趙國(guó)斌，郭德存，王漢斌

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引 言

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，各國(guó)能源體系和發(fā)展模式正趨于以非化石能源為主導(dǎo)，我國(guó)也在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下努力構(gòu)建新型能源體系，以期打造更安全、可靠的能源系統(tǒng)。而抽水蓄能電站作為新型能源體系的重要支撐，既可平滑不穩(wěn)定的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，提高可再生能源占比，也能配合常規(guī)火電、核電等電源，為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)，提高電力系統(tǒng)的靈活性。在中長(zhǎng)期規(guī)劃的推動(dòng)下，我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，不同建設(shè)形式、不同地質(zhì)背景的抽水蓄能電站的建設(shè)使工程地質(zhì)勘察面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。長(zhǎng)期以來(lái)，開展由淺入深、循序漸進(jìn)的工程勘察設(shè)計(jì)是水電工程項(xiàng)目建設(shè)成敗的關(guān)鍵，堅(jiān)持分階段完成工程地質(zhì)勘察，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，維護(hù)好迄今運(yùn)轉(zhuǎn)有效的水電工程建設(shè)技術(shù)管理體系，堅(jiān)持設(shè)計(jì)流程，加強(qiáng)溝通協(xié)調(diào)，努力提升工程勘察設(shè)計(jì)水平是保證抽水蓄能電站產(chǎn)業(yè)良好有序發(fā)展的基本保障[1]。

為此，本文分析了當(dāng)前抽水蓄能電站發(fā)展的新態(tài)勢(shì)，論述了工程地質(zhì)勘察的基本要求，同時(shí)結(jié)合工程案例討論了不同建設(shè)形式、不同地質(zhì)背景下的工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)及難點(diǎn)，以供各方參與者參考。

1 抽水蓄能電站的發(fā)展態(tài)勢(shì)

1.1 基本情況

抽水蓄能電站在我國(guó)起步于20世紀(jì)70年代，以1968年華北地區(qū)崗南混合式抽水蓄能電站建成投產(chǎn)為標(biāo)志，我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)起步期。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在經(jīng)歷了探索發(fā)展期、完善發(fā)展期和蓬勃發(fā)展期[2]后，抽水蓄能電站發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及投資體制均趨于完善。

在“雙碳”目標(biāo)的促動(dòng)和加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的新形勢(shì)下，抽水蓄能電站作為技術(shù)最成熟、功能最強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)能形式得到了各方的高度重視。在此背景下，《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)劃”)應(yīng)聲出臺(tái)，在“到2025年抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模6 200萬(wàn)kW以上；到2030年，投產(chǎn)總規(guī)模1.2億kW左右”的中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)[3]推動(dòng)下，抽水蓄能電站建設(shè)進(jìn)入了爆發(fā)期。

1.2 發(fā)展新態(tài)勢(shì)

在爆發(fā)式增長(zhǎng)的背景下，抽水蓄能電站建設(shè)也表現(xiàn)出了新態(tài)勢(shì)，具體表現(xiàn)為：

(1)投資主體多元化。在不斷的完善、發(fā)展過程中，我國(guó)抽水蓄能電站投資體制從規(guī)劃出臺(tái)之前以國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等用戶側(cè)為主轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、能源建設(shè)企業(yè)等供給側(cè)并存的多元化投資主體，實(shí)現(xiàn)了供給側(cè)和用戶側(cè)同步發(fā)展的新局面。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，新一輪規(guī)劃出臺(tái)之前，已建、在建抽水蓄能電站的投資主體包括以電網(wǎng)企業(yè)為主的8家企業(yè)，而在新一輪規(guī)劃出臺(tái)后，已落實(shí)的項(xiàng)目投資主體單位達(dá)到了30余家，除中央企業(yè)、地方國(guó)企外，也有不少民營(yíng)企業(yè)參與其中。

(2)電站選址多樣化。為適應(yīng)構(gòu)建新型能源體系的需求，電站選址逐漸從原有的電網(wǎng)負(fù)荷中心，向水、風(fēng)、光互補(bǔ)的新型能源一體化建設(shè)的重點(diǎn)地區(qū)轉(zhuǎn)變，體現(xiàn)了其突出的儲(chǔ)能和調(diào)節(jié)性能。截至2021年3月，華東地區(qū)已投產(chǎn)及施工階段的項(xiàng)目各13座，數(shù)量最多，而在設(shè)計(jì)階段的項(xiàng)目，華中和西北地區(qū)數(shù)量最多，分別達(dá)到了24座和13座，且有逐漸增加的趨勢(shì)。截至2022年3月，已建、在建的148座抽水蓄能電站區(qū)域分布見表1。數(shù)據(jù)表明，抽水蓄能電站選址已從東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)向西部經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)轉(zhuǎn)變。

