抽水蓄能電站庫盆開挖填筑設(shè)計(jì)原則與關(guān)鍵問題初探

王富強(qiáng)，彭森良，辛俊生，劉堯伍，莊洪志

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引 言

2020年9月22日，中國在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上正式提出“2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。為減少二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是一項(xiàng)重要舉措，新型電力系統(tǒng)中需要大批量快速建設(shè)一批抽水蓄能電站承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能等任務(wù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國開展前期規(guī)劃設(shè)計(jì)工作的抽水蓄能站點(diǎn)超過300個(gè)[1-3]，抽水蓄能電站勘測設(shè)計(jì)和建設(shè)迎來了前所未有的高峰。

抽水蓄能電站的樞紐工程主要由上水庫、下水庫及其之間的輸水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等組成。抽水蓄能電站的水庫設(shè)計(jì)有別于常規(guī)水電站，調(diào)節(jié)庫容由電站裝機(jī)規(guī)模、利用小時(shí)數(shù)及利用水頭決定。在此基礎(chǔ)上，需根據(jù)地形地質(zhì)和樞紐布置條件等因素平衡好庫盆的開挖和填筑，以期使工程量和工程投資達(dá)到最優(yōu)。庫盆開挖填筑是抽水蓄能電站水庫設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，本文通過對近期開展勘察設(shè)計(jì)工作的抽水蓄能站點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，分析庫盆開挖填筑的影響因素和一般規(guī)律，初步探討關(guān)鍵技術(shù)問題及其對策措施。

1 庫盆開挖填筑設(shè)計(jì)原則

抽水蓄能電站庫盆設(shè)計(jì)原則是在滿足調(diào)節(jié)庫容和水庫水位變幅限制要求的前提下，最大限度的利用開挖料筑壩或綜合利用，減少工程棄渣[4-6]。具體為：

(1)滿足調(diào)節(jié)庫容需求。抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)庫容由電站裝機(jī)規(guī)模、利用小時(shí)數(shù)和利用水頭決定。對于裝機(jī)容量120萬kW、滿發(fā)利用小時(shí)數(shù)為6 h的抽水蓄能電站，利用水頭400、500、600 m時(shí)調(diào)節(jié)庫容分別需約800萬、700萬、600萬m3。在此基礎(chǔ)上，還需考慮死庫容、水損備用庫容等因素，最終確定水庫總庫容。為滿足水庫庫容要求，需結(jié)合天然地形通過筑壩或庫內(nèi)擴(kuò)挖形成庫盆。

(2)滿足水庫水位變幅要求。為保證機(jī)組在各工況下均能穩(wěn)定運(yùn)行，對于不同水頭范圍的可逆式機(jī)組，在水泵工況的最大揚(yáng)程和發(fā)電工況的最小水頭比值有不同的要求，需控制水庫水位變幅在一定的范圍內(nèi)才能滿足相關(guān)要求。對于深切峽谷形庫盆，為滿足水位變幅要求，往往需要抬高死水位，造成部分水庫死庫容較大。若工程有較多棄渣料，在不影響進(jìn)/出水口運(yùn)行的前提下，可考慮將棄渣填筑在死水位以下，減少渣場占地和由棄渣可能造成的環(huán)保問題。

(3)充分利用開挖料，減少棄渣量。根據(jù)庫容和抽發(fā)比要求，確定水庫水位后可確定壩高，壩體填筑工程量也隨之確定，而壩體填筑料可由開挖料或料場獲得。為降低工程造價(jià)，抽水蓄能電站應(yīng)優(yōu)先考慮從開挖料和庫盆擴(kuò)挖料取得填筑料，從而達(dá)到在擴(kuò)大庫容的同時(shí)獲取足夠的大壩填筑料，當(dāng)可利用的開挖料和庫盆擴(kuò)挖料剛好滿足壩體和其他填筑料用量要求，達(dá)到挖填平衡。部分項(xiàng)目受地形地質(zhì)條件限制，需從庫外料場開采填筑料，和采用庫內(nèi)擴(kuò)挖料場相比，由于庫外料場需要額外的工程占地，開挖料場也無法增加水庫有效庫容，只能通過加大壩高滿足庫容需要，壩體填筑工程量較大，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)通常較差。因此，抽水蓄能電站在地形地質(zhì)條件允許的情況下，通常結(jié)合庫盆擴(kuò)挖在庫內(nèi)布置料場。庫內(nèi)料場的規(guī)模應(yīng)綜合考慮壩料需求、庫岸邊坡高度、水庫水位變幅和工程造價(jià)等因素綜合確定。

2 影響庫盆開挖填筑的關(guān)鍵因素

本文共收集了150多個(gè)抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)資料，主要基于56個(gè)大中型抽水蓄能站點(diǎn)開展了主要信息統(tǒng)計(jì)，其中，包含3個(gè)中型抽水蓄能站點(diǎn)(大悟黑溝、花山、鐘祥)和2個(gè)混合式抽水蓄能站點(diǎn)(古田溪、烏溪江)。收集到的典型抽水蓄能電站地質(zhì)信息見表1。

