抽水蓄能电站主要工程地质问题探讨

水力发电　第３９卷第５期　２０１３年５月　抽水蓄能电玷重要工程地质问题探讨　林金洪　（福建华东岩土工程有限公司，福建福州３５０００３）　摘要：抽水蓄能电站存在上水库渗漏、库岸稳定　输水系统岔管段渗透及稳定、厂房地应力测试、地下洞室群围　岩稳定等诸多工程地质问题。针对上述主要问题，结合工程实例，分析了在抽水蓄能电站地质勘测中的工作重点，　对抽水蓄能电站地质勘测工作具有一定的指导意义。　关键词：上水库渗漏；库岸稳定；围岩稳定；渗透稳定；抽水蓄能电站　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｍａｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　Ｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ＬＩＮ　Ｊｉｎｈｏｎｇ　（Ｆｕｊｉａｎ　Ｈｕａｄｏｎｇ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０００３，Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍａｎｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ　ｓｔａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｌｅａｋａｇｅ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｂａｎｋ，ｌｅａｋａｇｅ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎ　ｐｉｐｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ，ｇｒｏｕｎｄ　ｔｒｅｓｓ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｏｗｅｒｈｏｕｓｅ　ａｎｄ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｃａｖｅｒｎｓ．Ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ　ｆｒｏｍ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔａｓｋｓ　ｉｎ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｆｏｒ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｕｐｐｅｒ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｌｅａｋａｇｅ；ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｂａｎｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｅｅｐａｇｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　中图分类号：ＴＶ２２１．２；ＴＶ７４３　文献标识码：Ａ　文章编号：０５５９＿９３４２（２０１３）Ｏ５—００２４一Ｏ３　０引言　不应超过１＠２１；优越的上、下库地形条件。最优的　上水库（坝）条件是地形相对封闭的洼地，库周山　体雄厚。