表1 已建、在建抽水蓄能電站區(qū)域分布 座

(3)建設(shè)形式多樣化。在我國(guó)抽水蓄能電站爆發(fā)式發(fā)展時(shí)期，不同的建設(shè)形式被投資主體所采用，表現(xiàn)為常規(guī)蓄能和非常規(guī)蓄能并行發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)，包括：①依地形高差而建的常規(guī)抽水蓄能電站；②利用已建上、下水庫(kù)建設(shè)的混合式抽水蓄能電站；③利用露天礦坑建設(shè)的抽水蓄能電站；④利用采礦巷道建設(shè)的抽水蓄能電站。截至2022年3月，在已建、在建或規(guī)劃的148座抽水蓄能電站中，常規(guī)抽水蓄能電站127座、混合式抽水蓄能電站18座、露天礦坑綜合利用項(xiàng)目2座、采礦巷道綜合利用項(xiàng)目1座?？梢?，常規(guī)抽水蓄能電站仍然是本階段最重要的建設(shè)形式。

在上述背景下，抽水蓄能電站的勘測(cè)設(shè)計(jì)單位也從原有的電網(wǎng)設(shè)計(jì)企業(yè)為主體，發(fā)展成各領(lǐng)域勘測(cè)設(shè)計(jì)企業(yè)積極參與的新態(tài)勢(shì)。在不熟悉水電工程建設(shè)管理流程、技術(shù)管理規(guī)定以及爭(zhēng)取市場(chǎng)份額過分追求項(xiàng)目進(jìn)度的背景下，縮短勘測(cè)設(shè)計(jì)周期、簡(jiǎn)化建設(shè)審批流程的意愿普遍存在。然而，從我國(guó)幾十年大型水電工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)看，對(duì)投資規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)、技術(shù)難度大的抽水蓄能電站，如此操作將會(huì)欲速則不達(dá)[1]，給電站的建設(shè)和運(yùn)行埋下隱患。

2 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)工程地質(zhì)勘察的基本要求

抽水蓄能電站由于其用電低谷時(shí)抽水蓄能、用電高峰時(shí)放水發(fā)電的特殊功能，對(duì)工程地質(zhì)勘察的基本要求與常規(guī)水電工程的區(qū)別體現(xiàn)在水庫(kù)防滲要求高、地下洞室群密集布置、天然建筑材料精細(xì)化管理等方面。為避免出現(xiàn)影響工程建設(shè)和安全運(yùn)行的重大工程地質(zhì)問題，進(jìn)行必要的工程地質(zhì)勘察，通過由淺入深、分階段逐步了解電站站點(diǎn)區(qū)的基本工程地質(zhì)條件，揭示存在的工程地質(zhì)問題，提出針對(duì)性的工程處理措施是保證工程建設(shè)方案經(jīng)濟(jì)合理、工程運(yùn)行安全可靠、實(shí)現(xiàn)全生命周期健康發(fā)展的基本要求。

抽水蓄能電站作為大型水力發(fā)電工程，工程地質(zhì)勘察需遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[4]和能源行業(yè)規(guī)范NB/T 10073—2018《抽水蓄能電站工程地質(zhì)勘察規(guī)程》[5]等規(guī)程規(guī)范的基本要求，在階段劃分上應(yīng)嚴(yán)格按照選點(diǎn)規(guī)劃、預(yù)可行性研究、可行性研究、招標(biāo)設(shè)計(jì)以及施工詳圖設(shè)計(jì)共5個(gè)階段開展工程地質(zhì)勘察工作。各階段的勘察重點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：

(1)選點(diǎn)規(guī)劃階段應(yīng)在站點(diǎn)普查的基礎(chǔ)上推薦近期開發(fā)站點(diǎn)，完成天然建筑材料普查。

(2)預(yù)可行性研究階段應(yīng)對(duì)選點(diǎn)規(guī)劃推薦的近期開發(fā)站點(diǎn)進(jìn)行勘察，評(píng)價(jià)工程場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性，對(duì)可能的樞紐格局布置組合方案作出初步評(píng)價(jià)，提出推薦方案，完成天然建筑材料初查。

(3)可行性研究階段應(yīng)查明水庫(kù)、擋水建筑物及輸水發(fā)電系統(tǒng)的工程地質(zhì)條件，為詳細(xì)設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)，完成天然建筑材料詳查。

(4)招標(biāo)設(shè)計(jì)階段以補(bǔ)充和完善可行性研究勘察成果為主。

(5)施工詳圖設(shè)計(jì)階段應(yīng)以檢驗(yàn)前期勘察成果為主，并通過必要的補(bǔ)充勘察進(jìn)行特殊工程地質(zhì)問題的專題研究，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

