安徽下滸山抽水蓄能電站樞紐布置設(shè)計(jì)

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 樞紐處 ，湖北 武漢 430010)

1 電站概況及自然條件

下滸山抽水蓄能電站位于安徽省安慶桐城市與潛山縣交界處的大沙河上，距安徽省合肥市112 km，距安慶市65 km，距安徽電網(wǎng)安慶市雙嶺500 kV變電站40 km，接近安徽電網(wǎng)的負(fù)荷中心，電站安裝4臺(tái)單機(jī)300 MW的機(jī)組，總裝機(jī)容量為1 200 MW，年發(fā)電量為 26.04億kW·h，抽水電量(填谷電量)34.48億kW·h，為日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。該電站以500 kV電壓等級(jí)接入安徽電網(wǎng)，并在電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰填谷、調(diào)相調(diào)頻及緊急事故備用等任務(wù)。

電站樞紐主要建筑物包括上庫(kù)、下庫(kù)、輸水系統(tǒng)以及地下廠房等建筑物。上庫(kù)正常蓄水位為475.0 m，設(shè)計(jì)洪水位475.88 m，校核洪水位476.15 m，上庫(kù)正常蓄水位庫(kù)容為2 105萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為1 661萬(wàn)m3。下庫(kù)正常蓄水位為 115.00 m，有效庫(kù)容為12 820萬(wàn)m3。

電站利用下滸山水庫(kù)作為下庫(kù)，除出(進(jìn))水口外，下庫(kù)無(wú)需另建水工建筑物，自然條件優(yōu)越，可節(jié)省投資。

上庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、開關(guān)站等電站主要建筑物位于大沙河左岸[1]，左岸山體雄厚，地形高差約350 m，上庫(kù)筑壩形成水庫(kù)后算術(shù)平均水頭 336.1 m，最大發(fā)電毛水頭378 m，上下庫(kù)距離為1.3 km，距高比較小，為 3.96，建設(shè)條件較好。

主、副壩壩基為黑云斜長(zhǎng)(花崗)片麻巖，巖體均一，強(qiáng)度較高，滿足建壩條件。電站引水發(fā)電系統(tǒng)隧洞主要位于微風(fēng)化黑云花崗片麻巖及花崗巖中，圍巖類別總體為Ⅱ～Ⅲ類，地質(zhì)條件較好。

電站上庫(kù)壩址控制流域面積 1.77 km2，多年平均流量為 0.042 m3/s，水源條件較好。

2 主要建筑物區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 上下庫(kù)

下滸山抽水蓄能電站上庫(kù)庫(kù)盆位于下滸山水庫(kù)壩址上游約 3.6 km處的大沙河左岸，屬大別山區(qū)東南邊緣中低山地貌，整個(gè)庫(kù)盆地形類似圈椅狀，北、東、西3面分水嶺環(huán)繞，除局部埡口高程較低外，高程多在500 m以上，上庫(kù)庫(kù)盆內(nèi)無(wú)大的區(qū)域性斷層通過，上庫(kù)庫(kù)盆內(nèi)巖體主要為黑云斜長(zhǎng)(花崗)片麻巖。

上庫(kù)由主、副壩及四周地形所圍成，主壩壩基為黑云斜長(zhǎng)(花崗)片麻巖，巖體均一，強(qiáng)度較高，滿足建壩條件。全強(qiáng)風(fēng)化巖體破碎，強(qiáng)度較低，變形量大，不適宜作為趾板地基，趾板應(yīng)置于弱風(fēng)化巖體上。副壩壩基為黑云斜長(zhǎng)(花崗)片麻巖，巖體均一，強(qiáng)度較高，滿足建壩條件。

下庫(kù)庫(kù)區(qū)巖體為花崗片麻巖、混合花崗巖，巖性較單一，地質(zhì)構(gòu)造破壞輕微，巖體總體風(fēng)化較均勻。

2.2 輸水系統(tǒng)

上庫(kù)進(jìn)/出水口基礎(chǔ)為微風(fēng)化黑云花崗片麻巖，其承載力滿足要求。

輸水系統(tǒng)主要位于微風(fēng)化黑云花崗片麻巖及花崗巖中，圍巖類別總體為Ⅱ～Ⅲ類，成洞條件總體較好。

下庫(kù)出/進(jìn)水口基礎(chǔ)為弱-微風(fēng)化混合花崗巖，其承載力滿足基礎(chǔ)要求。

2.3 地下廠房

地下廠房為中部式布置，上覆巖體厚度約280 m，圍巖主要為前震旦系橋嶺組1套深變質(zhì)巖及5臺(tái)呂梁期混合花崗巖，全強(qiáng)風(fēng)化巖體厚約5～15 m。其中變質(zhì)巖主要為黑云花崗片麻巖，分布于引水發(fā)電系統(tǒng)上庫(kù)進(jìn)/出水口至引水發(fā)電系統(tǒng)中部地下廠房一帶，片麻理產(chǎn)狀總體傾向北西，傾角約25°～35°；混合花崗巖主要分布于引水發(fā)電系統(tǒng)地下廠房至下庫(kù)進(jìn)/出水口一帶。地下廠房區(qū)無(wú)大的區(qū)域性斷層通過。

3 樞紐布置關(guān)鍵技術(shù)問題研究

3.1 加高的面板堆石壩設(shè)計(jì)

