十三陵抽水蓄能電站（Shisanling Pumped-storage Power Station）位于中國北京市昌平區(qū)，距市中心約40km。電站利用1958年在東沙河上建成的十三陵水庫作為下水庫，在其左岸蟒山新建上水庫，形成最大靜水頭481m、裝機(jī)容量4×20萬kW的日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。電站設(shè)計(jì)年發(fā)電量12.46億kW·h，設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)1558h；設(shè)計(jì)年抽水電量16.69億kW·h，設(shè)計(jì)年抽水小時(shí)數(shù)2086h。

中文名

十三陵抽水蓄能電站

外文名

Ming Dynasty Tombs pumped storage power station

海拔

在250米至700米之間

年補(bǔ)水量

220 萬 立方米

投用時(shí)間

1986年

基本概況

十三陵抽水蓄能電站

十三陵抽水蓄能電站

十三陵抽水蓄能電站系利用已建十三陵水庫為下庫，在蟒山后上寺溝頭修建上庫，上下庫落差430m 。電站裝機(jī)容量為80萬kW ，設(shè)計(jì)年發(fā)電量12億kW.h 。據(jù)推算，該電站投入運(yùn)行后，每年可為電網(wǎng)節(jié)省煤炭22.5萬t 。其經(jīng)濟(jì)評價(jià)，設(shè)計(jì)年抽水用電量約16億kW.h ，按1987年補(bǔ)充初設(shè)資料，內(nèi)部回收率為27%。

十三陵水庫控制流域面積為223km 2 ，多年平均徑流量3100萬m? ，經(jīng)多年運(yùn)行證明，豐、平水年可保持高水位運(yùn)行。由于庫尾存在大宮門古河道滲漏通道，為確保蓄能電站遇連續(xù)枯水年能正常運(yùn)行，采用堵漏防滲及補(bǔ)水相結(jié)合的方案，即在庫區(qū)中部修建防滲墻堵漏，遇枯水年需由白河堡水庫向十三陵水庫補(bǔ)水，年補(bǔ)水量約220萬m ，引水工程已于1986年建成，設(shè)計(jì)流量4.3m/s 。

上水庫地層主要為熔巖角礫巖、安山巖，區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育。本地區(qū)規(guī)模較大的F1 、F3 斷層在右壩頭附近交匯，破碎帶寬達(dá)40m 。裂隙發(fā)育組數(shù)多，密度大，平均間距一般小于0.3m ；其中以北西向最發(fā)育。左壩頭F107下盤，發(fā)育有走向北東30°及北西285°兩組高傾角卸荷裂隙，張開寬度為10～20cm ，無充填。上庫盆內(nèi)分布有3條北西西向裂隙密集帶，傾角54～63°，寬15～20m 。巖體受斷裂影響，風(fēng)化嚴(yán)重，一般表層有1～2m 殘積和全風(fēng)化巖土，全風(fēng)化帶局部可達(dá)10m 以上。鉆孔壓水試驗(yàn)成果表明巖體以強(qiáng)透水為主。根據(jù)上述情況，上庫必須做好全面防滲處理。

水道系統(tǒng)每條長約2000m ，沿線穿過的巖層主要為礫巖，約占總長度的80%；其次為安山巖和后期侵入的正長斑巖。引水洞長約400m ，局部為正長斑巖巖脈，大部均為安山巖，除進(jìn)口至閘門井段覆蓋較薄，成洞條件較差外，其余地段一般覆蓋厚80～100m ，巖石完整，成洞條件較好。高壓管道長約800m ，穿過的巖層除上段約200m長范圍內(nèi)為正長斑巖外，其余均為礫巖，上覆巖體厚度60～300m ，一般地段地質(zhì)條件尚好，但斷裂帶巖體破碎，是高壓管道主要工程地質(zhì)問題。尾水洞長約1000m ，沿線巖層為礫巖，斷裂不發(fā)育，但個(gè)別斷層與洞線交角較小，巖體較破碎，要引起注意。廠區(qū)地層主要為礫巖，膠結(jié)較好。厚500m ，層理不發(fā)育，具備修建地下廠房的條件。

電站樞紐主要建筑物有上庫、引水道、地下廠房、尾水道及下庫等。上庫采用瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂長460m ，最大壩高70m ；庫盆采用全面瀝青混凝土襯護(hù)防滲，周長1628m ，總庫容401萬m 。水道系統(tǒng)有：兩條引水隧洞，長分別為377m和399m ，襯砌內(nèi)徑5.2m ；在引水隧洞尾部各設(shè)1個(gè)雙室阻抗式調(diào)壓井，豎井襯砌內(nèi)徑7.2m ；兩條斜井式高壓管道，長分別為815m 和794m ，每條高壓管道分兩支進(jìn)入地下廠房，襯砌內(nèi)徑5.2～3.8m ，設(shè)計(jì)考慮圍巖、混凝土、鋼板聯(lián)合作用，設(shè)計(jì)鋼板最大厚度達(dá)40mm ；尾水系統(tǒng)布置采用兩臺機(jī)匯入一個(gè)尾水調(diào)壓井，后接一條尾水洞，兩條尾水洞長分別為780m 和840m ，襯砌內(nèi)徑5.2m ；尾水調(diào)壓井為單室阻抗式，豎井襯砌內(nèi)徑為8m 。地下廠房內(nèi)安裝4臺單機(jī)容量20萬kW 機(jī)組。地下廠房長度為149m?。

