[科普中国]-十三陵抽水蓄能电站

十三陵抽水蓄能电站系利用已建十三陵水库为下库，在蟒山后上寺沟头修建上库，上下库落差 430m。电站装机容量为 80 万 kW（4×20），设计年发电量 12亿 kW·h。其主要任务是：担负北京地区调峰和紧急事故备用电源，改善首都供电质量；接入华北电力系统，与京津唐电网联网运行；减少火电频繁调整出力和开启，改善运行条件，降低煤耗，同时兼有填谷、调频和调相等功能。

简介十三陵抽水蓄能电站系利用已建十三陵水库为下库，在蟒山后上寺沟头修建上库，上下库落差430m。电站装机容量为 80万kW（4×20），设计年发电量 12亿kW·h。其主要任务是：担负北京地区调峰和紧急事故备用电源，改善首都供电质量；接入华北电力系统，与京津唐电网联网运行；减少火电频繁调整出力和开启，改善运行条件，降低煤耗，同时兼有填谷、调频和调相等功能。据推算，该电站投入运行后，每年可为电网节省煤炭22.5万 t。其经济评价，设计年抽水用电量约16亿kW·h，按1987年补充初设资料，内部回收率为27%。

昌平是个历史文化名城，又是以发展旅游、高教、科技为主的首都卫星城，县城距北京城正北30公里，地处温榆河冲击平原和军都山的结合地带，三分之二为山区、半山区， 大部分地区海拔在250米至700米之间，地形地貌多样，水量充沛，空气清新，四季分明。 有文物保护单位78处，其中全国重点文物保护单位3个，北京市重点文物保护单位3个，昌平县重点文物保护单位72个。

十三陵水库控制流域面积为223平方公里 ，多年平均径流量3100万立方米，经多年运行证明，丰、平水年可保持高水位运行。由于库尾存在大宫门古河道渗漏通道，为确保蓄能电站遇连续枯水年能正常运行，采用堵漏防渗及补水相结合的方案，即在库区中部修建防渗墙堵漏，遇枯水年需由白河堡水库向十三陵水库补水，年补水量约220万 立方米 ，引水工程已于1986年建成，设计流量4.3立方米 /秒 ，能满足补水要求。上、下水库年蒸发损失约220万 立方米1。

水库的地质情况上水库地层主要为熔岩角砾岩、安山岩，区内断裂发育。该地区规模较大的 F1、 F3断层在右坝头附近交汇，破碎带宽达40m。裂隙发育组数多，密度大，平均间距一般小于0.3m ；其中以北西向最发育。左坝头F107下盘，发育有走向北东30°及北西285°两组高倾角卸荷裂隙，张开宽度为10～20cm，无充填。上库盆内分布有3条北西西向裂隙密集带，倾角54°～63°，宽15～20m。岩体受断裂影响，风化严重，一般表层有1～2m残积和全风化岩土，全风化带局部可达10m以上。钻孔压水试验成果表明岩体以强透水为主。根据上述情况，上库必须做好全面防渗处理。

水道系统每条长约 2000余m，沿线穿过的岩层主要为砾岩，约占总长度的 80%；其次为安山岩和后期侵入的正长斑岩。引水洞长约 400余m，局部为正长斑岩岩脉，大部均为安山岩，除进口至闸门井段覆盖较薄，成洞条件较差外，其余地段一般覆盖厚 80～100m，岩石完整，成洞条件较好。高压管道长约800余m ，穿过的岩层除上段约 200m 长范围内为正长斑岩外，其余均为砾岩，上覆岩体厚度60～300m，一般地段地质条件尚好，但断裂带岩体破碎，是高压管道主要工程地质问题。尾水洞长约 1000余m ，沿线岩层为砾岩，断裂不发育，但个别断层与洞线交角较小，岩体较破碎，要引起注意。厂区地层主要为砾岩，胶结较好。厚 500余m，层理不发育，具备修建地下厂房的条件。

