李鵬云，聶 文，陳 雯，孟祥芳，劉運(yùn)飛，陳彥生

（1.長江工程監(jiān)理咨詢有限公司，武漢 430010；2.長江科學(xué)院科技成果推廣及信息中心，武漢 430010；3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院施工設(shè)計(jì)處，武漢 430010）

抽水蓄能電站建設(shè)與巖體初始應(yīng)力場綜述

李鵬云1，聶 文2，陳 雯3，孟祥芳2，劉運(yùn)飛2，陳彥生2

（1.長江工程監(jiān)理咨詢有限公司，武漢 430010；2.長江科學(xué)院科技成果推廣及信息中心，武漢 430010；3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院施工設(shè)計(jì)處，武漢 430010）

綜述了我國已建、在建和擬建的抽水蓄能電站與巖體初始應(yīng)力場測試、應(yīng)用資訊；初步研討了當(dāng)代抽水蓄能電站設(shè)計(jì)施工中應(yīng)用巖體初始應(yīng)力場的一些基本規(guī)律，包括：①20座抽水蓄能電站實(shí)測巖體初始應(yīng)力場存在高、中、低三類地應(yīng)力水平；②實(shí)測的巖體初始應(yīng)力與埋藏深度的關(guān)系；③抽水蓄能電站廠房洞室長軸方向與地應(yīng)力的關(guān)系；④抽水蓄能電站的有壓隧洞最小覆蓋厚度；⑤地質(zhì)斷裂對(duì)抽水蓄能電站巖體初始應(yīng)力約有30%～50%的影響。

抽水蓄能；電站建設(shè)；巖體初始應(yīng)力場；設(shè)計(jì)；施工；基本規(guī)律

利用電力系統(tǒng)低谷負(fù)荷時(shí)的剩余電力抽水到高處蓄存，在高峰負(fù)荷時(shí)放水發(fā)電的水電站叫抽水蓄能電站。

自1882年瑞士蘇黎世的奈特拉抽水蓄能電站首次問世以來，抽水蓄能電站逐步受到意大利、德國、法國、西班牙、英國、美國和日本等發(fā)達(dá)國家所推崇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1960年全世界抽水蓄能電站裝機(jī)容量350萬kW，1970年為1 600萬kW，1980年為4 600萬kW，1990年為8 300萬kW，2000年達(dá)到11 328萬kW，40年增加了32倍，平均年增長率為9.1%。

我國抽水蓄能電站建設(shè)起步雖然滯后西歐等發(fā)達(dá)國家十余年，但抽水蓄能電站建設(shè)在吸收國外先進(jìn)技術(shù)及建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上則發(fā)展較快。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，國內(nèi)電力系統(tǒng)的日負(fù)荷峰谷差越來越大，因此，迫切需要提出解決調(diào)峰填谷的有力措施，從根本上解決峰谷差的問題。興建抽水蓄能電站正是有效合宜的舉措。

預(yù)計(jì)2020年我國發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到13億kW以上。屆時(shí)需要建設(shè)4 000萬～6 000萬kW的抽水蓄能電站［1］。

1 中國抽水蓄能電站建設(shè)及其特征

中國第一座抽水蓄能電站始建于1967年即河北省的崗南11 MW混合型抽水蓄能電站。1969年在我國寶島臺(tái)灣開始興建德基抽水蓄能電站，其裝機(jī)容量234 MW。截止2008年底，我國已建和在建的抽水蓄能電站計(jì)40座（詳見表1），規(guī)劃（擬建）擴(kuò)建的也有40座（表2）。

由表1可見，我國抽水蓄能電站建設(shè)的特征為：

（1）我國已建和在建的抽水蓄能電站主要是兩類，即純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站。前者的特征是發(fā)電的水量等于抽水蓄存的水量，并能重復(fù)循環(huán)使用；后者的特征是廠房內(nèi)既沒有抽水蓄能機(jī)組，也沒有常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組。上水庫有天然徑流來源，既可利用天然徑流發(fā)電，也可從下水庫抽水蓄能發(fā)電?；旌鲜揭话銥橹行⌒?，純抽則為大型。

