王漢斌，王惠明，趙國斌

(水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120)

0 引 言

在構(gòu)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(guī)劃發(fā)生了顯著變化。在經(jīng)歷了產(chǎn)業(yè)起步期、探索發(fā)展期、完善發(fā)展期和蓬勃發(fā)展期4個時期[1-2]后，國家《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021年—2035年)》的實施推動抽水蓄能電站建設進入了高質(zhì)量發(fā)展的爆發(fā)式增長期。在此背景下，抽水蓄能電站工程地質(zhì)勘察面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，選址規(guī)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(fā)育的層狀巖體和濕陷性黃土等復雜的特殊巖土工程地質(zhì)問題。為此，本文在分析當前抽水蓄能電站發(fā)展新態(tài)勢的基礎上，探討了復雜工程地質(zhì)背景下存在的主要工程地質(zhì)問題以及地質(zhì)勘察的重點與難點。

1 抽水蓄能電站發(fā)展新態(tài)勢

雙碳目標驅(qū)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(yè)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(gòu)建新型電力系統(tǒng)的背景下，依據(jù)中長期規(guī)劃，抽水蓄能電站的規(guī)劃選址和預可行性、可行性研究工作已在全國范圍內(nèi)普遍展開。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2022年9月，我國規(guī)劃、設計、施工及已建成投產(chǎn)抽水蓄能站點共約427個，分階段各地區(qū)統(tǒng)計抽水蓄能站點見圖1。從統(tǒng)計資料來看，已建成投產(chǎn)及施工階段項目以重點電力消費區(qū)的華東地區(qū)最多，在設計階段是華中地區(qū)數(shù)量最多，而規(guī)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(qū)域數(shù)量最多。新時期，抽水蓄能電站選址出現(xiàn)由東向西推移的趨勢，建設的工程地質(zhì)條件越發(fā)復雜，在工程設計遇到各類不良工程地質(zhì)問題更加復雜，為工程地質(zhì)勘察帶來了更大的挑戰(zhàn)?；诖?，作者依據(jù)近幾年的工程實踐，討論了相關的幾種特殊巖土工程地質(zhì)問題及其勘察重點。

圖1 分階段抽水蓄能電站站點統(tǒng)計

2 復雜區(qū)域構(gòu)造背景地區(qū)的工程地質(zhì)勘察

2.1 區(qū)域構(gòu)造背景復雜地區(qū)的站點選址

我國區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為西北、西南地區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性最差，華北和東南沿海一帶區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差以及東北、華南地區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好[3-4]。截至2022年9月，共有61個規(guī)劃或設計階段的站點處于基本烈度Ⅷ度區(qū)，包括內(nèi)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(qū)發(fā)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(qū)穿越活動斷裂，如新疆阿爾泰地區(qū)站點涉及哈巴河活動斷裂、哈密地區(qū)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(qū)發(fā)育榆木山東緣活動斷裂、玉門站點場址區(qū)發(fā)育阿爾金活動斷裂，陜西富平站點場址區(qū)發(fā)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(tǒng)計見圖2。圖3列出了部分位于地震基本烈度Ⅷ度區(qū)[5]的抽水蓄能電站站點位置。在站點選址過程中，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，擋水建筑物不應建在活動斷層上，但針對輸水系統(tǒng)、地表建筑物暫無相關規(guī)定，若無法避開，可能存在抗斷、高地震動參數(shù)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(tǒng)計(截至2022年9月)

圖3 地震基本烈度Ⅷ度區(qū)抽水蓄能電站站點示意(部分)

2.2 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的工程地質(zhì)勘察

區(qū)域構(gòu)造條件對工程意義重大，相關規(guī)范對其有詳細勘察要求。總體講，工程區(qū)工程地質(zhì)勘察應以復雜的區(qū)域構(gòu)造背景、活動斷裂分布、高地震烈度以及區(qū)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(qū)斷層活動性多采用一些常規(guī)勘探手段，確定活動斷層的規(guī)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(jié)構(gòu)形式。除此以外，也應結(jié)合區(qū)域構(gòu)造情況，研究場地斷層與區(qū)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(qū)地震地質(zhì)背景、地震活動性，分析潛在震源劃分、地震動參數(shù)計算的準確性，必要時可研究周邊地震發(fā)生時影響范圍等。

