不同地質背景下抽水蓄能電站工程地質勘察討論

王漢斌，王惠明，趙國斌

(水電水利規劃設計總院，北京 100120)

0 引 言

在構建新型能源體系的背景下，抽水蓄能電站的功能定位和選址規劃發生了顯著變化。在經歷了產業起步期、探索發展期、完善發展期和蓬勃發展期4個時期[1-2]后，國家《抽水蓄能中長期發展規劃(2021年—2035年)》的實施推動抽水蓄能電站建設進入了高質量發展的爆發式增長期。在此背景下，抽水蓄能電站工程地質勘察面臨著前所未有的挑戰，選址規劃已不可避免地涉及高地震烈度、活動斷裂、巖溶、緩傾角或軟弱夾層發育的層狀巖體和濕陷性黃土等復雜的特殊巖土工程地質問題。為此，本文在分析當前抽水蓄能電站發展新態勢的基礎上，探討了復雜工程地質背景下存在的主要工程地質問題以及地質勘察的重點與難點。

1 抽水蓄能電站發展新態勢

雙碳目標驅動下，抽水蓄能電站的儲能特性在新型能源體系中的作用已被業界所公認，并成為大型新能源基地的重要組成部分。在加快構建新型電力系統的背景下，依據中長期規劃，抽水蓄能電站的規劃選址和預可行性、可行性研究工作已在全國范圍內普遍展開。據不完全統計，截至2022年9月，我國規劃、設計、施工及已建成投產抽水蓄能站點共約427個，分階段各地區統計抽水蓄能站點見圖1。從統計資料來看，已建成投產及施工階段項目以重點電力消費區的華東地區最多，在設計階段是華中地區數量最多，而規劃階段則以具備沙漠、戈壁、荒漠新能源基地建設條件的西北等區域數量最多。新時期，抽水蓄能電站選址出現由東向西推移的趨勢，建設的工程地質條件越發復雜，在工程設計遇到各類不良工程地質問題更加復雜，為工程地質勘察帶來了更大的挑戰。基于此，作者依據近幾年的工程實踐，討論了相關的幾種特殊巖土工程地質問題及其勘察重點。

圖1 分階段抽水蓄能電站站點統計

2 復雜區域構造背景地區的工程地質勘察

2.1 區域構造背景復雜地區的站點選址

我國區域構造穩定性整體表現為西北、西南地區區域構造穩定性最差，華北和東南沿海一帶區域構造穩定性較差以及東北、華南地區區域構造穩定性較好[3-4]。截至2022年9月，共有61個規劃或設計階段的站點處于基本烈度Ⅷ度區，包括內蒙古美岱、甘肅張掖、甘肅皇城、新疆阿克陶等抽水蓄能電站；17個站點近場區發育活動斷裂，如山西代縣黃草院抽水蓄能電站；15個站點場址區穿越活動斷裂，如新疆阿爾泰地區站點涉及哈巴河活動斷裂、哈密地區站點涉及哈密盆地北緣活動斷裂、和田若羌站點涉及阿爾金北緣活動斷裂、甘肅張掖站點場址區發育榆木山東緣活動斷裂、玉門站點場址區發育阿爾金活動斷裂，陜西富平站點場址區發育北山山前活動斷裂等。抽水蓄能電站站點地震基本烈度統計見圖2。圖3列出了部分位于地震基本烈度Ⅷ度區[5]的抽水蓄能電站站點位置。在站點選址過程中，依據現行規范規定，擋水建筑物不應建在活動斷層上，但針對輸水系統、地表建筑物暫無相關規定，若無法避開，可能存在抗斷、高地震動參數和高設防烈度等問題。

圖2 抽水蓄能電站站點地震基本烈度統計(截至2022年9月)

圖3 地震基本烈度Ⅷ度區抽水蓄能電站站點示意(部分)

2.2 區域構造穩定性的工程地質勘察

區域構造條件對工程意義重大，相關規范對其有詳細勘察要求。總體講，工程區工程地質勘察應以復雜的區域構造背景、活動斷裂分布、高地震烈度以及區域斷裂對相關建筑的影響為重點。

