北山抽水蓄能电站上水库防渗地质条件研究

张必勇 马力刚 尹春明

摘要：北山抽水蓄能电站水文地质条件较复杂，渗漏问题突出。鉴于此，开展了上水库防渗地质条件专题研究，重点对库周地形、岩性、构造和水文共4个方面的封闭条件进行了钻孔、声波测试、彩色电视录相、压水试验和地下水动态分析等勘察研究，同时进行三维地质建模，以查明该水库水文地质条件及岩体渗透特性。进而提出了安全可靠、经济可行的防渗线路、防渗型式和防渗下限，并对地下水渗流场进行了三维数值建模及分析。结果表明，防渗体系完善，满足相关规范要求。研究成果总结了复杂地质条件下对防渗条件的勘察和研究的思路，可为类似抽水蓄能电站提供参考。

关键词： 水文地质条件； 防渗线路； 防渗型式； 防渗下限； 封闭条件；北山抽水蓄能电站

中图法分类号： TV143

文献标志码： A

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

0引 言

由于抽水蓄能电站上水库特殊的外部条件和功能要求，防渗要求较高，且此类电站上水库一般利用天然高山盆地，采用大坝截断冲沟、垭口，库盆渗透问题较江河大坝会更加突出［1］，因此上水库渗漏问题研究是抽水蓄能电站勘察设计的重难点之一。上水库渗漏特征与上水库防渗型式选择、库区开挖方式、地下厂房位置选择、工程投资等诸多方面密切相关［2］。目前，国内已建数十座抽水蓄能电站，很多技术人员开展了洪屏、回龙、惠州、琅琊山、溧阳、蒲石河、白莲河、板桥峪、宝泉等抽水蓄能电站上水库渗漏问题分析与研究工作［3-8］。对于防渗条件较差的库盆，防渗措施费用较高，因此库盆防渗方案的选择对于合理控制投资具有重要意义［1］。

北山抽水蓄能电站上水库汇水面积小，仅0.43 km2，水资源宝贵，且地形地质条件复杂，垭口众多、分水岭单薄、断层节理发育、局部发育岩溶、透水层深厚，不仅存在坝基、库岸水平渗透问题，库底也存在断层、岩溶集中渗漏风险，水文地质条件较复杂［3］。同时防渗要求高，防渗下限较深，需对渗透条件进行重点勘察与研究，并结合水文地质条件，从地质角度提出合理的防渗线路、防渗型式和防渗下限的建议，以利于进行经济、安全、可靠的防渗处理设计［8］。

1工程概况

北山抽水蓄能电站位于湖北省钟祥市冷水镇孔艾村西侧，地理位置为东经112°97′，北纬31°127′，距钟祥市约18 km。工程区有简易公路与主干公路相接，交通较便利（图1）。

电站利用已建北山水库作为下水库，在下水库左岸距大坝约1.5 km的山谷洼地筑坝形成上水库。电站总装机容量200 MW，安装2台单机容量为100 MW的可逆式水泵水轮发电机组，单机额定流量为111.4 m3/s，额定水头104 m。工程由上水库、下水库、输水系统、电站厂房等组成，其中上水库正常蓄水位197 m，主要建筑物有主坝和1、2、3号和4号副坝。厂房采用尾部式地面厂房布置方案，引水及尾水系统均采用一机一洞布置。上、下水库电站进/出水口的水平距离约312 m，平均毛水头差约106 m，距高比约2.9。

2上水库地质概况

上水库位于孔艾村汉江支流九渡港左侧冲沟棺材垭沟的沟源处，地势总体北高南低，库盆由圈椅状山梁围成，属于典型的沟源洼地地貌（图2）。库盆内呈树枝状分布的次级冲沟发育，均汇合于库盆西南角的棺材垭缺口。库盆北侧为分水岭，山梁地面高程均大于210 m，最高为243.2 m；东面山梁呈一走向近南北的马鞍形，鞍部高程184.7 m，两端高程195～200 m，最高为南面的邓家尖，高程237.56 m；南面山梁地面为2级地势，东段高程为192～200 m，西段高程为172～188 m；西南角为棺材垭缺口，最低点高程133 m，左岸山头高程187.4 m，右岸山头高程194.78 m；西侧山梁高程一般在186～195 m之间，向北地形连续至北侧分水岭封闭。

棺材垭沟由北东向—西南向流经上水库，总体较为顺直，地形坡度较大，一般20%～25%，局部呈跌坎，切割深度10～15 m，沟谷呈宽“V”形，沟底宽8～12 m，上水库通过在沟谷西南端出口部位筑坝形成。

