不同地质背景下抽水蓄能电站工程地质勘察讨论

2023-10-30王汉斌王惠明赵国斌

水力发电 2023年10期

王汉斌，王惠明，赵国斌

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

0 引言

在构建新型能源体系的背景下，抽水蓄能电站的功能定位和选址规划发生了显著变化。在经历了产业起步期、探索发展期、完善发展期和蓬勃发展期4个时期[1-2]后，国家《抽水蓄能中长期发展规划(2021年—2035年)》的实施推动抽水蓄能电站建设进入了高质量发展的爆发式增长期。在此背景下，抽水蓄能电站工程地质勘察面临着前所未有的挑战，选址规划已不可避免地涉及高地震烈度、活动断裂、岩溶、缓倾角或软弱夹层发育的层状岩体和湿陷性黄土等复杂的特殊岩土工程地质问题。为此，本文在分析当前抽水蓄能电站发展新态势的基础上，探讨了复杂工程地质背景下存在的主要工程地质问题以及地质勘察的重点与难点。

1 抽水蓄能电站发展新态势

双碳目标驱动下，抽水蓄能电站的储能特性在新型能源体系中的作用已被业界所公认，并成为大型新能源基地的重要组成部分。在加快构建新型电力系统的背景下，依据中长期规划，抽水蓄能电站的规划选址和预可行性、可行性研究工作已在全国范围内普遍展开。据不完全统计，截至2022年9月，我国规划、设计、施工及已建成投产抽水蓄能站点共约427个，分阶段各地区统计抽水蓄能站点见图1。从统计资料来看，已建成投产及施工阶段项目以重点电力消费区的华东地区最多，在设计阶段是华中地区数量最多，而规划阶段则以具备沙漠、戈壁、荒漠新能源基地建设条件的西北等区域数量最多。新时期，抽水蓄能电站选址出现由东向西推移的趋势，建设的工程地质条件越发复杂，在工程设计遇到各类不良工程地质问题更加复杂，为工程地质勘察带来了更大的挑战。基于此，作者依据近几年的工程实践，讨论了相关的几种特殊岩土工程地质问题及其勘察重点。

图1 分阶段抽水蓄能电站站点统计

2 复杂区域构造背景地区的工程地质勘察

2.1 区域构造背景复杂地区的站点选址

我国区域构造稳定性整体表现为西北、西南地区区域构造稳定性最差，华北和东南沿海一带区域构造稳定性较差以及东北、华南地区区域构造稳定性较好[3-4]。截至2022年9月，共有61个规划或设计阶段的站点处于基本烈度Ⅷ度区，包括内蒙古美岱、甘肃张掖、甘肃皇城、新疆阿克陶等抽水蓄能电站；17个站点近场区发育活动断裂，如山西代县黄草院抽水蓄能电站；15个站点场址区穿越活动断裂，如新疆阿尔泰地区站点涉及哈巴河活动断裂、哈密地区站点涉及哈密盆地北缘活动断裂、和田若羌站点涉及阿尔金北缘活动断裂、甘肃张掖站点场址区发育榆木山东缘活动断裂、玉门站点场址区发育阿尔金活动断裂，陕西富平站点场址区发育北山山前活动断裂等。抽水蓄能电站站点地震基本烈度统计见图2。图3列出了部分位于地震基本烈度Ⅷ度区[5]的抽水蓄能电站站点位置。在站点选址过程中，依据现行规范规定，挡水建筑物不应建在活动断层上，但针对输水系统、地表建筑物暂无相关规定，若无法避开，可能存在抗断、高地震动参数和高设防烈度等问题。

图2 抽水蓄能电站站点地震基本烈度统计(截至2022年9月)

图3 地震基本烈度Ⅷ度区抽水蓄能电站站点示意(部分)

2.2 区域构造稳定性的工程地质勘察

区域构造条件对工程意义重大，相关规范对其有详细勘察要求。总体讲，工程区工程地质勘察应以复杂的区域构造背景、活动断裂分布、高地震烈度以及区域断裂对相关建筑的影响为重点。

