柴建峰，閆 賓，王 玨

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100761）

1 抽水蓄能電站發(fā)展

1.1 我國(guó)抽水蓄能電站發(fā)展歷程[1]

自世界上第一座抽水蓄能電站于1882年誕生在瑞士以來(lái)，世界上抽水蓄能的發(fā)展已有100多年的歷史。

我國(guó)研究開(kāi)發(fā)抽水蓄能電站始于20世紀(jì)60年代。1968年在冀南電網(wǎng)的崗南水電站安裝了一臺(tái)可逆式機(jī)組，建成我國(guó)第一臺(tái)混合式抽水蓄能電站。該電站裝機(jī)容量41MW，安裝2臺(tái)15MW 常規(guī)水電機(jī)組，1臺(tái)11MW抽水蓄能機(jī)組。1973年和1975年又在北京密云水電站相繼安裝了2臺(tái)可逆式機(jī)組，其發(fā)電額定出力 13MW，電站投入運(yùn)行后，調(diào)峰、填谷作用明顯。

1978年以后，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷急劇增長(zhǎng)，在京津唐、華東和廣東等以火電為主的電網(wǎng)，調(diào)峰問(wèn)題日益嚴(yán)重，為了保證電網(wǎng)安全，上述地區(qū)開(kāi)展了抽水蓄能電站建設(shè)必要性論證和前期研究工作，并在20世紀(jì)90年代相繼建成了十三陵、天荒坪、廣州等大型抽水蓄能電站，以增加電網(wǎng)調(diào)峰能力。第一批建設(shè)的大型抽水蓄能電站主要是解決當(dāng)時(shí)電網(wǎng)的調(diào)峰填谷問(wèn)題。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，大容量火電機(jī)組大量投運(yùn)以及老機(jī)組改造，火電機(jī)組的調(diào)峰能力得到了較大提升。根據(jù)有關(guān)部門(mén)分析，僅從火電調(diào)峰能力講，火電機(jī)組出力變化可基本滿足負(fù)荷變幅的需求，但其調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性和靈活性相對(duì)較差。

隨著長(zhǎng)距離、大容量“西電東送”“北電南送”的實(shí)施，網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電、核電機(jī)組的發(fā)展，大容量火電機(jī)組的投產(chǎn)，其事故風(fēng)險(xiǎn)將越來(lái)越大，網(wǎng)內(nèi)亟需配置一定規(guī)模的緊急事故備用容量。同時(shí)，隨著國(guó)家新能源戰(zhàn)略的實(shí)施，核電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源發(fā)電在電網(wǎng)中的比重日益增加，由于核電需要穩(wěn)定運(yùn)行，而風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等具有不可調(diào)節(jié)性，因此，電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行面臨更大的挑戰(zhàn)。建設(shè)抽水蓄能電站有利于改善電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，改善火電機(jī)組的運(yùn)行條件，提高整個(gè)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，其除承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、緊急備用任務(wù)外，還兼顧調(diào)頻、調(diào)相和黑啟動(dòng)等其他輔助服務(wù)功能，當(dāng)時(shí)對(duì)抽水蓄能電站必要性的論證更多地從電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面考慮。

1.2 “雙碳”目標(biāo)下抽水蓄能大發(fā)展

2020 年9月22日，習(xí)近平總書(shū)記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，鄭重宣布“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！?020年12月12日，習(xí)近平主席在氣候雄心峰會(huì)上發(fā)表重要講話，進(jìn)一步提出到2030年，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。

2021年3月15日，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議研究了我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的基本思路和主要舉措，提出“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。

“2030年前碳達(dá)峰，2060 年前碳中和”以及“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”等一系列新目標(biāo)已成為未來(lái)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要邊界條件，在“十四五”乃至中長(zhǎng)期，能源綠色低碳轉(zhuǎn)型將成為主旋律，迫切需要繼續(xù)大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源，持續(xù)推動(dòng)可再生能源高比例發(fā)展，減少化石能源開(kāi)發(fā)利用。然而，新能源發(fā)電具有較強(qiáng)的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電是巨大的挑戰(zhàn)。抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的綠色、低碳、清潔、靈活調(diào)節(jié)電源，與風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、核電、火電等配合效果好。加快發(fā)展抽水蓄能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的迫切要求，是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐，也是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障。

可見(jiàn)，在“雙碳”背景下，電源結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)運(yùn)行特征將發(fā)生巨大變革?！半p碳”目標(biāo)提出后，新型電力系統(tǒng)會(huì)增加更多的風(fēng)電、光伏發(fā)電，與此同時(shí)，電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能也有了更多需求。抽水蓄能行業(yè)迎來(lái)“大爆發(fā)”，除了兩大電網(wǎng)、五大發(fā)電集團(tuán)，也有更多的社會(huì)投資主體加入到這一行業(yè)。