库区岸坡多基岩裸露，主要有：① 志留系下统龙马溪组第1层（S1l1），包括灰黄、灰色页岩，粉砂质页岩夹少量泥质粉砂岩，多薄层至中厚层状，局部厚层状，分布于库盆和主坝及各副坝段；② 志留系下统龙马溪组第2层（S1l2），灰色、灰绿色泥质粉砂岩夹少量粉砂质页岩、页岩，多薄层至中厚层状，局部厚层状，分布于主坝和2、3号和4号副坝；③ 奥陶系中统（O2），即灰绿色、灰黄色瘤状泥质灰岩夹龟裂纹灰岩，分布于1号副坝东北端；④ 奥陶系上统（O3），即灰、灰紫色铁质硅质岩，灰白、浅灰色硅质页岩，黑色炭质页岩夹少量煤层，多薄层状。冲沟内多分布有少量坡洪积层（图3）。

上水库位于冷水背斜SW翼近核部，岩层倒转，总体上呈单斜特征。区内断裂较发育，岩层产状变化较大，志留系岩层产状一般为40°～50°∠60°，震旦系至奥陶系岩层产状315°～80°∠25°～74°，变化较大。地质测绘发现大小断层32条，主要为北东NE组，陡倾角为主，其中邓家尖断裂（F3）为区域性断裂，其余规模不大，延伸长度50～100 m，宽多小于1.0 m，断层带胶结大多较差。志留系砂页岩中裂隙主要有NNW、NNE、NE、NW向4组，陡倾角为主，缓倾角裂隙不发育，NNW组密集短小，充填石英脉，胶结较好。

志留系砂页岩抗风化能力较差，风化深度较大。山梁部位强风化下限深度2～5 m，局部达10.3～14.6 m；弱风化下限深度10～17 m。区内沟谷切割深度不大，谷坡较缓，岩体卸荷相对较弱，卸荷带水平宽度一般小于15 m。

地下水主要为基岩裂隙水，埋深10～35 m。砂页岩一般透水性较小，为相对隔水地层；工程区东部及北部分布碳酸盐岩地层，地表可见溶沟、溶槽分布，多被黏性土充填。奥陶系中统（O2）地层中钻孔揭露岩溶洞穴，充填碎石、角砾夹粉质黏土，岩溶较发育。

3上水库水文地质条件分析

3.1上水库水文地质条件勘察

上水库垭口较多，分水岭单薄，且在水库东北部存在岩溶较发育的灰岩，在该部位筑坝建库，势必存在渗漏的可能性。因此在预可研和可研阶段，对该部位的水文地质条件及岩体渗透性进行了深入的勘察研究，目的是为该区域防渗方案的选择提供可靠的地质依据。在该区域内，结合建筑物布置了75个地质钻孔，开展了大量钻孔压水试验，加上之前勘察成果，共获得了75孔450段岩体渗透性试验成果，并辅助以钻孔彩色电视录像及钻孔声波测试对岩体完整性进行研究，与钻孔压水试验成果进行对比分析。对该区域地下水位开展长期观测，分析其年度、季节性的变化特征［6-7］。

通过对勘察成果的统计分析，查明了上水库副坝及库周分水岭的水文地质条件和岩石透水特性，为上水库的防渗线路、型式和深度的设计提供了地质依据。同时，设计专业根据地质成果对该区域进行了渗流场及渗漏量的数值模拟分析，进一步验证了勘察成果的详实性和准确性。

3.2岩体渗透性研究

上水库库内冲沟发育，地表径流条件较好，但汇水面积仅0.43 km2，山脊单薄，地表径流少，库内冲沟均汇集于棺材垭沟内，沿西南方向排向北山水库，少部分渗入地下，沿松散堆积层的孔隙及浅层基岩内长大裂隙运移，最终以下降泉的形式溢出或汇入棺材垭主沟内，该沟有少量季节性流水，流量较小（图4）。另在库盆内见3个泉水点，涌水量0.1～1.5 L/min。

地下水类型主要为孔隙水、裂隙水。孔隙水主要赋存于第四系覆盖层中，直接接受大气降水补给，埋藏深浅不一，部分补给下部基岩裂隙水。

裂隙水主要赋存于风化带、构造破碎带、岩体裂隙中，分布与含水程度主要受控于风化深度和程度、构造破碎带发育部位和规模、地形、地表水和大气降水等，与上部孔隙含水层之间存在较强的水力联系，水力联系多表现为裂隙式。区内钻孔均未提示承压含水层。