此外，不同設(shè)計(jì)階段的工程地質(zhì)勘察工作均需結(jié)合抽水蓄能電站的工程特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性勘察，如因上、下水庫(kù)高差大，在進(jìn)行抗震穩(wěn)定計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮地震放大效應(yīng)，地震動(dòng)參數(shù)的確定更為重要；上水庫(kù)多修建在山頂、運(yùn)行期庫(kù)水位頻繁升降，因此水庫(kù)滲漏問題和水位變幅帶內(nèi)庫(kù)岸穩(wěn)定是水庫(kù)的勘察重點(diǎn)；地下洞室群密集布置、引水下平段承受水頭高，故而拱頂圍巖穩(wěn)定、高壓洞段巖體質(zhì)量是輸水發(fā)電系統(tǒng)的勘察重點(diǎn)；天然建筑材料勘察則應(yīng)遵循優(yōu)先考慮庫(kù)內(nèi)取料、渣料利用、挖填平衡的原則要求開展工程地質(zhì)勘察。

3 不同建設(shè)形式站點(diǎn)的工程地質(zhì)勘察重點(diǎn)

3.1 常規(guī)抽水蓄能電站

通過新建上、下水庫(kù)，依地形高差在上、下水庫(kù)間布置輸水發(fā)電系統(tǒng)而建的常規(guī)抽水蓄能電站具有裝機(jī)規(guī)模大、單位千瓦造價(jià)低、建設(shè)運(yùn)行技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，仍是新形勢(shì)下的重點(diǎn)建設(shè)形式。在大規(guī)模的建設(shè)背景下，一大批世界級(jí)的抽水蓄能電站已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行，如2020年投產(chǎn)的豐寧抽水蓄能電站創(chuàng)下了裝機(jī)規(guī)模(3 600 MW)、儲(chǔ)能能力(周調(diào)節(jié))、地下廠房規(guī)模、地下洞室群規(guī)模共4項(xiàng)世界之最；2022年建成投產(chǎn)的長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站發(fā)電水頭710 m，位居世界第二、中國(guó)第一；建設(shè)中的浙江天臺(tái)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)發(fā)電水頭724 m，是目前我國(guó)已建、在建額定水頭最高的抽水蓄能電站。

為追求更高的經(jīng)濟(jì)效益、更合理的裝機(jī)規(guī)模，更充分體現(xiàn)抽水蓄能電站的儲(chǔ)能特性，當(dāng)前常規(guī)抽水蓄能電站建設(shè)面臨著輸水線路穿越區(qū)域活動(dòng)斷裂、巖溶地區(qū)滲漏及地下洞室圍巖穩(wěn)定問題、超高水頭地下洞室圍巖適應(yīng)性、濕陷性黃土地區(qū)庫(kù)址選擇等復(fù)雜的工程地質(zhì)難題，也為工程地質(zhì)勘察工作提出了更高的要求。因此，除應(yīng)遵循現(xiàn)行規(guī)范對(duì)工程地質(zhì)勘察的基本要求外，還需針對(duì)上述問題進(jìn)行不斷的研究和探索，才能保證電站建設(shè)良好有序的發(fā)展。

3.2 混合式抽水蓄能電站

當(dāng)前，利用已建上、下水庫(kù)建設(shè)的混合式抽水蓄能電站是中小型抽水蓄能電站開發(fā)的主要形式，如1968年建成的崗南抽水蓄能電站依托崗南水庫(kù)而建，裝機(jī)規(guī)模11 MW；分別于1992年和2000年建成的潘家口[6]、響洪甸抽水蓄能電站均利用同名下水庫(kù)建設(shè)，裝機(jī)規(guī)模分別為270 MW和80 MW；正在開展設(shè)計(jì)工作的湖北竹山潘口抽水蓄能電站利用了上游潘口電站、下游小漩電站的水庫(kù)分別作為上、下水庫(kù)，設(shè)計(jì)裝機(jī)規(guī)模300 MW，浙江麗水緊水灘抽水蓄能電站依托上游緊水灘水庫(kù)、下游石塘水庫(kù)建設(shè)，設(shè)計(jì)裝機(jī)規(guī)模297 MW等?，F(xiàn)行規(guī)范要求[4]，利用已建水庫(kù)建設(shè)混合式抽水蓄能電站，工程地質(zhì)勘察重點(diǎn)應(yīng)在搜集已建水庫(kù)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行期工程地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，復(fù)核水庫(kù)滲漏、庫(kù)岸穩(wěn)定、樞紐建筑物地基穩(wěn)定等與抽水蓄能電站建設(shè)和運(yùn)行相關(guān)的工程地質(zhì)問題，重點(diǎn)評(píng)價(jià)水位變動(dòng)對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定的影響，重點(diǎn)勘察輸水發(fā)電系統(tǒng)工程地質(zhì)條件，對(duì)改、擴(kuò)建工程還應(yīng)進(jìn)行專門的工程地質(zhì)勘察。受建設(shè)條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的影響，中小型電站多選擇合適的地形條件布置發(fā)電廠房，如竹山潘口、緊水灘抽水蓄能電站選擇了半地下式廠房方案，工程地質(zhì)勘察則應(yīng)以查清廠房基坑和工程邊坡穩(wěn)定為重點(diǎn)。

