1.1　上水库

1.1.1　库址比选

根据工程区地形地质条件，上水库库址拟定了料木山上水库和滴水淖上水库两个方案进行比选。

料木山上水库库盆位于料木山顶峰的东北侧，建于地势较高的近山顶部位，周边多有邻谷。库区岩性较为单一，主要为片麻状黑云母花岗岩，局部有黑云母斜长片麻岩、片岩，全、强风化的片麻状黑云母花岗岩及斜长角闪岩体透水性较强，相对不透水岩体顶板埋深一般为15～100m，平均55m。除西北角和北坡地下水位略高于正常蓄水位1940.00m外，库区外围地下水位基本上都低于上水库正常蓄水位，且泉水露头一般也低于正常蓄水位，以库水补给周边地下水为主。主坝坝址区即东南岸段和西南岸段的斜长角闪岩脉较发育，还发育断层和裂隙密集带，是库水外渗的主要途径。上水库存在向库外渗漏问题，需要进行全库防渗。

滴水淖上水库位于料木山上水库东侧约1km处的一个天然冲沟内，该冲沟近SN向展布，在滴水淖村处与料木山上水库近EW向冲沟交汇，两岸没有其他支沟发育，库盆狭长且不规则。右岸山体雄厚，左岸山体较单薄，两岸地形坡度为15°～20°，坝址谷底高程约1755.00m，分水岭山脊浑圆平缓。从地形上看，滴水淖上水库地形条件占优，成库条件较好。该库址库区地层岩性比较复杂，右岸及库尾主要为吕梁期片麻状黑云母花岗岩，左岸主要为燕山期花岗岩，库尾及左岸部分地段分布下元古界二道洼群大理岩，各种岩性之间均呈不整合接触关系。库区岩脉十分发育，以斜长角闪岩为主。从上水库所处的地质构造单元来看，地质构造发育规律与料木山上水库相近，但由于滴水淖上水库横跨新老花岗岩体不整合接触带以及花岗岩体与大理岩的不整合接触带，构造发育程度较料木山上水库更为复杂。滴水淖村为地下水汇集区，初步推测属地质构造交汇区，库底极可能顺沟向发育张性构造带，库水通过岩脉及张性结构面发生垂直渗漏及向邻谷侧向渗漏的可能性很大。通过滴水淖方案布置的4个钻孔的地下水位观测情况，结合预可研阶段钻孔地下水位资料分析，左岸近坝段约550m、右岸近坝段约100m范围内，地下水位低于正常蓄水位。勘探表明滴水淖上水库与料木山上水库地质条件没有本质区别，仍需做全库防渗。料木山上水库和滴水淖上水库方案的工程特性见表1.1.1。

由表1.1.1可见，滴水淖上水库正常蓄水位比料木山上水库降低了90m，在相同的1200MW装机规模时，需要的上水库库容大，其调节库容增加112.9万m3。仅考虑在库岸间垭口布置钢筋混凝土面板堆石坝、坝基和左右坝肩进行帷幕灌浆，即滴水淖方案采用局部防渗措施，工程量及投资初步估算表明，滴水淖局部防渗方案已与料木山上水库方案的投资基本持平。当同样采用钢筋混凝土面板全库防渗时，防渗总面积增加较多，导致面板混凝土、钢筋和止水以及库岸和库底排水设施工程量增加。而挡水坝坝体填筑量和库盆土石方开挖量基本与料木山上水库相同，滴水淖上水库方案投资大于料木山上水库方案。而与之配套的水道系统、地下厂房工程和下水库工程，由于输水线路增长，洞径加大，调节库容增大等原因，各分项工程量均为增加，工程造价增加较多，施工工期相对较长。

经分析认为，滴水淖上水库方案除具有施工期可以避开对料木山顶内蒙古广电局706台产生的不利影响外，其综合技术经济指标差于料木山上水库方案。料木山上水库方案库盆局部距离706台最小距离约220m，但706台与施工区有约100m的高差，可行性研究阶段《呼和浩特抽水蓄能电站工程施工对内蒙古广电局706台影响及防护措施研究报告》的研究成果表明：上水库施工机械产生的振动、噪声对706台设施的正常运行不会造成不利影响；在工程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，保证706台的安全和正常运行。并且已有江苏宜兴抽水蓄能电站的成功经验可供借鉴。综上所述，经两方案综合比较，上水库采用料木山上水库方案。

1.1.2　料木山上水库地形地质条件

料木山上水库库区地面高程为1840.00～1980.00m，为宽缓的谷地和浑圆的山丘，北西高，南东低，平均边坡16°左右。库盆为沟梁相间的地貌，主要由二梁三沟组成，包括一号、二号山梁和一号、二号、三号冲沟，山梁高程为1970.00～1980.00m，沟梁相对高差达数十米，三条冲沟在坝址处汇入大南沟。库区西南侧邻谷为哈拉沁沟峡谷，库外边坡平均坡度约45°，局部为陡崖，分水岭比较单薄，水库正常蓄水位1940.00m，对应的山体厚度为100～160m。库区西北至东北侧库岸分水岭为浑圆山体，内、外侧边坡较平缓，山体相对雄厚。

