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，在蟒山後上寺溝頭修建上庫，上下庫落差 430m。電站裝機容量為 80 萬 kW（4×20），設計年發電量 12億 kW·h。其主要任務是：擔負北京地區調峰和緊急事故備用電源，改善首都供電質量；接入華北電力系統，與京津唐電網聯網運行；減少火電頻繁調整出力和開啟，改善運行條件，降低煤耗，同時兼有填谷、調頻和調相等功能。

基本介紹

• 中文名：文昌十三陵抽水蓄能電站
• 外文名：Ming Dynasty Tombs pumped storage power station
• 建成時間：1986 年
• 海拔高度：在250米至700米之間
• 流域面積：3100萬 立方米
• 年補水量：220 萬 立方米

簡介

十三陵抽水蓄能電站系利用已建十三陵水庫為下庫，在蟒山後上寺溝頭修建上庫，上下庫落差430m。電站裝機容量為 80萬kW（4×20），設計年發電量 12億kW·h。其主要任務是：擔負北京地區調峰和緊急事故備用電源，改善首都供電質量；接入華北電力系統，與京津唐電網聯網運行；減少火電頻繁調整出力和開啟，改善運行條件，降低煤耗，同時兼有填谷、調頻和調相等功能。據推算，該電站投入運行後，每年可為電網節省煤炭22.5萬 t。其經濟評價，設計年抽水用電量約16億kW·h，按1987年補充初設資料，內部回收率為27%。

昌平是個歷史文化名城，又是以發展旅遊、高教、科技為主的首都衛星城，縣城距北京城正北30公里，地處溫榆河衝擊平原和軍都山的結合地帶，三分之二為山區、半山區， 大部分地區海拔在250米至700米之間，地形地貌多樣，水量充沛，空氣清新，四季分明。 有文物保護單位78處，其中全國重點文物保護單位3個，北京市重點文物保護單位3個，昌平縣重點文物保護單位72個。

十三陵水庫控制流域面積為223平方公里 ，多年平均徑流量3100萬立方米，經多年運行證明，豐、平水年可保持高水位運行。由於庫尾存在大宮門古河道滲漏通道，為確保蓄能電站遇連續枯水年能正常運行，採用堵漏防滲及補水相結合的方案，即在庫區中部修建防滲牆堵漏，遇枯水年需由白河堡水庫向十三陵水庫補水，年補水量約220萬 立方米 ，引水工程已於1986年建成，設計流量4.3立方米 /秒 ，能滿足補水要求。上、下水庫年蒸發損失約220萬 立方米。

水庫的地質情況

上水庫地層主要為熔岩角礫岩、安山岩，區內斷裂發育。該地區規模較大的 F1、 F3斷層在右壩頭附近交匯，破碎頻寬達40m。裂隙發育組數多，密度大，平均間距一般小於0.3m ；其中以北西向最發育。左壩頭F107下盤，發育有走向北東30°及北西285°兩組高傾角卸荷裂隙，張開寬度為10～20cm，無充填。上庫盆內分布有3條北西西向裂隙密集帶，傾角54°～63°，寬15～20m。岩體受斷裂影響，風化嚴重，一般表層有1～2m殘積和全風化岩土，全風化帶局部可達10m以上。鑽孔壓水試驗成果表明岩體以強透水為主。根據上述情況，上庫必須做好全面防滲處理。

水道系統每條長約 2000餘m，沿線穿過的岩層主要為礫岩，約占總長度的 80%；其次為安山岩和後期侵入的正長斑岩。引水洞長約 400餘m，局部為正長斑岩岩脈，大部均為安山岩，除進口至閘門井段覆蓋較薄，成洞條件較差外，其餘地段一般覆蓋厚 80～100m，岩石完整，成洞條件較好。高壓管道長約800餘m ，穿過的岩層除上段約 200m 長範圍內為正長斑岩外，其餘均為礫岩，上覆岩體厚度60～300m，一般地段地質條件尚好，但斷裂帶岩體破碎，是高壓管道主要工程地質問題。尾水洞長約 1000餘m ，沿線岩層為礫岩，斷裂不發育，但個別斷層與洞線交角較小，岩體較破碎，要引起注意。廠區地層主要為礫岩，膠結較好。厚 500餘m，層理不發育，具備修建地下廠房的條件。