（2）表1中的趙家埡抽水蓄能電站系第三類的跨流域調(diào)水式抽水蓄能電站，其特點(diǎn)是：①下水庫有天然徑流來源而上水庫卻沒有；②調(diào)峰發(fā)電量往往大于填谷的耗電量。

（3）不論是表1中的已建與在建抽水蓄能電站，還是表2中的規(guī)劃擴(kuò)建／擬建的抽水蓄能電站，另一個(gè)顯著的特征是，中國重視了巖體初始應(yīng)力場的測試、反演分析與地下圍巖穩(wěn)定研究，并且針對(duì)抽水蓄能電站的壓力管道、電站地下廠房和埋藏式尾水洞甚至重要的斷層／裂隙帶均作了專門巖體初始應(yīng)力場的測試應(yīng)用。

2 中國抽水蓄能電站巖體初始應(yīng)力場的測試基本特征與規(guī)律

根據(jù)20世紀(jì)90年代初至今近20年來國內(nèi)文獻(xiàn)記載，在表1與表2共80座抽水蓄能電站，總共搜索到20座抽水蓄能電站的巖體初始應(yīng)力場測試資料（詳見表3）。

表1 中國已建與在建的抽水蓄能電站一覽表Table 1 List of construction for PSP station in China

2.1 巖體初始應(yīng)力場基本測試特征

（1）從地域上看，我國沿海諸如廣東、浙江等有占一半的抽水蓄能電站作了巖體初始應(yīng)力場的測試，并分別針對(duì)其地下廠房區(qū)、高壓隧洞、高壓岔管、調(diào)壓井乃至斷層影響帶專門作了研究。

表2 中國規(guī)劃擴(kuò)建／擬建的抽水蓄能電站一覽表Table 2 List of planning for PSP station in China

（2）20座抽水蓄能電站巖體初始應(yīng)力場被測巖性諸如巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖3大類巖性均已包括，但以巖漿巖居多。

（3）巖體初始應(yīng)力場測試研究重點(diǎn)主要位于地下廠房區(qū)。20座電站百分之百地做了現(xiàn)場測試。其次是高壓隧洞和高壓岔管段的巖體初始應(yīng)力場測試。

（4）巖體初始應(yīng)力場測試成果的取得，主要采用的是套芯解除法（深鉆孔與隧洞表層）與水壓致裂法2種，個(gè)別采用了AE（巖石聲發(fā)射）法。與此同時(shí)，為了佐證成果的可靠性，沿用了地質(zhì)力學(xué)分析法、擬合法及位移反分析法等，結(jié)合被測區(qū)實(shí)際地質(zhì)地貌，對(duì)應(yīng)力場進(jìn)行了回歸反演分析。

2.2 應(yīng)力場測試的某些基本規(guī)律

2.2.1 20座抽蓄水電站巖體初始應(yīng)力場分類。

根據(jù)國標(biāo)50086-2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》說明中國外采用的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比（fr／σ1）分級(jí)表，將（fr／σ1）＜2劃為高應(yīng)力；（fr／σ1）＝2～4劃為中應(yīng)力；（fr／σ1）＞4劃為低應(yīng)力。于是，實(shí)測的20座抽水蓄能電站巖體初應(yīng)力場分別為：①高應(yīng)力水準(zhǔn)8座（含廣州一、二期、清遠(yuǎn)、陽江、天荒坪、烏龍山、寶泉和西龍池）；②中應(yīng)力水準(zhǔn)7座（含惠州、深圳、桐柏、十三陵、板橋峪、荒溝、泰安）；③一般偏低應(yīng)力水準(zhǔn)5座（含張河灣、蒲石河、羊卓雍湖、洪屏與宜興）。