3 巖溶發(fā)育地區(qū)的工程地質(zhì)勘察

3.1 站點分布及工程地質(zhì)問題

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

圖4 巖溶地區(qū)部分抽水蓄能電站分布

從地層分布來看，華北巖溶區(qū)可溶巖組主要包括中奧陶組馬家溝組和中寒武統(tǒng)張夏組厚層灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r，下奧陶統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，上寒武統(tǒng)灰?guī)r及震旦系硅質(zhì)灰?guī)r、白云巖。其中，馬家溝組和張夏組是該區(qū)主要巖溶含水層，巖溶最發(fā)育。該區(qū)古巖溶及近代巖溶最為發(fā)育，表現(xiàn)出沿結(jié)構(gòu)面、可溶巖與非可溶巖的接觸帶、斷裂及其交匯帶最為發(fā)育的基本規(guī)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(qū)碳酸鹽巖大面積出露，巖溶也極為發(fā)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(qū)。其中，云南東部可溶巖以二疊系灰?guī)r、白云巖及三疊系下統(tǒng)灰?guī)r為主，區(qū)域巖溶發(fā)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?guī)r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(fā)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(qū)奧陶系～三疊系可溶巖均有分布，主要為棲霞組、茅口組灰?guī)r，嘉陵江組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等，該地區(qū)受構(gòu)造控制，巖溶多順層和沿構(gòu)造發(fā)育，表現(xiàn)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(zhì)勘察重點

在巖溶地區(qū)規(guī)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(qū)巖溶洞穴、漏斗等最為發(fā)育，下水庫庫周可見眾多泉水點出露，水文地質(zhì)環(huán)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(fā)現(xiàn)巖溶現(xiàn)象發(fā)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(nèi)防滲措施安全、大壩壩基穩(wěn)定存在一定威脅。然而，因巖溶發(fā)育規(guī)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(fā)育規(guī)律為主，并在技施階段開展專項工程地質(zhì)勘察，結(jié)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(gòu)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(jīng)勘探到的溶洞，結(jié)合巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)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(fā)育規(guī)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(zhì)建議，并對隱伏巖溶發(fā)育情況提出初步評價。

除對水庫滲漏、庫底防滲結(jié)構(gòu)、壩基穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響外，巖溶系統(tǒng)發(fā)育的隨機性和水文地質(zhì)條件的復雜性也為巖溶地區(qū)地下洞室勘察帶來了極大的挑戰(zhàn)，勘察深度不夠，對地下巖溶發(fā)育規(guī)律了解不足，將會影響地下洞室圍巖穩(wěn)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(qū)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(fā)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(zhì)條件發(fā)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(guī)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(qū)，輸水發(fā)電系統(tǒng)處于巖溶地下水的徑流區(qū)，下庫為巖溶地下水的排泄區(qū)，由此引發(fā)的水庫滲漏和巖溶穩(wěn)定、地下洞室?guī)r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(qū)地層以厚層致密塊狀灰?guī)r為主，巖溶發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)育，且在高程-70 m仍有巖溶發(fā)育。上述工程實例充分說明了巖溶地區(qū)抽水蓄能電站工程地質(zhì)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(fā)育情況及水文地質(zhì)條件，分析在水庫蓄水條件下洞室開挖對周邊水文地質(zhì)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(fā)育規(guī)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(wěn)定問題、涌水量預測以及巖溶規(guī)模、隱伏巖溶發(fā)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(fā)育地區(qū)的工程地質(zhì)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(qū)多以碎屑巖占比較大的沉積巖為主，如重慶地區(qū)站點多發(fā)育緩傾狀砂巖、泥質(zhì)砂巖及泥巖等地層，甘肅皇城站點地下洞室群發(fā)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(zhì)鮞狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r、泥質(zhì)柱狀灰?guī)r、薄層粉砂巖中。在此類地區(qū)建設抽水蓄能電站，地下洞室群的圍巖穩(wěn)定問題突出[10-12]。