主坝址位于地形狭窄的主冲沟，库周垭口　我国抽水蓄能电站建设始于６０年代，中国水电　顾问集团华东勘测设计研究院于７０年代开始开展华　东地区的抽水蓄能电站勘测设计工作，已建或在建　或前期勘测项目多个。抽水蓄能电站工程主体分为　３部分：上水库、输水系统及下水库。工程部位不　同其勘测的重点也不同，勘察阶段对各部位的勘测　少。需建副坝的位置不多且不高。如天荒坪抽水蓄　能电站上水库选择在天目山系南天目山的天荒坪和　搁天岭之间的沟源洼地上，为附近最高洼地，东库　岸搁天岭高程９７３　ＩＴＩ，西库岸天荒坪高程９３０　ｍ，　中间一条南北向沟源洼地为主坝位置。东、西、北　有３处垭口需建副坝．上、下水库库底的天然高差　约５９０　ＩＴＩ，筑坝形成水库后平均水头５７０　ｉｎ，最大　要求、重点也不一样，应根据其工程特点有针对性　地布置地勘工作量＿ｌＪ。地形选择、上水库渗漏、库岸　稳定问题、输水系统岔管段渗透及稳定、厂房地应　发电毛水头６１０　ｉｎ。洪屏抽水蓄能电站上水库为一　山间沟源盆地，南侧为主沟主坝位置，沟狭窄，两　侧地形对称，且基岩裸露，西南侧次冲沟系副坝垭　力测试、地下洞室群围岩稳定等问题应为抽水蓄能　电站工程勘测的重点，也是抽水蓄能电站主要工程　地质问题。　口，副坝不高，为一优良的上库地形条件。周宁抽　１地形选择　收稿日期：２０１３一叭一３Ｏ　在选点规划阶段，站址的选择一般需遵循以下　作者简介：林金洪（１９６１一），男，福建仙游人，教授级高工，　副总工程师，注册土木工程师（岩土），注册土木工程师（水利水　电工程），注册监理工程师，主要从事水电勘察技术与管理工作．　原则：水头应较高并选在２００～７００　ＩＴＩ之间：输水线　路长度　与水头　之比上、下库尽量接近，且比值　团Ｗｏｔｅｒ　Ｐｏ　ｅｒ　Ｖｏ　．　Ｎｏ．５　１　皿　：彻，Ｊ＼芭｜日Ｂ　己如工女－Ｊ一任Ｊ，Ｕ５　ｌｕＪ　休　水蓄能电站上水库位于七步溪左岸坑尾沟中，为一　沟源谷地，盆底高程６５０～７００　ｍ，库周山体除南侧　有一垭口较单薄须建副坝外，其他部位山体较厚，　水库封闭条件较好。在山间冲沟选择作为上库坝位　置也是可行的，如仙游抽水蓄能电站上水库位于西　苑乡广桥村大济溪源头，为狭长带状的山间溪源谷　地，库区冲沟发育，山顶多呈浑圆状，库底高程　６８０～７０５　ｍ。厦门抽水蓄能电站上水库（坝）区位　于荇后自然村，为较开阔盆地，主坝位于库区东侧。　西南库岸存在２个垭口。还有利用已建成的水库作　为上库，如桐柏抽水蓄能电站。下水库常选择在有　一定流域面积的较大冲沟或河道上．或利用已建成　的水库作为下库，如泰安抽水蓄能电站。　２上水库渗漏　一般来说，上水库周围地下水位均低于上水库　正常蓄水位，水库蓄水后与岭谷间不存在地下分水　岭，库水要直接外渗。上水库也很难找到一个完整　的盆地地形，经改造后的库岸更单薄，地下水位渗　径变短。上水库是一个储水蓄能的空间。所需的水　量有限，上、下库的水量可反复使用，库容小．面　积不大，故不允许产生永久性渗漏。　在地质测绘工作中，对上水库要做好地质测绘　工作，确保勘测精度；查清地层岩性、地质构造、　覆盖层分布及厚度、地表水出露、地下水的分布：　要关注钻探过程中承压水及其水头：观测钻孔时揭　露的初见水位及终孔水位并做好记录；要做好长观　孔孔口的保护工作，以便定期观测水位。了解地下　水位的变化；要查清断层的产状、分布位置、宽度、　性状等。仙游抽水蓄能电站下水库存在较大的Ｆ　断层，顺河床发育，宽２０～２５　ｍ，工程性能差，为　了查清其性状、规模做了大量地勘及试验工作。泰　安抽水蓄能电站勘测时钻孔与平硐结合．查明地下　厂房围岩性状，选择有利的厂房位置和布置方式，　避开了岩脉等不利结构面的不良影响，施工期间及　时进行地质测绘和预报，及时封闭揭露的蚀变带。　句容抽水蓄能电站勘测时分析了岩溶发育程度对上　水库渗漏及厂房洞室群围岩稳定性的影响．