貴州省貴陽抽水蓄能電站工程地質分析

蘇仁庚

（廣東省能源集團貴陽抽水蓄能發電有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

貴陽抽水蓄能電站位于貴州省貴陽市修文縣西部谷堡鎮境內，上水庫布置在烏江貓跳河六級紅巖水電站庫區右岸的烏栗村境內，下水庫為紅巖水電站水庫。電站規劃設置4 臺單機容量375 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機，總裝機容量1 500 MW、額定水頭492 m。電站建成后承擔電網中的調峰、填谷、調相等工作，同時承擔事故的備用工作[1]。樞紐建筑物主要由上、下水庫、輸水系統、地下廠房系統和地面開關站等建筑物組成。按裝機容量大小確定為一等大(一)型工程。

1 工程地質

1.1 區域地質與地震

工程區區域上處于我國階梯地勢的第二級臺階云貴高原東部，北側的大婁山脈（高程1 200~1 500 m）構成烏江與赤水河的分水嶺，南側的苗嶺（高程 1 200~1 600 m）蜿蜒曲折，呈近東西向延伸，構成烏江與珠江水系的分水嶺。區內為典型的巖溶高原地貌類型，受新構造運動間歇性隆升及河谷發育過程的影響，高原區地形地貌具有明顯的層狀特點。從地形分水嶺到烏江及其一級支流河谷，主要發育有三級臺狀地形，河谷地帶以峽谷地形為主。

區內除缺失奧陶系、志留系、泥盆系、第三系地層外，現已露出前震旦系至第四系地層，并有廣泛的展布，如三疊系、二疊系、寒武系地層等。除第四系及白堊系地層與下伏地層為角度不整合接觸外，其余各時代地層間均為整合或平行不整合接觸[2，3]。

工程區位于上揚子陸塊——黔北隆起區——織金穹盆構造變形區。近場區新構造運動的特點主要表現為繼承性、間歇性，新構造運動方式以掀斜、差異性隆升為主，新構造活動強度中等。

工程所在區域內存在北西向、北東向、近東西向及近南北向等多個區域性斷裂系統，它們在新構造期都有不同程度的活動性，活動時代大部分為第四系早～中更新世，在這些早、中更新世活動的區域主要斷層帶的端部、交匯部位、斷層階區具有發生中強地震的構造背景條件。近場區及近鄰地帶歷史和現代地震活動呈中等偏下水平。對工程場地的主要影響來自區域內較大中強震，最大影響烈度為Ⅵ度。

根據GB18306-2015《中國地震動參數區劃圖》及《貴陽抽水蓄能電站工程場地地震安全性評價報告》，工程區50 年超越概率10%地震動峰值加速度50.8 cm/s2~54.7 cm/s2，屬于0.05 g 分區，相應的地震基本烈度為Ⅵ度，兩者一致。50 年超越概率 5%地震動峰值加速度70.7 cm/s2~75.5 cm/s2，100 年超越概率 2%地震動峰值加速度134.3 cm/s2~142.1 cm/s2，100 年超越概率 1%地震動峰值加速度170.7 cm/s2~178.2 cm/s2。

根據NB/T 35098-2017《水電工程區域構造穩定性勘察規程》區域構造穩定性分級標準，工程區域構造穩定性好。

1.2 工程區地質條件

1.2.1 基本地質條件

（1）地形地貌

站址區位于烏江支流貓跳河下游六級紅巖電站水庫區峽谷與烏栗巖溶槽谷之間的地塊上，總體上屬巖溶低中山峰叢洼地及峽谷地貌。上水庫區位于山盆期第二亞期早期夷平面上，洼地發育，地形較封閉，多為耕地；下水庫為峽谷地形，岸坡陡峻，跨山盆、寬谷及峽谷地貌單元。

（2）地層巖性

工程區出露寒武系至第四系地層，分布較廣泛的地層為寒武系及二疊系地層，三疊系地層分布于貓跳河六級電站庫首地帶及烏栗槽谷東側，第四系則零星分布于河谷階地、漫灘、溶蝕洼地及槽谷等地帶。其間缺失奧陶系、志留系、泥盆系、侏羅系、白堊系及第三系地層；石炭系地層出露不完整，分布不連續。除第四系與下伏地層間呈角度不整合接觸外，其它各時代地層間均為整合或假整合接觸。

