趙全勝，郝軍剛，趙國(guó)斌，喻葭臨

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引 言

我國(guó)抽水蓄能電站開發(fā)起步于20世紀(jì)70年代，以1968年河北崗南混合式抽水蓄能電站建成投產(chǎn)為標(biāo)志。半個(gè)世紀(jì)以來，抽水蓄能電站的開發(fā)建設(shè)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(gè)時(shí)期[1]，目前我國(guó)已經(jīng)建成了一批具有世界先進(jìn)水平的抽水蓄能電站，形成了較為完備的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行管理體系[2-3]。在“雙碳”目標(biāo)的促動(dòng)和建設(shè)新型電力系統(tǒng)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)能形式得到了廣泛認(rèn)可?！冻樗钅苤虚L(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》[4]制定了“到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模6200萬千瓦以上；到2030年，投產(chǎn)總規(guī)模1.2億千瓦左右”的中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，抽水蓄能電站建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展的新階段。

截至2022年底，除西藏羊卓雍湖抽水蓄能電站外，西部地區(qū)尚沒有建成投產(chǎn)的大型抽水蓄能電站，在建的6個(gè)項(xiàng)目分布在西北的新疆、寧夏、陜西和西南的重慶，“十四五”期間西北、西南地區(qū)擬建大型抽水蓄能電站項(xiàng)目將超過30座[5]。我國(guó)西部地區(qū)大多為高寒、高海拔區(qū)域，具有地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地震烈度高、水源匱乏、氣候惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn)，抽水蓄能電站開發(fā)面臨新挑戰(zhàn)。

不同于常規(guī)水電站水庫，抽水蓄能電站的上、下水庫是通過選址、總體布置并進(jìn)行庫容設(shè)計(jì)、防滲設(shè)計(jì)等工作，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較確定工程方案，使站點(diǎn)資源得到最優(yōu)開發(fā)和利用。水庫布置與設(shè)計(jì)是抽水蓄能電站勘測(cè)設(shè)計(jì)中最重要、最核心的環(huán)節(jié)，水頭差和水庫容量一方面要盡量利用自然條件，同時(shí)也要通過設(shè)計(jì)方案來彌補(bǔ)自然條件的不足。面對(duì)我國(guó)西部地區(qū)抽水蓄能電站大規(guī)模、高質(zhì)量開發(fā)建設(shè)形勢(shì)和要求，全面梳理西部抽水蓄能電站建設(shè)所面臨的主要問題，樹立水庫設(shè)計(jì)系統(tǒng)理念，對(duì)優(yōu)化西部站點(diǎn)資源開發(fā)利用、提高項(xiàng)目前期勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量、推動(dòng)工程建設(shè)進(jìn)度，都有重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

1 工程及水庫選址

抽水蓄能電站一般在電網(wǎng)內(nèi)承擔(dān)調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用任務(wù)，工程選址應(yīng)滿足電力系統(tǒng)布局及功能要求，電網(wǎng)側(cè)蓄能站點(diǎn)多選擇在負(fù)荷中心和樞紐變電站附近，為電源側(cè)調(diào)節(jié)服務(wù)的工程盡量靠近核電站、大型清潔能源基地等。例如，甘肅玉門昌馬抽水蓄能電站靠近酒泉千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地，距最近的風(fēng)電場(chǎng)約15 km；新疆阜康抽水蓄能電站距離負(fù)荷中心烏魯木齊較近。

西北地區(qū)降雨量少蒸發(fā)量大，干燥缺水，工程周邊水源的水量、水質(zhì)條件應(yīng)作為重點(diǎn)進(jìn)行考慮，需滿足蓄能電站初期蓄水和運(yùn)行期補(bǔ)水需求；同時(shí)，應(yīng)科學(xué)地處埋好開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，合理避讓自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園等環(huán)境敏感區(qū)域，盡量減少對(duì)城市集鎮(zhèn)、人口聚集區(qū)等的淹沒影響，不占或少占基本農(nóng)田、林地等；另外，工程區(qū)施工、交通等條件也需作為考慮的因素。

西部地區(qū)常會(huì)遇到區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜、水庫滲漏問題突出、濕陷性黃土等制約抽水蓄能電站選址的不利地質(zhì)條件。例如，活動(dòng)斷裂引起的建筑物抗斷問題、高地震動(dòng)參數(shù)相關(guān)的抗震設(shè)防問題、巖體風(fēng)化強(qiáng)烈和地下水埋深大引起的水庫滲漏問題以及部分站址存在黃土工程地質(zhì)問題等。另外，西南地區(qū)站址多涉及可溶巖，巖溶相關(guān)工程地質(zhì)問題突出。在站址規(guī)劃和水庫選址中，需充分了解基本地質(zhì)條件的制約因素，避免造成站址和水庫選址的顛覆。

