等。在實(shí)際工程中，土工膜的厚度在 1～2 mm，而黏土的鋪蓋厚度可達(dá)4～5 m[12]。土工膜在防滲性能優(yōu)異的同時(shí)，具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度和抗形變性能，對(duì)施工氣候條件沒有特別要求，可快速進(jìn)行大面積鋪設(shè)。黏土的覆蓋很大程度上解決了土工膜的老化問題，且抗形變能力甚至比土工膜更強(qiáng)，因此土工膜與黏土的配合對(duì)地質(zhì)和地勢(shì)條件的寬容度最高，很適用于庫(kù)底防滲。泰安抽水蓄能電站[28]及溧陽抽水蓄能電站[12]庫(kù)底等均采用了土工膜與黏土結(jié)合的方式。

2.2 瀝青混凝土+鋼筋混凝土

除土工膜以外，瀝青混凝土與鋼筋混凝土聯(lián)合防滲也有應(yīng)用。在一些黏土資源缺乏的地域，利用瀝青混凝土進(jìn)行庫(kù)底防滲，再利用鋼筋混凝土進(jìn)行庫(kù)岸防滲也是一個(gè)可行方案，例如西龍池抽水蓄能電站[15]。水庫(kù)建于深厚的覆蓋層上，使得庫(kù)底能夠盡量平坦，柔性的瀝青混凝土能夠適應(yīng)一定量的變形。如上文所說，由于形變量和受力條件不同，瀝青混凝土面板與剛性結(jié)構(gòu)的連接位置是最薄弱部位，帶來較大的不確定性，要重點(diǎn)防范，如增加柔性連接材料等。

防滲鋼筋混凝土面板對(duì)淡水具有一定的防滲性能和耐久性能，但對(duì)于海水環(huán)境，其腐蝕性是不得不考慮的問題。柔性聚合物砂漿[18,19]或者多層的柔韌防腐防滲涂料[21]（詳見1.3節(jié)）有必要配合鋼筋混凝土面板使用，以提高其耐蝕防水性能。素混凝土面板很難在海水環(huán)境中長(zhǎng)期使用。

2.3 瀝青/鋼筋混凝土+土工膜

混凝土與土工膜的聯(lián)合防滲方案也比較常見，此方案使用土工膜作為庫(kù)底防滲材料，而混凝土（鋼筋混凝土或?yàn)r青混凝土）則一般作為庫(kù)岸防滲材料。雖然瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度和耐形變性能均可接受，但相較于土工膜仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。有研究以泰安抽水蓄能電站的情況為例，用主成分分析（PCA）法和模糊綜合評(píng)價(jià)模型分析發(fā)現(xiàn)，在防滲效果、技術(shù)性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)、土地綜合利用效果和環(huán)保指標(biāo)上，土工膜均優(yōu)于鋼筋或?yàn)r青混凝土面板，其中在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)保指標(biāo)方面土工膜的優(yōu)勢(shì)十分明顯。與瀝青混凝土相比而言，鋼筋混凝土各項(xiàng)指標(biāo)均非常接近。該研究構(gòu)建了防滲材料綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)果表明模型效果良好，研究方法可行[30-31]。

因此，對(duì)于海水抽水蓄能電站庫(kù)盆防滲而言，土工膜或者復(fù)合土工膜是庫(kù)底防滲的首選材料，但庫(kù)岸的坡度使得土工膜較難與黏土緊密結(jié)合，且日本沖繩電站庫(kù)岸橡膠襯砌在大風(fēng)天氣甚至?xí)捎谪?fù)壓而脫離庫(kù)岸表面，因此混凝土面板可作為庫(kù)岸的主材料。鋼筋混凝土與瀝青混凝土相比，瀝青混凝土受限于原材料成本以及繁雜的施工工序，在成本和施工難易程度上明顯弱于鋼筋混凝土。從多方面考慮，鋼筋混凝土與土工膜聯(lián)合防滲方案的適應(yīng)性比較強(qiáng)，基本能夠適用于大多數(shù)地質(zhì)條件[11]，必須注意的是要在表面進(jìn)行砂漿噴涂或涂覆涂層，以減少裂紋風(fēng)險(xiǎn)并增強(qiáng)耐蝕耐形變性能。此外，還有文獻(xiàn)報(bào)道了一種混凝土面板與土工膜聯(lián)合進(jìn)行庫(kù)岸防滲的設(shè)計(jì)方案，即復(fù)合土工膜鋪設(shè)于庫(kù)岸墊層上，在其上預(yù)制混凝土面板并用瀝青粘合[32]。兩種防滲材料復(fù)合使用必將大幅增加工程造價(jià)，必要性和工程上的可行性還需要謹(jǐn)慎考慮。

目前筆者正在開展耐海水土工膜材料和針對(duì)鋼筋混凝土的保護(hù)涂層研究，期望為我國(guó)海水抽水蓄能電站前瞻性研究工作提供有針對(duì)性的防滲材料。

3 結(jié)論

文中從淡水庫(kù)盆防滲材料的角度出發(fā)，對(duì)比了各種防滲材料以及聯(lián)合防滲措施的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上探討了海水抽水蓄能電站上水庫(kù)庫(kù)盆的防滲選材方案。根據(jù)各種防滲材料及聯(lián)合防滲方案的系統(tǒng)分析，建議選用土工膜與黏土聯(lián)合對(duì)庫(kù)底進(jìn)行防滲，選用有涂層保護(hù)的鋼筋混凝土面板進(jìn)行庫(kù)岸防滲。可為我國(guó)相關(guān)前瞻性研究工作提供參考，并在未來可能開展的工程設(shè)計(jì)上提供建議。