2020年底國(guó)家能源局啟動(dòng)了全國(guó)新一輪抽水蓄能中長(zhǎng)期規(guī)劃編制工作，并于2021年9月發(fā)布了《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》，共普查篩選出資源站點(diǎn)1529個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到16億kW。其中，重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目340個(gè)，總裝機(jī)容量約為4.21億kW；儲(chǔ)備項(xiàng)目247個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模約為3.05億kW。

目前我國(guó)抽水蓄能全產(chǎn)業(yè)鏈體系基本完備，自主化率高。通過(guò)一批大型抽水蓄能電站的建設(shè)實(shí)踐，基本形成涵蓋標(biāo)準(zhǔn)制定、規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、裝備制造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展體系和專(zhuān)業(yè)化發(fā)展模式，具備大規(guī)模建設(shè)抽水蓄能的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。但如此多的抽水蓄能電站項(xiàng)目，在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)開(kāi)展勘察設(shè)計(jì)工作，對(duì)整個(gè)水電行業(yè)來(lái)說(shuō)既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

2 抽水蓄能電站的地勘情況

2.1 抽水蓄能電站地勘特點(diǎn)

抽水蓄能電站地勘工作按《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287）開(kāi)展。工程建設(shè)階段與常規(guī)水電站相同，分為選點(diǎn)規(guī)劃階段、預(yù)可行性研究階段、可行性研究階段、招標(biāo)階段和施工詳圖設(shè)計(jì)階段，地勘工作主要在預(yù)可行性研究、可行性研究和招標(biāo)階段完成。

抽水蓄能電站與常規(guī)水電工程相比有以下特點(diǎn)[2-5]：

（1）整個(gè)工程防滲要求高，對(duì)水文地質(zhì)勘測(cè)要求高。抽水蓄能電站上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)內(nèi)的水成本高，需耗電從下水庫(kù)提升，甚至在我國(guó)北方地區(qū)有些抽水蓄能電站的下水庫(kù)需定期耗巨資外購(gòu)水以滿足電站正常運(yùn)行。大氣降雨偏少、庫(kù)址無(wú)充沛的常年地表徑流時(shí)，上水庫(kù)的防滲標(biāo)準(zhǔn)要求更高，當(dāng)巖體完整性較差時(shí)，采用全庫(kù)盆防滲方案，工程投資大。

抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的防滲要求也很高。抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)的大直徑高壓引水隧洞，內(nèi)水壓力最大可達(dá)10MPa，對(duì)巖體的抗劈裂和防滲要求高。輸水系統(tǒng)滲水量較大時(shí)，可能會(huì)影響所在山體的穩(wěn)定性，如某抽水蓄能電站運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)引水系統(tǒng)滲漏量較大，滲漏主要發(fā)生在上斜井段，地層對(duì)應(yīng)為砂巖和風(fēng)化殼[6]。沿線山體地下水從“輸水系統(tǒng)外滲的水”得到了充分的補(bǔ)給，抬升了臨近整個(gè)山體的地下水位，進(jìn)而影響了原有的地下水動(dòng)態(tài)平衡，外滲的水出露在山坡形成了地表徑流，滲水出露點(diǎn)距引水系統(tǒng)水平距離最遠(yuǎn)可達(dá)2.5km，滲出的水甚至造成崩塌堆積體局部失穩(wěn)破壞。山體斜坡表面滲水和輸水系統(tǒng)斜井內(nèi)水外滲關(guān)系緊密，斜井放空期間山體表面滲水量出現(xiàn)明顯減少現(xiàn)象；當(dāng)斜井充水時(shí)，隨著斜井內(nèi)水位升高，山體各部位的滲水量也隨之明顯增加。電站輸水系統(tǒng)上斜井更換壓力鋼管后，山體地下水監(jiān)測(cè)孔結(jié)果表明山體水位基本保持不變，與上水庫(kù)水位變化再無(wú)關(guān)聯(lián)，可見(jiàn)壓力鋼管徹底截?cái)嗔溯斔到y(tǒng)和山體圍巖之間的水力聯(lián)系，也體現(xiàn)出了輸水系統(tǒng)外滲水的影響范圍之大。

（2）上水庫(kù)、下水庫(kù)水位變幅大、變化頻率高，對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定性要求高。抽水蓄能電站水庫(kù)水位驟升驟降會(huì)影響庫(kù)內(nèi)人工邊坡、庫(kù)外自然岸坡的穩(wěn)定，水位變化幅度和庫(kù)盆大小有關(guān)，一般上水庫(kù)水位變幅為30m左右。