合理利用地形在較近距離形成具有一定高差的上、下水庫是抽水蓄能工程選址的重點(diǎn)。根據(jù)工程建設(shè)水平及設(shè)備制造能力，目前大型純抽水蓄能電站的上、下水庫高差多在300～600 m之間，近期投產(chǎn)的敦化、長(zhǎng)龍山、陽江等抽水蓄能電站水頭超過700 m，在建的浙江天臺(tái)抽水蓄能電站額定水頭724 m，為目前世界最高水頭大型抽水蓄能電站。另外，上、下水庫進(jìn)/出水口之間的水平距離決定輸水系統(tǒng)的長(zhǎng)度，電站抽水發(fā)電水頭損失、輸水隧洞投資以及工程布置等均受此影響，我國(guó)抽水蓄能電站距高比一般小于10，多集中分布在2～7之間。上、下水庫水頭差和距高比是抽水蓄能電站工程選址及總體布置的2個(gè)重要參數(shù)。

2 水庫工程地質(zhì)勘察

2.1 基本要求

抽水蓄能電站水庫工程地質(zhì)勘察在不同階段的主要任務(wù)都應(yīng)圍繞水庫滲漏、庫岸穩(wěn)定、固體徑流以及水庫浸沒等工程地質(zhì)問題進(jìn)行，考慮到抽水蓄能電站水庫庫容一般較小，水庫范圍有限，在規(guī)劃選點(diǎn)階段庫址選擇均應(yīng)避開活動(dòng)斷裂、可能發(fā)生嚴(yán)重滲漏、大型滑坡與堆積體，以及有礦產(chǎn)分布的區(qū)域。與常規(guī)水電不同，水庫誘發(fā)地震等可不作為水庫工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)[6-9]。

2.2 西部地區(qū)站址工程地質(zhì)問題勘察

在根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范對(duì)工程地質(zhì)勘察的基本要求基礎(chǔ)上，還需結(jié)合西部地區(qū)特殊工程地質(zhì)問題進(jìn)行專項(xiàng)勘察。具體工作有以下幾方面：

(1)活動(dòng)斷層區(qū)。盡早完成工程區(qū)地震安全性評(píng)價(jià)工作，查清活動(dòng)斷層的分布以及工程區(qū)的地震動(dòng)參數(shù)。庫址選擇和水庫設(shè)計(jì)需采取避讓措施，將活動(dòng)斷層的影響降到最低，必要時(shí)可同時(shí)開展水庫工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作。例如，新疆紅星站址、甘肅黃羊庫址等均涉及活動(dòng)斷裂問題。

(2)黃土地區(qū)。工程地質(zhì)勘察應(yīng)關(guān)注黃土地震液化、濕陷性、震陷特征等工程地質(zhì)問題，這些地方需要通過專門勘察評(píng)價(jià)其對(duì)水庫的影響。例如，規(guī)劃的甘肅部分站址、陜西神木地區(qū)站址涉及黃土地層等。

(3)巖溶問題突出的地區(qū)。這些地區(qū)應(yīng)以溶蝕洼地、巖溶滲漏通道對(duì)庫盆開挖和防滲措施以及隱伏巖溶、溶洞充填物特征對(duì)地下洞室群圍巖穩(wěn)定的影響作為勘察重點(diǎn)，進(jìn)行專門巖溶工程地質(zhì)勘察是水庫設(shè)計(jì)的前提條件[10-11]。例如，貴州、云南地區(qū)等部分站址巖溶發(fā)育。

(4)地質(zhì)環(huán)境脆弱區(qū)。不良地質(zhì)條件使得工程區(qū)大型滑坡、泥石流及崩塌堆積體普遍發(fā)育，庫址選擇應(yīng)盡量避讓，當(dāng)無法避讓時(shí)，需要通過遙感解譯、地質(zhì)測(cè)繪、現(xiàn)場(chǎng)勘探等對(duì)大型滑坡的成因、穩(wěn)定性及對(duì)工程的影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。例如，甘肅黃龍抽水蓄能電站下水庫庫址區(qū)崩塌堆積體及滑坡普遍發(fā)育。

(5)泥石流沖溝。當(dāng)庫址選擇在泥石流沖溝內(nèi)或庫盆范圍內(nèi)分布泥石流沖溝時(shí)，需對(duì)沖溝泥石流發(fā)育特征和規(guī)模進(jìn)行專項(xiàng)勘察，評(píng)價(jià)其對(duì)水庫工程的影響，并采取必要的防護(hù)措施。例如，新疆阜康、阜康東抽水蓄能電站下水庫所在溝道均發(fā)生過泥石流。

3 水庫工程設(shè)計(jì)