（3）地質構造

工程區處于北東向構造變形區和貴陽復雜構造帶的復合部位，展布形跡主要為NE 向及NEE 向的斷裂和褶皺為主，少量為NW 向構造。總體構造格局是：以那灑斷層（F7）、谷堡斷層（F2）為代表的 NE 向構造帶斜穿區內工程區兩側，該構造帶除上述兩斷層外尚于站點北西面分布梨木斷層（F11）及三岔河向斜、站點南東面分布烏栗向斜及谷堡掃帚狀構造等；站點北東、南西面分布以F16、F8、F5 為代表的NW向構造。NE 向構造帶總體屬于新華夏系構造體系。

（4）物理地質現象

工程區下水庫為貓跳河下游六級紅巖電站峽谷水庫，峽谷岸坡陡峻；上水庫區位于山盆期第二亞期（Ⅱ2-1）剝夷面臺地上的巖溶峰叢槽谷（洼地）內，上、下水庫之間地形高差430~500 m。主要的物理地質現象有風化、卸荷、崩塌、堆積體及滑坡。風化主要表現在碎屑巖地層內，風化分帶明顯，一般具全風化、強風化、弱風化特征。

工程區卸荷作用相對較弱，未發育大型卸荷裂隙及危巖體，庫岸山體整體穩定。在上水庫盆Ⅱ（天馬山上水庫）西側靠近陡崖邊緣地帶，局部強卸荷帶深度5~10 m，弱卸荷帶水平深度20~40 m。

下水庫區為峽谷地形，河谷深切、岸坡陡峻，在河谷緩坡及沖溝地帶，零星分布崩塌塊石、碎石等崩塌堆積物，一般規模較小。

工程區有兩處規模較大的崩塌堆積體，一處位于上水庫盆Ⅰ西南側（BT1），分布高程為1 280~1 330 m，分布面積約6.2 萬m2，最大厚度22 m，體積約90 萬m3；崩塌堆積體組成物質主要為巖塊夾碎石及少量粘土。崩塌堆積體（BT2）位于下水庫右岸，處于下水庫進（出）水口下游170~830 m的地帶，堆積體沿河岸寬度約660 m，分布最高高程1 050 m 左右，堆積體體積約220 萬m3。

那灑殘坡堆積體在下水庫左岸那灑斜坡地帶（處于河谷的“凹”岸），沿坡面分布大量的殘坡積覆蓋層，由于殘坡積層堆積較厚且地形較陡，坡積體后緣曾經在暴雨后出現過開裂變形及局部塌滑，該地村民已作為地質災害移民搬遷至岸坡頂部的臺地上。

下水庫庫首右岸河灣滑坡體位于紅巖水電站拱壩上游2 km 范圍內，水庫右岸為一向南突出的河灣，在紅巖電站工程勘測階段和建設過程中，發現該部位主要有5 個滑坡體（分別稱1 號~5 號滑坡），離大壩直線距離約260~760 m。該滑坡群前沿高程841~850 m，其后沿出露高程882~910 m。經水庫近50 年運行，已經過庫岸再造的過程，已逐漸調整至穩定狀態。

（5）巖溶水文地質條件

工程區碳酸鹽巖分布廣泛，根據出露地層的巖性及巖溶發育強度、透水性程度等，將工程區出露地層劃分為強巖溶巖組、中等巖溶巖組、弱巖溶巖組、非可溶巖組4 類巖組。強巖溶巖組（P2 m、P2q2）主要分布于兩個初選上水庫（上水庫盆Ⅰ、上水庫盆Ⅱ）南東側及以東區域；中等可溶組（∈2-3ls、∈2s、∈1q2）主要分布于庫盆大部及以西區域；弱巖溶巖組分布于河谷地帶；非可溶巖組（C1d、P1l）出露于上水庫盆Ⅱ南側至上水庫盆Ⅰ中部一帶，呈北東向展布；金頂山組（∈1j）、明心寺組（∈1m）砂巖、泥巖分布于下水庫區域。