2.2.2 實(shí)測巖體初應(yīng)力與埋藏深度的關(guān)系

我國抽水蓄能電站主廠房多處于地表以下100～500 m范圍內(nèi)，相應(yīng)實(shí)測的巖體初始應(yīng)力場中的3個(gè)主應(yīng)力，基本符合下列式：

式中：σi為實(shí)測巖體初始力（MPa），i為1，2，3或v，H，h分別表示第一、第二、第三主應(yīng)力或鉛垂主應(yīng)力、水平大主應(yīng)力、水平小主應(yīng)力（MPa）；A為以水平應(yīng)力為主導(dǎo)的巖體初始應(yīng)力常數(shù)，我國抽蓄水電站及其他水工程的3類巖性實(shí)測的巖體初始應(yīng)力常數(shù)A見表4；B為與深度（z）相關(guān)的系數(shù)（見表5）；z為深度（m）。

表4 中國水工程實(shí)測巖體初始應(yīng)力場主導(dǎo)常數(shù)Table 4 Const A of initial rock mass stress field measured in China MPa

表5 相關(guān)深度（z）的系數(shù)（B）Table 5 Coefficient B（t／m3）about deep（z）

2.2.3 地下廠房／硐室長軸方向的地應(yīng)力選擇

影響地下廠房／硐室長軸方向的因素中，巖體初始應(yīng)力場的最大水平主應(yīng)力不應(yīng)與長軸正交，最佳選擇是二者平行，至少成銳角夾角，通常用公式來描述，

式中：α為地下廠房／硐室長軸與實(shí)測巖體初始應(yīng)力場中最大主應(yīng)力方向的夾角（°）；σ1，σ2，σ3分別表示巖體初始應(yīng)力場中的第一、第二、第三或最大、中級(jí)、最小主應(yīng)力（MPa）。

由表3所示的抽水蓄能地下廠房／硐室長軸方向與實(shí)測巖體初始應(yīng)力場中最大水平主應(yīng)力方向夾層絕大多數(shù)在α＝35°以內(nèi)，較有利于地下硐室的穩(wěn)定。

2.2.4 有壓隧洞最小覆蓋厚度（Zmin）的確定

對(duì)于不襯砌的有壓隧洞最小覆蓋厚度確立，通常采用挪威準(zhǔn)則或澳大利亞準(zhǔn)則［37，38］（見式（3）與式（4）、圖1和圖2）。

式中：Zmin為巖石最小覆蓋厚度（m）；hs為靜水頭（m）；ρw為水的質(zhì)量密度（t／m3）；ρr為巖石的質(zhì)量密度（t／m3）；f為安全系數(shù)；β為坡角（°）。

式中Zv，min和ZH，min分別為巖石最小垂直和水平的覆蓋厚度（m）。

需要指出的是，所謂巖石最小覆蓋厚度，其實(shí)質(zhì)是有壓隧洞不襯砌要求的上覆或垂向及水平向隧洞距臨空面的直線距離，或用巖體初始應(yīng)力場中的最小主應(yīng)力來講，就是有壓隧洞內(nèi)的水壓力應(yīng)小于等于其圍巖上覆厚度與重度與重力加速度的乘積。