電站樞紐主要建築物有上庫、引水道、地下廠房、尾水道及下庫等。上庫採用瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂長464m，最大壩高70m；庫盆採用全面瀝青混凝土襯護防滲，周長1628m，總庫容401萬 立方米。水道系統有：兩條引水隧洞，長分別為 388m和399m，襯砌內徑5.2m ；在引水隧洞尾部各設 1個雙室阻抗式調壓井，豎井襯砌內徑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入地下廠房，襯砌內徑5.2～3.8m，設計考慮圍岩、混凝土、鋼板聯合作用，設計鋼板最大厚度達 40mm；尾水系統布置採用兩台機匯入一個尾水調壓井，後接一條尾水洞，兩條尾水洞（有壓洞）長分別為 780m和840m，襯砌內徑5.2m；尾水調壓井為單室阻抗式，豎井襯砌內徑為8m。地下廠房內安裝 4台單機容量 20萬kW機組。地下廠房長度為149m（包括安裝場及副廠房），開挖寬度20.7m，高度為44.6m。

本工程土石方明挖 410萬立方米 ，石方暗挖 513萬立方米 ，土石方填築 289萬立方米，混凝土澆築 21.7萬 立方米 ，瀝青混凝土 17.6萬立方米 ，防滲牆總面積 6.3萬㎡。

十三陵蓄能電廠上水庫，系利用十三陵水庫左岸蟒山山頂的天然溝道，採用開挖和築壩方式興建。上水庫庫區地質條件複雜，斷裂構造發育，風化嚴重，透水性強，地下水位低，無天然徑流。全部庫岸、庫底及主、副壩填築體上游面均採用混凝土面板防滲護面，防滲面積達 175萬㎡，是中國首次在抽水蓄能電站上水庫大規模採用鋼筋混凝土全面防滲的工程。

十水庫的設計特點

上水庫的設計特點：軟岩風化料築壩上水庫採用開挖和築壩相結合的方式興建，系利用庫盆開挖料填築。施工開挖揭示，石料風化較強。在總結國內外利用軟岩風化料築壩經驗的基礎上，對壩料進行嚴格的物理力學特性試驗，庫盆開挖的軟岩風化料單軸抗壓強度基本滿足要求，顆粒級配良好，較易壓實，滲透性能較好，但存在材料不均一，部分材料軟化係數偏小，壓縮模量偏低，碾壓後顆粒破碎等問題。儘管比國內外類似工程採用的築壩料差，但仍具有堆石料的明顯特徵，可以用作混凝土面板堆石壩的築壩材料。根據上述結果，上水庫主壩採用強風化及弱風化安山岩壩料填築，其中強風化壩料占壩體方量的56.6%。

其他方面情況

壩基傾斜面特性

上水庫主壩壩基為傾向下游的 1∶4 斜坡，為此進行基岩面現場大型直剪試驗。試驗表明，基岩岩體抗剪強度較低時，堆石沿基岩面的破壞發生在基岩岩體內。基岩岩體的抗剪強度大於堆石的抗剪強度時，剪下破壞面將發生在堆石與基岩的界面處，其抗剪強度將取決於堆石料的內摩擦角和堆石與基岩界面的粗糙程度。因而，堆石料沿基岩面的抗剪強度，依基礎岩體強度與堆石料強度相比較的高低,其抗剪強度的確定方法亦不相同。

壩體剖面的最佳化

根據上水庫壩址的地形條件、各種不同風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，對壩剖面進行合理分區，充分利用庫盆開挖料。由於蓄水後面板堆石壩上游1/3壩體範圍內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填築弱風化開挖料 （即Ⅲ區料）。考慮到主壩壩基傾向下游，為提高壩體整體穩定性，在主壩下游坡腳設定弱風化堆石區 （即Ⅱ區料），採用與Ⅲ區相同的材料。在分析下游壩基地質條件和壩體穩定的基礎上，Ⅱ區料由原來的填築高程508m降至480m，擴大Ⅰ區料的填築範圍，減少初期弱風化料填築量。針對抽水蓄能電站的運行特點，為給混凝土面板提供均勻可靠的支撐和排除滲水的能力，避免庫水位驟降時產生反向壓力，在緊靠混凝土面板下部設定水平寬度為3m的墊層排水區。