十三陵蓄能電廠上水庫，系利用十三陵水庫左岸蟒山山頂?shù)奶烊粶系?，采用開挖和筑壩方式興建。上水庫庫區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育，風(fēng)化嚴(yán)重，透水性強(qiáng)，地下水位低，無天然徑流。全部庫岸、庫底及主、副壩填筑體上游面均采用混凝土面板防滲護(hù)面，防滲面積達(dá)175萬ｍ，是中國首次在抽水蓄能電站上水庫大規(guī)模采用鋼筋混凝土全面防滲的工程。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)

十三陵抽水蓄能電站

軟巖風(fēng)化料筑壩上水庫采用開挖和筑壩相結(jié)合的方式興建，系利用庫盆開挖料填筑。施工開挖揭示，石料風(fēng)化較強(qiáng)。在總結(jié)國內(nèi)外利用軟巖風(fēng)化料筑壩經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對壩料進(jìn)行嚴(yán)格的物理力學(xué)特性試驗(yàn)，庫盆開挖的軟巖風(fēng)化料單軸抗壓強(qiáng)度基本滿足要求，顆粒級配良好，較易壓實(shí)，滲透性能較好，但存在材料不均一，部分材料軟化系數(shù)偏小，壓縮模量偏低，碾壓后顆粒破碎等問題。盡管比國內(nèi)外類似工程采用的筑壩料差，但仍具有堆石料的明顯特征，可以用作混凝土面板堆石壩的筑壩材料。根據(jù)上述結(jié)果，上水庫主壩采用強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化安山巖壩料填筑，其中強(qiáng)風(fēng)化壩料占壩體方量的56.6% 。

壩基傾斜面特性：上水庫主壩壩基為傾向下游的1：4?斜坡，為此進(jìn)行基巖面現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)表明基巖巖體抗剪強(qiáng)度較低時(shí)，堆石沿基巖面的破壞發(fā)生在基巖巖體內(nèi)?；鶐r巖體的抗剪強(qiáng)度大于堆石的抗剪強(qiáng)度時(shí)，剪切破壞面將發(fā)生在堆石與基巖的界面處，其抗剪強(qiáng)度將取決于堆石料的內(nèi)摩擦角和堆石與基巖界面的粗糙程度。因而，堆石料沿基巖面的抗剪強(qiáng)度，依基礎(chǔ)巖體強(qiáng)度與堆石料強(qiáng)度相比較的高低，其抗剪強(qiáng)度的確定方法亦不相同。

壩體剖面的優(yōu)化：根據(jù)上水庫壩址的地形條件、各種不同風(fēng)化程度的壩料和混凝土面板堆石壩工程的特性及壩體不同部位的重要性，對壩剖面進(jìn)行合理分區(qū)，充分利用庫盆開挖料。由于蓄水后面板堆石壩上游1/3 壩體范圍內(nèi)的壩體變形受影響程度最大，故在靠近面板上游的主堆石區(qū)填筑弱風(fēng)化開挖料。考慮到主壩壩基傾向下游，為提高壩體整體穩(wěn)定性，在主壩下游坡腳設(shè)置弱風(fēng)化堆石區(qū)，采用與Ⅲ區(qū)相同的材料。在分析下游壩基地質(zhì)條件和壩體穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，Ⅱ區(qū)料由原來的填筑高程508ｍ降至480ｍ，擴(kuò)大1區(qū)料的填筑范圍，減少初期弱風(fēng)化料填筑量。針對抽水蓄能電站的運(yùn)行特點(diǎn)，為給混凝土面板提供均勻可靠的支撐和排除滲水的能力，避免庫水位驟降時(shí)產(chǎn)生反向壓力，在緊靠混凝土面板下部設(shè)置水平寬度為3ｍ的墊層排水區(qū)。

