北山抽水蓄能電站上水庫防滲地質條件研究

張必勇 馬力剛 尹春明

摘要：北山抽水蓄能電站水文地質條件較復雜，滲漏問題突出。鑒于此，開展了上水庫防滲地質條件專題研究，重點對庫周地形、巖性、構造和水文共4個方面的封閉條件進行了鉆孔、聲波測試、彩色電視錄相、壓水試驗和地下水動態分析等勘察研究，同時進行三維地質建模，以查明該水庫水文地質條件及巖體滲透特性。進而提出了安全可靠、經濟可行的防滲線路、防滲型式和防滲下限，并對地下水滲流場進行了三維數值建模及分析。結果表明，防滲體系完善，滿足相關規范要求。研究成果總結了復雜地質條件下對防滲條件的勘察和研究的思路，可為類似抽水蓄能電站提供參考。

關鍵詞： 水文地質條件； 防滲線路； 防滲型式； 防滲下限； 封閉條件；北山抽水蓄能電站

中圖法分類號： TV143

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.018

0引 言

由于抽水蓄能電站上水庫特殊的外部條件和功能要求，防滲要求較高，且此類電站上水庫一般利用天然高山盆地，采用大壩截斷沖溝、埡口，庫盆滲透問題較江河大壩會更加突出［1］，因此上水庫滲漏問題研究是抽水蓄能電站勘察設計的重難點之一。上水庫滲漏特征與上水庫防滲型式選擇、庫區開挖方式、地下廠房位置選擇、工程投資等諸多方面密切相關［2］。目前，國內已建數十座抽水蓄能電站，很多技術人員開展了洪屏、回龍、惠州、瑯琊山、溧陽、蒲石河、白蓮河、板橋峪、寶泉等抽水蓄能電站上水庫滲漏問題分析與研究工作［3-8］。對于防滲條件較差的庫盆，防滲措施費用較高，因此庫盆防滲方案的選擇對于合理控制投資具有重要意義［1］。

北山抽水蓄能電站上水庫匯水面積小，僅0.43 km2，水資源寶貴，且地形地質條件復雜，埡口眾多、分水嶺單薄、斷層節理發育、局部發育巖溶、透水層深厚，不僅存在壩基、庫岸水平滲透問題，庫底也存在斷層、巖溶集中滲漏風險，水文地質條件較復雜［3］。同時防滲要求高，防滲下限較深，需對滲透條件進行重點勘察與研究，并結合水文地質條件，從地質角度提出合理的防滲線路、防滲型式和防滲下限的建議，以利于進行經濟、安全、可靠的防滲處理設計［8］。

1工程概況

北山抽水蓄能電站位于湖北省鐘祥市冷水鎮孔艾村西側，地理位置為東經112°97′，北緯31°127′，距鐘祥市約18 km。工程區有簡易公路與主干公路相接，交通較便利（圖1）。

電站利用已建北山水庫作為下水庫，在下水庫左岸距大壩約1.5 km的山谷洼地筑壩形成上水庫。電站總裝機容量200 MW，安裝2臺單機容量為100 MW的可逆式水泵水輪發電機組，單機額定流量為111.4 m3/s，額定水頭104 m。工程由上水庫、下水庫、輸水系統、電站廠房等組成，其中上水庫正常蓄水位197 m，主要建筑物有主壩和1、2、3號和4號副壩。廠房采用尾部式地面廠房布置方案，引水及尾水系統均采用一機一洞布置。上、下水庫電站進/出水口的水平距離約312 m，平均毛水頭差約106 m，距高比約2.9。

