抽水蓄能电站建设与岩体初始应力场综述

李鹏云，聂 文，陈 雯，孟祥芳，刘运飞，陈彦生

（1.长江工程监理咨询有限公司，武汉 430010；2.长江科学院科技成果推广及信息中心，武汉 430010；3.长江勘测规划设计研究院施工设计处，武汉 430010）

抽水蓄能电站建设与岩体初始应力场综述

李鹏云1，聂 文2，陈 雯3，孟祥芳2，刘运飞2，陈彦生2

（1.长江工程监理咨询有限公司，武汉 430010；2.长江科学院科技成果推广及信息中心，武汉 430010；3.长江勘测规划设计研究院施工设计处，武汉 430010）

综述了我国已建、在建和拟建的抽水蓄能电站与岩体初始应力场测试、应用资讯；初步研讨了当代抽水蓄能电站设计施工中应用岩体初始应力场的一些基本规律，包括：①20座抽水蓄能电站实测岩体初始应力场存在高、中、低三类地应力水平；②实测的岩体初始应力与埋藏深度的关系；③抽水蓄能电站厂房洞室长轴方向与地应力的关系；④抽水蓄能电站的有压隧洞最小覆盖厚度；⑤地质断裂对抽水蓄能电站岩体初始应力约有30%～50%的影响。

抽水蓄能；电站建设；岩体初始应力场；设计；施工；基本规律

利用电力系统低谷负荷时的剩余电力抽水到高处蓄存，在高峰负荷时放水发电的水电站叫抽水蓄能电站。

自1882年瑞士苏黎世的奈特拉抽水蓄能电站首次问世以来，抽水蓄能电站逐步受到意大利、德国、法国、西班牙、英国、美国和日本等发达国家所推崇。据统计，1960年全世界抽水蓄能电站装机容量350万kW，1970年为1 600万kW，1980年为4 600万kW，1990年为8 300万kW，2000年达到11 328万kW，40年增加了32倍，平均年增长率为9.1%。

我国抽水蓄能电站建设起步虽然滞后西欧等发达国家十余年，但抽水蓄能电站建设在吸收国外先进技术及建设经验的基础上则发展较快。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，国内电力系统的日负荷峰谷差越来越大，因此，迫切需要提出解决调峰填谷的有力措施，从根本上解决峰谷差的问题。兴建抽水蓄能电站正是有效合宜的举措。

预计2020年我国发电装机将达到13亿kW以上。届时需要建设4 000万～6 000万kW的抽水蓄能电站［1］。

1 中国抽水蓄能电站建设及其特征

中国第一座抽水蓄能电站始建于1967年即河北省的岗南11 MW混合型抽水蓄能电站。1969年在我国宝岛台湾开始兴建德基抽水蓄能电站，其装机容量234 MW。截止2008年底，我国已建和在建的抽水蓄能电站计40座（详见表1），规划（拟建）扩建的也有40座（表2）。

由表1可见，我国抽水蓄能电站建设的特征为：

（1）我国已建和在建的抽水蓄能电站主要是两类，即纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站。前者的特征是发电的水量等于抽水蓄存的水量，并能重复循环使用；后者的特征是厂房内既没有抽水蓄能机组，也没有常规水轮发电机组。上水库有天然径流来源，既可利用天然径流发电，也可从下水库抽水蓄能发电。混合式一般为中小型，纯抽则为大型。

（2）表1中的赵家垭抽水蓄能电站系第三类的跨流域调水式抽水蓄能电站，其特点是：①下水库有天然径流来源而上水库却没有；②调峰发电量往往大于填谷的耗电量。

（3）不论是表1中的已建与在建抽水蓄能电站，还是表2中的规划扩建／拟建的抽水蓄能电站，另一个显著的特征是，中国重视了岩体初始应力场的测试、反演分析与地下围岩稳定研究，并且针对抽水蓄能电站的压力管道、电站地下厂房和埋藏式尾水洞甚至重要的断层／裂隙带均作了专门岩体初始应力场的测试应用。