設計單位對需要重點關注的場址區斷層活動性多采用一些常規勘探手段，確定活動斷層的規模和位置，并針對性采取措施，主要包括采取避讓措施，無法避讓的進行抗斷設計，以及設計出最不利工況下建筑物仍可運行或易于修復的結構形式。除此以外，也應結合區域構造情況，研究場地斷層與區域活動斷裂的關系，分析其延展特性；重視工程地震安全性評價工作，基于工程區地震地質背景、地震活動性，分析潛在震源劃分、地震動參數計算的準確性，必要時可研究周邊地震發生時影響范圍等。

3 巖溶發育地區的工程地質勘察

3.1 站點分布及工程地質問題

根據地貌類別，將我國巖溶發育區劃分為4個區，包括西部高原、臺地、盆地巖溶區(西部巖溶區)；東北山地、平原巖溶區(東北巖溶區)；華北山地、高原、黃淮海平原及遼東半島丘陵巖溶區(華北巖溶區)；云貴高原及華南丘陵、盆地、平原巖溶區(云貴及華南巖溶區)，見圖4[6]。華北巖溶區主要位于黃河流域及遼西等區域，華南巖溶區主要位于長江中、下游與珠江流域地區。據不完全統計，截至2022年9月，我國規劃、設計、施工、投產階段的抽水蓄能站點約有57個位于巖溶發育區，而這些站點多集中在華北、華南巖溶區，站點數量分別約占總數的40%、58%，其他站點位于西部巖溶區，東北地區站點基本不涉及巖溶問題。

圖4 巖溶地區部分抽水蓄能電站分布

從地層分布來看，華北巖溶區可溶巖組主要包括中奧陶組馬家溝組和中寒武統張夏組厚層灰巖、鮞狀灰巖，下奧陶統白云質灰巖、白云巖，上寒武統灰巖及震旦系硅質灰巖、白云巖。其中，馬家溝組和張夏組是該區主要巖溶含水層，巖溶最發育。該區古巖溶及近代巖溶最為發育，表現出沿結構面、可溶巖與非可溶巖的接觸帶、斷裂及其交匯帶最為發育的基本規律，巖溶埋藏深度普遍較大，站點建設面臨上下水庫滲漏問題突出，需采取合適的防滲處理措施，如山西絳縣、蒲縣、河北易縣等站點。

華南地區碳酸鹽巖大面積出露，巖溶也極為發育，包括云南東部、貴州、廣西、四川東部、湖南西部和湖北西部等地區。其中，云南東部可溶巖以二疊系灰巖、白云巖及三疊系下統灰巖為主，區域巖溶發育埋深較大，上水庫多存在庫周滲漏可能，下水庫存在向鄰谷滲漏可能，代表性站點包括云南富民、瀘西、宣威抽水蓄能電站。貴州抽水蓄能電站以寒武系清虛洞組、二疊系棲霞組和茅口組、三疊系大治組和關嶺組等白云巖、灰巖為主，上水庫多存在滲漏問題，為避免高高程水庫水沿巖溶向低高程地下洞室涌入，電站地下洞室多采用中部式開發方式，代表性站點包括黔南、貴陽、興義抽水蓄能電站。重慶及鄂西地區奧陶系～三疊系可溶巖均有分布，主要為棲霞組、茅口組灰巖，嘉陵江組灰巖、白云質灰巖、白云巖等，該地區受構造控制，巖溶多順層和沿構造發育，表現為橫向谷存在臨谷滲漏、順向谷向壩下游滲漏等突出問題，代表性站點包括菜籽壩、松滋、長陽、寶華寺等抽水蓄能電站。

3.2 工程地質勘察重點

在巖溶地區規劃選址過程中，通常上水庫建設在巖溶洼地上，如湖北松滋上水庫由2個巖溶洼地組成，水庫區巖溶洞穴、漏斗等最為發育，下水庫庫周可見眾多泉水點出露，水文地質環境復雜，上下水庫巖溶滲漏問題均突出，防滲措施和設計難度較大，需投入較多勘探工作量。如果勘探發現巖溶現象發育，庫周滲漏情況嚴重，上庫多需采取全庫盆防滲，但庫盆、壩基眾多淺埋溶洞還未揭露，這對運行期庫內防滲措施安全、大壩壩基穩定存在一定威脅。然而，因巖溶發育規律差異大，隱伏巖溶探測難度大，故而在勘測設計階段應以查清巖溶發育規律為主，并在技施階段開展專項工程地質勘察，結合開挖揭露的巖溶特征進一步分析評價。因此，在前期勘察中應針對水庫滲漏問題布置一定的勘探工作量，并以查清庫周的構造特征、滲漏通道、兩岸分水嶺、相對隔水層厚度和范圍等為重點，針對已經勘探到的溶洞，結合巖層產狀、地質構造、地下水位特征、溶洞連通試驗成果等，分析庫周范圍巖溶發育規律，對庫周可能的滲漏通道進行分析研究，針對防滲范圍提出工程地質建議，并對隱伏巖溶發育情況提出初步評價。