泥质粉砂岩和页岩一般透水性较小。全风化岩体渗透系数0～3.47×10-5 cm/s，一般为弱至微透水；强风化岩体一般为弱透水，表层为中等透水，渗透系数0～9.38×10-4 cm/s；弱风化岩体一般为弱透水，q值一般大于3 Lu，局部可达26 Lu，平均3.8 Lu；微风化岩体一般为弱至微透水，q值一般小于3 Lu，平均2 Lu。

F3断裂带中碎裂岩、结晶灰岩构造透镜体透水性好，一般为中等透水，部分为强透水，渗透系数大于1.16×10-3 cm/s，q值9.2～50 Lu。F3西侧支断层一般为弱至微透水，其页岩影响带为弱至微透水，全、强风化带渗透系数一般小于1.16×10-5 cm/s，弱至微风化均为弱至微透水，q值0.7～2.9 Lu。

东北部分水岭奥陶系上统（O3）页岩强风化带表层呈中等透水，渗透系数1.14×10-3～1.55×10-3 cm/s，平均值1.34×10-3cm/s，其余均为弱透水，渗透系数0～3.97×10-4 cm/s，平均值8.22×10-5 cm/s；弱风化带为弱至微透水，q值0.26～4.2 Lu，平均值1.8 Lu；微风化岩体为弱至微透水，q值0.54～4.6 Lu，平均值3.97 Lu。奥陶系中统（O2）龟裂纹灰岩岩溶较发育，溶洞充填物多为灰黄色碎石、角砾夹粉质黏土，q值3.2～27.8 Lu，平均值14.4 Lu，呈弱至中等透水性。

库（坝）区钻孔压（注）水试验成果见表1～2。

4上水库封闭条件分析及推荐防渗方案

4.1封闭条件分析

水库渗漏的发生主要与地形、岩性、地质构造和水文地质条件有关，对库盆封闭条件的论证也需要从以下4个方面进行分析判断［9-13］。

（1） 地形封闭条件。

当库岸山体单薄，又有邻谷存在且下切较深时，库水外渗的可能性就比较大。该工程上水库库周呈环形封闭态势，但除东北部分水岭高程高于正常蓄水位外，其余3面均低于正常蓄水位，地形封闭条件较差，库周低于正常蓄水位库段长度占库周长度约65.6%，需大量筑坝封闭才能成库，见图5。

东北部分水岭高程210～243.8 m，地形总体坡度15°～25°，正常蓄水位处分水岭厚度55～185 m，均小于300 m，总体较为单薄，因此发生渗漏的可能性比较大。

（2） 岩性封闭条件。

强渗水岩层可以导致库水渗漏，隔水层的存在则可以起到防渗作用。库盆地层岩性除东面山梁高程180 m以上分布灰岩外，均由相对不透水的志留系粉砂质页岩、泥质粉砂岩组成，强风化和弱风化岩体具中等—弱透水性，微新岩体透水性微

弱。东北部分水岭为志留系下统龙马溪组及奥陶系地层，由南向北岩性依次为志留系粉砂质页岩、奥陶系上统（O3）硅质页岩及炭质页岩、奥陶系中统（O2）泥质灰岩及龟裂纹灰岩、奥陶系下统（O1）灰岩，岩层产状陡倾库外。其中奥陶系上统（O3）层厚约25 m，强风化和弱风化岩体具中等—弱透水性，微风化岩体具弱—微透水性，为相对阻水地层。O2及O1地层岩溶较发育，岩溶形态主要表现为溶沟、溶缝及溶洞，为强透水地层。水库岩性封闭条件总体较好，但库周不透水地层较为单薄。东北部分水岭剖面示意见图6。

（3） 构造封闭条件。

与水库渗漏有密切关系的地质构造，主要有断层破碎带或断层交汇带、裂隙密集带、背斜及向斜构造、岩层产状等。对该工程上水库有影响的构造主要为F3断裂，未见裂隙密集带等分布，岩层总体倾向北东，但北东方向未见深切冲沟，因此库内岩层未在北东方向出露，顺岩层产状产生渗漏的可能性较小。F3断裂位于库盆东侧（图3），与库盆紧临，未与库内连通，其余库段亦未见连通库内外的断层。通过适当调整坝型和防渗线路，可以避开F3对防渗线路的影响。库周不透水地层连续分布，不存在大的渗漏通道，无构造型渗漏问题，水库构造封闭条件好。