4.2 工程地質(zhì)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(wěn)定問題不僅與巖層產(chǎn)狀相關，還與巖體性狀、巖體的物質(zhì)組成、水理特性等相關性較大，如果巖體泥質(zhì)含量較高，巖體性狀整體較軟，對頂拱圍巖穩(wěn)定不利；此外，物質(zhì)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(wěn)概率將大大增加。

規(guī)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(jié)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(jié)合出露巖層產(chǎn)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(jié)構(gòu)、產(chǎn)狀、巖體性狀、物理力學性質(zhì)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(wěn)定及廠房運行安全性。

5 濕陷性黃土地區(qū)的工程地質(zhì)勘察

5.1 站點分布情況

根據(jù)新一輪抽水蓄能電站規(guī)劃資料，我國西北地區(qū)納規(guī)的抽水蓄能資源量占比最大，約占20%，陜北風光資源豐富，現(xiàn)正在大力推進建設的沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)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(qū)，尤其是陜西、甘肅等地區(qū)黃土具有分布廣、連續(xù)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(guī)劃站點選址地質(zhì)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(zhì)問題。因此，黃土地區(qū)建設抽水蓄能電站的可行性和適宜性也成為了業(yè)界探討的重點。陜晉黃土高原區(qū)擬建抽水蓄能站點分布見圖5。

圖5 陜晉黃土高原區(qū)擬建抽水蓄能站點分布

5.2 工程地質(zhì)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(fā)生大變形。已有水利工程實例表明，黃土地區(qū)建設引水、蓄水工程面臨著復雜的工程地質(zhì)問題，其中因含水率升高而發(fā)生的濕陷進而引發(fā)的水庫滲漏、邊坡失穩(wěn)、地基變形等[13-16]最為突出。從已有經(jīng)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(qū)邊坡穩(wěn)定、黃土地基失穩(wěn)和不均勻沉降、黃土地下洞室圍巖穩(wěn)定問題等一系列工程地質(zhì)問題。

5.3 工程地質(zhì)勘察重點

黃土地區(qū)抽水蓄能電站主要是由于黃土的特殊性質(zhì)決定的。因此，勘察過程中需重點關注黃土的物質(zhì)組成和其特有的濕陷、滲透、溶濾、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特性，對地形地貌、水文地質(zhì)條件等也需結(jié)合建筑物形式具體分析。其中，物質(zhì)組成方面主要應查明黃土的地層時代、物質(zhì)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(fā)育規(guī)律、成生上的特點和聯(lián)系，這對各建筑物地基、邊坡、洞室穩(wěn)定和水庫滲漏問題的研究均極為重要。黃土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造中的大孔隙、黃土洞穴等隱患發(fā)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(wěn)定性和水庫滲漏有著直接的影響。地形地貌、水文地質(zhì)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(qū)抽水蓄能電站工程地質(zhì)條件適宜性研究。

6 結(jié) 語

隨著抽水蓄能電站在全國的快速蓬勃發(fā)展，站址工程地質(zhì)條件越來越復雜，相應地出現(xiàn)了區(qū)域構(gòu)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(wěn)定等工程地質(zhì)問題。因此，抽水蓄能電站在各個階段的工程地質(zhì)勘察應結(jié)合不同的地質(zhì)背景開展相應工作。

(1)區(qū)域構(gòu)造背景復雜地區(qū)抽水蓄能電站工程地質(zhì)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(shù)、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(fā)育地區(qū)需查明上下水庫的巖溶發(fā)育規(guī)律、滲漏通道、全庫盆防滲結(jié)構(gòu)及壩基巖溶和洞室的水文地質(zhì)特征、巖溶及與周圍連通關系等，以查明工程區(qū)巖溶發(fā)育特征、隱伏巖溶發(fā)育規(guī)律等工程地質(zhì)問題為重點。

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

(4)黃土地區(qū)應重點查明黃土的物質(zhì)組成與濕陷、滲透、溶濾特性和土層內(nèi)裂縫、洞穴等發(fā)育規(guī)律、河谷結(jié)構(gòu)、地貌成因類型、邊坡滲透穩(wěn)定性、地下水埋藏特點、自身的不良地質(zhì)現(xiàn)象等，以查明黃土濕陷性、震陷特性等工程地質(zhì)問題為重點。