混凝土面板、接縫止水及其構造形式

採用混凝土面板全面防滲的上水庫，不同於一般常規面板堆石壩的混凝土面板，其主要特點有 : 防滲面積大，體形複雜 ; 面板各種結構縫多，總長度達 21290m; 基面介質不均一 ; 水位往復升降變幅大，且變化快速和頻繁 ; 面板既要抗禦低溫開裂，還要防止陽光輻射下面板嵌縫止水材料的高溫流淌。鑒於混凝土面板全面防滲既有庫面防滲又有基礎防滲的要求，因此不設趾板，而是選用連線板形式，起到庫坡面板與庫底面板之間的過渡銜接作用。混凝土材料為剛性材料，適應變形能力較差，必須進行人工柔性化，即面板需分縫以適應乾縮、溫度應力和基礎不均勻沉降變形。面板混凝土的設計標號為R28250S8D300，施工配比以D300控制。面板混凝土澆築選用無軌滑模施工工藝，在轉彎段變寬面板和異形面板塊施工時，選用變長度摺疊式滑模施工工藝，解決了上水庫彎段部位的面板澆築問題。面板接縫表面止水和嵌縫材料選用了抗高溫、耐老化的“GB”材料，接縫底部採用銅止水，在接縫交叉處使用了整體衝壓成形的“丁”字或“ 十” 字銅止水接頭，直線段銅止水現場一次加工成形,取消了其接頭的焊縫，簡化了施工，提高了面板防滲質量。

氯丁膠乳瀝青無紡布的套用

上水庫西側山體存在傾向庫外的斷層，影響邊坡的穩定，且斷層在西坡庫盆內側出露。若該區域面板滲漏，滲水將影響西坡的水文地質條件，進而對上水庫工程的安全運行不利。根據上述情況，在上水庫西坡庫盆內坡採用新構造，岩坡基礎和副壩上游面墊層表面設定複合防滲層，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定的要求。同時，又可減弱面板基礎的約束，有利於防止面板的裂縫，提高面板混凝土的耐久性。

混凝土面板排水系統混凝土面板排水系統的排水能力主要考慮以下幾個因素 :

①庫內水外滲，並隨著滲流匯集加大排水截面 ;

②山體地下水補給量 ;

③常年運行排水堵塞的影響。

岩坡面板下的排水層

採用厚30cm的無砂混凝土，滲透係數大於1×10^-2cm/s。壩坡面板下的排水層，利用壩體剖面的上游墊層。庫底面板下部，採用厚 50cm的碎石排水墊層，滲透係數大於1×10^-2cm/s，在碎石墊層底部設定排水管，直接與排水廊道相接。在庫底周邊設定排水兼檢查廊道，高25m，寬18m，沿線每3m設一根排水管與排水墊層相連，廊道總長約1600m。

錨索抗滑樁在邊坡加固中的套用上水庫西外坡採用錨索抗滑樁加固，創造性地解決了山體軟弱夾層的抗滑穩定問題，在中國水電工程中系首次套用，並取得了良好的效果。預應力錨索抗滑樁，通過在樁的頂部沿與水平面成一定角度的方向，設定可施加預應力的錨索,從根本上改變了普通抗滑樁不合理的受力狀態。由於結構型式的改變，樁的抗滑能力得到提高，使樁與錨索的數量減少，大大降低了工程造價。錨索的外錨頭置於混凝土抗滑樁頂部，解決了因坡面岩體破碎錨索鬆弛而影響加固效果的問題。

上水庫的運行

上水庫主壩於1992年3月開始填築，1993年9月填築完成。1995年8 月3日上水庫開始初期蓄水，水位上升速度控制在1m/d以內，1996年2月水位上升至550m高程，滿足第1台機組運行，1996年12月水位上升至5572m高程，滿足1、2號2台機運行。1997年6月12日上水庫水位升至設計正常高水位566m。

壩體變形監測

壩體豎向位移

壩體填築完成時，實測最大豎向位移為683mm。上水庫蓄水前，由於堆石體的自重固結作用等因素，壩體最大豎向位移達847mm，與壩體填築完成時比較，其高程位置上移，在最大壩高的1/2偏上部位，最大豎向位移量相當於軸線壩高的1.13%。上水庫在水位低於560m高程時，各測點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。此後，隨庫水位升高至正常高水位，壩體各測點的豎向位移量變化相對較大，實測最大豎向位移為874mm。至2001年12月底，實測最大豎向位移為9430mm，相當於軸線壩高的1.26%。可見，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。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律，一是在雨季由於地表水的下滲，增加顆粒間的潤滑作用，使堆石體的固結應力增大，致使壩體豎向位移量較大 ; 二是壩體下游側Ⅰ區料的豎向位移量比上游側Ⅲ區料大,Ⅰ區料強風化岩體破碎，且遇水軟化，水環境和自重固結作用使塊體結構發生變化。