3.1 總體布置

目前，已建和在建的抽水蓄能電站的水庫工程呈現(xiàn)出布置靈活，形式多樣化等特點(diǎn)，可為后續(xù)開發(fā)的西部抽水蓄能電站的水庫工程設(shè)計(jì)提供廣泛和充分的借鑒經(jīng)驗(yàn)。水庫布置形式有以下幾種：

(1)利用溝谷、凹地成庫。利用天然溝谷地形筑壩形成水庫是最常見的建設(shè)形式。為獲取高差，電站上水庫多位于溝谷源頭縱坡較緩或山間鞍部等部位。溝谷形水庫設(shè)計(jì)需要綜合考慮壩高、庫容、擴(kuò)庫開挖等因素，同時(shí)關(guān)注地質(zhì)、水文條件，避免水庫向臨谷滲漏。四周高、中間低、谷底平坦開闊、谷口狹窄的天然凹地是抽水蓄能電站最為理想的水庫地形。例如，廣東梅州抽水蓄能電站的上水庫、湖北桃李溪抽水蓄能電站的上水庫、江西奉新抽水蓄能電站的下水庫均充分利用了凹地地形。為充分利用溝谷、凹地地形，水庫庫周地形高程不足、低于壩頂高程時(shí)，還可通過建設(shè)擋水壩進(jìn)行圍擋。

(2)河道型水庫。河道一般為局部區(qū)域的最低部位，抽水蓄能電站下水庫布置于河道的情況較為常見。例如，重慶栗子灣抽水蓄能電站的下水庫布置在暨龍河河道、河北邢臺(tái)抽水蓄能電站的下水庫布置沙河河道等。河道和溝谷的區(qū)別在于河道徑流流量相對(duì)較大，這類水庫設(shè)計(jì)需關(guān)注河道導(dǎo)流、泄洪、汛期泥沙等問題，需設(shè)置相應(yīng)的泄洪、防排沙措施。

(3)平、坡地半挖半填形成水庫。當(dāng)抽水蓄能電站站點(diǎn)建設(shè)區(qū)域內(nèi)無相對(duì)較好的溝谷地形條件時(shí)，可以采用在相對(duì)較平緩的區(qū)域下部開挖、上部填筑，在坡地靠山側(cè)開挖修坡、外側(cè)填筑圍合形成水庫。例如，青海哇讓抽水蓄能電站、甘肅黃羊抽水蓄能電站、寧夏牛首山抽水蓄能電站水庫位于相對(duì)較平坦的山頂臺(tái)地、戈壁灘以及黃河岸邊階地上，采用半挖半填的方式形成水庫。

(4)利用現(xiàn)有水庫。隨著投資主體多元化和傳統(tǒng)水電儲(chǔ)能開發(fā)，利用已建成的水庫作為抽水蓄能水庫的工程逐漸增多。一種是上、下水庫均利用現(xiàn)有梯級(jí)水庫的混合式抽水蓄能電站。例如，四川葉巴灘抽水蓄能電站、浙江烏溪江抽水蓄能電站、貴州構(gòu)思抽水蓄能電站等。另一種是利用現(xiàn)有水庫作下水庫、新建上水庫。例如，河南五岳抽水蓄能電站利用五岳水庫作下水庫，青海哇讓抽水蓄能電站利用拉西瓦水庫作下水庫，浙江泰順抽水蓄能電站利用珊溪水庫作下水庫，貴州貴陽抽水蓄能電站利用紅巖水庫作下水庫等。利用已有水庫雖可節(jié)約部分工程投資，但實(shí)際問題較為復(fù)雜，既要滿足各自工程安全和運(yùn)行要求，也要協(xié)調(diào)處理好各方關(guān)系。抽水蓄能電站建設(shè)常采用租賃原有水庫庫容、收購水庫產(chǎn)權(quán)、分擔(dān)建設(shè)費(fèi)用等利用方式。例如，廣東深圳抽水蓄能電站下水庫利用承擔(dān)深圳供水網(wǎng)絡(luò)調(diào)蓄任務(wù)的銅鑼徑水庫，庫容按蓄能和供水調(diào)蓄需求擴(kuò)容改建；河南五岳抽水蓄能電站租賃了五岳水庫一定范圍內(nèi)的庫容，但在枯水年承擔(dān)下游供水灌溉任務(wù)時(shí)還是按“電調(diào)服從水調(diào)的原則”運(yùn)行。西部泥沙嚴(yán)重河流上的水庫常在汛期敞泄排沙，另外運(yùn)行水位變幅較大的水庫、有防洪與排沙等運(yùn)行要求的水庫，能否作為抽水蓄能電站下水庫需慎重研究。同時(shí)，利用已建水庫時(shí)需對(duì)現(xiàn)有水庫大壩建筑物工程等級(jí)、防洪標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、耐久性等進(jìn)行復(fù)核，若不滿足作為抽水蓄能電站水庫標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)研究采取必要的加固改造措施。