此外，為履行清潔能源基地建設(shè)、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的央企職責(zé)，大型發(fā)電企業(yè)正在開展結(jié)合大型水電站同步建設(shè)裝機(jī)規(guī)模超過1 000 MW的大型混合式抽水蓄能電站。例如，與瑪爾擋水電站同步建設(shè)的同德、瑪沁抽水蓄能電站應(yīng)同步評(píng)價(jià)電站運(yùn)行對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定的影響，選擇合適的下水庫(kù)進(jìn)出水口位置、地下洞室群的布置還需考慮庫(kù)水入滲的影響等，工程地質(zhì)勘察應(yīng)圍繞此類問題開展。與葉巴灘、拉哇水電站同步建設(shè)的同名混合抽水蓄能電站，需重點(diǎn)評(píng)價(jià)抽水蓄能電站地下洞室群的圍巖穩(wěn)定及其布置對(duì)在建項(xiàng)目的影響。利用已建拉西瓦電站水庫(kù)作為下水庫(kù)的青海哇讓抽水蓄能電站需在拉西瓦庫(kù)區(qū)選擇合適的進(jìn)出水口位置，其圍巖穩(wěn)定及后邊坡穩(wěn)定問題是本工程的勘察重點(diǎn)。

3.3 露天礦坑綜合利用抽水蓄能電站

露天礦坑綜合利用建設(shè)抽水蓄能電站的概念在國(guó)外于20世紀(jì)70年代提出，其建設(shè)形式包括利用正在生產(chǎn)的礦坑或廢棄礦坑作為下水庫(kù)，在周邊選擇適宜的地形或利用礦渣堆填成庫(kù)建設(shè)上水庫(kù)等形式。如為改善當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境提出的海州露天礦坑綜合利用抽水蓄能電站設(shè)計(jì)方案正是考慮了環(huán)境治理、儲(chǔ)能發(fā)電等綜合效益；河北灤平抽水蓄能電站的建設(shè)與礦坑綜合治理有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理和保護(hù)，生態(tài)環(huán)境和社會(huì)效益顯著；利用撫順西露天礦礦坑建設(shè)抽水蓄能電站[7]，通過抽水蓄能與坑底儲(chǔ)油相結(jié)合的廢棄露天礦坑綜合利用模式，解決國(guó)內(nèi)露天礦坑廢棄帶來(lái)的安全隱患、空間資源浪費(fèi)以及國(guó)家能源儲(chǔ)備安全的問題；澳大利亞Kidston、Middleback Range站點(diǎn)利用廢棄的鐵礦礦坑建設(shè)，肯塔基的Maysiville電站利用石灰?guī)r礦坑建設(shè)，也達(dá)到了礦坑綜合利用和生態(tài)環(huán)境修復(fù)的目的。

現(xiàn)有規(guī)范并未對(duì)露天礦坑綜合利用建設(shè)抽水蓄能電站的工程地質(zhì)勘察作出相關(guān)規(guī)定。作者認(rèn)為，結(jié)合電站的建設(shè)和運(yùn)行特點(diǎn)，礦坑坑壁的長(zhǎng)期穩(wěn)定及結(jié)合礦坑開挖選擇合適的進(jìn)出水口、確定合理的支護(hù)范圍、礦渣渣體的利用、上水庫(kù)滲漏問題等應(yīng)作為重點(diǎn)勘察對(duì)象。如澳大利亞Kidston鐵礦礦坑坑壁受斷層、剪切帶以及侵入體的切割，巖體完整性差，存在較多的不穩(wěn)定塊體，易形成小規(guī)模崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)輸水管線和發(fā)電廠房的布置均會(huì)產(chǎn)生明顯影響，應(yīng)通過詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察，評(píng)價(jià)電站建設(shè)和運(yùn)行過程中坑壁的穩(wěn)定性。另外，電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的下水庫(kù)進(jìn)出水口多布置于礦坑內(nèi)，如何合理選址并評(píng)價(jià)其后邊坡的穩(wěn)定及確定支護(hù)范圍等也是此類項(xiàng)目的工程地質(zhì)勘察重點(diǎn)，如灤平、隆化等站點(diǎn)。上水庫(kù)的建設(shè)多布置于礦坑坑壁附近，需采取必要的防滲措施，避免上水庫(kù)滲漏對(duì)坑壁邊坡穩(wěn)定的影響，因此上水庫(kù)滲漏及庫(kù)外邊坡穩(wěn)定問題也應(yīng)該作為工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)。當(dāng)利用礦渣或尾礦建設(shè)上水庫(kù)時(shí)，則存在礦渣粒徑分布不均、碾壓不密實(shí)、渣料強(qiáng)度不一、軟巖含量高等不利因素引起的堆渣體滲漏、不均勻沉降等問題，因此，查明礦渣的物質(zhì)組成或控制尾礦堆填質(zhì)量則需要重點(diǎn)關(guān)注。