表1 56個(gè)典型抽水蓄能站點(diǎn)地質(zhì)信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果

抽水蓄能電站上水庫一般布置于山頂附近且與下水庫高差達(dá)數(shù)百米，建筑材料外運(yùn)條件較差，通過就地取材筑壩成庫能夠大幅節(jié)省工程成本，絕大多數(shù)站點(diǎn)采用土石壩筑壩成庫，其開挖填筑設(shè)計(jì)更具代表意義，因此，本文梳理總結(jié)了56個(gè)大中型抽水蓄能站點(diǎn)上水庫的庫盆開挖填筑的主要特點(diǎn)，總結(jié)了開挖量、填筑量和棄渣量之間的一般規(guī)律。

2.1 開挖填筑工程量總體規(guī)律

圖1、2分別為抽水蓄能上水庫庫盆開挖量與填筑量、棄渣量的對比。由圖1、2可知，在56個(gè)大中型抽水蓄能站點(diǎn)中，上水庫庫盆填筑量均低于開挖量，絕大多數(shù)工程填筑量為開挖量的0.2～1.0，而填筑量為開挖量的0.3～1.0的工程約占80.4%。上水庫庫盆填筑量大于棄渣量的工程占82.4%，且所有站點(diǎn)工程棄渣量不超過填筑量的2倍。棄用了弱風(fēng)化以下硬巖料的站點(diǎn)約占1/4，說明有3/4的站點(diǎn)趨近了挖填平衡設(shè)計(jì)。

圖1 庫盆開挖量與填筑量對比示意

圖2 庫盆填筑量與棄渣量對比示意

表2為典型抽水蓄能站點(diǎn)上水庫挖填平衡關(guān)系。由表2可知，可溶巖地區(qū)絕大部分站點(diǎn)無需庫外料場，56個(gè)大中型站點(diǎn)中有18個(gè)站點(diǎn)需要尋找?guī)焱饬蠄觯枰獙ふ規(guī)焱饬蠄龅恼军c(diǎn)主要由于庫盆開挖料中含有軟巖夾層或?yàn)橛矌r與軟巖互層。庫外料場僅作為混凝土骨料料源，均不涉及堆石料。此外，2個(gè)混合式抽水蓄能站點(diǎn)均利用洞挖料作為混凝土骨料，工程產(chǎn)生棄渣在50萬m3以內(nèi)。

表2 典型抽水蓄能站點(diǎn)挖填平衡關(guān)系匯總

2.2 庫盆挖填與防滲形式關(guān)系對比

庫盆挖填平衡設(shè)計(jì)與水庫防滲形式關(guān)系密切。除作為混凝土骨料料外，采用垂直防滲的水庫和利用山頂平臺挖填全庫盆防滲的水庫，庫盆開挖料主要用于填筑大壩；利用山頂溝源局部天然地形進(jìn)行全庫盆防滲的水庫，庫內(nèi)開挖料主要用于大壩填筑和庫底回填。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，受單位千瓦投資等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)限制，中小型站點(diǎn)均需采用垂直防滲處理，庫盆巖性為可溶巖或夾有可溶巖的站點(diǎn)均采取了全庫盆防滲處理。由表1可知，在51個(gè)大型抽水蓄能站點(diǎn)中，上水庫采用垂直防滲處理的站點(diǎn)有14個(gè)，占比27.5%，利用局部天然地形進(jìn)行全庫盆防滲處理的站點(diǎn)有31個(gè)，占比60.8%，采用挖填全庫盆防滲處理的站點(diǎn)6個(gè)，占比11.7%。從區(qū)域上來看，西北地區(qū)的14個(gè)站點(diǎn)全部采取了全庫盆防滲處理，其中約1/3的站點(diǎn)采取挖填全庫盆防滲處理；華北地區(qū)的8個(gè)站點(diǎn)中有6個(gè)采取了局部利用天然地形的全庫盆防滲處理，占比75%；西南地區(qū)的10個(gè)站點(diǎn)中，有9個(gè)采取了全庫盆防滲處理；中南地區(qū)和東北地區(qū)約有一半的站點(diǎn)采取了全庫盆防滲處理，西南、中南、東北3個(gè)地區(qū)的全庫盆防滲站點(diǎn)主要處理水庫巖溶滲漏問題；華東和華南地區(qū)的站點(diǎn)巖性以花崗巖、熔結(jié)凝灰?guī)r等堅(jiān)硬塊狀火成巖為主，絕大多數(shù)站點(diǎn)采取垂直防滲處理。