2上水庫地質概況

上水庫位于孔艾村漢江支流九渡港左側沖溝棺材埡溝的溝源處，地勢總體北高南低，庫盆由圈椅狀山梁圍成，屬于典型的溝源洼地地貌（圖2）。庫盆內呈樹枝狀分布的次級沖溝發育，均匯合于庫盆西南角的棺材埡缺口。庫盆北側為分水嶺，山梁地面高程均大于210 m，最高為243.2 m；東面山梁呈一走向近南北的馬鞍形，鞍部高程184.7 m，兩端高程195～200 m，最高為南面的鄧家尖，高程237.56 m；南面山梁地面為2級地勢，東段高程為192～200 m，西段高程為172～188 m；西南角為棺材埡缺口，最低點高程133 m，左岸山頭高程187.4 m，右岸山頭高程194.78 m；西側山梁高程一般在186～195 m之間，向北地形連續至北側分水嶺封閉。

棺材埡溝由北東向—西南向流經上水庫，總體較為順直，地形坡度較大，一般20%～25%，局部呈跌坎，切割深度10～15 m，溝谷呈寬“V”形，溝底寬8～12 m，上水庫通過在溝谷西南端出口部位筑壩形成。

庫區岸坡多基巖裸露，主要有：① 志留系下統龍馬溪組第1層（S1l1），包括灰黃、灰色頁巖，粉砂質頁巖夾少量泥質粉砂巖，多薄層至中厚層狀，局部厚層狀，分布于庫盆和主壩及各副壩段；② 志留系下統龍馬溪組第2層（S1l2），灰色、灰綠色泥質粉砂巖夾少量粉砂質頁巖、頁巖，多薄層至中厚層狀，局部厚層狀，分布于主壩和2、3號和4號副壩；③ 奧陶系中統（O2），即灰綠色、灰黃色瘤狀泥質灰巖夾龜裂紋灰巖，分布于1號副壩東北端；④ 奧陶系上統（O3），即灰、灰紫色鐵質硅質巖，灰白、淺灰色硅質頁巖，黑色炭質頁巖夾少量煤層，多薄層狀。沖溝內多分布有少量坡洪積層（圖3）。

上水庫位于冷水背斜SW翼近核部，巖層倒轉，總體上呈單斜特征。區內斷裂較發育，巖層產狀變化較大，志留系巖層產狀一般為40°～50°∠60°，震旦系至奧陶系巖層產狀315°～80°∠25°～74°，變化較大。地質測繪發現大小斷層32條，主要為北東NE組，陡傾角為主，其中鄧家尖斷裂（F3）為區域性斷裂，其余規模不大，延伸長度50～100 m，寬多小于1.0 m，斷層帶膠結大多較差。志留系砂頁巖中裂隙主要有NNW、NNE、NE、NW向4組，陡傾角為主，緩傾角裂隙不發育，NNW組密集短小，充填石英脈，膠結較好。

志留系砂頁巖抗風化能力較差，風化深度較大。山梁部位強風化下限深度2～5 m，局部達10.3～14.6 m；弱風化下限深度10～17 m。區內溝谷切割深度不大，谷坡較緩，巖體卸荷相對較弱，卸荷帶水平寬度一般小于15 m。

地下水主要為基巖裂隙水，埋深10～35 m。砂頁巖一般透水性較小，為相對隔水地層；工程區東部及北部分布碳酸鹽巖地層，地表可見溶溝、溶槽分布，多被黏性土充填。奧陶系中統（O2）地層中鉆孔揭露巖溶洞穴，充填碎石、角礫夾粉質黏土，巖溶較發育。

3上水庫水文地質條件分析

3.1上水庫水文地質條件勘察

上水庫埡口較多，分水嶺單薄，且在水庫東北部存在巖溶較發育的灰巖，在該部位筑壩建庫，勢必存在滲漏的可能性。因此在預可研和可研階段，對該部位的水文地質條件及巖體滲透性進行了深入的勘察研究，目的是為該區域防滲方案的選擇提供可靠的地質依據。在該區域內，結合建筑物布置了75個地質鉆孔，開展了大量鉆孔壓水試驗，加上之前勘察成果，共獲得了75孔450段巖體滲透性試驗成果，并輔助以鉆孔彩色電視錄像及鉆孔聲波測試對巖體完整性進行研究，與鉆孔壓水試驗成果進行對比分析。對該區域地下水位開展長期觀測，分析其年度、季節性的變化特征［6-7］。