（3）地下發(fā)電廠房洞室群埋深大，一般埋深在500m左右，廠房邊墻和頂拱的大變形或巖爆問(wèn)題突出。

（4）機(jī)組頻繁啟動(dòng)，抽水工況和發(fā)電工況轉(zhuǎn)換切換要求高，機(jī)組振動(dòng)大，影響范圍廣，對(duì)周邊人居環(huán)境有一定的影響。

（5）上水庫(kù)位于高聳的山頭，多利用山頂凹地或沖溝挖填筑壩形成，庫(kù)容一般在1000萬(wàn)m3左右，壩高多為百米級(jí)。

（6）抽水蓄能電站道路具有水電行業(yè)顯著特點(diǎn)，如起伏大、運(yùn)輸強(qiáng)度高、重大件超限超標(biāo)準(zhǔn)等。

抽水蓄能電站的主體工程，如上下水庫(kù)、地下廠房、地面開(kāi)關(guān)站等，其勘察工作主要在預(yù)可行性研究、可行性研究階段完成，一些附屬工程的勘察工作，如業(yè)主營(yíng)地等，在招標(biāo)階段完成。

2.2 已有抽水蓄能電站地勘工作量統(tǒng)計(jì)分析

前已述及抽水蓄能電站的地質(zhì)勘察工作主要在預(yù)可行性研究、可行性研究和招標(biāo)階段實(shí)施，百萬(wàn)千瓦級(jí)抽水蓄能電站的鉆探鉆尺一般超過(guò)10000m，地質(zhì)探洞1000～2000m，前期勘察設(shè)計(jì)工作周期一般2～3年。

圖1（a）為國(guó)內(nèi)部分抽水蓄能電站預(yù)可行性研究階段的鉆孔數(shù)量和鉆探進(jìn)尺分析結(jié)果，包括河南洛寧、內(nèi)蒙古赤峰和山西垣曲等15個(gè)電站；圖1（b）為國(guó)內(nèi)部分抽水蓄能電站可行性研究階段投入的鉆孔數(shù)量和鉆探進(jìn)尺，包括安徽瑯琊山、山西西龍池、河北張河灣和山東文登等28個(gè)抽水蓄能電站[7]。結(jié)合圖1，根據(jù)近期工程經(jīng)驗(yàn)，建議：抽水蓄能電站預(yù)可行性研究階段鉆孔數(shù)不宜少于30個(gè)，進(jìn)尺不宜少于3000m，且地下廠房部位宜有控制性鉆孔；可行性研究階段，鉆孔數(shù)量不宜少于100個(gè)，進(jìn)尺8000～10000m為宜。

圖1 部分抽水蓄能電站勘察工作量統(tǒng)計(jì)Figure 1 Statistical map of the survey workload of some pumped storage power stations

2.3 “雙碳”目標(biāo)下抽水蓄能面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

當(dāng)前國(guó)內(nèi)能承接抽水蓄能電站勘察設(shè)計(jì)的單位主要有中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)的華東院、北京院、西北院、中南院，中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等。根據(jù)《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》，重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目340個(gè)，總裝機(jī)容量約為4.21億kW。

據(jù)近期抽水蓄能電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)估算，一個(gè)裝機(jī)容量120萬(wàn)kW的抽水蓄能電站，前期勘察設(shè)計(jì)費(fèi)用在4億元人民幣左右，僅重點(diǎn)實(shí)施的340個(gè)抽水蓄能電站，勘察設(shè)計(jì)費(fèi)將達(dá)1360億元人民幣；若按單位千瓦6000元投資來(lái)算，4.21億kW的裝機(jī)容量，工程總投入粗估可達(dá)2.53萬(wàn)億元人民幣。

根據(jù)當(dāng)前勘察設(shè)計(jì)單位人力資源情況、已承擔(dān)的項(xiàng)目完成情況等來(lái)看，上述勘察設(shè)計(jì)單位技術(shù)和管理人員數(shù)量，與“雙碳”目標(biāo)下抽水蓄能電站的發(fā)展尚有一定的差距。目前，有的抽水蓄能電站現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察負(fù)責(zé)人由畢業(yè)僅幾年的工程師承擔(dān)，其工程經(jīng)驗(yàn)和業(yè)務(wù)能力有待于進(jìn)一步鍛煉和提高。

3 “雙碳”目標(biāo)下抽水蓄能電站地勘工作

（1）堅(jiān)持科學(xué)合理的水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)周期，推動(dòng)抽水蓄能高質(zhì)量有序發(fā)展。