结合岩　溶的发育规律，评价厂房洞室群施工期间涌水的可　能性。　水库渗漏量一般采用达西定律估算，要限定清　楚其边界条件才能减少误差，对渗透系数　的确定　要综合考虑。泰安抽水蓄能电站经多方案比较．最　后采用了右库盆半库防渗方案．即西库岸采用钢筋　混凝土面板，库底填石碾压整平覆盖土工膜。东库　岸沿Ｆ　断层用锁边帷幕封闭，向库尾延伸与西库岸　相接　断层带的渗漏、渗透稳定问题及防渗处理措施　也是上水库需专门研究的问题之一。泰安抽水蓄能　电站上水库发育的断层Ｆ　从主坝坝基及库区通过．　首先需采用平硐、探槽、竖井加井下平洞的勘探手　段查明其规模、性状；其次在断层带及两侧进行钻　孔及水文地质试验，并采用物探手段查明在水库中　的延伸情况；最后对断层带物质进行室内渗透稳定　研究，进行断裂性状分带、物理力学性质试验、颗　粒分析、粘土矿物化学成分分析、现场抗剪变形及　室内外渗透破坏试验，最终推荐右库盆半库防渗方　案。并加强厂房排水　３库岸稳定　抽水蓄能电站为日调节，水位升降频繁，变幅　较大。在动水位情况下，岸坡在入渗、回渗的动水　压力综合作用下。其破坏机理要比常规水库复杂得　多　。如仙游抽水蓄能电站库岸稳定分析分近坝区、　进水口区、库尾区３部位。永泰抽水蓄能电站上水　库库岸稳定分析按东库盆、西库盆方案和全库岸方　案３种进行，东库盆方案首先分东南库岸、南库岸、　北库岸、东库岸等部位进行分析，各部位分析从地　形、边坡坡度、岩性（含覆盖层厚度，风化岩深度　等）、构造、稳定性、在库水动荡作用下是否可能发　生坍岸、是否采取工程处理措施等几个方面人手．　并建议开挖坡比及处理方法（含排水处理）。由于水　库蓄水后的岸坡以残坡积粘土及全风化层为主．主　要表现为土质边坡的稳定，采用ｓｔａｂ土质边坡软件　进行稳定计算，对可能存在滑坡体的库岸选取一些　垂直岸坡的纵剖面进行库岸稳定计算。选取水库蓄　水骤降后工况，采用毕肖普法，对浸润线（地下水　位线）以上土体取天然容重、天然快剪强度指标：　浸润线以下至死水位土体透水性弱，取饱和容重、　饱和固结快剪强度指标；死水位以下采用浮容重、　饱和固结快剪强度指标。在稳定安全系数较大的库　段选用饱和快剪指标进行复核，并根据计算结果决　定是否需要处理。　４地下厂房围岩稳定　因机组吸出高度的要求，抽水蓄能电站地下厂　房一般深埋地下，其位置的选择首先考虑主厂房工　程地质条件，兼顾主变室和尾调室的地质条件。厂　房轴线方向的确定应根据厂址范围内主要结构面的　优势方位、地应力条件，同时结合进、尾水建筑物　的布置综合分析确定。厂房选址时应尽量避开Ｉ、　Ⅱ、Ⅲ级断层，厂轴尽量垂直于优势结构面方位或　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．５困　ｚＵ１　：ｃ＃　月　具较大的夹角，避免上、下游边墙直接承受侧向力　为揭示高压岔管段岩体在高水头作用下的稳定　的作用。以利于稳定。厂轴方向与厂区初始地应力　场最大主应力方向的夹角一般大于３０。。影响厂轴　确定的因素主要是进、尾水的布置，尤其是进水线　路要平顺通畅。地下厂房位置的选择一般根据沿输　水线及平行厂房轴线布置的长探洞（一般宽３　Ｉｌｌ，　性和渗透性，需了解岔管部位地应力水平，一般要　进行高压岔管段岩体的现场高压渗透试验．以确定　岩体的劈裂压力、渗漏量及渗透比降．以此计算高　压灌浆压力等。泰安抽水蓄能电站高压岔管段的渗　透试验最大压力为５　ＭＰａ．大于４　ＭＰａ的内水压力．　试验基本达到岩体临界破坏压力。通过试验取得岩　高３　ｍ）揭露出的地下洞室群区工程地质条件．通　过分析论证后最终确定。长探洞的布置原则为：①　在厂房顶拱附近以高于顶拱为宜；②厂房位置未定　前，探洞的深度可按首部开发方案确定；③探洞的　体渗透临界压力及渗流特征．