电站枢纽主要建筑物有上库、引水道、地下厂房、尾水道及下库等。上库采用沥青混凝土面板堆石坝，坝顶长464m，最大坝高70m；库盆采用全面沥青混凝土衬护防渗，周长1628m，总库容401万 立方米。水道系统有：两条引水隧洞，长分别为 388m和399m，衬砌内径5.2m ；在引水隧洞尾部各设 1个双室阻抗式调压井，竖井衬砌内径7.2m；两条斜井式高压管道，长分别为 815m和794m，每条高压管道分两支进入地下厂房，衬砌内径5.2～3.8m，设计考虑围岩、混凝土、钢板联合作用，设计钢板最大厚度达 40mm；尾水系统布置采用两台机汇入一个尾水调压井，后接一条尾水洞，两条尾水洞（有压洞）长分别为 780m和840m，衬砌内径5.2m；尾水调压井为单室阻抗式，竖井衬砌内径为8m。地下厂房内安装 4台单机容量 20万kW机组。地下厂房长度为149m（包括安装场及副厂房），开挖宽度20.7m，高度为44.6m。

本工程土石方明挖 410万立方米 ，石方暗挖 513万立方米 ，土石方填筑 289万立方米，混凝土浇筑 21.7万 立方米 ，沥青混凝土 17.6万立方米 ，防渗墙总面积 6.3万㎡。

十三陵蓄能电厂上水库，系利用十三陵水库左岸蟒山山顶的天然沟道，采用开挖和筑坝方式兴建。上水库库区地质条件复杂，断裂构造发育，风化严重，透水性强，地下水位低，无天然径流。全部库岸、库底及主、副坝填筑体上游面均采用混凝土面板防渗护面，防渗面积达 175万㎡，是中国首次在抽水蓄能电站上水库大规模采用钢筋混凝土全面防渗的工程。

十水库的设计特点上水库的设计特点：软岩风化料筑坝上水库采用开挖和筑坝相结合的方式兴建，系利用库盆开挖料填筑。施工开挖揭示，石料风化较强。在总结国内外利用软岩风化料筑坝经验的基础上，对坝料进行严格的物理力学特性试验，库盆开挖的软岩风化料单轴抗压强度基本满足要求，颗粒级配良好，较易压实，渗透性能较好，但存在材料不均一，部分材料软化系数偏小，压缩模量偏低，碾压后颗粒破碎等问题。尽管比国内外类似工程采用的筑坝料差，但仍具有堆石料的明显特征，可以用作混凝土面板堆石坝的筑坝材料。根据上述结果，上水库主坝采用强风化及弱风化安山岩坝料填筑，其中强风化坝料占坝体方量的56.6%2。

其他方面情况坝基倾斜面特性上水库主坝坝基为倾向下游的 1∶4 斜坡，为此进行基岩面现场大型直剪试验。试验表明，基岩岩体抗剪强度较低时，堆石沿基岩面的破坏发生在基岩岩体内。基岩岩体的抗剪强度大于堆石的抗剪强度时，剪切破坏面将发生在堆石与基岩的界面处，其抗剪强度将取决于堆石料的内摩擦角和堆石与基岩界面的粗糙程度。因而，堆石料沿基岩面的抗剪强度，依基础岩体强度与堆石料强度相比较的高低,其抗剪强度的确定方法亦不相同。

坝体剖面的优化根据上水库坝址的地形条件、各种不同风化程度的坝料和混凝土面板堆石坝工程的特性及坝体不同部位的重要性，对坝剖面进行合理分区，充分利用库盆开挖料。由于蓄水后面板堆石坝上游1/3坝体范围内的坝体变形受影响程度最大，故在靠近面板上游的主堆石区填筑弱风化开挖料 （即Ⅲ区料）。考虑到主坝坝基倾向下游，为提高坝体整体稳定性，在主坝下游坡脚设置弱风化堆石区 （即Ⅱ区料），采用与Ⅲ区相同的材料。在分析下游坝基地质条件和坝体稳定的基础上，Ⅱ区料由原来的填筑高程508m降至480m，扩大Ⅰ区料的填筑范围，减少初期弱风化料填筑量。针对抽水蓄能电站的运行特点，为给混凝土面板提供均匀可靠的支撑和排除渗水的能力，避免库水位骤降时产生反向压力，在紧靠混凝土面板下部设置水平宽度为3m的垫层排水区。