在P2m、P2q2 強巖溶地層出露的南東側區域，洼地、落水洞、溶洞及地下巖溶管道發育，主要的巖溶管道均位于該套地層內。樞紐區貓跳河河谷沿岸及岸坡地帶未見大的溶洞分布，未見大的泉水發育，僅發現一些小的季節性的泉水。

工程區地下水以巖溶管道水為主要類型，次為基巖裂隙水，再次為第四系松散堆積層中的孔隙水。貓跳河河谷為工程區地下水最低排泄基準面。上水庫區巖溶洼地、落水洞、溶洞、地下巖溶管道等巖溶現象較發育，無常年地表水系分布。上水庫區地表降水主要通過巖溶洼地匯集后，通過落水洞排入地下，大部分通過Kw2、Kw4、Kw5 巖溶管道系統向烏栗槽谷排泄，再以地表水的形式（烏栗小河）排入貓跳河；上水庫區北面和南面的地表水匯集或分散滲入地下后，通過Kw1、Kw3 巖溶管道系統直接向貓跳河排泄。

（6）壓覆礦

站址區出露石炭系大塘組（C1d）地層，含鐵礦及鋁土礦，站址區曾經有地表開采痕跡，主要集中在上水庫盆Ⅱ周邊區域，采礦方式主要為地表開采，少量開挖深度一般小于5 m 的礦洞，對工程無影響。

根據貴州省地質調查院完成的《貴州貴陽抽水蓄能電站工程建設項目用地壓覆礦產資源評估報告》，項目壓覆修文縣烏栗礦區資源量235.37 萬t，其中控制資源量91.50 萬t，推斷資源量143.87 萬t。未列入壓覆量的潛在資源量97.66 萬t；壓覆修文縣烏栗礦區伴生鎵金屬量139.46 t，其中，控制資源量44.84 t，推斷資源量94.62 t，未列入壓覆量的潛在資源量52.32 t。

1.2.2 地下洞室放射性和環境Rn 濃度檢測

地下廠房PD1 平硐及支硐的硐室內進行的放射性、氡氣及子體濃度含量檢測結果表明，平硐內放射性總輻射量在0.017 μSv/hr~0.311 μSv/hr 之間，平均值為0.067μSv/hr，總輻射量水平較低，職業工作人員照射水平未超過國家標準。

平硐內氡及子體濃度較高，在1 525.6 Bq/m3~2 470.2 Bq/m3，平均值為1 943.85 Bq/m3，測試結果顯示硐室內氡及子體濃度超過規范要求的400 Bq/m3，由于平硐才開挖完成不久，硐室通風不足等原因造成，建議定期對洞內開展環境放射性的復查，以便及時做好放射性的防護措施。

1.2.3 地應力及高壓壓水

（1）地應力

本階段在地下廠房勘探平洞內的高壓岔管及主廠房位置鉆孔ZKd2、ZKd4、ZKd6 中采用水壓致裂法進行地應力測試，終孔深度分別為130.1 m、135 m、131.0 m。在鉆孔測試深度范圍（60~115 m）內，最大水平主應力值13.12 MPa，平均最大水平主應力值7.10 MPa，最大水平主應力優勢方向為N12°W~N20°W 左右。水平大主應力側壓系數λ范圍為0.20~0.91 之間、均值為0.48，表明鉆孔深部區域存在的水平大主應力均值約為估算自重應力的0.48 倍；在鉆孔測試深度范圍內，各測試段結果正常，未見異常偏高的構造應力場。

工程區主壓應力方向N12°W~N20°W 左右，主要構造線方向N50°E~N70°E，樞紐區構造線方向與河谷走向近于平行。地下廠房勘探平洞PD1 水平深度634 m，洞內未見明顯因高地應力引起的圍巖破壞現象。綜合分析認為，庫址引水發電系統區域因區域構造應力場造成的高地應力特征不明顯，引水發電系統區域地應力以巖體自重應力為主。