通過對勘察成果的統計分析，查明了上水庫副壩及庫周分水嶺的水文地質條件和巖石透水特性，為上水庫的防滲線路、型式和深度的設計提供了地質依據。同時，設計專業根據地質成果對該區域進行了滲流場及滲漏量的數值模擬分析，進一步驗證了勘察成果的詳實性和準確性。

3.2巖體滲透性研究

上水庫庫內沖溝發育，地表徑流條件較好，但匯水面積僅0.43 km2，山脊單薄，地表徑流少，庫內沖溝均匯集于棺材埡溝內，沿西南方向排向北山水庫，少部分滲入地下，沿松散堆積層的孔隙及淺層基巖內長大裂隙運移，最終以下降泉的形式溢出或匯入棺材埡主溝內，該溝有少量季節性流水，流量較?。▓D4）。另在庫盆內見3個泉水點，涌水量0.1～1.5 L/min。

地下水類型主要為孔隙水、裂隙水?？紫端饕x存于第四系覆蓋層中，直接接受大氣降水補給，埋藏深淺不一，部分補給下部基巖裂隙水。

裂隙水主要賦存于風化帶、構造破碎帶、巖體裂隙中，分布與含水程度主要受控于風化深度和程度、構造破碎帶發育部位和規模、地形、地表水和大氣降水等，與上部孔隙含水層之間存在較強的水力聯系，水力聯系多表現為裂隙式。區內鉆孔均未提示承壓含水層。

泥質粉砂巖和頁巖一般透水性較小。全風化巖體滲透系數0～3.47×10-5 cm/s，一般為弱至微透水；強風化巖體一般為弱透水，表層為中等透水，滲透系數0～9.38×10-4 cm/s；弱風化巖體一般為弱透水，q值一般大于3 Lu，局部可達26 Lu，平均3.8 Lu；微風化巖體一般為弱至微透水，q值一般小于3 Lu，平均2 Lu。

F3斷裂帶中碎裂巖、結晶灰巖構造透鏡體透水性好，一般為中等透水，部分為強透水，滲透系數大于1.16×10-3 cm/s，q值9.2～50 Lu。F3西側支斷層一般為弱至微透水，其頁巖影響帶為弱至微透水，全、強風化帶滲透系數一般小于1.16×10-5 cm/s，弱至微風化均為弱至微透水，q值0.7～2.9 Lu。

東北部分水嶺奧陶系上統（O3）頁巖強風化帶表層呈中等透水，滲透系數1.14×10-3～1.55×10-3 cm/s，平均值1.34×10-3cm/s，其余均為弱透水，滲透系數0～3.97×10-4 cm/s，平均值8.22×10-5 cm/s；弱風化帶為弱至微透水，q值0.26～4.2 Lu，平均值1.8 Lu；微風化巖體為弱至微透水，q值0.54～4.6 Lu，平均值3.97 Lu。奧陶系中統（O2）龜裂紋灰巖巖溶較發育，溶洞充填物多為灰黃色碎石、角礫夾粉質黏土，q值3.2～27.8 Lu，平均值14.4 Lu，呈弱至中等透水性。

庫（壩）區鉆孔壓（注）水試驗成果見表1～2。

4上水庫封閉條件分析及推薦防滲方案

4.1封閉條件分析

水庫滲漏的發生主要與地形、巖性、地質構造和水文地質條件有關，對庫盆封閉條件的論證也需要從以下4個方面進行分析判斷［9-13］。

（1） 地形封閉條件。

當庫岸山體單薄，又有鄰谷存在且下切較深時，庫水外滲的可能性就比較大。該工程上水庫庫周呈環形封閉態勢，但除東北部分水嶺高程高于正常蓄水位外，其余3面均低于正常蓄水位，地形封閉條件較差，庫周低于正常蓄水位庫段長度占庫周長度約65.6%，需大量筑壩封閉才能成庫，見圖5。

