抽水蓄能电站库盆开挖填筑设计原则与关键问题初探

王富强，彭森良，辛俊生，刘尧伍，庄洪志

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

0 引 言

2020年9月22日，中国在第75届联合国大会上正式提出“2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和”的目标。为减少二氧化碳排放量，实现“双碳”目标，构建以新能源为主体的新型电力系统是一项重要举措，新型电力系统中需要大批量快速建设一批抽水蓄能电站承担电力系统的调峰、填谷、储能等任务。据不完全统计，目前全国开展前期规划设计工作的抽水蓄能站点超过300个[1-3]，抽水蓄能电站勘测设计和建设迎来了前所未有的高峰。

抽水蓄能电站的枢纽工程主要由上水库、下水库及其之间的输水发电系统建筑物等组成。抽水蓄能电站的水库设计有别于常规水电站，调节库容由电站装机规模、利用小时数及利用水头决定。在此基础上，需根据地形地质和枢纽布置条件等因素平衡好库盆的开挖和填筑，以期使工程量和工程投资达到最优。库盆开挖填筑是抽水蓄能电站水库设计的一个关键技术问题，本文通过对近期开展勘察设计工作的抽水蓄能站点的统计，分析库盆开挖填筑的影响因素和一般规律，初步探讨关键技术问题及其对策措施。

1 库盆开挖填筑设计原则

抽水蓄能电站库盆设计原则是在满足调节库容和水库水位变幅限制要求的前提下，最大限度的利用开挖料筑坝或综合利用，减少工程弃渣[4-6]。具体为：

(1)满足调节库容需求。抽水蓄能电站的调节库容由电站装机规模、利用小时数和利用水头决定。对于装机容量120万kW、满发利用小时数为6 h的抽水蓄能电站，利用水头400、500、600 m时调节库容分别需约800万、700万、600万m3。在此基础上，还需考虑死库容、水损备用库容等因素，最终确定水库总库容。为满足水库库容要求，需结合天然地形通过筑坝或库内扩挖形成库盆。

(2)满足水库水位变幅要求。为保证机组在各工况下均能稳定运行，对于不同水头范围的可逆式机组，在水泵工况的最大扬程和发电工况的最小水头比值有不同的要求，需控制水库水位变幅在一定的范围内才能满足相关要求。对于深切峡谷形库盆，为满足水位变幅要求，往往需要抬高死水位，造成部分水库死库容较大。若工程有较多弃渣料，在不影响进/出水口运行的前提下，可考虑将弃渣填筑在死水位以下，减少渣场占地和由弃渣可能造成的环保问题。

(3)充分利用开挖料，减少弃渣量。根据库容和抽发比要求，确定水库水位后可确定坝高，坝体填筑工程量也随之确定，而坝体填筑料可由开挖料或料场获得。为降低工程造价，抽水蓄能电站应优先考虑从开挖料和库盆扩挖料取得填筑料，从而达到在扩大库容的同时获取足够的大坝填筑料，当可利用的开挖料和库盆扩挖料刚好满足坝体和其他填筑料用量要求，达到挖填平衡。部分项目受地形地质条件限制，需从库外料场开采填筑料，和采用库内扩挖料场相比，由于库外料场需要额外的工程占地，开挖料场也无法增加水库有效库容，只能通过加大坝高满足库容需要，坝体填筑工程量较大，经济指标通常较差。因此，抽水蓄能电站在地形地质条件允许的情况下，通常结合库盆扩挖在库内布置料场。库内料场的规模应综合考虑坝料需求、库岸边坡高度、水库水位变幅和工程造价等因素综合确定。

2 影响库盆开挖填筑的关键因素

本文共收集了150多个抽水蓄能电站的设计资料，主要基于56个大中型抽水蓄能站点开展了主要信息统计，其中，包含3个中型抽水蓄能站点(大悟黑沟、花山、钟祥)和2个混合式抽水蓄能站点(古田溪、乌溪江)。收集到的典型抽水蓄能电站地质信息见表1。

表1 56个典型抽水蓄能站点地质信息统计结果

抽水蓄能电站上水库一般布置于山顶附近且与下水库高差达数百米，建筑材料外运条件较差，通过就地取材筑坝成库能够大幅节省工程成本，绝大多数站点采用土石坝筑坝成库，其开挖填筑设计更具代表意义，因此，本文梳理总结了56个大中型抽水蓄能站点上水库的库盆开挖填筑的主要特点，总结了开挖量、填筑量和弃渣量之间的一般规律。

2.1 开挖填筑工程量总体规律

图1、2分别为抽水蓄能上水库库盆开挖量与填筑量、弃渣量的对比。由图1、2可知，在56个大中型抽水蓄能站点中，上水库库盆填筑量均低于开挖量，绝大多数工程填筑量为开挖量的0.2～1.0，而填筑量为开挖量的0.3～1.0的工程约占80.4%。上水库库盆填筑量大于弃渣量的工程占82.4%，且所有站点工程弃渣量不超过填筑量的2倍。弃用了弱风化以下硬岩料的站点约占1/4，说明有3/4的站点趋近了挖填平衡设计。

图1 库盆开挖量与填筑量对比示意

图2 库盆填筑量与弃渣量对比示意

表2为典型抽水蓄能站点上水库挖填平衡关系。由表2可知，可溶岩地区绝大部分站点无需库外料场，56个大中型站点中有18个站点需要寻找库外料场，需要寻找库外料场的站点主要由于库盆开挖料中含有软岩夹层或为硬岩与软岩互层。库外料场仅作为混凝土骨料料源，均不涉及堆石料。此外，2个混合式抽水蓄能站点均利用洞挖料作为混凝土骨料，工程产生弃渣在50万m3以内。