(5)利用礦坑、礦洞。利用廢棄礦坑、礦洞進(jìn)行抽水蓄能電站建設(shè)是礦山綜合治理較好的發(fā)展思路和方向[12]。河北灤平抽水蓄能電站是國(guó)內(nèi)首個(gè)利用礦坑的項(xiàng)目，江蘇句容石碭山抽水蓄能電站規(guī)劃結(jié)合地下礦脈走向布置大型地下洞室作為下水庫。利用礦坑、礦洞建設(shè)抽水蓄能電站外部條件復(fù)雜，技術(shù)難度較大，還需處理好礦坑(洞)儲(chǔ)水時(shí)對(duì)周邊地下水環(huán)境的影響問題。

(6)利用河湖。利用天然河湖開發(fā)抽水蓄能電站進(jìn)行過探索和工程實(shí)踐。例如，1997年竣工投產(chǎn)的西藏羊卓雍湖抽水蓄能電站利用羊卓雍湖和雅魯藏布江約840 m的水頭差，總裝機(jī)容量112 MW，是國(guó)內(nèi)海拔最高、水頭最高的抽水蓄能電站，對(duì)西藏電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到過重要作用，該電站目前已停止運(yùn)行。高山封閉湖泊開發(fā)利用的環(huán)境長(zhǎng)期影響需分析研究，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)還需要進(jìn)一步總結(jié)，應(yīng)采取審慎態(tài)度。

(7)多個(gè)水庫組合。抽水蓄能電站因地制宜布置3個(gè)或多個(gè)水庫組合，可以充分利用地形優(yōu)勢(shì)，相對(duì)布局多個(gè)站點(diǎn)投資較省，管理方便，也體現(xiàn)出抽水蓄能電站上、下水庫總體布置形式的靈活多樣、不拘一格。例如，甘肅玉門昌馬抽水蓄能電站預(yù)可行性研究階段對(duì)工程區(qū)進(jìn)行排查，山頂?shù)恼毡谏健⑸窖幩嫉罍弦约笆枥蘸雍拥?個(gè)庫址間高差基本均為450 m左右，3個(gè)水庫接力運(yùn)行建設(shè)方式裝機(jī)可以達(dá)到2 400 MW；重慶菜籽壩抽水蓄能電站在山頂開挖筑壩形成上水庫，下水庫位于羊圈河河道，羊圈河臨谷也有合適高差和地形，可以形成更低的水庫，也進(jìn)行過高中低3庫組合接力的研究；另外，正在進(jìn)行前期工作的山東青州廟子抽水蓄能電站設(shè)置2個(gè)上水庫，共用1個(gè)下水庫。常規(guī)上、下水庫建設(shè)模式受到地形地質(zhì)條件限制、高差過大、庫容無法增大而有合適地形時(shí)，單個(gè)抽水蓄能電站多個(gè)水庫建設(shè)模式比多個(gè)抽水蓄能站點(diǎn)開發(fā)在投資、管理等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.2 防洪防沙設(shè)計(jì)

抽水蓄能電站工程等別一般按照裝機(jī)容量確定，裝機(jī)容量1 200 MW及以上的抽水蓄能電站工程為一等大(1)型，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，水庫擋水、泄水建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)電站廠房的級(jí)別確定，按200 a一遇設(shè)計(jì)、1 000 a一遇校核；當(dāng)庫容>1 000萬m3時(shí)，或水庫下游重要防洪對(duì)象有特殊要求時(shí)，應(yīng)將水庫校核洪水標(biāo)準(zhǔn)提高為2 000 a一遇。中小型抽水蓄能電站工程根據(jù)工程規(guī)模等確定。

當(dāng)水庫流域面積較小、24 h校核洪水流量小并可全部蓄于庫內(nèi)，對(duì)水位影響不大時(shí)可不設(shè)泄水建筑物。對(duì)水位影響大小的標(biāo)準(zhǔn)可以以正常蓄水位確定壩頂高程，不以校核洪水位控制為原則；超過此標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)行壩體加高和設(shè)置泄水建筑物的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

抽水蓄能電站水庫設(shè)置泄水建筑物的功能和目的是汛期下泄洪水，運(yùn)行期調(diào)控上、下庫庫水總量的恒定。為保證任何時(shí)刻都具備調(diào)控水量的作用兼顧極端情況水庫放空，需設(shè)置進(jìn)口較低的底孔，同時(shí)大壩多為當(dāng)?shù)夭牧蠅?，考慮超泄能力多設(shè)置表孔，泄水建筑物多為“底孔+表孔”組合布置。