東北部分水嶺高程210～243.8 m，地形總體坡度15°～25°，正常蓄水位處分水嶺厚度55～185 m，均小于300 m，總體較為單薄，因此發生滲漏的可能性比較大。

（2） 巖性封閉條件。

強滲水巖層可以導致庫水滲漏，隔水層的存在則可以起到防滲作用。庫盆地層巖性除東面山梁高程180 m以上分布灰巖外，均由相對不透水的志留系粉砂質頁巖、泥質粉砂巖組成，強風化和弱風化巖體具中等—弱透水性，微新巖體透水性微

弱。東北部分水嶺為志留系下統龍馬溪組及奧陶系地層，由南向北巖性依次為志留系粉砂質頁巖、奧陶系上統（O3）硅質頁巖及炭質頁巖、奧陶系中統（O2）泥質灰巖及龜裂紋灰巖、奧陶系下統（O1）灰巖，巖層產狀陡傾庫外。其中奧陶系上統（O3）層厚約25 m，強風化和弱風化巖體具中等—弱透水性，微風化巖體具弱—微透水性，為相對阻水地層。O2及O1地層巖溶較發育，巖溶形態主要表現為溶溝、溶縫及溶洞，為強透水地層。水庫巖性封閉條件總體較好，但庫周不透水地層較為單薄。東北部分水嶺剖面示意見圖6。

（3） 構造封閉條件。

與水庫滲漏有密切關系的地質構造，主要有斷層破碎帶或斷層交匯帶、裂隙密集帶、背斜及向斜構造、巖層產狀等。對該工程上水庫有影響的構造主要為F3斷裂，未見裂隙密集帶等分布，巖層總體傾向北東，但北東方向未見深切沖溝，因此庫內巖層未在北東方向出露，順巖層產狀產生滲漏的可能性較小。F3斷裂位于庫盆東側（圖3），與庫盆緊臨，未與庫內連通，其余庫段亦未見連通庫內外的斷層。通過適當調整壩型和防滲線路，可以避開F3對防滲線路的影響。庫周不透水地層連續分布，不存在大的滲漏通道，無構造型滲漏問題，水庫構造封閉條件好。

（4） 水文封閉條件。

庫區的水文地質條件是水庫能否發生滲漏的重要條件之一，庫岸有無地下水分水嶺，以及地下水分水嶺的高程，對水庫的滲漏具有決定性的意義。根據鉆孔地下水位長期觀測成果，東北部分水嶺山脊鉆孔地下水位埋深43.5～52.6 m，對應高程163～193.4 m。東北部公路（正常蓄水位附近）鉆孔地下水位埋深12.4～36.6 m，對應高程163.8～184.8 m。分水嶺鉆孔地下水位埋深均低于正常蓄水位197 m，水文封閉條件差。東北部分水嶺地下水位等值線圖見圖7，鉆孔地下水位埋深長期觀測記錄見表3。

因庫周不透水地層較為單薄，且志留系砂頁巖及奧陶系頁巖總體風化厚度較大，風化層巖體滲透系數較大，根據上水庫庫區鉆孔壓水試驗成果，庫周東段相對隔水層（1 Lu線）埋深9～56.7 m，南段20～43.5 m，西段25～47.5 m，北面公路段27.4～49.3 m（圖8）。

4.2防滲線路和防滲型式推薦

考慮到上水庫F3斷裂及其影響帶，以及巖溶對防滲工程的影響較大，建議將1號副壩及庫周東段附近防滲線路適當向庫內調整，以使防滲線路完全位于志留系粉砂質頁巖、泥質粉砂巖中。由于東北部分水嶺地下水位高程及巖體相對隔水層埋深均低于正常蓄水位，建議上水庫整個庫周均進行防滲處理。目前，國內外對抽水蓄能電站庫盆采用的防滲處理形式主要有3種：