3.4 采礦巷道綜合利用抽水蓄能電站

從20世紀(jì)70年代起，國(guó)外就提出了利用采礦巷道建設(shè)抽水蓄能電站的工程設(shè)想，以半地下式和全地下式2種建設(shè)形式進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，如1992年提出的美國(guó)霍普山抽水蓄能電站[8]在地面建設(shè)上水庫(kù)，利用位于地面以下726 m的采礦巷道作為下水庫(kù)建設(shè)裝機(jī)規(guī)模2 040 MW的半地下式抽水蓄能電站；德國(guó)下薩克森州提出的利用金屬礦巷道建設(shè)全地下式抽水蓄能電站。利用現(xiàn)有采礦巷道建設(shè)抽水蓄能電站可以實(shí)現(xiàn)廢棄礦井轉(zhuǎn)型與地下空間綜合利用的戰(zhàn)略構(gòu)想[9]，也可以為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整提供資源，謝和平等[10]預(yù)測(cè)，利用廢棄煤礦和礦井水庫(kù)的蓄能發(fā)電量約為2014年我國(guó)全年發(fā)電總量的1.5倍。目前，利用廢棄礦井抽水蓄能發(fā)電多能互補(bǔ)能源綜合體項(xiàng)目在淄博市正式開工建設(shè)，江蘇句容石碭山銅礦礦井抽水蓄能電站項(xiàng)目也已開展前期研究工作。

與抽水蓄能電站的運(yùn)行特點(diǎn)有關(guān)，采礦巷道綜合利用抽水蓄能電站也需結(jié)合其工程地質(zhì)問題開展針對(duì)性的工程地質(zhì)勘察工作，除需重點(diǎn)研究輸水發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)水系統(tǒng)等部位的圍巖穩(wěn)定問題外，還需考慮復(fù)雜的水位消落產(chǎn)生的氣流和水流對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，以及地下廠房區(qū)域的防滲及圍巖加固等問題。因此，已建采礦巷道的適宜性及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、在建采礦巷道的支護(hù)措施設(shè)計(jì)、大型地下洞室群的選址、采空區(qū)的評(píng)價(jià)和利用等問題應(yīng)作為此類電站的工程地質(zhì)勘察重點(diǎn)，并查明擬利用巷道范圍內(nèi)圍巖巖體質(zhì)量及水文地質(zhì)條件，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定和滲流分析，提出合理的工程處理措施。

值得一提的是，目前為止，盡管露天礦坑和采礦巷道綜合利用建設(shè)抽水蓄能電站尚未有建成和運(yùn)行的相關(guān)報(bào)道，但在當(dāng)前形勢(shì)下，已有不少投資主體和勘測(cè)設(shè)計(jì)單位對(duì)此類建設(shè)形式開始探索，需盡快研究制定相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范，以規(guī)范各勘測(cè)設(shè)計(jì)單位的工程地質(zhì)勘察工作。

4 不同地質(zhì)背景下的工程地質(zhì)勘察

我國(guó)地形呈階梯狀分布，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性、巖土體分布具有顯著的分帶和分區(qū)域性的特征，抽水蓄能電站站點(diǎn)也因區(qū)域分布不同而具有不同的工程地質(zhì)特點(diǎn)。

4.1 區(qū)域構(gòu)造背景復(fù)雜地區(qū)

4.1.1 站點(diǎn)分布情況

我國(guó)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性分區(qū)特征明顯，如西北和西南地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，強(qiáng)震活動(dòng)頻繁，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性最差；華北和東南沿海一帶構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈，強(qiáng)震活動(dòng)較多，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差；東北和華南廣大內(nèi)陸地震活動(dòng)較弱，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好[11]。