氯丁膠乳瀝青無紡布的應(yīng)用：上水庫西側(cè)山體存在傾向庫外的斷層，影響邊坡的穩(wěn)定，且斷層在西坡庫盆內(nèi)側(cè)出露。若該區(qū)域面板滲漏，滲水將影響西坡的水文地質(zhì)條件，進(jìn)而對上水庫工程的安全運(yùn)行不利。根據(jù)上述情況，在上水庫西坡庫盆內(nèi)坡采用新構(gòu)造，巖坡基礎(chǔ)和副壩上游面墊層表面設(shè)置復(fù)合防滲層，選用新材料氯丁膠乳瀝青與聚酯纖維無紡布組成的防滲膜，其上面為無砂混凝土排水層和混凝土面板防滲層，滿足了減少滲漏損失和山體穩(wěn)定的要求。同時(shí)，又可減弱面板基礎(chǔ)的約束，有利于防止面板的裂縫，提高面板混凝土的耐久性。

工作原理

十三陵抽水蓄能電站

十三陵抽水蓄能電站是所謂抽水蓄能電站，工作原理是這樣的：白天電網(wǎng)壓力增大，江水又從上庫引向下庫，經(jīng)過水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電；晚上使用電低谷期，則用抽水機(jī)將水由下庫引向上庫。由此循環(huán)來發(fā)電。十三陵抽水蓄能電站就是其中之一。

主要任務(wù)是：擔(dān)負(fù)北京地區(qū)調(diào)峰和緊急事故備用電源，改善首都供電質(zhì)量；接入華北電力系統(tǒng)，與京津唐電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；減少火電頻繁調(diào)整出力和開啟，改善運(yùn)行條件，降低煤耗，同時(shí)兼有填谷、調(diào)頻和調(diào)相等功能。

壩體監(jiān)測

十三陵抽水蓄能電站

壩體豎向位移

壩體填筑完成時(shí)，實(shí)測最大豎向位移為683mm。上水庫蓄水前，由于堆石體的自重固結(jié)作用等因素，壩體最大豎向位移達(dá)847mm，與壩體填筑完成時(shí)比較其高程位置上移在最大壩高的1/2偏上部，最大豎向位移量相當(dāng)于軸線壩高的1.13% 。上水庫在水位低于560m高程時(shí)，各測點(diǎn)的豎向位移量變化不大，水荷載對壩體沉降變形的影響較小。隨庫水位升高至正常高水位，壩體各測點(diǎn)的豎向位移量變化相對較大，實(shí)測最大豎向位移為874mm。至2001年12月底，實(shí)測最大豎向位移為9430m，相當(dāng)于軸線壩高的1.26% 。施工期完成的沉降為壩體豎向位移的90%，壩體豎向位移與壩前蓄水高程密切相關(guān)。從壩體豎向位移總體情況來看，其豎向位移過程符合堆石體的變形規(guī)律，一是在雨季由于地表水的下滲，增加顆粒間的潤滑作用，使堆石體的固結(jié)應(yīng)力增大，致使壩體豎向位移量較大，二是壩體下游側(cè)1區(qū)料的豎向位移量比上游側(cè)Ⅲ區(qū)料大，1區(qū)料強(qiáng)風(fēng)化巖體破碎，且遇水軟化，水環(huán)境和自重固結(jié)作用使塊體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

壩體壓縮變形模量

對于常規(guī)碎石料，壓縮試驗(yàn)e-p曲線在高應(yīng)力下基本上為水平線，上水庫主壩壩體1區(qū)料在應(yīng)力達(dá)到10～24MP時(shí)，孔隙比隨應(yīng)力有較大變化，說明在高應(yīng)力條件下，將導(dǎo)致壩體產(chǎn)生較大的豎向位移量。由堆石體實(shí)測豎向位移量估算壩體壓縮變形模量平均約為34MPa，與筑壩材料的物理力學(xué)指標(biāo)較低是一致的。

壩體水平位移

壩體填筑完，實(shí)測最大水平位移為87mm；上水庫蓄水前，實(shí)測最大位移為150mm。蓄水初期各測點(diǎn)位移量變化不大，在庫水位接近正常蓄水位以后，受水荷載作用，水平位移變形速率增大，至2001年12月底，壩體最大水平位移測點(diǎn)位移量為1800m。一般情況下，在蓄水以前，壩體上游區(qū)域的水平位移應(yīng)指向上游，而十三陵上庫主壩壩體各測點(diǎn)監(jiān)測水平位移均指向下游，分析認(rèn)為主要原因有，一是壩基為一傾向下游的斜坡面二是由于壩軸線下游側(cè)1區(qū)料為強(qiáng)風(fēng)化巖壩，其固結(jié)沉陷較大。

壩基面位移

沿壩基斜坡面上、下游方向共布置4支TS位移計(jì)監(jiān)測堆石體與壩基間的相對位移，除壩體下游坡腳位置的測點(diǎn)在施工初期位移變形較大外，其余測點(diǎn)均較小。上水庫充水時(shí)，靠近上游測點(diǎn)的位移變形略有增大，在接近正常蓄水位以后有明顯變化，此后基本穩(wěn)定。反映水荷載對上游主堆石區(qū)域沿壩基面的位移變形有一定影響，而對下游壩腳部位的影響較小。從監(jiān)測結(jié)果來看，上水庫堆石體沿壩基面的整體是穩(wěn)定的。