混凝土面板、接缝止水及其构造形式采用混凝土面板全面防渗的上水库，不同于一般常规面板堆石坝的混凝土面板，其主要特点有 : 防渗面积大，体形复杂 ; 面板各种结构缝多，总长度达 21290m; 基面介质不均一 ; 水位往复升降变幅大，且变化快速和频繁 ; 面板既要抗御低温开裂，还要防止阳光辐射下面板嵌缝止水材料的高温流淌。鉴于混凝土面板全面防渗既有库面防渗又有基础防渗的要求，因此不设趾板，而是选用连接板形式，起到库坡面板与库底面板之间的过渡衔接作用。混凝土材料为刚性材料，适应变形能力较差，必须进行人工柔性化，即面板需分缝以适应干缩、温度应力和基础不均匀沉降变形。面板混凝土的设计标号为R28250S8D300，施工配比以D300控制。面板混凝土浇筑选用无轨滑模施工工艺，在转弯段变宽面板和异形面板块施工时，选用变长度折叠式滑模施工工艺，解决了上水库弯段部位的面板浇筑问题。面板接缝表面止水和嵌缝材料选用了抗高温、耐老化的“GB”材料，接缝底部采用铜止水，在接缝交叉处使用了整体冲压成形的“丁”字或“ 十” 字铜止水接头，直线段铜止水现场一次加工成形,取消了其接头的焊缝，简化了施工，提高了面板防渗质量。

氯丁胶乳沥青无纺布的应用上水库西侧山体存在倾向库外的断层，影响边坡的稳定，且断层在西坡库盆内侧出露。若该区域面板渗漏，渗水将影响西坡的水文地质条件，进而对上水库工程的安全运行不利。根据上述情况，在上水库西坡库盆内坡采用新构造，岩坡基础和副坝上游面垫层表面设置复合防渗层，选用新材料氯丁胶乳沥青与聚酯纤维无纺布组成的防渗膜，其上面为无砂混凝土排水层和混凝土面板防渗层，满足了减少渗漏损失和山体稳定的要求。同时，又可减弱面板基础的约束，有利于防止面板的裂缝，提高面板混凝土的耐久性。

混凝土面板排水系统混凝土面板排水系统的排水能力主要考虑以下几个因素 :

①库内水外渗，并随着渗流汇集加大排水截面 ;

②山体地下水补给量 ;

③常年运行排水堵塞的影响。

岩坡面板下的排水层采用厚30cm的无砂混凝土，渗透系数大于1×10-2cm/s。坝坡面板下的排水层，利用坝体剖面的上游垫层。库底面板下部，采用厚 50cm的碎石排水垫层，渗透系数大于1×10-2cm/s，在碎石垫层底部设置排水管，直接与排水廊道相接。在库底周边设置排水兼检查廊道，高25m，宽18m，沿线每3m设一根排水管与排水垫层相连，廊道总长约1600m。

锚索抗滑桩在边坡加固中的应用上水库西外坡采用锚索抗滑桩加固，创造性地解决了山体软弱夹层的抗滑稳定问题，在中国水电工程中系首次应用，并取得了良好的效果。预应力锚索抗滑桩，通过在桩的顶部沿与水平面成一定角度的方向，设置可施加预应力的锚索,从根本上改变了普通抗滑桩不合理的受力状态。由于结构型式的改变，桩的抗滑能力得到提高，使桩与锚索的数量减少，大大降低了工程造价。锚索的外锚头置于混凝土抗滑桩顶部，解决了因坡面岩体破碎锚索松弛而影响加固效果的问题2。

上水库的运行上水库主坝于1992年3月开始填筑，1993年9月填筑完成。1995年8 月3日上水库开始初期蓄水，水位上升速度控制在1m/d以内，1996年2月水位上升至550m高程，满足第1台机组运行，1996年12月水位上升至5572m高程，满足1、2号2台机运行。1997年6月12日上水库水位升至设计正常高水位566m。

坝体变形监测坝体竖向位移坝体填筑完成时，实测最大竖向位移为683mm。上水库蓄水前，由于堆石体的自重固结作用等因素，坝体最大竖向位移达847mm，与坝体填筑完成时比较，其高程位置上移，在最大坝高的1/2偏上部位，最大竖向位移量相当于轴线坝高的1.13%。上水库在水位低于560m高程时，各测点的竖向位移量变化不大，水荷载对坝体沉降变形的影响较小。此后，随库水位升高至正常高水位，坝体各测点的竖向位移量变化相对较大，实测最大竖向位移为874mm。至2001年12月底，实测最大竖向位移为9430mm，相当于轴线坝高的1.26%。可见，施工期完成的沉降为坝体竖向位移的90%，坝体竖向位移与坝前蓄水高程密切相关。从坝体竖向位移总体情况来看，其竖向位移过程符合堆石体的变形规律，一是在雨季由于地表水的下渗，增加颗粒间的润滑作用，使堆石体的固结应力增大，致使坝体竖向位移量较大 ; 二是坝体下游侧Ⅰ区料的竖向位移量比上游侧Ⅲ区料大,Ⅰ区料强风化岩体破碎，且遇水软化，水环境和自重固结作用使块体结构发生变化。