目前，西北和西南地區(qū)抽水蓄能電站規(guī)劃站點(diǎn)所在工程區(qū)常會(huì)遇到因活動(dòng)斷裂發(fā)育引起的建筑物抗斷設(shè)計(jì)問題和地震基本烈度高地區(qū)的抗震設(shè)計(jì)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，截至2022年3月，在已投產(chǎn)、施工、設(shè)計(jì)階段的158座項(xiàng)目中，地震基本烈度為Ⅵ度區(qū)的分別有33座和21座，占比較大，而在設(shè)計(jì)階段的項(xiàng)目中，Ⅶ度區(qū)16座，Ⅷ度區(qū)9座，其中部分站點(diǎn)場(chǎng)址區(qū)內(nèi)發(fā)育活動(dòng)斷層，輸水隧洞存在抗斷穩(wěn)定性問題。

4.1.2 工程地質(zhì)勘察重點(diǎn)

區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性和地震地質(zhì)條件是制約工程成立與否和估算工程投資的關(guān)鍵工程地質(zhì)問題，GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》規(guī)定，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的勘察任務(wù)主要在預(yù)可行性研究階段完成。具體規(guī)定如下：

(1)預(yù)可行性研究階段應(yīng)進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性研究，對(duì)場(chǎng)地構(gòu)造穩(wěn)定性和地震安全性做出評(píng)價(jià)。研究?jī)?nèi)容應(yīng)包括工程區(qū)范圍內(nèi)斷層和地震活動(dòng)特性，近場(chǎng)區(qū)25 km、場(chǎng)址區(qū)5 km范圍內(nèi)的斷層分布情況，進(jìn)行斷層活動(dòng)性鑒定，開展地震安全性評(píng)價(jià)工作。相關(guān)工作需同時(shí)滿足NB/T 35098—2017《水電工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性勘察規(guī)程》的要求。

(2)可行性研究階段的主要任務(wù)是根據(jù)需要復(fù)核或補(bǔ)充區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性及場(chǎng)地地震災(zāi)害評(píng)價(jià)內(nèi)容。GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》同時(shí)提出，應(yīng)采用地面調(diào)查、物探、鉆探等綜合勘探手段確定活動(dòng)斷層的規(guī)模和位置，建筑物應(yīng)采取避讓措施，規(guī)范明確規(guī)定，擋水建筑物不應(yīng)建在活動(dòng)斷層上，如陜西富平站點(diǎn)通過移動(dòng)下水庫(kù)位置避開了北山山前斷層的影響；當(dāng)無(wú)法避讓時(shí)，可將活動(dòng)斷層布置于尾水隧洞或尾水明渠等低壓洞段，如甘肅肅南皇城站點(diǎn)，榆木山東緣斷層與尾水明渠相交，并采取了抗斷設(shè)計(jì)；若設(shè)計(jì)布置不可避讓活動(dòng)斷層的影響時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步論證該站點(diǎn)的可行性，如甘肅大古山站點(diǎn)場(chǎng)址區(qū)存在長(zhǎng)干溝-石蠟板溝活動(dòng)斷層，經(jīng)論證后該站點(diǎn)不再繼續(xù)開展勘測(cè)設(shè)計(jì)研究。

4.2 巖溶發(fā)育地區(qū)

4.2.1 站點(diǎn)分布情況

巖溶及巖溶水文地質(zhì)條件引起的工程地質(zhì)問題往往制約著抽水蓄能電站的建設(shè)進(jìn)程。我國(guó)華東、華南沿海一帶多以巖漿巖或火山碎屑巖為主，巖溶工程地質(zhì)問題不突出，而西北、西南及華中等區(qū)域部分站址可溶巖發(fā)育，巖溶問題則較為突出，其中以清江流域、貴州、廣西等碳酸鹽巖發(fā)育地區(qū)尤為突出。盡管在巖溶地區(qū)已有構(gòu)皮灘水電站、水布埡水利樞紐等大型水電工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，但抽水蓄能電站的建設(shè)實(shí)例并不多見。

4.2.2 工程地質(zhì)勘察重點(diǎn)