（2）高壓壓水試驗

本階段在引水豎井附近鉆孔ZKD1 和岔管位置鉆孔 ZDK3 進行了高壓壓水試驗，兩鉆均為PD1 平洞內。

高壓壓水試驗結果表明，廠房區上部清虛洞組第二段（∈1q2）白云巖巖體透水率1.75~20.55 Lu，屬弱透水~中等透水巖體，廠房區軸線清虛洞組第一段（∈1q1）泥質條帶灰巖、泥灰巖及鈣質泥巖地層透水率0.62~1.99 Lu，屬微透水~弱等透水巖體。

2 工程地質條件及評價

2.1 上水庫（壩）

（1）上水庫

上水庫Ⅱ位于貓跳河六級紅巖電站水庫庫尾右岸陡崖頂部臺地上，庫盆為一淺切的天然巖溶洼地槽谷。出露基巖主要為白云巖、灰巖、泥巖等，上庫區發育3 個小型巖溶漏斗及4 個巖溶洼地。上水庫巖體以弱透水巖體為主，微新巖體一般屬弱~微透水巖體，但受巖溶影響整體屬于中等~強透水層。上水庫存在巖溶管道及巖溶裂隙滲漏問題，不具備垂直防滲的條件，需進行全庫盆防滲。庫區無規模較大的不良物理地質現象，邊坡穩定條件總體較好，上庫西側及北側陡崖卸荷弱發育，卸荷巖體現狀基本穩定[4]。

（2） 壩址

壩基主要位于婁山關群（∈2-3ls）白云巖地層上，滿足建壩要求；壩址南側壩基大塘組（C1d）、棲霞組第一段（P2q1）弱風化巖體為Ⅳ2C，允許承載力為2.0 MPa，該區域最大壩高約為45.20 m，滿足壩基承載力要求；梁山組（P1l）弱風化巖體為V 類，允許承載力為0.8 MPa，該區域最大壩高為34 m，滿足壩基承載力要求。壩基底部K05 落水洞連接巖溶管道，洞口內空腔及豎井1 規模較大且埋深較淺，建議進行回填處理。豎井1 之后的巖溶管道規模小（寬度小于2 m）且埋深大于40 m，對壩基穩定影響小。

2.2 下水庫

下庫紅巖水電站大壩壩肩抗滑穩定，壩體及壩基防滲效果較好，拱壩及下游水墊塘兩岸邊坡整體穩定。抽水蓄能電站建成后，將與紅巖電站聯合運行，水庫正常蓄水位及死水位與原紅巖電站一致，對大壩基本無影響。

2.3 輸水發電系統

（1）地下廠房

廠房1 號~4 號機組地基均為清虛洞組第一段第三層（∈1q1-3）薄~中厚層泥灰巖夾鈣質泥巖；斷層fpd1-F3 從4 號機組附穿過，斷層fpd1-18 從2號機組附穿過。泥灰巖巖塊強度較高，鈣質泥巖夾層強度低、層厚薄無強度實驗數據，巖體完整性差，建議開挖后及時對地基進行封閉處理，對局部夾雜較軟弱的泥巖、斷層破碎帶采取必要的工程處理措施。估計廠房及其附屬洞室群的涌水量約3 500 m3/d，廠房涌水量較大，需考慮必要的排水措施。廠房開挖過程中存在沿斷層破碎帶及溶蝕裂隙帶的涌水問題，廠房區需進行全封閉防滲及預排水處理，外水壓力建議暫按0.5 倍水頭考慮。

（2）輸水系統

引水事故閘門井圍巖為婁山關群（∈2-3ls）淺灰、灰色薄層至中厚層細粒白云巖，為硬質巖，巖體較完整，圍巖類別以Ⅲ2 類為主，具備成井地質條件。

壓力管道上平段及上彎段圍巖婁山關群（∈2-3ls）白云巖，主要為硬質巖，圍巖類別以Ⅲ2 類為主，具備成洞地質條件。

豎井段圍巖主要為硬質巖，圍巖類別以Ⅲ2 類為主，具備成洞地質條件，高臺組（∈2 g）地層洞段及斷層帶為Ⅳ類圍巖。

下彎段圍巖為∈1q2 白云巖及∈1q1-4 泥質條帶灰巖，主要為硬質巖，圍巖類別以Ⅲ2 類為主，具備成洞地質條件。

下平段∈1q1-4 灰巖、泥質條帶灰巖段巖體較完整，圍巖類別以Ⅲ1 類為主，∈1q1-3 薄~中厚層泥灰巖夾鈣質泥巖段巖體完整性差，圍巖類別以Ⅲ2 類為主，fpd1-19 斷層帶及局部裂隙密集帶為Ⅳ類圍巖。