坝体压缩变形模量对于常规碎石料，压缩试验e-p曲线在高应力下基本上为水平线，上水库主坝坝体Ⅰ区料在应力达到10～24MPa时，孔隙比随应力有较大变化，说明在高应力条件下，将导致坝体产生较大的竖向位移量。由堆石体实测竖向位移量估算坝体压缩变形模量平均约为34MPa，与筑坝材料的物理力学指标较低是一致的。

体水平位移坝体填筑完毕，实测最大水平位移为87mm；上水库蓄水前，实测最大位移为150mm。蓄水初期各测点位移量变化不大，在库水位接近正常蓄水位以后，受水荷载作用，水平位移变形速率增大，至2001年12月底，坝体最大水平位移测点位移量为1850mm。一般情况下，在蓄水以前，坝体上游区域的水平位移应指向上游，而十三陵上库主坝坝体各测点监测水平位移均指向下游，分析认为主要原因有: 一是坝基为一倾向下游的斜坡面 ; 二是由于坝轴线下游侧Ⅰ区料为强风化岩坝，其固结沉陷较大。

坝基面位移沿坝基斜坡面上、下游方向共布置4支TS位移计，监测堆石体与坝基间的相对位移，除坝体下游坡脚位置的测点在施工初期位移变形较大外，其余测点均较小。上水库充水时，靠近上游测点的位移变形略有增大，在接近正常蓄水位以后有明显变化，此后基本稳定。反映水荷载对上游主堆石区域沿坝基面的位移变形有一定影响，而对下游坝脚部位的影响较小。从监测结果来看，上水库堆石体沿坝基面的整体是稳定的1。

混凝土面板缝间位移变形监测周边缝位移变形上水库周边缝位移变形采用三向测缝计，监测面板与连接板之间的开合度 (X方向)，沿缝向的剪切位移 (Y方向)和垂直面板方向的相对沉降 (Z方向)。监测结果表明，主坝缝间开度在坝中部位最大达到13mm,其剪切位移最大为63mm，相对沉降变形最大为35mm ; 靠近坝肩部位缝间开度最大为88mm，剪切位移最大为52mm，其相对沉降变形与坝中部位一致；岩坡部位的位移变形均较小，最大开度约5mm，剪切和沉降变形小于3mm。其变形特征呈一定的规律性：在靠近大气环境影响部位，缝间开合度随气温有明显的变化；主坝区域周边缝的位移变形明显大于岩坡部位，在坝体中间位置的位移变形最大，靠近两坝肩次之，岩坡部位最小，与面板和连接板基础的相对位移变形是一致的；周边缝的位移变形与库水位没有明显的相关性，但受气温的影响较大。上水库蓄水后，周边缝的开度有所减小，一方面受水荷载作用面板基础变形增大，另一方面，库水的防护作用对减小面板的温度应力和变形有利。上水库蓄水正常运行后，对周边缝的剪切位移和沉降变形影响较小。

面板分缝位移变形面板分缝位移变形，主库的设计特点及运行监测要受基础变形及约束、水荷载作用和大气温度的影响。监测结果表明，面板缝间的相对位移变形较小，在冬季为张性缝，其开度最大为4mm左右，在夏季随温度的升高，面板分缝开度逐渐减小，一般小于2mm。由于堆石体的位移变形较大，主坝区域面板垂直缝开合度，在夏季坝中部位缝间受挤压，而两坝肩部位缝间开度较大，坝体面板垂直缝呈中部受压、靠近两坝肩部位受拉的明显特征。上水库蓄水后，岩坡和库底面板缝间开合度与库水位没有明显的相关性。在高水位运行条件下，坝体中部冬、夏季缝间开度减小，靠近两坝肩部位缝间开度增大，与坝体位移变形一致,符合坝体面板变形规律。从面板缝间开合度的总体情况来看，上水库防渗面板的位移变形较小，面板作为传力结构，库水位对坝坡面板缝间开合度有一定影响。库盆面板在不同工况运行条件下，监测缝间开度一般小于4mm，其面板基础变形具有良好的均匀性2。