为岔管设计提供了依　据。仙游抽水蓄能电站高压压水试验于岔管支洞中　２个垂直孔中进行，采用５个压力点（２、３、４、６　断面尺寸应便于钻探、现场试验和地质编录等工作；　④洞口及边坡地质条件较好，能保持长期稳定；⑤　不影响厂房的稳定并可用于施工期通风和排水。如　仙游抽水蓄能电站布置了ＰＤｘｌ平硐＿５＿，主洞长　１　３０１．５　ｍ。还布置了３条勘探支洞，查清了地下厂　房洞室群以Ⅱ类围岩为主，断层破碎带为Ⅲ类围岩．　开挖揭露地质条件与前期勘察资料基本吻合。　抽水蓄能电站洞群围岩的稳定性主要受控于洞　室围岩类别、洞室问岩柱的厚度及其赋存的工程地　质环境条件，包括岩性及岩体结构特征、岩体的物　理力学性质、天然地应力特征以及地下水等。在进　行工程地质勘测时，洞室开展主要工作有：①洞群　围岩分类及整体完整性评价，为系统支护设计提供　依据；②洞群围岩局部不利块体完整性评价，为局　部加固处理设计提供依据；③模型试验洞变形观测，　为支护和施工方法提供依据。　目前，洞群围岩分类多采用工程岩体分级标准、　水电分类法（详细分类）和Ｑ系统分类法。仙游抽　水蓄能电站在可研阶段对ＰＤｘｌ平硐进行围岩分类，　综合了３种围岩分类法最终认为．地下厂房长探洞　ＰＤｘｌ围岩以Ⅱ类为主，约占７５％。Ⅲ类约占２５％，　洞口段为Ⅳ类围岩，局部断层带为Ⅲ～Ⅳ类围岩。对　不同的围岩类别洞室建议采取不同的处理方法。　５高压岔管围岩渗透及渗透稳定　抽水蓄能电站一般水头较高。岩体在高水头作　用下渗透性与常压条件下不同，可否采用钢筋混凝　土高压岔管是抽水蓄能电站输水系统设计的关键问　题。岔管位置的选择时一般考虑因素有：①岔管需　置于新鲜完整坚硬的岩体中，具有足够的上覆岩体　厚度，并满足挪威经验准则及有限元准则；②分岔　区域没有剪应力集中区，不发育较大断层和其他不　连续结构面，围岩有足够的抗渗性，岔管应置于相　对不透水层，以减少灌浆处理工作量；③围岩最小　地应力应大于该处的内水压力．保证运行水头下不　至于产生水力劈裂　豳Ｗａｒｅｒ　Ｐｏ　ｅｒ　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．５　ＭＰａ和７．５　ＭＰａ）９个压力阶段进行，最大压力为最　高水头的１．５倍，围岩在７．５　ＭＰａ水头压力下，透　水率一般都在０．４　Ｌｕ以下．围岩的透水性不强，属　微透水；少部分临界压力为６　ＭＰａ，当大于此压力　时，渗透流量骤然增大，随即产生渗透破坏，以Ｄ　型（冲蚀型）为主。根据上述现象并结合地应力测　试成果分析表明，岩石劈裂压力主要受最小地应力　控制，试验地段的最小地应力值为７．１５～７．６４　ＭＰａ。　６结语　抽水蓄能电站勘察与常规电站勘察工作方法基　本相同，但也有与常规电站不同之处。由于抽水蓄　能电站特定运行条件和自身特点．主要工程地质问　题又有其特殊性，这是今后在工程勘察或布置地勘　工作量时应注意并重点关注的问题。随着国家经济　建设的开展，一座座抽水蓄能电站正在勘察设计或　建成投产发电，积累的经验将更加丰富，采用的勘　察手段将更加先进，这将为抽水蓄能电站地质勘测　工作积累宝贵的经验。　参考文献：　［１］ＧＢ　５０２８７－－２００６水力发电工程地质勘察规范［Ｓ］．　［２］朱建业．抽水蓄能电站的工程地质勘察［Ｍ］／／中国地质学会工程　地质专业委员会编．中国工程地质五十年．北京：地震出版社．　２０００．　［３］吴火才．天荒坪抽水蓄能电站工程地质勘察及认识［Ｊ］．水力发　电，２００１（６）：１５—１８．　［４］彭土标，袁建新，王惠明，等．水力发电工程地质手册［Ｍ］．北　京：水利水电出版社．２０１１．　［５］ＤＩｆｒ　５２０８－－２００５抽水蓄能电站设计导则［Ｓ］．　（责任编辑杨健）