滲流監(jiān)測

十三陵抽水蓄能電站

將庫底排水廊道內(nèi)各排水管觀測流量總和近似作為庫盆滲漏量。從滲漏量監(jiān)測結(jié)果來看，庫盆滲漏隨大氣溫度和庫水位變化而呈規(guī)律性變化。隨氣溫降低，自9月下旬～10月上旬，滲漏量開始增大，到次年1～2月氣溫最低時(shí)段達(dá)到最大，然后逐漸減小。分析認(rèn)為，冬季低溫使面板裂縫和分縫的開度增大，在一定程度上降低了面板的防滲性能，反之，縫間受擠壓，有利于面板防滲。同時(shí)，滲漏量的大小與庫水位有關(guān)，隨水位升高觀測滲漏量略有增大，反之減小，但遠(yuǎn)不及溫度變化對滲漏量的影響。上水庫面板滲漏，在庫底排水廊道內(nèi)匯集流量最大區(qū)域?yàn)閹斓走M(jìn)出水口附近，一般約占總滲漏量的50% 以上，進(jìn)出水口結(jié)構(gòu)和位于庫底高程最低處下層排水廊道有利于面板下的滲流匯集，該部位流量較大符合一般滲流規(guī)律。另外，在庫水位下降和降雨過后，觀測量水堰的流量迅速減小，表明目前面板下排水系統(tǒng)和壩體的排水性能良好。上水庫正常運(yùn)行以后，夏季實(shí)測滲漏量一般在0.02～1L/S 冬季實(shí)測最大滲漏量1997 年為14.16L/S，1998 年為713L/S，1999 年為694L/S，2000 年為563 L/S，2001 年為433 L/S，均小于面板設(shè)計(jì)滲漏量。實(shí)測資料表明，上水庫滲漏量冬季比夏季大，冬季最大滲漏量呈逐年減小的趨勢，分析認(rèn)，與1998 年上水庫放空檢查處理和細(xì)顆粒泥沙淤填而形成的面板裂縫自愈有關(guān)。

優(yōu)化改進(jìn)

十三陵抽水蓄能電站

從防止水庫滲漏和減少水面蒸發(fā)考慮，線方案比較理想。但該方案中高達(dá)9m的圍堤，距九龍宮僅1000m遠(yuǎn)，把圍堤外的大面積裸露河床暴露在游人面前，無法滿足“十三陵風(fēng)景區(qū)總體規(guī)劃”和九龍游樂園對環(huán)境和游覽的要求。另外，該方案把防滲墻插入到基巖內(nèi)，切斷了庫區(qū)地下水補(bǔ)給水庫的通路，而存蓄在該防滲墻下游的地下水和豐水年來水就會沿古河道漏走。原設(shè)計(jì)線方案雖然遠(yuǎn)離大壩和游覽區(qū)，但防滲墻深達(dá)77.5m，再加上超過10 萬m的工程量，為國內(nèi)所少見。

1、庫區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件十三陵盆地處于山區(qū)和平原的過渡地段。十三陵水庫位于大寶山漢包山和蟒山之間，寬約1.5km，長約4km 。根據(jù)收集的和補(bǔ)充勘探的83個(gè)鉆孔資料，可看出庫區(qū)的第四系地層大致分為沖積層、洪積層和坡積層三種成因類型。沖積層主要分布在庫盆底部。其上層為砂卵石層，是本區(qū)主要透水層 厚度20m ～35m 。中層為粘土—亞粘土層，淺黃色，可塑—硬塑狀平均厚度20m左右，最厚可達(dá)30m ～40m 。下層為砂卵石層，分布于粘土層之下至基巖面之間，深度40m以下，厚度40m ～50m 。洪積層主要分布于庫區(qū)左岸德陵溝附近，也具有與上述沖積層相似的砂卵石—粘土—砂卵石三層結(jié)構(gòu)，只是其中層粘性土層常夾有卵石透鏡體，致使此層粘性土厚度由20m左右減薄到個(gè)別部位4m ～5m 。坡積層分布在水庫四周較高地段上，以亞粘土、輕亞粘土含碎石為主，與沖積層交錯(cuò)聯(lián)結(jié)，透水性較小。

2、對庫區(qū)和粘性土的評價(jià)根據(jù)十三陵水庫壩址地質(zhì)剖面圖和提供的地質(zhì)資料，在庫盆中普遍存在一層粘性土層，其頂面埋深約20m ～40m，其厚度由數(shù)20m ～25m左右，最厚達(dá)30m ～40m 。庫區(qū)粘性土層直接與岸邊粘土層相接，形成了一個(gè)整體，表明粘土層是連續(xù)的。