抽水蓄能電站機(jī)組具有高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量的特點(diǎn)，為避免、減輕機(jī)組磨損，過機(jī)泥沙要求較高[13]。對(duì)于洪水經(jīng)水庫沉淀后過機(jī)泥沙含量仍不能滿足機(jī)組運(yùn)行要求時(shí)，首先可考慮洪水期間避沙運(yùn)行方式；若水庫上游有徑流且洪水期含沙量較大，洪水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電站避沙運(yùn)行調(diào)度困難，或水庫泥沙淤積可能對(duì)蓄能庫容造成較大影響時(shí)，應(yīng)考慮在攔河壩上游設(shè)置攔砂壩以形成蓄能專用水庫。抽水蓄能電站專用水庫一般洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000～2 000 a，考慮優(yōu)化排沙洞規(guī)模，可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以下洪水不入庫、20 a或50 a等以上標(biāo)準(zhǔn)洪水入庫方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

下水庫位于河道、上游有防洪標(biāo)準(zhǔn)低的水利水電工程時(shí)，可能遇到梯級(jí)水庫安全風(fēng)險(xiǎn)問題。例如，福建永泰抽水蓄能電站、重慶栗子灣抽水蓄能電站下水庫上游均存在已建的水庫，其工程等級(jí)、防洪標(biāo)準(zhǔn)等遠(yuǎn)低于抽水蓄能電站下水庫，需對(duì)上游小水庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析基礎(chǔ)上，抽水蓄能電站采用抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)的壩型、預(yù)報(bào)預(yù)警應(yīng)急降低下水庫水位、利用攔沙庫調(diào)蓄潰壩洪水，以及改造上游水庫擋水泄水建筑物等工程措施，保證抽水蓄能電站水庫安全。

3.3 庫容設(shè)計(jì)

根據(jù)上、下水庫地形地質(zhì)條件及水庫水位差，初擬裝機(jī)容量和滿發(fā)小時(shí)計(jì)算抽水蓄能電站所需調(diào)節(jié)庫容。為充分利用地形條件和站點(diǎn)資源，應(yīng)盡可能提高站點(diǎn)裝機(jī)容量和滿發(fā)小時(shí)數(shù)。例如，衢州江山抽水蓄能電站的水庫地形條件較好，預(yù)可行性研究階段將利用小時(shí)數(shù)從6 h提高到10 h。

受抽水蓄能電站制造水平以及定速機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行限制，水泵工況最大揚(yáng)程和水輪機(jī)工況最小水頭的比值控制嚴(yán)格[9]，水庫水位變幅、特征水位均受此到影響。當(dāng)?shù)匦蔚刭|(zhì)條件允許時(shí)，可考慮加高大壩抬高水位等方式得到有效調(diào)節(jié)庫容。當(dāng)自然地形不滿足庫容條件及要求時(shí)，可考慮擴(kuò)庫開挖，滿足庫容要求的同時(shí)解決大壩填筑材料需求，并盡量做到開挖填筑土石方平衡。例如，陜西曹坪抽水蓄能電站上水庫在避讓秦嶺生態(tài)保護(hù)紅線前提下，為盡量獲取并利用水頭、提高裝機(jī)容量，增加壩高后上水庫死庫容達(dá)600萬m3以上，結(jié)合工程區(qū)環(huán)保要求，初擬將工程棄渣全部置于上水庫死庫容內(nèi)。

工程區(qū)內(nèi)無相對(duì)較好溝谷地形條件，采用大開挖、高填筑人工改造地形也是可行的方法，但方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性需要進(jìn)行綜合考量。例如，江蘇句容抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板堆石壩最大壩高約182 m，庫底最大回填高度超過120 m，取得175 m額定水頭，上水庫工程投資約15億元；遼寧大雅河抽水蓄能電站利用大雅河水庫作為下水庫，上水庫位于大雅河左岸山頂部位，通過開挖山脊、順山脊兩側(cè)筑壩形成上水庫，上水庫工程投資約20億元。

3.4 防滲設(shè)計(jì)

考慮水庫庫容大小、有無徑流補(bǔ)給、工程地質(zhì)條件、防滲形式的可靠性等因素，抽水蓄能電站庫盆日滲漏量可按不超過總庫容的1/2 000～1/5 000控制[14]，西部地區(qū)氣候干燥，蒸發(fā)量大降雨量少，損失的水量一般需要補(bǔ)水，宜采用較高的防滲標(biāo)準(zhǔn)；另外，滲水可能對(duì)工程區(qū)水文地質(zhì)條件造成變化產(chǎn)生滲透破壞的抽水蓄能電站上水庫一般防滲要求較高。目前常用的上、下庫防滲標(biāo)準(zhǔn)分別為1、3 Lu。當(dāng)徑流量比蒸發(fā)、滲漏損失大時(shí)，在不影響水工建筑物滲透穩(wěn)定的前提下，可以研究對(duì)防滲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)放寬[15]。