垂直防滲、水平防滲、垂直和水平相結合的防滲［3］，在該方案避開巖溶對工程的影響后，庫盆本身無較大滲漏通道，滲漏量有限，因此建議采取以防滲帷幕為主的垂直防滲型式。其中，東北部分水嶺部位部分鉆孔地下水位埋深高于相對隔水層（1 Lu線）埋深，但鑒于觀測時間較短，且奧陶系灰巖中巖溶較發育，地下水位可靠性存疑，若以地下水位線作為防滲底界，可靠性不足。故建議整個庫周均以相對隔水層（1 Lu線）作為防滲底界，防滲帷幕進入透水率＜1 Lu巖體不小于5 m（圖8）［14-18］。

4.3三維滲流場計算與分析

根據上述研究成果，設計專業選擇了如下防滲方案：上水庫主壩與1號副壩為混凝土面板堆石壩，大壩采用面板、趾板和帷幕防滲；2、3、4號副壩為混凝土重力壩，壩基采用帷幕防滲。上水庫整個庫周采取帷幕為主的垂直防滲型式，其中主壩段防滲帷幕深度10～45 m，1號副壩段防滲帷幕深度17～43 m，2號副壩段防滲帷幕深度10～31 m，3號副壩段防滲帷幕深度17～45 m，4號副壩段防滲帷幕深度30～40 m，北面公路段防滲帷幕深度28～45 m，防滲帷幕深度均進入1 Lu以下地層約5 m。

根據上水庫的地形地質條件、主要建筑物結構設計及地下水鉆孔等資料，建立了上水庫三維滲流場有限元計算模型，經計算分析表明：

（1） 若上水庫地基不設置防滲帷幕（各主要建筑物自身仍發揮防滲作用），庫水順利通過各主要建筑物地基及北側環庫公路處地層流向庫外。正常蓄水位下，水庫總滲流量為91.47 L/s，絕大部分滲流量來自于各主要建筑物地基及環庫公路底部的繞滲，上水庫日滲漏量為7 903.01 m3（按正常蓄水位24 h計），約占總庫容的1.02‰，不滿足相關規范要求。

（2） 現防滲設計方案下，正常蓄水位時上水庫總滲流量為30.74 L/s，日滲漏量為2 655.94 m3（正常蓄水位按24 h計），約占上水庫總庫容（774萬m3）的0.34‰；如果按正常蓄水位和死水位的平均滲流量計算，則日滲漏量為1 971.22 m3，約占上水庫總庫容的0.25‰。上述滲流量均滿足NBT 10072-2018《抽水蓄能電站設計規范》中水庫日滲量不大于0.2‰～0.5‰總庫容的要求?？梢娚纤畮煺w防滲效果好，防滲設計滿足規范要求。

5結論與建議

對北山抽水蓄能電站上水庫水文地質條件勘察研究及分析表明：① 上水庫地形封閉條件較差，需大量筑壩封閉才能成庫；② 防滲線路在避開巖溶較發育的奧陶系中統（O2）及奧陶系下統（O1）地層及F3斷裂后，線路上巖性封閉條件總體較好，但庫周不透水地層較為單薄，同時庫周不存在大的滲漏通道，無構造型滲漏問題，水庫構造封閉條件好；③ 東北部分水嶺山脊鉆孔地下水位埋深均低于正常蓄水位，水文封閉條件差。通過分析論證，提出了避開O2及O1巖溶發育地層及滲透性大的F3斷層的防滲線路，建議采用垂直防滲方案，同時給出了適當的防滲下限，三維滲流場有限元計算表明，所提出的方案合理有效。經過本研究，同時有以下幾點主要體會和建議。