2 中国抽水蓄能电站岩体初始应力场的测试基本特征与规律

根据20世纪90年代初至今近20年来国内文献记载，在表1与表2共80座抽水蓄能电站，总共搜索到20座抽水蓄能电站的岩体初始应力场测试资料（详见表3）。

表1 中国已建与在建的抽水蓄能电站一览表Table 1 List of construction for PSP station in China

2.1 岩体初始应力场基本测试特征

（1）从地域上看，我国沿海诸如广东、浙江等有占一半的抽水蓄能电站作了岩体初始应力场的测试，并分别针对其地下厂房区、高压隧洞、高压岔管、调压井乃至断层影响带专门作了研究。

表2 中国规划扩建／拟建的抽水蓄能电站一览表Table 2 List of planning for PSP station in China

（2）20座抽水蓄能电站岩体初始应力场被测岩性诸如岩浆岩、沉积岩和变质岩3大类岩性均已包括，但以岩浆岩居多。

（3）岩体初始应力场测试研究重点主要位于地下厂房区。20座电站百分之百地做了现场测试。其次是高压隧洞和高压岔管段的岩体初始应力场测试。

（4）岩体初始应力场测试成果的取得，主要采用的是套芯解除法（深钻孔与隧洞表层）与水压致裂法2种，个别采用了AE（岩石声发射）法。与此同时，为了佐证成果的可靠性，沿用了地质力学分析法、拟合法及位移反分析法等，结合被测区实际地质地貌，对应力场进行了回归反演分析。

2.2 应力场测试的某些基本规律

2.2.1 20座抽蓄水电站岩体初始应力场分类。

根据国标50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》说明中国外采用的岩石强度应力比（fr／σ1）分级表，将（fr／σ1）＜2划为高应力；（fr／σ1）＝2～4划为中应力；（fr／σ1）＞4划为低应力。于是，实测的20座抽水蓄能电站岩体初应力场分别为：①高应力水准8座（含广州一、二期、清远、阳江、天荒坪、乌龙山、宝泉和西龙池）；②中应力水准7座（含惠州、深圳、桐柏、十三陵、板桥峪、荒沟、泰安）；③一般偏低应力水准5座（含张河湾、蒲石河、羊卓雍湖、洪屏与宜兴）。

2.2.2 实测岩体初应力与埋藏深度的关系

我国抽水蓄能电站主厂房多处于地表以下100～500 m范围内，相应实测的岩体初始应力场中的3个主应力，基本符合下列式：

式中：σi为实测岩体初始力（MPa），i为1，2，3或v，H，h分别表示第一、第二、第三主应力或铅垂主应力、水平大主应力、水平小主应力（MPa）；A为以水平应力为主导的岩体初始应力常数，我国抽蓄水电站及其他水工程的3类岩性实测的岩体初始应力常数A见表4；B为与深度（z）相关的系数（见表5）；z为深度（m）。

表4 中国水工程实测岩体初始应力场主导常数Table 4 Const A of initial rock mass stress field measured in China MPa

表5 相关深度（z）的系数（B）Table 5 Coefficient B（t／m3）about deep（z）

2.2.3 地下厂房／硐室长轴方向的地应力选择

影响地下厂房／硐室长轴方向的因素中，岩体初始应力场的最大水平主应力不应与长轴正交，最佳选择是二者平行，至少成锐角夹角，通常用公式来描述，

式中：α为地下厂房／硐室长轴与实测岩体初始应力场中最大主应力方向的夹角（°）；σ1，σ2，σ3分别表示岩体初始应力场中的第一、第二、第三或最大、中级、最小主应力（MPa）。

由表3所示的抽水蓄能地下厂房／硐室长轴方向与实测岩体初始应力场中最大水平主应力方向夹层绝大多数在α＝35°以内，较有利于地下硐室的稳定。

2.2.4 有压隧洞最小覆盖厚度（Zmin）的确定

对于不衬砌的有压隧洞最小覆盖厚度确立，通常采用挪威准则或澳大利亚准则［37，38］（见式（3）与式（4）、图1和图2）。

式中：Zmin为岩石最小覆盖厚度（m）；hs为静水头（m）；ρw为水的质量密度（t／m3）；ρr为岩石的质量密度（t／m3）；f为安全系数；β为坡角（°）。

式中Zv，min和ZH，min分别为岩石最小垂直和水平的覆盖厚度（m）。

需要指出的是，所谓岩石最小覆盖厚度，其实质是有压隧洞不衬砌要求的上覆或垂向及水平向隧洞距临空面的直线距离，或用岩体初始应力场中的最小主应力来讲，就是有压隧洞内的水压力应小于等于其围岩上覆厚度与重度与重力加速度的乘积。