设计单位对需要重点关注的场址区断层活动性多采用一些常规勘探手段，确定活动断层的规模和位置，并针对性采取措施，主要包括采取避让措施，无法避让的进行抗断设计，以及设计出最不利工况下建筑物仍可运行或易于修复的结构形式。除此以外，也应结合区域构造情况，研究场地断层与区域活动断裂的关系，分析其延展特性；重视工程地震安全性评价工作，基于工程区地震地质背景、地震活动性，分析潜在震源划分、地震动参数计算的准确性，必要时可研究周边地震发生时影响范围等。

3 岩溶发育地区的工程地质勘察

3.1 站点分布及工程地质问题

根据地貌类别，将我国岩溶发育区划分为4个区，包括西部高原、台地、盆地岩溶区(西部岩溶区)；东北山地、平原岩溶区(东北岩溶区)；华北山地、高原、黄淮海平原及辽东半岛丘陵岩溶区(华北岩溶区)；云贵高原及华南丘陵、盆地、平原岩溶区(云贵及华南岩溶区)，见图4[6]。华北岩溶区主要位于黄河流域及辽西等区域，华南岩溶区主要位于长江中、下游与珠江流域地区。据不完全统计，截至2022年9月，我国规划、设计、施工、投产阶段的抽水蓄能站点约有57个位于岩溶发育区，而这些站点多集中在华北、华南岩溶区，站点数量分别约占总数的40%、58%，其他站点位于西部岩溶区，东北地区站点基本不涉及岩溶问题。

图4 岩溶地区部分抽水蓄能电站分布

从地层分布来看，华北岩溶区可溶岩组主要包括中奥陶组马家沟组和中寒武统张夏组厚层灰岩、鲕状灰岩，下奥陶统白云质灰岩、白云岩，上寒武统灰岩及震旦系硅质灰岩、白云岩。其中，马家沟组和张夏组是该区主要岩溶含水层，岩溶最发育。该区古岩溶及近代岩溶最为发育，表现出沿结构面、可溶岩与非可溶岩的接触带、断裂及其交汇带最为发育的基本规律，岩溶埋藏深度普遍较大，站点建设面临上下水库渗漏问题突出，需采取合适的防渗处理措施，如山西绛县、蒲县、河北易县等站点。

华南地区碳酸盐岩大面积出露，岩溶也极为发育，包括云南东部、贵州、广西、四川东部、湖南西部和湖北西部等地区。其中，云南东部可溶岩以二叠系灰岩、白云岩及三叠系下统灰岩为主，区域岩溶发育埋深较大，上水库多存在库周渗漏可能，下水库存在向邻谷渗漏可能，代表性站点包括云南富民、泸西、宣威抽水蓄能电站。贵州抽水蓄能电站以寒武系清虚洞组、二叠系栖霞组和茅口组、三叠系大治组和关岭组等白云岩、灰岩为主，上水库多存在渗漏问题，为避免高高程水库水沿岩溶向低高程地下洞室涌入，电站地下洞室多采用中部式开发方式，代表性站点包括黔南、贵阳、兴义抽水蓄能电站。重庆及鄂西地区奥陶系～三叠系可溶岩均有分布，主要为栖霞组、茅口组灰岩，嘉陵江组灰岩、白云质灰岩、白云岩等，该地区受构造控制，岩溶多顺层和沿构造发育，表现为横向谷存在临谷渗漏、顺向谷向坝下游渗漏等突出问题，代表性站点包括菜籽坝、松滋、长阳、宝华寺等抽水蓄能电站。