（4） 水文封闭条件。

库区的水文地质条件是水库能否发生渗漏的重要条件之一，库岸有无地下水分水岭，以及地下水分水岭的高程，对水库的渗漏具有决定性的意义。根据钻孔地下水位长期观测成果，东北部分水岭山脊钻孔地下水位埋深43.5～52.6 m，对应高程163～193.4 m。东北部公路（正常蓄水位附近）钻孔地下水位埋深12.4～36.6 m，对应高程163.8～184.8 m。分水岭钻孔地下水位埋深均低于正常蓄水位197 m，水文封闭条件差。东北部分水岭地下水位等值线图见图7，钻孔地下水位埋深长期观测记录见表3。

因库周不透水地层较为单薄，且志留系砂页岩及奥陶系页岩总体风化厚度较大，风化层岩体渗透系数较大，根据上水库库区钻孔压水试验成果，库周东段相对隔水层（1 Lu线）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（图8）。

4.2防渗线路和防渗型式推荐

考虑到上水库F3断裂及其影响带，以及岩溶对防渗工程的影响较大，建议将1号副坝及库周东段附近防渗线路适当向库内调整，以使防渗线路完全位于志留系粉砂质页岩、泥质粉砂岩中。由于东北部分水岭地下水位高程及岩体相对隔水层埋深均低于正常蓄水位，建议上水库整个库周均进行防渗处理。目前，国内外对抽水蓄能电站库盆采用的防渗处理形式主要有3种：

垂直防渗、水平防渗、垂直和水平相结合的防渗［3］，在该方案避开岩溶对工程的影响后，库盆本身无较大渗漏通道，渗漏量有限，因此建议采取以防渗帷幕为主的垂直防渗型式。其中，东北部分水岭部位部分钻孔地下水位埋深高于相对隔水层（1 Lu线）埋深，但鉴于观测时间较短，且奥陶系灰岩中岩溶较发育，地下水位可靠性存疑，若以地下水位线作为防渗底界，可靠性不足。故建议整个库周均以相对隔水层（1 Lu线）作为防渗底界，防渗帷幕进入透水率＜1 Lu岩体不小于5 m（图8）［14-18］。

4.3三维渗流场计算与分析

根据上述研究成果，设计专业选择了如下防渗方案：上水库主坝与1号副坝为混凝土面板堆石坝，大坝采用面板、趾板和帷幕防渗；2、3、4号副坝为混凝土重力坝，坝基采用帷幕防渗。上水库整个库周采取帷幕为主的垂直防渗型式，其中主坝段防渗帷幕深度10～45 m，1号副坝段防渗帷幕深度17～43 m，2号副坝段防渗帷幕深度10～31 m，3号副坝段防渗帷幕深度17～45 m，4号副坝段防渗帷幕深度30～40 m，北面公路段防渗帷幕深度28～45 m，防渗帷幕深度均进入1 Lu以下地层约5 m。

根据上水库的地形地质条件、主要建筑物结构设计及地下水钻孔等资料，建立了上水库三维渗流场有限元计算模型，经计算分析表明：

（1） 若上水库地基不设置防渗帷幕（各主要建筑物自身仍发挥防渗作用），库水顺利通过各主要建筑物地基及北侧环库公路处地层流向库外。正常蓄水位下，水库总渗流量为91.47 L/s，绝大部分渗流量来自于各主要建筑物地基及环库公路底部的绕渗，上水库日渗漏量为7 903.01 m3（按正常蓄水位24 h计），约占总库容的1.02‰，不满足相关规范要求。

（2） 现防渗设计方案下，正常蓄水位时上水库总渗流量为30.74 L/s，日渗漏量为2 655.94 m3（正常蓄水位按24 h计），约占上水库总库容（774万m3）的0.34‰；如果按正常蓄水位和死水位的平均渗流量计算，则日渗漏量为1 971.22 m3，约占上水库总库容的0.25‰。上述渗流量均满足NBT 10072-2018《抽水蓄能电站设计规范》中水库日渗量不大于0.2‰～0.5‰总库容的要求。可见上水库整体防渗效果好，防渗设计满足规范要求。