（1） 抽水蓄能電站上水庫一般位于溝源凹地或山間谷地，四周分水嶺普遍低矮、厚度有限，庫盆滲透問題突出，在勘察階段應將滲漏的研究放在突出的位置，投入足夠的勘察工作量，從地形、地質、構造、水文地質等多個方面分析研究，查明其水文地質條件，得出科學的符合實際的結論，以最大限度利用有利地質條件，才能降低工程風險，節省工程投資。

（2） 除了常規勘察方法外，應大力引入三維地質建模技術、三維滲流場有限元建模及計算分析等先進的方法和手段，從定性分析入手，輔以定量分析，分析成果簡潔直觀，將大大增強研究成果的可靠性。

（3） 在施工階段，應重視施工地質工作。同時應繼續進行庫周地下水位的監測，除豐富和驗證前期觀測成果外，亦可以持續掌握庫周邊坡及引水線路等建筑物開挖對庫周防滲體的影響，從而判斷目前所采取的防滲手段是否安全可靠，特別是當上水庫采取擴庫開挖，對分水嶺厚度影響較大時，應進一步復核當前防滲體系是否滿足滲透比降的要求。

參考文獻：

［1］朱安龍，李郁春，林健.復雜水文地質條件的庫盆防滲方案研究［J］.水利水電技術，2017，48（5）：148-154.

［2］肖海波，劉佩琳，齊俊修.抽水蓄能電站上水庫滲漏問題研究［J］.工程地質學報，2016（24）：653-660.

［3］石含鑫，常姍姍.溧陽抽水蓄能電站上水庫防滲形式選擇［J］.水力發電，2010，36（7）：50-53.

［4］賀德直，李澤民，宋修昌.回龍抽水蓄能電站上庫防滲形式研究［J］.人民黃河，2004，26（7）：38-41.

［5］齊悅，盧文喜，李平，等.蒲石河抽水蓄能電站上水庫防滲方案優化研究［J］.工程勘察，2007（12）：39-42.

［6］夏越誼.白蓮河抽水蓄能電站上水庫防滲工程設計與實踐［J］.水力發電，2012，38（7）：30-32.

［7］米應中.板橋峪抽水蓄能電站幾個主要工程地質問題勘察研究［J］.工程地質學報，2000（增1）：156-161.

［8］謝遵黨，邵穎，楊順群.寶泉抽水蓄能電站上水庫防滲體系設計［J］.水力發電，2008，34（10）：27-41.

［9］吳火才.抽水蓄能電站工程地質勘察及認識［J］.浙江水利水電專科學校學報，2001，13（4）：1-10.

［10］臧真麟，劉志林.抽水蓄能電站庫盆的防滲型式［J］.科技創新與應用，2021（5）：42-48.

［11］李長江.抽水蓄能電站水庫防滲技術分析［J］.江西水利科技，2007，33（1）：20-24.

［12］林金洪.抽水蓄能電站主要工程地質問題探討［J］.水力發電，2013，39（5）：24-26.

［13］朱安龍，李郁春，林健.復雜水文地質條件的庫盆防滲方案研究［J］.水利水電技術，2017，48（5）：148-154.

［14］尹春明，侯欽禮，張必勇，等.卡洛特水電站河灣地塊防滲可靠性地質研究［J］.人民長江，2022，53（2）：66-71.

［15］王小毛，徐俊，馮明權，等.地質三維正向設計及BIM應用：基于達索3DEXPERIENCE平臺［M］，北京：中國水利水電出版社，2020.

［16］張必勇，徐俊，侯欽禮，等.巴基斯坦卡洛特水電站緩傾層狀軟硬相間邊坡變形特性及防治建議［J］.水利水電快報，2020，41（3）：19-22.

［17］住房和城鄉建設部.水力發電工程地質勘察規范：GB 50287-2016［S］.北京：中國計劃出版社，2016.

［18］彭土標.水力發電工程地質手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

（編輯：唐湘茜）