在巖溶地區(qū)規(guī)劃選址過程中，巖溶洼地往往具備良好的地形條件，但巖溶工程地質(zhì)問題則需高度重視，如湖北松滋站點(diǎn)上水庫(kù)由2個(gè)巖溶洼地組成，水庫(kù)區(qū)巖溶洞穴、漏斗等發(fā)育，存在水庫(kù)滲漏問題；下水庫(kù)庫(kù)周可見眾多泉水點(diǎn)出露，水文地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，下水庫(kù)滲漏問題突出。若勘察工作深度不能滿足階段要求，上、下水庫(kù)的防滲難度將會(huì)非常突出。已建成的安徽瑯琊山抽水蓄能電站工程區(qū)地層以厚層致密塊狀灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育較為強(qiáng)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(fā)現(xiàn)落水洞、溶坑、溶斗共23個(gè)，溶洞14個(gè)，施工中揭露總量達(dá)到100余個(gè)；即將建成的江蘇某抽水蓄能電站巖溶多沿?cái)鄬踊驍D壓破碎帶發(fā)育，且在-70 m高程仍有巖溶發(fā)育。另外，巖溶系統(tǒng)發(fā)育的隨機(jī)性和水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性給電站工程地質(zhì)勘察帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)，勘察深度達(dá)不到基本要求，可能導(dǎo)致對(duì)開挖洞室圍巖穩(wěn)定分析不足，進(jìn)而影響施工期安全。例如，在貴州省所選站點(diǎn)中，福泉坪、楠木山、桐溪、蓮花、石廠壩、大樹子等站點(diǎn)上水庫(kù)位于巖溶地下水補(bǔ)給區(qū)，輸水發(fā)電系統(tǒng)處于巖溶地下水的徑流區(qū)，下水庫(kù)為巖溶地下水的排泄區(qū)，水庫(kù)滲漏和巖溶洞穴穩(wěn)定、地下洞室?guī)r溶涌水等問題突出[12]。

可見，可溶巖地區(qū)的巖溶工程地質(zhì)問題是工程地質(zhì)勘察的難點(diǎn)，其中水庫(kù)滲漏、地下洞室圍巖穩(wěn)定問題是抽水蓄能電站工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)。由于溶蝕洼地、巖溶通道等影響水庫(kù)滲漏勘察及防滲設(shè)計(jì)，而隱伏巖溶和溶洞充填物的特性對(duì)地下洞室群圍巖穩(wěn)定影響明顯，因其復(fù)雜性使得通過現(xiàn)有勘察手段查清上述問題難度較大，故而此類地區(qū)的前期工程地質(zhì)勘察應(yīng)以查明巖溶發(fā)育特征、巖溶水文地質(zhì)條件、溶洞充填物等發(fā)育規(guī)律為重點(diǎn)，并應(yīng)在施工詳圖設(shè)計(jì)階段進(jìn)行專門性工程地質(zhì)勘察，結(jié)合開挖揭露情況采取針對(duì)性的工程措施，相關(guān)勘察任務(wù)和內(nèi)容應(yīng)遵循NB/T 10075—2018《水電工程巖溶工程地質(zhì)勘察規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定。

4.3 層狀、緩傾角地層發(fā)育地區(qū)

4.3.1 站點(diǎn)分布情況

我國(guó)西南、西北地區(qū)等沉積巖發(fā)育地區(qū)，碎屑巖占比較大。以重慶地區(qū)站點(diǎn)為例，多數(shù)工程軟、硬巖多互層發(fā)育，且層面多呈緩傾狀。如栗子灣抽水蓄能電站地下廠房布置于緩傾發(fā)育的泥巖、砂質(zhì)泥巖互層夾泥質(zhì)砂巖和砂巖地層中；蟠龍抽水蓄能電站地下洞室區(qū)域地層主要為近水平發(fā)育的厚層～巨厚層礫巖、砂巖、粉砂巖及泥巖[13]，軟硬相間發(fā)育；巫山抽水蓄能地下廠房置于近似水平發(fā)育的泥質(zhì)灰?guī)r中；云陽(yáng)建全抽水蓄能輸水發(fā)電系統(tǒng)沿線地層產(chǎn)狀平緩，巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖為主；陜北地區(qū)新一輪站點(diǎn)中大部分地下洞室群布置于近水平層狀發(fā)育的砂泥巖、泥巖等地層中，如喬家山、王家峁、佳縣等站點(diǎn)。

4.3.2 工程地質(zhì)勘察重點(diǎn)

在上述地區(qū)建設(shè)大規(guī)模地下洞室群，最突出的問題就是大型地下洞室群拱頂圍巖的穩(wěn)定問題，如已建成的山西西龍池抽水蓄能電站地下廠房洞室群位于近水平狀發(fā)育的互層狀和薄層狀的泥質(zhì)鮞狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r、泥質(zhì)柱狀灰?guī)r和薄層粉砂巖中，拱頂穩(wěn)定問題較為突出[14]。