3.2 工程地质勘察重点

在岩溶地区规划选址过程中，通常上水库建设在岩溶洼地上，如湖北松滋上水库由2个岩溶洼地组成，水库区岩溶洞穴、漏斗等最为发育，下水库库周可见众多泉水点出露，水文地质环境复杂，上下水库岩溶渗漏问题均突出，防渗措施和设计难度较大，需投入较多勘探工作量。如果勘探发现岩溶现象发育，库周渗漏情况严重，上库多需采取全库盆防渗，但库盆、坝基众多浅埋溶洞还未揭露，这对运行期库内防渗措施安全、大坝坝基稳定存在一定威胁。然而，因岩溶发育规律差异大，隐伏岩溶探测难度大，故而在勘测设计阶段应以查清岩溶发育规律为主，并在技施阶段开展专项工程地质勘察，结合开挖揭露的岩溶特征进一步分析评价。因此，在前期勘察中应针对水库渗漏问题布置一定的勘探工作量，并以查清库周的构造特征、渗漏通道、两岸分水岭、相对隔水层厚度和范围等为重点，针对已经勘探到的溶洞，结合岩层产状、地质构造、地下水位特征、溶洞连通试验成果等，分析库周范围岩溶发育规律，对库周可能的渗漏通道进行分析研究，针对防渗范围提出工程地质建议，并对隐伏岩溶发育情况提出初步评价。

除对水库渗漏、库底防渗结构、坝基稳定产生较大影响外，岩溶系统发育的随机性和水文地质条件的复杂性也为岩溶地区地下洞室勘察带来了极大的挑战，勘察深度不够，对地下岩溶发育规律了解不足，将会影响地下洞室围岩稳定性判别、涌水估计等，从而为其设计和施工带来隐患[7-9]。因此，岩溶地区地下洞室的勘察工作也是重点。如果地下洞室群布置于岩溶极其发育的地层中，或存在连通下水库与地下厂房之间通道的可能，或是随着大型地下洞室的开挖，周边水文地质条件发生改变，以高程低的地下洞室为排泄点，地下厂房存在被淹没风险。如在贵州省站点规划选点中的福泉坪、楠木山、桐溪、莲花、石厂坝、大树子等站点，上水库位于岩溶地下水补给区，输水发电系统处于岩溶地下水的径流区，下库为岩溶地下水的排泄区，由此引发的水库渗漏和岩溶稳定、地下洞室岩溶涌水等问题突出。在已建成的安徽琅琊山抽水蓄能电站工程区地层以厚层致密块状灰岩为主，岩溶发育较为强烈，地表形成溶坑、落水洞等，地下则形成溶洞，前期勘察揭露和发现落水洞、溶坑、溶斗共计23个，溶洞14个，施工中揭露总量达到100余个；即将建成的江苏句容抽水蓄能电站岩溶沿断层发育，且在高程-70 m仍有岩溶发育。上述工程实例充分说明了岩溶地区抽水蓄能电站工程地质勘察的复杂程度。因此，在勘测设计阶段要尽可能查清上下水库及地下洞室群周边岩溶发育情况及水文地质条件，分析在水库蓄水条件下洞室开挖对周边水文地质条件的影响，并在施工期进一步探测地下洞室群附近的隐伏岩溶发育规律，包括采取钻孔、物探等手段。

综上，岩溶问题复杂多变，针对该类问题的水库渗漏、地下洞室围岩稳定问题、涌水量预测以及岩溶规模、隐伏岩溶发育部位预测等是该类型电站勘察的重点。

4 层状或缓倾角地层发育地区的工程地质勘察

4.1 站点分布情况

从地层分布特征来看，我国西南、西北等地区多以碎屑岩占比较大的沉积岩为主，如重庆地区站点多发育缓倾状砂岩、泥质砂岩及泥岩等地层，甘肃皇城站点地下洞室群发育缓倾的砂岩，山西西龙池抽水蓄能电站地下厂房洞室群位于近水平状、互层状和薄层状的泥质鲕状灰岩、泥质条带状灰岩、泥质柱状灰岩、薄层粉砂岩中。在此类地区建设抽水蓄能电站，地下洞室群的围岩稳定问题突出[10-12]。