高壓鋼岔管及引水支管段圍巖∈1q1-4 灰巖、泥質條帶灰巖段巖體較完整，圍巖類別以Ⅲ1 類為主，∈1q1-3 薄~中厚層泥灰巖夾鈣質泥巖段巖體完整性差，圍巖類別以Ⅲ2 類為主，fpd1-F3、fpd1-18 斷層帶及局部裂隙密集帶為Ⅳ類圍巖。

尾水鋼管及尾水隧洞穿越地層為寒武系清虛洞組一段∈1q1，圍巖類別以Ⅲ2 類為主；其中∈1q1-2 薄層鈣質泥巖夾泥巖段巖體完整性差，圍巖類別Ⅳ類，fpd1-F3、fpd1-18 斷層帶及局部裂隙密集帶為Ⅳ類圍巖。

尾水閘室巖體完整性差，局部較破碎，洞室圍巖以Ⅲ類為主，圍巖局部穩定性差，局部斷層及巖體破碎帶為IV 類，頂拱局部緩傾角裂隙與斷層組合形成的不穩定塊體，建議施工時及時采取隨機支護處理措施。

下庫進/出水口部位巖體卸荷作用較弱，下游側BT2 崩塌堆積體將進行削坡減載及護岸處理，其余滑坡、泥石流等不良地質現象不發育。進/出水口段建筑物主要位于弱~微風化巖體中，巖體主要為薄~中厚層結構，圍巖以Ⅲ類為主。進出口洞口邊坡穩定性較好。

（3）開關站

開關站地基為強風化泥質粉砂巖夾粉砂巖、粉砂質泥巖地層，巖體質量差，局部泥巖地基需采取混凝土置換等措施進行地基加強處理。開關站邊坡最大開挖高度40 m，位于斷層F 7 下盤影響帶內，上部覆蓋層厚度4.5~10 m，為坡積粘土夾碎塊石，下部為強風化巖體，巖體完整性差，邊坡穩定性較差，建議加強支護。

3 結論

貴陽抽水蓄能工程地處高山巖溶洼地地區，巖溶發育，巖溶水文地質條件復雜，存在巖溶滲漏、巖溶塌陷、洞室巖溶涌水、邊坡穩定等工程地質問題[5]，本文通過對各建筑物的工程地質評價，主要結論如下：

(1)工程近場區無活動斷裂分布，歷史地震活動弱，工程區50 年超越概率10%的地震動峰值加速度為50.8~54.0 cm/s2，相應地震基本烈度為Ⅵ度，區域構造穩定性好。

（2）上水庫天馬山庫址為淺蝕巖溶洼地，庫盆基巖為寒武系、二疊系碳酸鹽巖，石炭系、二疊系碎屑巖，發育巖溶洼地、落水洞和管道型溶洞，巖溶滲漏問題突出，需進行全庫盆防滲處理。庫底落水洞可能發生小規模巖溶塌陷，影響庫盆穩定，需采取處理措施。

（3）下水庫利用已建水庫，已穩定運行多年，不存在水庫滲漏問題，庫岸主要為巖質岸坡，整體穩定性較好。

（4）輸水發電系統沿線山體雄厚，洞室穿越寒武系地層，主要為白云巖，石英粉砂巖，砂質、泥質白云巖，灰巖、泥質條帶灰巖、泥灰巖，鈣質泥巖等，巖體微新為主，小規模斷層與陡傾角節理較發育，勘探未發現較大規模巖溶管道。輸水隧洞圍巖以Ⅲ類為主、部分較軟巖洞段與斷層帶部位為Ⅳ類。下水庫進出水口后部自然邊坡高陡，局部發育危巖體，應重視危巖體對進出水口運行安全的影響。