除對水庫滲漏、庫底防滲結構、壩基穩定產生較大影響外，巖溶系統發育的隨機性和水文地質條件的復雜性也為巖溶地區地下洞室勘察帶來了極大的挑戰，勘察深度不夠，對地下巖溶發育規律了解不足，將會影響地下洞室圍巖穩定性判別、涌水估計等，從而為其設計和施工帶來隱患[7-9]。因此，巖溶地區地下洞室的勘察工作也是重點。如果地下洞室群布置于巖溶極其發育的地層中，或存在連通下水庫與地下廠房之間通道的可能，或是隨著大型地下洞室的開挖，周邊水文地質條件發生改變，以高程低的地下洞室為排泄點，地下廠房存在被淹沒風險。如在貴州省站點規劃選點中的福泉坪、楠木山、桐溪、蓮花、石廠壩、大樹子等站點，上水庫位于巖溶地下水補給區，輸水發電系統處于巖溶地下水的徑流區，下庫為巖溶地下水的排泄區，由此引發的水庫滲漏和巖溶穩定、地下洞室巖溶涌水等問題突出。在已建成的安徽瑯琊山抽水蓄能電站工程區地層以厚層致密塊狀灰巖為主，巖溶發育較為強烈，地表形成溶坑、落水洞等，地下則形成溶洞，前期勘察揭露和發現落水洞、溶坑、溶斗共計23個，溶洞14個，施工中揭露總量達到100余個；即將建成的江蘇句容抽水蓄能電站巖溶沿斷層發育，且在高程-70 m仍有巖溶發育。上述工程實例充分說明了巖溶地區抽水蓄能電站工程地質勘察的復雜程度。因此，在勘測設計階段要盡可能查清上下水庫及地下洞室群周邊巖溶發育情況及水文地質條件，分析在水庫蓄水條件下洞室開挖對周邊水文地質條件的影響，并在施工期進一步探測地下洞室群附近的隱伏巖溶發育規律，包括采取鉆孔、物探等手段。

綜上，巖溶問題復雜多變，針對該類問題的水庫滲漏、地下洞室圍巖穩定問題、涌水量預測以及巖溶規模、隱伏巖溶發育部位預測等是該類型電站勘察的重點。

4 層狀或緩傾角地層發育地區的工程地質勘察

4.1 站點分布情況

從地層分布特征來看，我國西南、西北等地區多以碎屑巖占比較大的沉積巖為主，如重慶地區站點多發育緩傾狀砂巖、泥質砂巖及泥巖等地層，甘肅皇城站點地下洞室群發育緩傾的砂巖，山西西龍池抽水蓄能電站地下廠房洞室群位于近水平狀、互層狀和薄層狀的泥質鮞狀灰巖、泥質條帶狀灰巖、泥質柱狀灰巖、薄層粉砂巖中。在此類地區建設抽水蓄能電站，地下洞室群的圍巖穩定問題突出[10-12]。

4.2 工程地質勘察重點

基于梁理論可知，這種水平層狀的頂拱破壞形式以彎曲折斷為主。而頂拱穩定問題不僅與巖層產狀相關，還與巖體性狀、巖體的物質組成、水理特性等相關性較大，如果巖體泥質含量較高，巖體性狀整體較軟，對頂拱圍巖穩定不利；此外，物質組成如若包括遇水易膨脹、崩解類礦物，頂拱甚至地下洞室失穩概率將大大增加。

規范及工程實踐均期望將地下洞室拱頂置于不存在上述問題的巖體中。在勘察方法方面，需結合多方向鉆孔、平硐、試驗等多種手段開展勘察工作，平硐、鉆孔等需結合出露巖層產狀進行針對性布置，試驗方面需重點分析研究巖體性狀，尤其應注重對礦物類型及其含量組成比例分析的研究，存在蒙脫石等黏土礦物時需研究巖體的水理特性，查清巖層結構、產狀、巖體性狀、物理力學性質等，以合理選擇頂拱位置，確定針對性的支護措施，確保洞室圍巖穩定及廠房運行安全性。