當(dāng)水庫庫周地下水位低于水庫正常蓄水位范圍較大、相對(duì)不透水層埋藏深度較大或庫盆發(fā)育巖溶等情況時(shí)，水庫需采用全庫盆防滲。全庫盆防滲是抽水蓄能電站區(qū)別于常規(guī)水電站的特點(diǎn)之一，瀝青面板、混凝土面板以及復(fù)合防滲組合形式是主流的全庫盆防滲形式。

混凝土面板堆石壩具有技術(shù)成熟、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，約60%的抽水蓄能電站的大壩采用此壩型。例如，北京十三陵抽水蓄能電站的上水庫等。但是混凝土面板永久分縫多，施工質(zhì)量控制難度大，溫度控制要求高，易產(chǎn)生滲漏缺陷。

瀝青混凝土面板適應(yīng)不均勻沉降能力強(qiáng)，防滲整體性和可靠性較好，施工及維修簡(jiǎn)單，浙江天荒坪抽水蓄能電站的上水庫是我國(guó)首座采用全庫盆瀝青混凝土防滲的抽水蓄能電站[16-17]，其后建成的河北張河灣抽水蓄能電站、內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能電站、山東沂蒙抽水蓄能電站等一批工程均成功采用了瀝青混凝土全庫盆防滲形式，特別是呼和浩特蓄能電站證明了瀝青混凝土在極端寒冷條件下防滲的可靠性；但瀝青混凝土面板施工攤鋪要求岸坡較緩，狹窄地形條件下會(huì)造成開挖量增加較多，影響工程的經(jīng)濟(jì)性。

土工膜防滲適應(yīng)變形能力強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)外水電工程有所應(yīng)用，但考慮其耐久性、大變幅水位波動(dòng)適應(yīng)能力、運(yùn)行維護(hù)等因素，目前我國(guó)僅在水庫庫底防滲中得以應(yīng)用，其與岸坡防滲的連接形式需重點(diǎn)研究。例如，江蘇溧陽抽水蓄能電站、山東泰安抽水蓄能電站、江蘇句容抽水蓄能電站等采用庫底土工膜復(fù)合防滲。另外，不同材料的土工膜價(jià)格差異較大，技術(shù)指標(biāo)也不同，需根據(jù)工程特點(diǎn)研究選用。

有些工程還在水庫庫底采用了黏土鋪蓋防滲。例如，河南寶泉抽水蓄能電站、安徽瑯琊山抽水蓄能電站、江西洪屏抽水蓄能電站等。

西部地區(qū)地下水位較低，上、下水庫可能均需全庫盆防滲。例如，寧夏牛首山抽水蓄能電站、內(nèi)蒙烏海抽水蓄能電站、青海格爾木南山口抽水蓄能電站、甘肅黃羊抽水蓄能電站、甘肅皇城抽水蓄能電站、甘肅玉門昌馬抽水蓄能電站等。

當(dāng)水庫庫周地下水位高于正常蓄水位、局部低于正常蓄水位時(shí)，僅針對(duì)壩肩、壩基或庫周進(jìn)行局部防滲，一般采用帷幕、防滲墻等進(jìn)行垂直防滲，處理方式與常規(guī)水電站相同。

3.5 壩型選擇

抽水蓄能電站水庫的特點(diǎn)是水位變幅大，升降頻繁，水庫大壩設(shè)計(jì)常采用“以庫定壩、以料定壩”的原則，充分利用庫內(nèi)天然建筑材料。采用全庫盆防滲的水庫，為保證防滲體整體性，便于施工，壩體防滲形式一般與庫盆防滲形式一致。

國(guó)內(nèi)已建和在建的抽水蓄能電站中采用土石壩壩型約占80%以上，結(jié)合庫內(nèi)料源條件，混凝土面板堆石壩、瀝青心墻堆石壩適用性強(qiáng)，是抽水蓄能電站水庫大壩最為常見的2種壩型。其中，結(jié)合工程區(qū)黏土料源情況，黏土心墻壩型應(yīng)用不多，約占5%；混凝土面板堆石壩壩體斷面小侵占庫容小，技術(shù)成熟，運(yùn)行維護(hù)方便，應(yīng)用較多；瀝青心墻堆石壩壩體填筑量大，但對(duì)壩料要求相對(duì)較低，壩基地質(zhì)條件和壩料較差時(shí)應(yīng)用較多。

