抽水蓄能电站主要工程地质问题探讨_林金洪

水力发电2013年5月

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9No．5０引言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[1]。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。１地形选择在选点规划阶段，站址的选择一般需遵循以下原则：水头应较高并选在200～700m之间；输水线路长度L与水头H之比上、下库尽量接近，且比值不应超过10[2]；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973m，西库岸天荒坪高程930m，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590m，筑坝形成水库后平均水头570m，最大发电毛水头610m。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口，副坝不高，为一优良的上库地形条件。周宁抽抽水蓄能电站主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DiscussiononMainEngineeringGeologicalProblemsofPumped-storagePowerStationLINJinhong（FujianHuadongGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd.,Fuzhou350003,Fujian,China）Abstract:Therearemanyengineeringgeologicalproblemsintheconstructionofpumped-storagestations,suchasupperreservoirleakage,stabilityofreservoirbank,leakageandstabilityofbifurcationpipesectioninwaterdeliverysystem,groundtresstestofundergroundpowerhouseandsurroundingrockstabilityofundergroundcaverns.Learningexperiencesfromactualprojects,themaintasksingeologicalinvestigationofpumped-storageprojectsareanalyzedforsolvingtheseproblems,whichhascertainsignificancetothegeologicalinvestigationofpumped-storageprojectsinthefuture.KeyWords:upperreservoirleakage;reservoirbankstability;surroundingrockstability;seepagestability;pumped-storagepowerstation中图分类号：TV221.2；TV743文献标识码：A文章编号：0559－9342（2013）05－0024－03

收稿日期：2013-01-30作者简介：林金洪（1961—），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.第39卷第5期2013年5月

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WaterPowerVol．39No．5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650～700m，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680～705m。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个垭囗。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F38断层，顺河床发育，宽20～25m，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K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F1断层用锁边帷幕封闭，向库尾延伸与西库岸相接[3]。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F1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[4]。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入手，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林金洪：抽水蓄能电站主要工程地质问题探讨

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WaterPowerVol．39No．5具较大的夹角，避免上、下游边墙直接承受侧向力的作用，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3m，高3m）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PDx1平硐[5]，主洞长1301.5m，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、洞室间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PDx1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PDx1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。为揭示高压岔管段岩体在高水头作用下的稳定性和渗透性，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5MPa，大于4MPa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、6MPa和7.5MPa)9个压力阶段进行，最大压力为最高水头的1.5倍，围岩在7.5MPa水头压力下，透水率一般都在0.4Lu以下，围岩的透水性不强，属微透水；少部分临界压力为6MPa，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7.15～7.64MPa。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］GB50287—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］DL/T5208—2005抽水蓄能电站设计导则［S］.（责任编辑杨健