抽水蓄能電站庫盆開挖填筑設計原則與關鍵問題初探

王富強，彭森良，辛俊生，劉堯伍，莊洪志

(水電水利規劃設計總院，北京 100120)

0 引 言

2020年9月22日，中國在第75屆聯合國大會上正式提出“2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和”的目標。為減少二氧化碳排放量，實現“雙碳”目標，構建以新能源為主體的新型電力系統是一項重要舉措，新型電力系統中需要大批量快速建設一批抽水蓄能電站承擔電力系統的調峰、填谷、儲能等任務。據不完全統計，目前全國開展前期規劃設計工作的抽水蓄能站點超過300個[1-3]，抽水蓄能電站勘測設計和建設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電系統建筑物等組成。抽水蓄能電站的水庫設計有別于常規水電站，調節庫容由電站裝機規模、利用小時數及利用水頭決定。在此基礎上，需根據地形地質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到最優。庫盆開挖填筑是抽水蓄能電站水庫設計的一個關鍵技術問題，本文通過對近期開展勘察設計工作的抽水蓄能站點的統計，分析庫盆開挖填筑的影響因素和一般規律，初步探討關鍵技術問題及其對策措施。

1 庫盆開挖填筑設計原則

抽水蓄能電站庫盆設計原則是在滿足調節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)滿足調節庫容需求。抽水蓄能電站的調節庫容由電站裝機規模、利用小時數和利用水頭決定。對于裝機容量120萬kW、滿發利用小時數為6 h的抽水蓄能電站，利用水頭400、500、600 m時調節庫容分別需約800萬、700萬、600萬m3。在此基礎上，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，需結合天然地形通過筑壩或庫內擴挖形成庫盆。

(2)滿足水庫水位變幅要求。為保證機組在各工況下均能穩定運行，對于不同水頭范圍的可逆式機組，在水泵工況的最大揚程和發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才能滿足相關要求。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/出水口運行的前提下，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保問題。

(3)充分利用開挖料，減少棄渣量。根據庫容和抽發比要求，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，抽水蓄能電站應優先考慮從開挖料和庫盆擴挖料取得填筑料，從而達到在擴大庫容的同時獲取足夠的大壩填筑料，當可利用的開挖料和庫盆擴挖料剛好滿足壩體和其他填筑料用量要求，達到挖填平衡。部分項目受地形地質條件限制，需從庫外料場開采填筑料，和采用庫內擴挖料場相比，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，經濟指標通常較差。因此，抽水蓄能電站在地形地質條件允許的情況下，通常結合庫盆擴挖在庫內布置料場。庫內料場的規模應綜合考慮壩料需求、庫岸邊坡高度、水庫水位變幅和工程造價等因素綜合確定。

2 影響庫盆開挖填筑的關鍵因素

本文共收集了150多個抽水蓄能電站的設計資料，主要基于56個大中型抽水蓄能站點開展了主要信息統計，其中，包含3個中型抽水蓄能站點(大悟黑溝、花山、鐘祥)和2個混合式抽水蓄能站點(古田溪、烏溪江)。收集到的典型抽水蓄能電站地質信息見表1。

表1 56個典型抽水蓄能站點地質信息統計結果

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數百米，建筑材料外運條件較差，通過就地取材筑壩成庫能夠大幅節省工程成本，絕大多數站點采用土石壩筑壩成庫，其開挖填筑設計更具代表意義，因此，本文梳理總結了56個大中型抽水蓄能站點上水庫的庫盆開挖填筑的主要特點，總結了開挖量、填筑量和棄渣量之間的一般規律。

2.1 開挖填筑工程量總體規律

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個大中型抽水蓄能站點中，上水庫庫盆填筑量均低于開挖量，絕大多數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%，且所有站點工程棄渣量不超過填筑量的2倍。棄用了弱風化以下硬巖料的站點約占1/4，說明有3/4的站點趨近了挖填平衡設計。

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上水庫挖填平衡關系。由表2可知，可溶巖地區絕大部分站點無需庫外料場，56個大中型站點中有18個站點需要尋找庫外料場，需要尋找庫外料場的站點主要由于庫盆開挖料中含有軟巖夾層或為硬巖與軟巖互層。庫外料場僅作為混凝土骨料料源，均不涉及堆石料。此外，2個混合式抽水蓄能站點均利用洞挖料作為混凝土骨料，工程產生棄渣在50萬m3以內。