壩體壓縮變形模量

對於常規碎石料，壓縮試驗e-p曲線在高應力下基本上為水平線，上水庫主壩壩體Ⅰ區料在應力達到10～24MPa時，孔隙比隨應力有較大變化，說明在高應力條件下，將導致壩體產生較大的豎向位移量。由堆石體實測豎向位移量估算壩體壓縮變形模量平均約為34MPa，與築壩材料的物理力學指標較低是一致的。

體水平位移

壩體填築完畢，實測最大水平位移為87mm；上水庫蓄水前，實測最大位移為150mm。蓄水初期各測點位移量變化不大，在庫水位接近正常蓄水位以後，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位移量為1850mm。一般情況下，在蓄水以前，壩體上游區域的水平位移應指向上游，而十三陵上庫主壩壩體各測點監測水平位移均指向下游，分析認為主要原因有: 一是壩基為一傾向下游的斜坡面 ; 二是由於壩軸線下游側Ⅰ區料為強風化岩壩，其固結沉陷較大。

壩基面位移

沿壩基斜坡面上、下遊方向共布置4支TS位移計，監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在施工初期位移變形較大外，其餘測點均較小。上水庫充水時，靠近上游測點的位移變形略有增大，在接近正常蓄水位以後有明顯變化，此後基本穩定。反映水荷載對上游主堆石區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。從監測結果來看，上水庫堆石體沿壩基面的整體是穩定的。

混凝土面板縫間位移變形監測

周邊縫位移變形

上水庫周邊縫位移變形採用三向測縫計，監測面板與連線板之間的開合度 (X方向)，沿縫向的剪下位移 (Y方向)和垂直面板方向的相對沉降 (Z方向)。監測結果表明，主壩縫間開度在壩中部位最大達到13mm,其剪下位移最大為63mm，相對沉降變形最大為35mm ; 靠近壩肩部位縫間開度最大為88mm，剪下位移最大為52mm，其相對沉降變形與壩中部位一致；岩坡部位的位移變形均較小，最大開度約5mm，剪下和沉降變形小於3mm。其變形特徵呈一定的規律性：在靠近大氣環境影響部位，縫間開合度隨氣溫有明顯的變化；主壩區域周邊縫的位移變形明顯大於岩坡部位，在壩體中間位置的位移變形最大，靠近兩壩肩次之，岩坡部位最小，與面板和連線板基礎的相對位移變形是一致的；周邊縫的位移變形與庫水位沒有明顯的相關性，但受氣溫的影響較大。上水庫蓄水後，周邊縫的開度有所減小，一方面受水荷載作用面板基礎變形增大，另一方面，庫水的防護作用對減小面板的溫度應力和變形有利。上水庫蓄水正常運行後，對周邊縫的剪下位移和沉降變形影響較小。

面板分縫位移變形

面板分縫位移變形，主庫的設計特點及運行監測要受基礎變形及約束、水荷載作用和大氣溫度的影響。監測結果表明，面板縫間的相對位移變形較小，在冬季為張性縫，其開度最大為4mm左右，在夏季隨溫度的升高，面板分縫開度逐漸減小，一般小於2mm。由於堆石體的位移變形較大，主壩區域面板垂直縫開合度，在夏季壩中部位縫間受擠壓，而兩壩肩部位縫間開度較大，壩體面板垂直縫呈中部受壓、靠近兩壩肩部位受拉的明顯特徵。上水庫蓄水後，岩坡和庫底面板縫間開合度與庫水位沒有明顯的相關性。在高水位運行條件下，壩體中部冬、夏季縫間開度減小，靠近兩壩肩部位縫間開度增大，與壩體位移變形一致,符合壩體面板變形規律。從面板縫間開合度的總體情況來看，上水庫防滲面板的位移變形較小，面板作為傳力結構，庫水位對壩坡面板縫間開合度有一定影響。庫盆面板在不同工況運行條件下，監測縫間開度一般小於4mm，其面板基礎變形具有良好的均勻性。