表2 典型抽水蓄能站点挖填平衡关系汇总

2.2 库盆挖填与防渗形式关系对比

库盆挖填平衡设计与水库防渗形式关系密切。除作为混凝土骨料料外，采用垂直防渗的水库和利用山顶平台挖填全库盆防渗的水库，库盆开挖料主要用于填筑大坝；利用山顶沟源局部天然地形进行全库盆防渗的水库，库内开挖料主要用于大坝填筑和库底回填。

统计发现，受单位千瓦投资等经济指标限制，中小型站点均需采用垂直防渗处理，库盆岩性为可溶岩或夹有可溶岩的站点均采取了全库盆防渗处理。由表1可知，在51个大型抽水蓄能站点中，上水库采用垂直防渗处理的站点有14个，占比27.5%，利用局部天然地形进行全库盆防渗处理的站点有31个，占比60.8%，采用挖填全库盆防渗处理的站点6个，占比11.7%。从区域上来看，西北地区的14个站点全部采取了全库盆防渗处理，其中约1/3的站点采取挖填全库盆防渗处理；华北地区的8个站点中有6个采取了局部利用天然地形的全库盆防渗处理，占比75%；西南地区的10个站点中，有9个采取了全库盆防渗处理；中南地区和东北地区约有一半的站点采取了全库盆防渗处理，西南、中南、东北3个地区的全库盆防渗站点主要处理水库岩溶渗漏问题；华东和华南地区的站点岩性以花岗岩、熔结凝灰岩等坚硬块状火成岩为主，绝大多数站点采取垂直防渗处理。

表3为54个大中型典型抽水蓄能站点上水库挖填平衡工程量统计。由表3可知，库区开挖量、弃渣量和库外用料量由大到小依次为挖填全库盆防渗、全库盆防渗、垂直防渗，填筑量由大到小依次为全库盆防渗、挖填全库盆防渗、垂直防渗。总体上，挖填工程量由大到小依次为挖填全库盆防渗、全库盆防渗、垂直防渗的站点。

表3 典型抽水蓄能站点上水库挖填平衡工程量统计分析

2.3 地质条件对挖填平衡影响统计分析

表4、5分别为工程地质岩组对挖填平衡工程量影响分析和岩体强风化底界埋深与挖填平衡工程量对比。由表4、5可知，总体上，岩体风化越浅，工程开挖量越小，库外用料越少，岩体风化程度与工程填筑量和弃渣量关系并不密切，主要原因是部分站点的覆盖层、软岩和风化岩体等用作了库底回填料。岩石强度对开挖、填筑和弃渣量影响不大，但硬岩一般经处理后可用作混凝土骨料，无需库外料场。

表4 工程地质岩组对挖填平衡工程量影响分析

3 库盆开挖填筑关键问题与对策初探

库盆开挖填筑设计的关键技术问题是根据库容需求和实际地形地质条件，合理选择水库水位，确定工程开挖料的利用原则和利用率，据此确定库周线以期获得满足筑坝要求的开挖料、同时增加调节库容。总体上看，上述统计的大部分站点上水库的库盆开挖填筑趋近了挖填平衡，说明各设计单位也充分认识到了库盆挖填平衡的重要性，但也有部分站点存在勘察深度不够、地质模型不精确、专业协同不够、开挖填筑平衡差导致弃渣量大的问题。为更好的做好库盆设计开挖填筑设计，提出以下对策措施建议：

(1)地质勘察工作是库盆开挖填筑设计的基础，应提前调配资源，在有限的勘测周期内提高工作效率，并进一步加强成果质量控制。一是，应严格按照规范要求开展现场勘探和试验工作，必要时可加深加密钻孔布置，以保证库内开挖料的勘察深度和精度。同时，依托数据传输技术的快速发展，勘察成果应及时反映到工程地质报告和图件上。二是，岩体风化界线很大程度上决定了挖填平衡工程量，借鉴国际水电地质工程师经验，在构造发育部位单独分段的基础上，其余部位以岩块断口的变色程度来作为岩体风化标准的主要依据之一，例如，当岩块断口的变色程度小于10%时为微风化，10%～50%之间为弱风化，50%～90%之间为强风化，90%以上为全风化，岩体破碎程度通过石料使用率予以考虑。该方法便于青年地质工程师快速建立风化控制标准，确保地质模型与参数的统一，为料源开挖填筑设计提供可靠依据。三是，建议利用三维模型计算料源储量时应按照规范要求采用平行断面法等进行复核[7]。

(2)及时总结土石坝和抽水蓄能开发建设中软岩、风化岩体或覆盖层等材料筑坝的新技术和新进展，在有需求的站点尽早开展坝料试验和现场碾压试验，复核软岩或碎石土筑坝的可行性，并提出控制标准[7]。

(3)部分工程需要进行扩库开挖以满足调节库容要求。随着坝高增加需要的扩挖库容减小，扩挖库容的大小宜和水库水位变幅要求、坝体高度、填筑工程量及整体工程投资相协调，综合比较确定。尽量提高开挖料利用率，减少工程弃渣，弃渣可优先考虑在库内死水位以下或坝后压坡体进行堆渣。