表2 典型抽水蓄能站點挖填平衡關系匯總

2.2 庫盆挖填與防滲形式關系對比

庫盆挖填平衡設計與水庫防滲形式關系密切。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行全庫盆防滲的水庫，庫內開挖料主要用于大壩填筑和庫底回填。

統計發現，受單位千瓦投資等經濟指標限制，中小型站點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均采取了全庫盆防滲處理。由表1可知，在51個大型抽水蓄能站點中，上水庫采用垂直防滲處理的站點有14個，占比27.5%，利用局部天然地形進行全庫盆防滲處理的站點有31個，占比60.8%，采用挖填全庫盆防滲處理的站點6個，占比11.7%。從區域上來看，西北地區的14個站點全部采取了全庫盆防滲處理，其中約1/3的站點采取挖填全庫盆防滲處理；華北地區的8個站點中有6個采取了局部利用天然地形的全庫盆防滲處理，占比75%；西南地區的10個站點中，有9個采取了全庫盆防滲處理；中南地區和東北地區約有一半的站點采取了全庫盆防滲處理，西南、中南、東北3個地區的全庫盆防滲站點主要處理水庫巖溶滲漏問題；華東和華南地區的站點巖性以花崗巖、熔結凝灰巖等堅硬塊狀火成巖為主，絕大多數站點采取垂直防滲處理。

表3為54個大中型典型抽水蓄能站點上水庫挖填平衡工程量統計。由表3可知，庫區開挖量、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。

表3 典型抽水蓄能站點上水庫挖填平衡工程量統計分析

2.3 地質條件對挖填平衡影響統計分析

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

表4 工程地質巖組對挖填平衡工程量影響分析

3 庫盆開挖填筑關鍵問題與對策初探

庫盆開挖填筑設計的關鍵技術問題是根據庫容需求和實際地形地質條件，合理選擇水庫水位，確定工程開挖料的利用原則和利用率，據此確定庫周線以期獲得滿足筑壩要求的開挖料、同時增加調節庫容。總體上看，上述統計的大部分站點上水庫的庫盆開挖填筑趨近了挖填平衡，說明各設計單位也充分認識到了庫盆挖填平衡的重要性，但也有部分站點存在勘察深度不夠、地質模型不精確、專業協同不夠、開挖填筑平衡差導致棄渣量大的問題。為更好的做好庫盆設計開挖填筑設計，提出以下對策措施建議：

(1)地質勘察工作是庫盆開挖填筑設計的基礎，應提前調配資源，在有限的勘測周期內提高工作效率，并進一步加強成果質量控制。一是，應嚴格按照規范要求開展現場勘探和試驗工作，必要時可加深加密鉆孔布置，以保證庫內開挖料的勘察深度和精度。同時，依托數據傳輸技術的快速發展，勘察成果應及時反映到工程地質報告和圖件上。二是，巖體風化界線很大程度上決定了挖填平衡工程量，借鑒國際水電地質工程師經驗，在構造發育部位單獨分段的基礎上，其余部位以巖塊斷口的變色程度來作為巖體風化標準的主要依據之一，例如，當巖塊斷口的變色程度小于10%時為微風化，10%～50%之間為弱風化，50%～90%之間為強風化，90%以上為全風化，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工程師快速建立風化控制標準，確保地質模型與參數的統一，為料源開挖填筑設計提供可靠依據。三是，建議利用三維模型計算料源儲量時應按照規范要求采用平行斷面法等進行復核[7]。

(2)及時總結土石壩和抽水蓄能開發建設中軟巖、風化巖體或覆蓋層等材料筑壩的新技術和新進展，在有需求的站點盡早開展壩料試驗和現場碾壓試驗，復核軟巖或碎石土筑壩的可行性，并提出控制標準[7]。

(3)部分工程需要進行擴庫開挖以滿足調節庫容要求。隨著壩高增加需要的擴挖庫容減小，擴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調，綜合比較確定。盡量提高開挖料利用率，減少工程棄渣，棄渣可優先考慮在庫內死水位以下或壩后壓坡體進行堆渣。