壩址地質(zhì)條件好、河谷狹窄，泄洪流量較大時(shí)，混凝土重力壩的優(yōu)勢(shì)將得到體現(xiàn)。例如，福建周寧抽水蓄能電站、廣東陽江抽水蓄能電站、廣東梅州抽水蓄能電站等?？紤]壩體應(yīng)力、變形對(duì)水位頻繁變動(dòng)的適應(yīng)性等因素，目前新建抽水蓄能電站的水庫大壩還沒有采用拱壩壩型的實(shí)際應(yīng)用案例。

3.6 補(bǔ)水工程

西北地區(qū)降水稀少、氣候干旱，抽水蓄能電站的上、下水庫面臨天然徑流量少、蒸發(fā)量大、水量損失較大等問題，相對(duì)南方的抽水蓄能電站，水庫初期蓄水和運(yùn)行期補(bǔ)水相對(duì)困難，一般設(shè)置專門的補(bǔ)水工程，從工程區(qū)附近河流、湖泊抽水至下水庫，水源含沙量大還需設(shè)置沉淀池等保證水質(zhì)滿足電站要求，同時(shí)還需要協(xié)調(diào)考慮水權(quán)分配、用水許可等問題。例如，寧夏牛首山抽水蓄能電站、內(nèi)蒙古烏海抽水蓄能電站等工程都設(shè)置了泵站從黃河抽水，青海格爾木南山口抽水蓄能電站從格爾木河取水，這些電站均設(shè)置了沉沙池等處理措施。

4 水庫工程施工組織設(shè)計(jì)

4.1 關(guān)鍵線路與進(jìn)度安排

一般情況下，抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電的關(guān)鍵線路為地下廠房洞室群施工→機(jī)組安裝→輸水系統(tǒng)充排水與機(jī)組有水調(diào)試。從廠房頂拱開挖至首臺(tái)機(jī)組發(fā)電的主體工程施工期通常在48～60個(gè)月左右，其中開挖支護(hù)工期受地質(zhì)條件差異的影響，變化范圍較大，多在18～36個(gè)月。

上、下水庫建設(shè)與蓄水過程作為次關(guān)鍵線路。受西部地區(qū)復(fù)雜建設(shè)條件、蓄水水源相對(duì)缺乏等因素影響，如導(dǎo)流和蓄水規(guī)劃、庫盆防滲方案、筑壩料源方案、土石方平衡方案等考慮不周，或者蓄水水源等發(fā)生重大調(diào)整，則可能遲滯上、下水庫建設(shè)和蓄水進(jìn)程，使得上、下水庫建設(shè)與蓄水過程轉(zhuǎn)變成為關(guān)鍵線路。因此，上、下水庫筑壩料源、土石方平衡、中轉(zhuǎn)場(chǎng)地、導(dǎo)流和蓄水規(guī)劃等方面研究論證工作有必要加強(qiáng)。此外，上、下水庫連接道路往往是籌建準(zhǔn)備期的關(guān)鍵線路項(xiàng)目，加強(qiáng)其方案比選論證工作也十分重要。

4.2 施工導(dǎo)截流及蓄水

導(dǎo)流和蓄水規(guī)劃需重點(diǎn)考慮區(qū)域和站址水文條件、蓄水水源條件，合理確定導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)流方案、蓄水時(shí)機(jī)和蓄水規(guī)劃等，其中施工期洪水特性、工程防洪度汛要求和導(dǎo)流建筑物布置條件很大程度上決定了上、下水庫導(dǎo)流方案，蓄水水源及其可及性很大程度決定了工程蓄水規(guī)劃方案。根據(jù)目前實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，西部地區(qū)的上水庫多為半挖半填形成，匯流面積較小，一般以臨時(shí)截排和抽排為主，不設(shè)置專門的施工導(dǎo)流建筑物，例如，陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站和新疆阜康抽水蓄能電站?；蛘?，根據(jù)需要設(shè)置規(guī)模較小的導(dǎo)流建筑物，例如，重慶蟠龍抽水蓄能電站。

由于上水庫蓄水較為困難，近年來一般考慮水泵工況啟動(dòng)。甘肅、青海、陜西等地的不少項(xiàng)目下水庫也面臨蓄水難問題。有的抽水蓄能電站初期蓄水需要2～3 a，需要合理安排好水庫施工及蓄水計(jì)劃。

水庫位于山區(qū)小支流上的工程，可能存在洪峰流量大，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害等問題。例如，新疆阜康抽水蓄能電站，除考慮采用導(dǎo)流建筑物與泄洪排沙洞全結(jié)合布置解決下水庫大基坑導(dǎo)流問題外，為解決攔河壩干地施工問題，還制定了小基坑導(dǎo)流方案。