库区基岩主要为片麻状黑云母花岗岩，局部有黑云母斜长片麻岩、片岩分布。地表基岩大多数为强风化，小范围为全风化，全风化带垂直深度0～8m，强风化带深度2～18m，弱风化带深度12～80m，岩体透水性较强，相对不透水岩体顶板埋深一般大于15～100m。库区斜长角闪岩脉分布范围较广，风化程度较深，与围岩多呈渐变过渡接触。岩体的透水性受控于断裂构造的发育程度、风化卸荷程度，可分为裂隙统一含水体和脉状裂隙含水体。库区地下水位除西北角和北坡略高于正常蓄水位外，其余部位均低于上水库正常蓄水位，泉水露头也低于正常蓄水位。

库区构造以断层、裂隙密集带、裂隙为主。断层主要被岩脉充填，发育方向主要为NNW和NNE，倾向以SW为主，倾角55°～75°，规模较小。四号冲沟中的F1s断层为库区最大一条断层，产状NW320°SW∠70°，破碎带宽3～5m。裂隙密集带主要发育NW和NEE两组，倾角均为70°～85°，NW组走向NW300°～330°，倾向以SW为主，发育宽度1～3m，岩体多呈碎块状、碎片状；NEE组走向NE50°～80°，倾向以SE为主，多充填泥质和岩屑，发育宽度2～7m。裂隙主要发育有3组：NEE组走向NE50°～80°，倾向以SE为主，倾角60°～90°，最大延伸长度30～50m；NW组走向NW300°～330°，倾向以SW为主，倾角60°～85°。上述两组裂隙面平直，贯通性好，无充填物。NW组缓倾角裂隙走向320°～330°，在料木山西坡倾向以SW为主，在东坡倾向以NE为主，倾角小于30°，延伸长度1～2m，裂隙面粗糙不平，发育间距不大，表部裂隙面张开且充填红色泥质。

坝址区沟谷纵坡坡降较小，地形较缓，沟谷断面呈W形，主要发育SE向冲沟，北侧坡的冲沟NW向发育，地形较SE向冲沟稍陡，NW坡植被发育良好。左右坝肩及坝基自然边坡平均坡度8°～20°。坝址区主要为片麻状黑云母花岗岩，部分区域分布云母片岩，浅部岩体风化强烈，岩体完整性差。坝基范围内也有岩脉分布，主要为斜长角闪岩脉。坝基覆盖层为第四系残坡积物，一般厚度为3～5m，最厚可达13m左右，主要分布于沟谷之中和平缓的山坡地带。上水库库区地形地质平面图如图1.1.1所示。

1.1.3　库/坝线布置方案

根据上水库地形地质条件，在满足所需调节库容的条件下，拟定了5个库/坝线布置方案进行比选。

方案一：预可研阶段推荐的料木山上水库方案，预可研阶段上水库平面布置图如图1.1.2所示。

方案二：在方案一基础上将大坝左、右侧库线向库外移动，使左、右坝肩分别与左、右侧山坡直接相连，在保持死水位1903.00m、正常蓄水位1940.00m、调节库容629万m3不变的情况下，将西北侧库线及坝线向库内移动。

方案三：在方案二的基础上，保持西北、东北、西南侧库线基本不动，将东南侧坝线向下游侧平移，同时将死水位抬高6.0m。

方案四：在方案三的基础上，将西北侧库线向库内弯折，使上库进/出水口水流方向与西北侧库线近垂直布置，将死水位降低1.0m。

方案五：将东南侧坝线向下游侧移动，正常蓄水位为1925.00m，死水位为1890.00m。

五种方案的主要工程量和土建可比投资见表1.1.2。

通过综合比较认为，拟定的5个库/坝线布置方案较好地满足了工程设计条件，从技术上看均是可行的。方案五库型较好，但挖多填少，工程弃渣量最大，投资最高，同时，该方案由于正常蓄水位降低到1925m，电站额定水头也相应降低，为保持电站装机规模不变，需增大引水系统洞径及下水库库容，从而增大其工程投资。方案一～方案四，工程造价相差不大。方案二库型扁平，上水库进/出水口与坝的距离较近，水流进/出流态不好。方案三和方案四库内石方明挖量不足，需从库外备用料场采料上坝，挖填平衡矛盾突出。同时方案二～方案四距离西南侧706台较近，施工期对706台的不利影响较大，同时西南侧岸坡较方案二差。方案一库型方正，库盆开挖在满足库容需求的情况下，较好地利用了原天然地形，西北侧人工开挖边坡不高，西南侧库岸稳定，挖填基本平衡，距离706台相对较远，投资较低。经综合比较，上水库库/坝线采用方案一的布置形式。

1.1.4　坝型选择

为满足调节库容要求，上水库库盆需要大量开挖，料木山上水库土方量开挖为148.6万m3，石方开挖量为457.9万m3。坝基覆盖层平均厚度为2～4m，无全风化带，强风化带厚度一般为3～6m，最大达15m。修建浆砌石坝和混凝土重力坝等坝型坝基覆盖层较厚，坝基面倾向下游，沟坡较陡，不利于坝体稳定，工程投资较大。采用堆石坝坝型能充分利用库内开挖料筑坝，减少工程弃渣；开挖和坝体填筑运距短，施工方式简便，可缩短工期；有利于倾斜坝基上坝体的稳定。因此，上水库挡水建筑物的坝型采用堆石坝坝型。堆石坝剖面图如图1.1.3所示。

1.1.5　防渗形式选择

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。

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。