4.2 工程地质勘察重点

基于梁理论可知，这种水平层状的顶拱破坏形式以弯曲折断为主。而顶拱稳定问题不仅与岩层产状相关，还与岩体性状、岩体的物质组成、水理特性等相关性较大，如果岩体泥质含量较高，岩体性状整体较软，对顶拱围岩稳定不利；此外，物质组成如若包括遇水易膨胀、崩解类矿物，顶拱甚至地下洞室失稳概率将大大增加。

规范及工程实践均期望将地下洞室拱顶置于不存在上述问题的岩体中。在勘察方法方面，需结合多方向钻孔、平硐、试验等多种手段开展勘察工作，平硐、钻孔等需结合出露岩层产状进行针对性布置，试验方面需重点分析研究岩体性状，尤其应注重对矿物类型及其含量组成比例分析的研究，存在蒙脱石等黏土矿物时需研究岩体的水理特性，查清岩层结构、产状、岩体性状、物理力学性质等，以合理选择顶拱位置，确定针对性的支护措施，确保洞室围岩稳定及厂房运行安全性。

5 湿陷性黄土地区的工程地质勘察

5.1 站点分布情况

根据新一轮抽水蓄能电站规划资料，我国西北地区纳规的抽水蓄能资源量占比最大，约占20%，陕北风光资源丰富，现正在大力推进建设的沙漠、戈壁、荒漠地区大型风电光伏基地，为满足新型能源体系建设的需要，抽水蓄能电站的建设显得尤为重要。然而，我国西北地区，尤其是陕西、甘肃等地区黄土具有分布广、连续性好、厚度大等特点，抽水蓄能电站站点可能无法避开这类特殊的土层。目前，已有较多的规划站点选址地质条件、地形条件复杂，且涉及黄土湿陷性、震陷特性等工程地质问题。因此，黄土地区建设抽水蓄能电站的可行性和适宜性也成为了业界探讨的重点。陕晋黄土高原区拟建抽水蓄能站点分布见图5。

图5 陕晋黄土高原区拟建抽水蓄能站点分布

5.2 工程地质问题

截至目前，还没有真正意义上进入可研阶段的黄土抽水蓄能电站，主要由于黄土这一特殊类土特性遇水易发生大变形。已有水利工程实例表明，黄土地区建设引水、蓄水工程面临着复杂的工程地质问题，其中因含水率升高而发生的湿陷进而引发的水库渗漏、边坡失稳、地基变形等[13-16]最为突出。从已有经验可以预见，建设抽水蓄能电站必将面临包括黄土湿陷性、黄土地区边坡稳定、黄土地基失稳和不均匀沉降、黄土地下洞室围岩稳定问题等一系列工程地质问题。

5.3 工程地质勘察重点

黄土地区抽水蓄能电站主要是由于黄土的特殊性质决定的。因此，勘察过程中需重点关注黄土的物质组成和其特有的湿陷、渗透、溶滤、结构构造特性，对地形地貌、水文地质条件等也需结合建筑物形式具体分析。其中，物质组成方面主要应查明黄土的地层时代、物质成分、颗粒组成、分布、厚度及其成层情况和成因类型，以及其在水平、垂直方向上的发育规律、成生上的特点和联系，这对各建筑物地基、边坡、洞室稳定和水库渗漏问题的研究均极为重要。黄土的结构构造中的大孔隙、黄土洞穴等隐患发育的地层层位、深度、分布的位置、高程和连通情况等特征也应在勘察中关注，其对边坡、建筑物地基稳定性和水库渗漏有着直接的影响。地形地貌、水文地质条件对水库渗漏问题影响巨大，需查清可能的渗漏形式和库段，并提出措施建议。此外，还应开展必要的湿陷性、震陷等试验与评价工作，必要时还需开展黄土地区抽水蓄能电站工程地质条件适宜性研究。