高寒抽蓄库坝防渗，北京院亮出三项黑科技

编者按

作为抽水蓄能技术的奠基者和引领者，北京院在抽蓄领域形成了深厚积累。在去年“严寒地区抽蓄关键技术系列报道”取得良好反响的基础上，今年继续推出“蓄能智造”系列技术专题报道，聚焦严寒地区库坝抗冻防渗、复杂地质大型地下洞室群围岩变形控制、多沙河流抽蓄设计、变速机组、智能规划选点、企业级AI应用等核心技术方向，系统展示北京院自主创新成果，集中呈现北京院以技术引领行业进步、以创新驱动高质量发展的生动实践，彰显北京院服务国家能源战略、引领抽蓄行业技术进步的使命担当。

研究背景

新型电力系统下严寒地区库坝抗冻防渗需求凸显

在“双碳”目标引领与新型电力系统加速构建的背景下，抽水蓄能作为大规模、长时储能的核心支撑，其建设迎来爆发式增长。东北、新疆等高寒地区规划建设电站30余座，其极端严寒气候（低温可达-50℃）对抽水蓄能电站大坝防渗系统的抗裂、抗冻性能提出了严苛要求，冰推、冰拔、冻融循环等威胁，时刻考验着大坝的长期安全与耐久性。

面对这一重大挑战，北京院凭借在抽水蓄能领域深厚的技术积淀和引领地位，依托抽蓄协同创新中心平台，聚焦“新材料”等攻关方向，开展系统性、开创性的严寒地区抽水蓄能电站抗冰冻防渗关键技术攻关，通过对沥青混凝土全库盆防渗和面板堆石坝接缝止水材料的深入研究，构建了适应严寒地区的抽水蓄能抗冰冻防渗设计体系。

技术痛点

极端严寒环境下传统库坝防渗体系面临严苛挑战

与常规地区相比，严寒地区抽水蓄能电站库坝防渗面临多重叠加的严苛考验：一是沥青混凝土面板在极低温条件下低温收缩开裂风险显著，传统设计方法难以精准界定面板的低温抗裂能力；二是面板堆石坝接缝结构同时承受冻胀变形、冰层挤压、温度收缩、水位变动引发的接缝张开与错动等多重作用，传统表层止水塑性嵌缝密封材料在-20℃以下易硬化、脱粘、分子迁移黑化，密封失效风险突出，亟需实现材料与结构一体化的系统性突破。

技术创新

库坝抗冻防渗新材料体系系统突破

针对上述技术痛点，北京院以“新材料”为核心主攻方向，从沥青混凝土面板防渗设计与混凝土面板接缝止水新材料两大方向协同发力，形成覆盖全库盆防渗与接缝止水的成套技术体系，实现严寒条件下库坝防渗可靠性的系统提升。

一、沥青混凝土面板防渗设计——面板冻断温度破-50℃

近年来，北京院围绕严寒地区抽水蓄能电站沥青混凝土面板防渗问题，通过试验研究和计算分析，系统分析了沥青混凝土材料性能特性、面板结构受力及变形特点，首次提出以冻断温度、拉伸应变和弯曲应变为控制指标的沥青混凝土面板设计方法和设计标准，形成了宽温域沥青混凝土面板防渗设计体系。同时，研究了影响沥青混凝土低温抗裂性能的各项因素，开发出可适应-45℃严寒环境的改性沥青混凝土材料及配合比。

工程应用方面，从张河湾抽水蓄能电站（-30℃）到西龙池抽水蓄能电站（-40℃），再到呼和浩特抽水蓄能电站（-45℃），沥青混凝土面板抗冻断温度持续突破，防渗可靠性在极端低温条件下得到验证。实际监测显示，相关工程日漏量占总库容比例不足 0.01%，防渗效果优良。目前，上述技术经验已用于指导北京院在建的芝瑞抽水蓄能电站（-43℃）、太子河抽水蓄能电站（-45℃）和浑源抽水蓄能电站（-47℃）设计，为严寒地区沥青混凝土面板防渗可靠性提供技术保障。

二、新型止水结构与超低温止水材料——突破-40℃低温限制

严寒地区面板堆石坝接缝结构同时承受冻胀变形、冰层挤压、温度收缩、水位变动引发的接缝张开与错动多重作用，传统表层止水塑性嵌缝密封材料在严寒环境（-20℃以下）下易硬化、脱粘、分子迁移黑化等，密封失效风险突出。针对该痛点，北京院从结构型式、塑性密封填料、防护面层一体化开展创新研发，形成可压缩型表层止水结构 + CBMS 表层止水材料成套技术，实现接缝大变形适应与抗冰挤压协同管控。

01.可压缩型表层止水结构

针对传统锚固型及涂覆型表层止水结构型式运行中暴露的问题，北京院首创的可压缩型表层止水结构，融合上部手刮聚脲、中部可压缩棒与下部塑性密封填料。这一独特设计，成功通过严苛的冰层挤压试验及三维大变形（张开、错动）试验验证，展现出卓越的变形适应能力和抗冰挤压性能，解决严寒结冰环境下面板接缝的密封难题，并已在清原抽水蓄能电站成功应用。

02.CBMS 硅基塑性密封填料

针对传统表层止水塑性填料（石油沥青/丁基橡胶基）和保护盖片（三元乙丙/聚脲）在超低温下的失效风险，北京院自主研发“CBMS®有机硅塑性嵌缝密封材料”及配套保护盖片，性能实现重大突破。

北京院采用全新有机硅基体树脂，研制新型塑性嵌缝密封材料，该材料在超低温环境下可保持优良塑性变形能力与黏结性能。项目系统研究了低温条件对材料拉伸黏结性能、针入度等指标的影响规律。试验结果显示：材料在 -50℃环境下低温可塑性良好，针入度大于 80（1/10mm）；拉伸黏结性能优异，断裂伸长率超 50%，与基层黏结不脱开。结果表明，该有机硅塑性嵌缝密封材料具备在低至-50℃严寒环境下应用的良好潜力。

03.CBMS面板表层抗冰冻材料

库区厚冰随水位涨落产生的巨大冰推力、冰拔力，是水位变动区面板的威胁。北京院成功研制 “氟改性聚脲防冰涂料” ，赋予面板神奇“不粘”特性。该材料冰粘附强度小于0.1MPa，涂层冰粘附强度变化率小于±3.34%，与混凝土粘结强度大于2.5MPa，涂层低温（-50℃）断裂伸长率大于150%，表明具有良好的防冰效果和低温耐久性。其对施工环境和设备要求较低，施工窗口宽。在清原抽水蓄能电站应用结果显示，其表现出良好的防冰性能，可为严寒区面板堆石坝的防冰冻设计提供新参考。目前，该材料也已在易县抽水蓄能电站应用。

应用价值

服务严寒地区抽水蓄能高质量发展

严寒条件库坝抗冻防渗新材料技术体系，有效破解了高寒地区抽水蓄能电站库坝防渗抗冰冻的共性难题，显著提升高寒大坝安全裕度与长期耐久性，延长工程服役年限，降低全生命周期运维成本。相关成果已在张河湾、西龙池、呼和浩特、芝瑞、太子河、浑源、清原等多个严寒地区抽水蓄能电站落地应用，为我国东北、新疆以及全球严寒地区抽水蓄能电站建设运营筑牢技术根基，为新型电力系统高质量建设提供坚实支撑，充分彰显北京院在抽水蓄能“新材料”领域的创新引领地位。

文图｜水电与抽水蓄能工程院