5 濕陷性黃土地區的工程地質勘察

5.1 站點分布情況

根據新一輪抽水蓄能電站規劃資料，我國西北地區納規的抽水蓄能資源量占比最大，約占20%，陜北風光資源豐富，現正在大力推進建設的沙漠、戈壁、荒漠地區大型風電光伏基地，為滿足新型能源體系建設的需要，抽水蓄能電站的建設顯得尤為重要。然而，我國西北地區，尤其是陜西、甘肅等地區黃土具有分布廣、連續性好、厚度大等特點，抽水蓄能電站站點可能無法避開這類特殊的土層。目前，已有較多的規劃站點選址地質條件、地形條件復雜，且涉及黃土濕陷性、震陷特性等工程地質問題。因此，黃土地區建設抽水蓄能電站的可行性和適宜性也成為了業界探討的重點。陜晉黃土高原區擬建抽水蓄能站點分布見圖5。

圖5 陜晉黃土高原區擬建抽水蓄能站點分布

5.2 工程地質問題

截至目前，還沒有真正意義上進入可研階段的黃土抽水蓄能電站，主要由于黃土這一特殊類土特性遇水易發生大變形。已有水利工程實例表明，黃土地區建設引水、蓄水工程面臨著復雜的工程地質問題，其中因含水率升高而發生的濕陷進而引發的水庫滲漏、邊坡失穩、地基變形等[13-16]最為突出。從已有經驗可以預見，建設抽水蓄能電站必將面臨包括黃土濕陷性、黃土地區邊坡穩定、黃土地基失穩和不均勻沉降、黃土地下洞室圍巖穩定問題等一系列工程地質問題。

5.3 工程地質勘察重點

黃土地區抽水蓄能電站主要是由于黃土的特殊性質決定的。因此，勘察過程中需重點關注黃土的物質組成和其特有的濕陷、滲透、溶濾、結構構造特性，對地形地貌、水文地質條件等也需結合建筑物形式具體分析。其中，物質組成方面主要應查明黃土的地層時代、物質成分、顆粒組成、分布、厚度及其成層情況和成因類型，以及其在水平、垂直方向上的發育規律、成生上的特點和聯系，這對各建筑物地基、邊坡、洞室穩定和水庫滲漏問題的研究均極為重要。黃土的結構構造中的大孔隙、黃土洞穴等隱患發育的地層層位、深度、分布的位置、高程和連通情況等特征也應在勘察中關注，其對邊坡、建筑物地基穩定性和水庫滲漏有著直接的影響。地形地貌、水文地質條件對水庫滲漏問題影響巨大，需查清可能的滲漏形式和庫段，并提出措施建議。此外，還應開展必要的濕陷性、震陷等試驗與評價工作，必要時還需開展黃土地區抽水蓄能電站工程地質條件適宜性研究。

6 結 語

隨著抽水蓄能電站在全國的快速蓬勃發展，站址工程地質條件越來越復雜，相應地出現了區域構造背景復雜、巖溶滲漏、黃土濕陷及層狀軟弱地層中的洞室拱頂穩定等工程地質問題。因此，抽水蓄能電站在各個階段的工程地質勘察應結合不同的地質背景開展相應工作。

(1)區域構造背景復雜地區抽水蓄能電站工程地質勘察需重點關注活動斷裂特征及與建筑物的關系、地震動參數、地震危害性等，以建筑物抗斷和抗震設計為勘察重點。

(2)巖溶發育地區需查明上下水庫的巖溶發育規律、滲漏通道、全庫盆防滲結構及壩基巖溶和洞室的水文地質特征、巖溶及與周圍連通關系等，以查明工程區巖溶發育特征、隱伏巖溶發育規律等工程地質問題為重點。

(3)層狀、緩傾角地層且發育軟弱夾層的地區需結合地質條件布置相應勘探工作，查明巖層產狀和巖體物質組成、性狀、水理特性等內容，并以地下洞室群的拱頂穩定問題作為勘察重點。

(4)黃土地區應重點查明黃土的物質組成與濕陷、滲透、溶濾特性和土層內裂縫、洞穴等發育規律、河谷結構、地貌成因類型、邊坡滲透穩定性、地下水埋藏特點、自身的不良地質現象等，以查明黃土濕陷性、震陷特性等工程地質問題為重點。