另外，利用已有水庫的抽水蓄能電站項(xiàng)目，進(jìn)/出水口施工方案的可靠性也需要重點(diǎn)研究。

4.3 土石方平衡

筑壩料源需重點(diǎn)考慮工程開挖料的高效合理利用，合理安排開挖填筑進(jìn)度庫盆開挖料直接上壩。從已有工程實(shí)踐看，通過加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)組織管理，利用壩后壓坡體合理匹配壩料開挖和分區(qū)堆存進(jìn)度，可大幅降低轉(zhuǎn)存量，優(yōu)化土石方平衡。近期規(guī)劃建設(shè)的西部地區(qū)一些工程庫址地質(zhì)條件相對(duì)較差，庫盆開挖料無法作為混凝土骨料料源或堆石壩主堆石區(qū)料源，為保證料源供應(yīng)、降低土石方平衡難度，一般需考慮配置專門的石料場(chǎng)和轉(zhuǎn)存場(chǎng)地，并在實(shí)施過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化，盡量避免出現(xiàn)蟠龍、鎮(zhèn)安等抽水蓄能電站建設(shè)過程中遇到的壩料質(zhì)量和儲(chǔ)量偏離預(yù)期、土石方平衡調(diào)配困難的情況。

采用瀝青混凝土面板、心墻防滲時(shí)，所需堿性骨料料源往往面臨方量不大、運(yùn)距遠(yuǎn)等問題，也需提前統(tǒng)籌考慮。

4.4 冬季施工

西部地區(qū)冬季低溫嚴(yán)寒，抽水蓄能電站的水庫工程建設(shè)冬季施工面臨混凝土、瀝青混凝土的保溫、抗凍等問題。呼和浩特抽水蓄能電站、敦化抽水蓄能電站、豐寧抽水蓄能電站、荒溝抽水蓄能電站等項(xiàng)目以及類似地區(qū)的常規(guī)水電站[18-20]積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前，面板冬季越冬保溫方面總體仍缺乏比較完善有效的措施，普通的保溫被覆蓋措施往往面臨冬季風(fēng)大導(dǎo)致固定困難且無法同步保濕等窘境，實(shí)際保溫效果參差不齊，需面向面板防裂和表面保護(hù)的目標(biāo)需求開展進(jìn)一步的創(chuàng)新研究和試點(diǎn)示范工作，特別關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工技術(shù)要求、施工方法和質(zhì)量控制措施?？箖龇矫妫傮w上不存在制約性的技術(shù)問題，但后續(xù)規(guī)劃建設(shè)的項(xiàng)目將面臨更低的極端溫度、更高的凍融循環(huán)次數(shù)，土工膜材料寒冷條件施工和保護(hù)還缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，水庫工程冬季施工仍需開展深入的專項(xiàng)研究和論證工作。

5 結(jié) 語

在抽水蓄能電站大規(guī)模、高質(zhì)量開發(fā)建設(shè)形勢(shì)要求下，本文系統(tǒng)梳理了抽水蓄能電站的水庫工程設(shè)計(jì)理念和基本設(shè)計(jì)方法，對(duì)提高抽水蓄能電站項(xiàng)目前期勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量、促進(jìn)并推動(dòng)西部抽水蓄能電站的工程建設(shè)有十分重要的意義。

西部抽水蓄能電站工程選址應(yīng)在考慮電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)需求的同時(shí)，充分考慮工程地形地質(zhì)條件、水源條件，保護(hù)脆弱的生態(tài)、避讓環(huán)境敏感區(qū)域，減少對(duì)城市集鎮(zhèn)、人口聚集區(qū)等影響，不占或少占基本農(nóng)田、林地等，科學(xué)選址，平衡好開發(fā)與保護(hù)的關(guān)系。

結(jié)合西部特有的工程地質(zhì)問題進(jìn)行針對(duì)性勘察，合理的勘測(cè)周期、合適的勘察手段是充分揭示工程地質(zhì)條件的前提，也是電站建設(shè)和運(yùn)行的基礎(chǔ)。

與常規(guī)水電站水庫不同，抽水蓄能電站的上、下水庫要按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，對(duì)水頭差、庫容、水位及防滲等進(jìn)行統(tǒng)籌研究，結(jié)合工程建設(shè)條件因地制宜，采用靈活多樣的布置方案，充分挖掘、利用好資源條件。平臺(tái)地及坡地半挖半填、全庫盆防滲、設(shè)置攔沙壩及排沙洞形成專用庫、設(shè)置專用補(bǔ)水工程等是西部地區(qū)抽水蓄能電站的特點(diǎn)。

西部地區(qū)抽水蓄能電站施工組織設(shè)計(jì)在施工場(chǎng)地和道路布置、施工用水保障、土石方平衡與壩料質(zhì)量控制、施工進(jìn)度蓄水安排、冬季施工、環(huán)境保護(hù)和水土保持等方面都面臨更多的挑戰(zhàn)和難題，需做好施工組織和統(tǒng)籌策劃工作。