渗流监测将库底排水廊道内各排水管观测流量总和近似作为库盆渗漏量。从渗漏量监测结果来看，库盆渗漏随大气温度和库水位变化而呈规律性变化。随气温降低，自 9月下旬～10月上旬，渗漏量开始增大，到次年1～2月气温最低时段达到最大，然后逐渐减小。分析认为，冬季低温使面板裂缝和分缝的开度增大，在一定程度上降低了面板的防渗性能，反之，缝间受挤压，有利于面板防渗。同时，渗漏量的大小与库水位有关，随水位升高观测渗漏量略有增大，反之减小，但远不及温度变化对渗漏量的影响。上水库面板渗漏，在库底排水廊道内汇集流量最大区域为库底进出水口附近，一般约占总渗漏量的50%以上，进出水口结构和位于库底高程最低处下层排水廊道有利于面板下的渗流汇集，该部位流量较大符合一般渗流规律。另外，在库水位下降和降雨过后，观测量水堰的流量迅速减小，表明面板下排水系统和坝体的排水性能良好。上水库正常运行以后，夏季实测渗漏量一般在0.02～1L/s; 冬季实测最大渗漏量 1997年为14.16L/s,1998 年为7.13L/s,1999年为6.94 L /s,2000年为5.63L /s,2001年为4.33L/s，均小于面板设计渗漏量。实测资料表明，上水库渗漏量冬季比夏季大，冬季最大渗漏量呈逐年减小的趋势，分析认为，与 1998 年上水库放空检查处理和细颗粒泥沙淤填而形成的面板裂缝自愈有关。 西外坡锚索抗滑桩监测在施工和蓄水初期，西岸边坡稳定，没有出现位移滑动的迹象。锚索桩结构受力监测，在锚索张拉前，桩体仅受自重应力作用，抗滑桩中、下部钢筋应力基本稳定，靠近桩顶部位受指向上游侧锚固荷载作用，上游侧钢筋受压，下游侧受拉，对 2m×3m截面抗滑桩，在距桩顶以下5m位置其拉、压应力差值均为10MPa左右 ; 而 3m×4m截面抗滑桩，在相同位置的应力差值不足 5MPa，与理论分析结果一致。同时，桩上、下游侧壁间土压力测值均较小，基本不受锚索张拉影响。对于每根抗滑桩顶设置的4根预应力锚索，单根设计吨位均为110t，在施工张拉后一定时段，由于西岸岩体破碎其锚固预应力损失较大，以后基本上稳定在 95t左右。监测结果表明，西外坡锚索桩均未受滑坡推力作用，各测点测值没有增大趋势，并且不受库水位影响，库岸西外坡稳定。 混凝土面板裂缝检查与处理上水库于1995年8月蓄水前、1996年3月20日～4月10日（1号机试运行消缺期间） 、 1998年4～5 月（上水库水位升至正常高水位 566 m运行1年后），分3 次对面板进行了全面检查，对面板裂缝进行了编录，对大于0.2mm的裂缝进行化学灌浆处理，小于0.2mm的裂缝进行表面封闭处理。从检查情况来看,夹仓浇筑面板裂缝多于跳仓浇筑面板，开挖岩石坡面板裂缝多于坝坡面板，转弯段和异形面板裂缝多于一般等宽面板1。

下池基本情况十三陵抽水蓄能电站是华北电网中重要的调峰电站，是解决北京市用电困难的9511工程的重要组成部分，总装机80万kW。电站下池利用 1958 年建成的十三陵水库，上池建在水库左岸蟒山顶上的寺沟，最大落差 481m。作为下池的十三陵水库，控制流域面积223方公里，总库容8100万立方米，拦河土坝高29m，粘土斜墙。多年平均来水量3100万立方米，遇中等干旱年来水量仅1550万立方米。由于库区古河道和坝基覆盖层渗漏严重，经常出现干库现象。1969年～1970年在坝基中建成了深入基岩内的混凝土防渗墙，取得了显著效果。1983年～1984 年从白河堡水库跨流域引水入库，可保持九龙游乐园的最低游览水位。但是由于古河道的存在，水库渗漏损失仍然很大。作为十三陵抽水蓄能电站的下池，要求遇连续枯水年，库水位不得低于85.0m。为此必须在水库末端进行防渗处理，避免库水从古河道漏走。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学