我國20座抽水蓄能電站中，實(shí)測的有隧洞最小覆蓋厚度基本上處于上、下水庫之間落差尺寸即100～500 m范圍相當(dāng)。

圖1 挪威覆蓋準(zhǔn)則Fig.1 Norwegian overburden criterion

圖2 澳大利亞覆蓋厚度準(zhǔn)則Fig.2 Overburden criterion for a project in Australia

2.2.5 斷裂對(duì)抽蓄水電站巖體初始應(yīng)力的影響

國內(nèi)外大量的巖體初始應(yīng)力實(shí)測結(jié)果表明，被測巖體或者說初始應(yīng)力場賦存的載體，其地質(zhì)缺陷諸如附近斷層或裂隙密集帶，與巖體初始應(yīng)力場的變化密切相關(guān)。通常實(shí)測的巖體是選擇能滿足量測方法理論假設(shè)的“線彈性介質(zhì)”的相對(duì)新鮮完整的好巖體。如同中醫(yī)看病拿脈一樣，把脈的男左女右手腕不是疾病之處，而是通過脈相變化來判斷病人的內(nèi)痼所在。所以量測巖體初始應(yīng)力不同于測量巖體變形模量。前者主要選取同一構(gòu)造體系的好巖體，而后者必須選在有影響的缺陷巖體。然而，巖體初始應(yīng)力場量測的好巖體附近若有斷裂存在，尤其是斷裂越發(fā)育，巖體應(yīng)力狀態(tài)變化幅度就越大，這一普遍規(guī)律在表3的廣州抽蓄（二期）和西龍池抽蓄電站實(shí)測結(jié)果也得到進(jìn)一步證實(shí)。即斷裂導(dǎo)致同一體系的巖體初始應(yīng)力降低了約30%～50%。同時(shí)，斷層面以上和以下實(shí)測的巖體初始應(yīng)力場也有一定區(qū)別，即界面以上的實(shí)測應(yīng)力多與地形地貌局部應(yīng)力場密切相關(guān)；而界面以下的實(shí)測初始應(yīng)力多反映的是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場。

3 結(jié) 語

（1）在以煤電、核電為主體電能體系的中國，建設(shè)抽水蓄能電站既填谷、調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)荷、備用與提高電網(wǎng)的可靠性，又節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展；既符合中國國情，又順應(yīng)世界能源發(fā)展潮流。

（2）巖體初始全應(yīng)力場既是抽水蓄能電站地下廠房、有壓隧洞及巖層斷裂的關(guān)鍵影響因素，又是巖體與4大工程材料（諸如木材、水泥、鋼材和土工合成材料）的根本區(qū)別之點(diǎn)；抽蓄地下工程利用巖體的自支承能力和自穩(wěn)性，其實(shí)質(zhì)是充分利用巖體初始應(yīng)力場。

（3）抽蓄地下工程利用巖體初始應(yīng)力場，既要分類判斷其應(yīng)力大小水平，又要應(yīng)用應(yīng)力的方向（與地面夾角和方位角），還要計(jì)算、分析有壓隧洞不襯砌時(shí)的最小覆蓋厚度與斷裂的影響程度，從而在抽蓄地下工程施工與支護(hù)、襯砌設(shè)計(jì)中做到經(jīng)濟(jì)、合理、適時(shí)、可靠。

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（編輯：周曉雁）

A Summary of Initial Rock Mass Stress Field and Construction for Pumped Storage Power Station

LIPeng-yun1，NIEWen2，CHENWen3，MENG Xiang-fang2，LIU Yun-fei2，CHEN Yan-sheng2
（1.Changjiang Engineering Supervision＆Consultant Corp.Ltd.（Hubei），430010 Wuhan，China；2.Yangtze River Scientific Research Institute，430010 Wuhan，China；3.Construction and Design Department，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China）

This review dealswith constructed，under-construction，and awaiting construction pumped storage power station in China，and measurement and application of their rock mass initial stress field.Some basic laws of rock mass initial stress field during the design and construction of contemporary pumped storage power station，are preliminarily studied，including as follows：①high，middle and low in-situ stress levels existing in themeasured rock mass initial stress field；②the general expression coinciding the three principal stresses changes in the region of100 -500 m below the earth＇s surface；③the relationship between the chamber long axis direction and the geo-stress；④the equation of theminimum cover thickness of the PSP station；⑤30%-50%effect on the rock mass initial stress caused by geological fracture.

pumped storage power；power station construction；rock mass initial stress field；design；construction；basic law

TV743；TU452

A

1001-5485（2009）08-0059-06

2009-05-11；

2009-07-07

李鵬云（1965-），男，湖北蘄春人，高級(jí)工程師，主要從事水工程地質(zhì)勘察及工程監(jiān)理咨詢工作，（電話）13907128928（電子信箱）Lpycjw＠163.com。