我国20座抽水蓄能电站中，实测的有隧洞最小覆盖厚度基本上处于上、下水库之间落差尺寸即100～500 m范围相当。

图1 挪威覆盖准则Fig.1 Norwegian overburden criterion

图2 澳大利亚覆盖厚度准则Fig.2 Overburden criterion for a project in Australia

2.2.5 断裂对抽蓄水电站岩体初始应力的影响

国内外大量的岩体初始应力实测结果表明，被测岩体或者说初始应力场赋存的载体，其地质缺陷诸如附近断层或裂隙密集带，与岩体初始应力场的变化密切相关。通常实测的岩体是选择能满足量测方法理论假设的“线弹性介质”的相对新鲜完整的好岩体。如同中医看病拿脉一样，把脉的男左女右手腕不是疾病之处，而是通过脉相变化来判断病人的内痼所在。所以量测岩体初始应力不同于测量岩体变形模量。前者主要选取同一构造体系的好岩体，而后者必须选在有影响的缺陷岩体。然而，岩体初始应力场量测的好岩体附近若有断裂存在，尤其是断裂越发育，岩体应力状态变化幅度就越大，这一普遍规律在表3的广州抽蓄（二期）和西龙池抽蓄电站实测结果也得到进一步证实。即断裂导致同一体系的岩体初始应力降低了约30%～50%。同时，断层面以上和以下实测的岩体初始应力场也有一定区别，即界面以上的实测应力多与地形地貌局部应力场密切相关；而界面以下的实测初始应力多反映的是区域构造应力场。

3 结 语

（1）在以煤电、核电为主体电能体系的中国，建设抽水蓄能电站既填谷、调频、调相、调荷、备用与提高电网的可靠性，又节能、环保、可持续发展；既符合中国国情，又顺应世界能源发展潮流。

（2）岩体初始全应力场既是抽水蓄能电站地下厂房、有压隧洞及岩层断裂的关键影响因素，又是岩体与4大工程材料（诸如木材、水泥、钢材和土工合成材料）的根本区别之点；抽蓄地下工程利用岩体的自支承能力和自稳性，其实质是充分利用岩体初始应力场。

（3）抽蓄地下工程利用岩体初始应力场，既要分类判断其应力大小水平，又要应用应力的方向（与地面夹角和方位角），还要计算、分析有压隧洞不衬砌时的最小覆盖厚度与断裂的影响程度，从而在抽蓄地下工程施工与支护、衬砌设计中做到经济、合理、适时、可靠。

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（编辑：周晓雁）

A Summary of Initial Rock Mass Stress Field and Construction for Pumped Storage Power Station

LIPeng-yun1，NIEWen2，CHENWen3，MENG Xiang-fang2，LIU Yun-fei2，CHEN Yan-sheng2
（1.Changjiang Engineering Supervision＆Consultant Corp.Ltd.（Hubei），430010 Wuhan，China；2.Yangtze River Scientific Research Institute，430010 Wuhan，China；3.Construction and Design Department，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China）

This review dealswith constructed，under-construction，and awaiting construction pumped storage power station in China，and measurement and application of their rock mass initial stress field.Some basic laws of rock mass initial stress field during the design and construction of contemporary pumped storage power station，are preliminarily studied，including as follows：①high，middle and low in-situ stress levels existing in themeasured rock mass initial stress field；②the general expression coinciding the three principal stresses changes in the region of100 -500 m below the earth＇s surface；③the relationship between the chamber long axis direction and the geo-stress；④the equation of theminimum cover thickness of the PSP station；⑤30%-50%effect on the rock mass initial stress caused by geological fracture.

pumped storage power；power station construction；rock mass initial stress field；design；construction；basic law

TV743；TU452

A

1001-5485（2009）08-0059-06

2009-05-11；

2009-07-07

李鹏云（1965-），男，湖北蕲春人，高级工程师，主要从事水工程地质勘察及工程监理咨询工作，（电话）13907128928（电子信箱）Lpycjw＠163.com。