隨著抽水蓄能規(guī)劃資源約束和電價(jià)瓶頸的解決，各類(lèi)社會(huì)資本積極布局、搶占規(guī)劃資源，抽水蓄能開(kāi)發(fā)建設(shè)熱度空前高漲，但也對(duì)科學(xué)有序開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。抽水蓄能電站前期要進(jìn)行大量電網(wǎng)需求分析、環(huán)境調(diào)研、地質(zhì)勘測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)勘探試驗(yàn)、計(jì)算分析等工作，項(xiàng)目核準(zhǔn)和可行性研究工作完成后，需要開(kāi)展必要的籌建期工作。目前，有的地方政府和投資方為了項(xiàng)目提前核準(zhǔn)、盡快開(kāi)工、加速建設(shè)，出現(xiàn)大幅壓縮勘測(cè)設(shè)計(jì)周期的現(xiàn)象，有的抽水蓄能電站核準(zhǔn)后，主體工程關(guān)鍵部位的地勘工作尚未完成，主體工程立即開(kāi)工，未嚴(yán)格落實(shí)基本建設(shè)程序，給工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)帶來(lái)安全和質(zhì)量隱患。建議各投資企業(yè)能堅(jiān)守科學(xué)合理的勘測(cè)設(shè)計(jì)周期，共同推動(dòng)抽水蓄能科學(xué)有序高質(zhì)量發(fā)展。

（2）重視棄渣場(chǎng)和石料場(chǎng)的地勘工作，減少電站建設(shè)和生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)。

前期渣場(chǎng)選點(diǎn)、勘察設(shè)計(jì)中給予重視，切實(shí)按規(guī)范要求投入必要的勘測(cè)工作量，并應(yīng)考慮極端氣候條件下棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性。如某抽水蓄能電站開(kāi)工后，發(fā)現(xiàn)已選定的渣場(chǎng)有安全隱患，可能會(huì)受周邊地質(zhì)災(zāi)害影響，渣場(chǎng)需要重新選址。又如某抽水蓄能電站下水庫(kù)棄渣場(chǎng)位于下游河道右岸，受多年降雨影響，表層松散土及小粒徑碎石隨雨水流入河道，逐年淤積，使河道行洪能力大大降低。2016年兩次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)引起的強(qiáng)降雨，引起河道沿線多處沖溝攜帶大量碎石、土體流入下游河道，導(dǎo)致原本水流不太順暢的河道淤積更加嚴(yán)重，并造成下游村莊多處排水涵管堵塞，致使村莊洪水排泄不暢，多次受淹。最終采用了河道清淤、棄渣場(chǎng)治理、農(nóng)田渠道、道路修復(fù)等工程治理措施。

加強(qiáng)料場(chǎng)的勘探工作，除了布置鉆探孔，盡可能布置適量勘探平洞，查清石料場(chǎng)的地層巖性分布，減少項(xiàng)目開(kāi)工后料源不足等風(fēng)險(xiǎn)。

（3）重視交通工程等先期開(kāi)工點(diǎn)的地勘工作。

目前不少電站前期開(kāi)工點(diǎn)的勘測(cè)工作精度較低，尤其是隧洞進(jìn)出口處問(wèn)題較多。如某抽水蓄能電站，設(shè)計(jì)文件中地層和實(shí)際開(kāi)挖揭示的地層巖性不一致，施工成洞難，還引起了工程索賠。又如某抽水蓄能電站，由于前期道路的勘測(cè)工作深度不夠，沿線分布的巨大花崗巖孤石和滾石未調(diào)查清楚，影響施工工期。

建議重視地質(zhì)調(diào)繪工作，加強(qiáng)洞口處勘探工作量的投入。此外，在山勢(shì)陡峭處修建交通工程時(shí)，盡可能采用洞線工程，減少形成人工高邊坡，建議從抽水蓄能全壽命周期角度考慮問(wèn)題，減少后期高陡邊坡治理維護(hù)費(fèi)用，保障抽水蓄能電站安全高效運(yùn)行。

（4）關(guān)注數(shù)字技術(shù)在地勘工作的應(yīng)用。

在抽水蓄能電站地勘工作中應(yīng)用三維建模數(shù)字技術(shù)，用于巖體節(jié)理統(tǒng)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)模擬、勘察數(shù)據(jù)管理、含屬性的三維地質(zhì)建模、石料場(chǎng)儲(chǔ)量計(jì)算、輸水系統(tǒng)和地下廠房圍巖分級(jí)、壩基質(zhì)量評(píng)價(jià)、塊體三維穩(wěn)定性分析等領(lǐng)域，可提高抽水蓄能電站勘察工作質(zhì)量和效率。