表3為54個(gè)大中型典型抽水蓄能站點(diǎn)上水庫挖填平衡工程量統(tǒng)計(jì)。由表3可知，庫區(qū)開挖量、棄渣量和庫外用料量由大到小依次為挖填全庫盆防滲、全庫盆防滲、垂直防滲，填筑量由大到小依次為全庫盆防滲、挖填全庫盆防滲、垂直防滲。總體上，挖填工程量由大到小依次為挖填全庫盆防滲、全庫盆防滲、垂直防滲的站點(diǎn)。

表3 典型抽水蓄能站點(diǎn)上水庫挖填平衡工程量統(tǒng)計(jì)分析

2.3 地質(zhì)條件對挖填平衡影響統(tǒng)計(jì)分析

表4、5分別為工程地質(zhì)巖組對挖填平衡工程量影響分析和巖體強(qiáng)風(fēng)化底界埋深與挖填平衡工程量對比。由表4、5可知，總體上，巖體風(fēng)化越淺，工程開挖量越小，庫外用料越少，巖體風(fēng)化程度與工程填筑量和棄渣量關(guān)系并不密切，主要原因是部分站點(diǎn)的覆蓋層、軟巖和風(fēng)化巖體等用作了庫底回填料。巖石強(qiáng)度對開挖、填筑和棄渣量影響不大，但硬巖一般經(jīng)處理后可用作混凝土骨料，無需庫外料場。

表4 工程地質(zhì)巖組對挖填平衡工程量影響分析

3 庫盆開挖填筑關(guān)鍵問題與對策初探

庫盆開挖填筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題是根據(jù)庫容需求和實(shí)際地形地質(zhì)條件，合理選擇水庫水位，確定工程開挖料的利用原則和利用率，據(jù)此確定庫周線以期獲得滿足筑壩要求的開挖料、同時(shí)增加調(diào)節(jié)庫容?？傮w上看，上述統(tǒng)計(jì)的大部分站點(diǎn)上水庫的庫盆開挖填筑趨近了挖填平衡，說明各設(shè)計(jì)單位也充分認(rèn)識到了庫盆挖填平衡的重要性，但也有部分站點(diǎn)存在勘察深度不夠、地質(zhì)模型不精確、專業(yè)協(xié)同不夠、開挖填筑平衡差導(dǎo)致棄渣量大的問題。為更好的做好庫盆設(shè)計(jì)開挖填筑設(shè)計(jì)，提出以下對策措施建議：

(1)地質(zhì)勘察工作是庫盆開挖填筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，應(yīng)提前調(diào)配資源，在有限的勘測周期內(nèi)提高工作效率，并進(jìn)一步加強(qiáng)成果質(zhì)量控制。一是，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求開展現(xiàn)場勘探和試驗(yàn)工作，必要時(shí)可加深加密鉆孔布置，以保證庫內(nèi)開挖料的勘察深度和精度。同時(shí)，依托數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，勘察成果應(yīng)及時(shí)反映到工程地質(zhì)報(bào)告和圖件上。二是，巖體風(fēng)化界線很大程度上決定了挖填平衡工程量，借鑒國際水電地質(zhì)工程師經(jīng)驗(yàn)，在構(gòu)造發(fā)育部位單獨(dú)分段的基礎(chǔ)上，其余部位以巖塊斷口的變色程度來作為巖體風(fēng)化標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)之一，例如，當(dāng)巖塊斷口的變色程度小于10%時(shí)為微風(fēng)化，10%～50%之間為弱風(fēng)化，50%～90%之間為強(qiáng)風(fēng)化，90%以上為全風(fēng)化，巖體破碎程度通過石料使用率予以考慮。該方法便于青年地質(zhì)工程師快速建立風(fēng)化控制標(biāo)準(zhǔn)，確保地質(zhì)模型與參數(shù)的統(tǒng)一，為料源開挖填筑設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。三是，建議利用三維模型計(jì)算料源儲(chǔ)量時(shí)應(yīng)按照規(guī)范要求采用平行斷面法等進(jìn)行復(fù)核[7]。

(2)及時(shí)總結(jié)土石壩和抽水蓄能開發(fā)建設(shè)中軟巖、風(fēng)化巖體或覆蓋層等材料筑壩的新技術(shù)和新進(jìn)展，在有需求的站點(diǎn)盡早開展壩料試驗(yàn)和現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，復(fù)核軟巖或碎石土筑壩的可行性，并提出控制標(biāo)準(zhǔn)[7]。

(3)部分工程需要進(jìn)行擴(kuò)庫開挖以滿足調(diào)節(jié)庫容要求。隨著壩高增加需要的擴(kuò)挖庫容減小，擴(kuò)挖庫容的大小宜和水庫水位變幅要求、壩體高度、填筑工程量及整體工程投資相協(xié)調(diào)，綜合比較確定。盡量提高開挖料利用率，減少工程棄渣，棄渣可優(yōu)先考慮在庫內(nèi)死水位以下或壩后壓坡體進(jìn)行堆渣。