滲流監測

將庫底排水廊道內各排水管觀測流量總和近似作為庫盆滲漏量。從滲漏量監測結果來看，庫盆滲漏隨大氣溫度和庫水位變化而呈規律性變化。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月氣溫最低時段達到最大，然後逐漸減小。分析認為，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，有利於面板防滲。同時，滲漏量的大小與庫水位有關，隨水位升高觀測滲漏量略有增大，反之減小，但遠不及溫度變化對滲漏量的影響。上水庫面板滲漏，在庫底排水廊道內匯集流量最大區域為庫底進出水口附近，一般約占總滲漏量的50%以上，進出水口結構和位於庫底高程最低處下層排水廊道有利於面板下的滲流匯集，該部位流量較大符合一般滲流規律。另外，在庫水位下降和降雨過後，觀測量水堰的流量迅速減小，表明面板下排水系統和壩體的排水性能良好。上水庫正常運行以後，夏季實測滲漏量一般在0.02～1L/s; 冬季實測最大滲漏量 1997年為14.16L/s,1998 年為7.13L/s,1999年為6.94 L /s,2000年為5.63L /s,2001年為4.33L/s，均小於面板設計滲漏量。實測資料表明，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，分析認為，與 1998 年上水庫放空檢查處理和細顆粒泥沙淤填而形成的面板裂縫自愈有關。　西外坡錨索抗滑樁監測在施工和蓄水初期，西岸邊坡穩定，沒有出現位移滑動的跡象。錨索樁結構受力監測，在錨索張拉前，樁體僅受自重應力作用，抗滑樁中、下部鋼筋應力基本穩定，靠近樁頂部位受指向上游側錨固荷載作用，上游側鋼筋受壓，下游側受拉，對 2m×3m截面抗滑樁，在距樁頂以下5m位置其拉、壓應力差值均為10MPa左右 ; 而 3m×4m截面抗滑樁，在相同位置的應力差值不足 5MPa，與理論分析結果一致。同時，樁上、下游側壁間土壓力測值均較小，基本不受錨索張拉影響。對於每根抗滑樁頂設定的4根預應力錨索，單根設計噸位均為110t，在施工張拉後一定時段，由於西岸岩體破碎其錨固預應力損失較大，以後基本上穩定在 95t左右。監測結果表明，西外坡錨索樁均未受滑坡推力作用，各測點測值沒有增大趨勢，並且不受庫水位影響，庫岸西外坡穩定。　混凝土面板裂縫檢查與處理上水庫於1995年8月蓄水前、1996年3月20日～4月10日（1號機試運行消缺期間） 、 1998年4～5 月（上水庫水位升至正常高水位 566 m運行1年後），分3 次對面板進行了全面檢查，對面板裂縫進行了編錄，對大於0.2mm的裂縫進行化學灌漿處理，小於0.2mm的裂縫進行表面封閉處理。從檢查情況來看,夾倉澆築面板裂縫多於跳倉澆築面板，開挖岩石坡面板裂縫多於壩坡面板，轉彎段和異形面板裂縫多於一般等寬面板。

下池基本情況

十三陵抽水蓄能電站是華北電網中重要的調峰電站，是解決北京市用電困難的9511工程的重要組成部分，總裝機80萬kW。電站下池利用 1958 年建成的十三陵水庫，上池建在水庫左岸蟒山頂上的寺溝，最大落差 481m。作為下池的十三陵水庫，控制流域面積223方公里，總庫容8100萬立方米，攔河土壩高29m，粘土斜牆。多年平均來水量3100萬立方米，遇中等乾旱年來水量僅1550萬立方米。由於庫區古河道和壩基覆蓋層滲漏嚴重，經常出現乾庫現象。1969年～1970年在壩基中建成了深入基岩內的混凝土防滲牆，取得了顯著效果。1983年～1984 年從白河堡水庫跨流域引水入庫，可保持九龍遊樂園的最低遊覽水位。但是由於古河道的存在，水庫滲漏損失仍然很大。作為十三陵抽水蓄能電站的下池，要求遇連續枯水年，庫水位不得低於85.0m。為此必須在水庫末端進行防滲處理，避免庫水從古河道漏走。