在緩傾角層狀巖體發(fā)育地區(qū)，地下洞室群拱頂將會(huì)形成平行組合梁模型和組合懸臂梁模型，破壞形式則以彎曲折斷為主。圖1為某電站地下洞室群部位廠房頂拱圍巖示意。工程實(shí)例表明，在此類地區(qū)應(yīng)查明近水平層狀發(fā)育的薄層或中厚層巖體工程地質(zhì)特性和層間軟弱夾層的發(fā)育特征，并將地下洞室拱頂置于適宜的巖體中作為工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)。

圖1 平緩層狀巖體廠房頂拱圍巖示意

4.4 濕陷性黃土地區(qū)

4.4.1 站點(diǎn)分布情況

在新一輪抽水蓄能電站的規(guī)劃選點(diǎn)中，為滿足陜北及黃河“幾”字灣地區(qū)新能源基地建設(shè)的需要，抽水蓄能電站的重要性顯得較為突出。然而，此類地區(qū)多分布濕陷性黃土，已有較多的規(guī)劃站點(diǎn)選址涉及濕陷性黃土工程地質(zhì)問題，如陜西榆林地區(qū)的神木喬家山、神木王家峁、佳縣、清澗、洛川等站點(diǎn)。因此，濕陷性黃土地區(qū)抽水蓄能電站建設(shè)的適宜性也已成為業(yè)界探討的焦點(diǎn)。

4.4.2 工程地質(zhì)勘察重點(diǎn)

因濕陷性黃土在含水率發(fā)生變化時(shí)多表現(xiàn)出發(fā)生溶蝕、塌陷等破壞特征，影響建筑物地基穩(wěn)定，進(jìn)而影響工程運(yùn)行安全。已有工程建設(shè)案例表明，黃土地區(qū)建設(shè)的水利工程普遍面臨滲漏和滲漏引起的濕陷性問題，如延安顧屯河流域5座水庫(kù)，在庫(kù)內(nèi)外水位存在高差的情況下發(fā)生了滲漏[15]。其次，水庫(kù)或水渠地基易發(fā)生大規(guī)模沉降變形，如在延安引大東一干渠加固改造工程中局部段地基土飽水，在濕陷循環(huán)作用下發(fā)生了破壞，致使防滲措施失效，渠水外滲[16]，造成經(jīng)濟(jì)損失。此外，黃土遇水濕陷也極易引起黃土滑坡、庫(kù)岸坍塌、泥流等地質(zhì)災(zāi)害[17]，影響生命財(cái)產(chǎn)安全，如陜北延安黃土地區(qū)某水庫(kù)在初期蓄水后，庫(kù)岸岸坡發(fā)生的滑塌約70處[18]；位于隴東黃土高原的馬蓮河水庫(kù)，在蓄水后庫(kù)周塌岸范圍約占總征地面積的30%[19]。

可見，在濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)上、下水庫(kù)面臨著水庫(kù)滲漏誘發(fā)黃土濕陷及次生地質(zhì)災(zāi)害等工程地質(zhì)問題，因此黃土濕陷性勘察應(yīng)作為此類站點(diǎn)工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)；其次，黃土地區(qū)的洞室圍巖穩(wěn)定問題、運(yùn)行過程庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定、水庫(kù)內(nèi)水外滲對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定的影響等也應(yīng)作為勘察重點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

雙碳目標(biāo)引領(lǐng)我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)進(jìn)入了爆發(fā)式增長(zhǎng)期，工程建設(shè)技術(shù)和管理水平均日益成熟。在多元投資主體并存、多種建設(shè)形式同步開發(fā)、工程地質(zhì)條件漸趨復(fù)雜的大背景下，合理、有序地開展前期勘察設(shè)計(jì)工作是保障抽水蓄能電站產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的基本前提。

本文分析了當(dāng)前抽水蓄能電站建設(shè)的新態(tài)勢(shì)和不同建設(shè)形式、不同地質(zhì)背景下的工程地質(zhì)特點(diǎn)，討論了當(dāng)前形勢(shì)下的工程地質(zhì)勘察重點(diǎn)。作者認(rèn)為，作為大型水電工程，為確保工程全生命周期的安全，工程地質(zhì)勘察應(yīng)首先滿足現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范的基本要求，同時(shí)應(yīng)結(jié)合工程的建設(shè)、運(yùn)行特點(diǎn)和關(guān)鍵工程地質(zhì)問題進(jìn)行針對(duì)性的勘察。實(shí)踐證明，唯有通過遵循循序漸進(jìn)、由淺入深的工程地質(zhì)勘察流程，逐步揭露工程地質(zhì)條件，才能充分揭露制約工程建設(shè)和安全運(yùn)行的工程地質(zhì)問題，并通過采取針對(duì)性設(shè)計(jì)，提出技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理的工程布置方案，為抽水蓄能電站的全生命周期安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。