5结论与建议

对北山抽水蓄能电站上水库水文地质条件勘察研究及分析表明：① 上水库地形封闭条件较差，需大量筑坝封闭才能成库；② 防渗线路在避开岩溶较发育的奥陶系中统（O2）及奥陶系下统（O1）地层及F3断裂后，线路上岩性封闭条件总体较好，但库周不透水地层较为单薄，同时库周不存在大的渗漏通道，无构造型渗漏问题，水库构造封闭条件好；③ 东北部分水岭山脊钻孔地下水位埋深均低于正常蓄水位，水文封闭条件差。通过分析论证，提出了避开O2及O1岩溶发育地层及渗透性大的F3断层的防渗线路，建议采用垂直防渗方案，同时给出了适当的防渗下限，三维渗流场有限元计算表明，所提出的方案合理有效。经过本研究，同时有以下几点主要体会和建议。

（1） 抽水蓄能电站上水库一般位于沟源凹地或山间谷地，四周分水岭普遍低矮、厚度有限，库盆渗透问题突出，在勘察阶段应将渗漏的研究放在突出的位置，投入足够的勘察工作量，从地形、地质、构造、水文地质等多个方面分析研究，查明其水文地质条件，得出科学的符合实际的结论，以最大限度利用有利地质条件，才能降低工程风险，节省工程投资。

（2） 除了常规勘察方法外，应大力引入三维地质建模技术、三维渗流场有限元建模及计算分析等先进的方法和手段，从定性分析入手，辅以定量分析，分析成果简洁直观，将大大增强研究成果的可靠性。

（3） 在施工阶段，应重视施工地质工作。同时应继续进行库周地下水位的监测，除丰富和验证前期观测成果外，亦可以持续掌握库周边坡及引水线路等建筑物开挖对库周防渗体的影响，从而判断目前所采取的防渗手段是否安全可靠，特别是当上水库采取扩库开挖，对分水岭厚度影响较大时，应进一步复核当前防渗体系是否满足渗透比降的要求。

参考文献：

［1］朱安龙，李郁春，林健.复杂水文地质条件的库盆防渗方案研究［J］.水利水电技术，2017，48（5）：148-154.

［2］肖海波，刘佩琳，齐俊修.抽水蓄能电站上水库渗漏问题研究［J］.工程地质学报，2016（24）：653-660.

［3］石含鑫，常姗姗.溧阳抽水蓄能电站上水库防渗形式选择［J］.水力发电，2010，36（7）：50-53.

［4］贺德直，李泽民，宋修昌.回龙抽水蓄能电站上库防渗形式研究［J］.人民黄河，2004，26（7）：38-41.

［5］齐悦，卢文喜，李平，等.蒲石河抽水蓄能电站上水库防渗方案优化研究［J］.工程勘察，2007（12）：39-42.

［6］夏越谊.白莲河抽水蓄能电站上水库防渗工程设计与实践［J］.水力发电，2012，38（7）：30-32.

［7］米应中.板桥峪抽水蓄能电站几个主要工程地质问题勘察研究［J］.工程地质学报，2000（增1）：156-161.

［8］谢遵党，邵颖，杨顺群.宝泉抽水蓄能电站上水库防渗体系设计［J］.水力发电，2008，34（10）：27-41.

［9］吴火才.抽水蓄能电站工程地质勘察及认识［J］.浙江水利水电专科学校学报，2001，13（4）：1-10.

［10］臧真麟，刘志林.抽水蓄能电站库盆的防渗型式［J］.科技创新与应用，2021（5）：42-48.

［11］李长江.抽水蓄能电站水库防渗技术分析［J］.江西水利科技，2007，33（1）：20-24.

［12］林金洪.抽水蓄能电站主要工程地质问题探讨［J］.水力发电，2013，39（5）：24-26.

［13］朱安龙，李郁春，林健.复杂水文地质条件的库盆防渗方案研究［J］.水利水电技术，2017，48（5）：148-154.

［14］尹春明，侯钦礼，张必勇，等.卡洛特水电站河湾地块防渗可靠性地质研究［J］.人民长江，2022，53（2）：66-71.

［15］王小毛，徐俊，冯明权，等.地质三维正向设计及BIM应用：基于达索3DEXPERIENCE平台［M］，北京：中国水利水电出版社，2020.

［16］张必勇，徐俊，侯钦礼，等.巴基斯坦卡洛特水电站缓倾层状软硬相间边坡变形特性及防治建议［J］.水利水电快报，2020，41（3）：19-22.

［17］住房和城乡建设部.水力发电工程地质勘察规范：GB 50287-2016［S］.北京：中国计划出版社，2016.

［18］彭土标.水力发电工程地质手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

（编辑：唐湘茜）