上庫(kù)庫(kù)盆位于下滸山水庫(kù)壩址左岸上游約3.6 km山頂一洼地，洼地四周山嶺環(huán)繞，北東向山體雄厚，北西向、北東向山體略單薄，南西側(cè)、東側(cè)各有一低埡口，其中南西側(cè)埡口開口較大，庫(kù)岸除局部地形較陡外，一般坡角在15°～30°之間。主要工程有1座主壩、1座副壩、混凝土連接墻、生態(tài)放水管、庫(kù)盆開挖及防護(hù)、庫(kù)邊公路和庫(kù)岸防滲等。

下滸山抽水蓄能電站若按日調(diào)節(jié)性能設(shè)計(jì)，考慮調(diào)峰發(fā)電小時(shí)為5 h，考慮1 h的備用庫(kù)容，等效發(fā)電小時(shí)數(shù)取6 h。根據(jù)上、下庫(kù)死水位 448.00 m和 90.00 m，相應(yīng)于所需調(diào)節(jié)庫(kù)容1 075萬(wàn)m3，上庫(kù)正常蓄水位為 468.00 m，相應(yīng)調(diào)節(jié)庫(kù)容為1 078萬(wàn)m3。若按周調(diào)節(jié)性能設(shè)計(jì)，考慮調(diào)峰發(fā)電小時(shí)為10 h，考慮1 h的備用庫(kù)容，等效發(fā)電小時(shí)數(shù)取11 h。相應(yīng)于所需調(diào)節(jié)庫(kù)容1 659萬(wàn)m3，上庫(kù)正常蓄水位為 475.00 m，相應(yīng)調(diào)節(jié)庫(kù)容為1 661萬(wàn)m3。后者比前者大壩加高7 m，工程投資增加約1 400萬(wàn)元。上庫(kù)庫(kù)盆較大，利用地形優(yōu)勢(shì)，面板堆石壩最大壩高增加至67 m，設(shè)計(jì)難度不大，增加很少投資就可使電站具備周調(diào)節(jié)特性。從抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)性能、面板堆石壩設(shè)計(jì)及工程投資等方面綜合考慮，選擇加高的面板堆石壩方案。

上庫(kù)主壩位于南西側(cè)埡口西側(cè)，采用混凝土面板壩，壩頂高程473 m，最大壩高67 m，壩頂長(zhǎng)711 m，壩頂寬10 m，混凝土路面結(jié)構(gòu)。壩體上游面坡比1∶1.4，采用鋼筋混凝土面板防滲，壩體下游面壩坡1∶1.5，在高程453 m、423 m分別設(shè)寬3 m的馬道。

上庫(kù)副壩位于南西側(cè)埡口東側(cè)，采用土工膜心墻壩，壩頂高程473 m，最大壩高18 m，壩頂長(zhǎng)300 m，壩頂寬10 m，混凝土路面結(jié)構(gòu)，在壩頂中線采用土工膜心墻防滲。壩體上游面坡比1∶1.7，壩體下游面坡比1∶1.8。

3.2 高壓管道的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)[2]

上庫(kù)正常蓄水位為475.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為475.88 m，校核洪水位為 476.15 m，引水隧洞在立面上按兩級(jí)豎井布置，由上平段、上斜段、第一級(jí)豎井段、中平段、第二級(jí)豎井段和下平段組成。引水隧洞從第一級(jí)豎井開始PD值較大，若全部洞段采用鋼筋混凝土襯砌，配筋量較大，當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到一定數(shù)值，鋼筋混凝土襯砌將無(wú)法承擔(dān)，產(chǎn)生貫穿性開裂而成為透水襯砌，內(nèi)水外滲進(jìn)入圍巖，將不利于隧洞及主廠房圍巖的安全穩(wěn)定。若從第一級(jí)豎井開始采用地下埋管的結(jié)構(gòu)型式，則壓力鋼管的工程量較大，豎井段壓力鋼管的安裝難度大、施工工期長(zhǎng)，且工程投資較大。

上平段及上斜段的PD值較小，采用鋼筋混凝土襯砌。為了有效控制滲流量，并考慮抽水蓄能電站發(fā)生頻繁水錘作用，下平段壓力鋼管的長(zhǎng)度一般不小于靜水頭的 0.1～0.3倍，根據(jù)地形地質(zhì)條件、施工及運(yùn)行條件及電站廠房洞室群的防滲要求，中平段以后采用鋼襯混凝土襯砌。引水系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題是研究在引水系統(tǒng)的第一級(jí)豎井的上彎段、豎井直段、下彎段及中平段中間部位以前的洞段采用經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)型式。

在以上洞段采用瀝青防滲薄膜復(fù)合混凝土襯砌這種新型引水隧洞的襯砌型式。洞段內(nèi)徑為 7.5 m，襯砌厚70 cm，隧洞開挖完成后，掛鋼筋網(wǎng)噴厚10 cm的混凝土，瀝青防滲薄膜由厚3 mm的PVC加上400 g/m2的聚丙烯織物及瀝青組成，該止水薄膜設(shè)置在噴混凝土與鋼筋混凝土襯砌之間，止水效果可與鋼襯媲美，而造價(jià)低，不破壞內(nèi)層噴混凝土層保護(hù)止水薄膜，同時(shí)防止內(nèi)水外滲，有利于圍巖的安全穩(wěn)定。計(jì)算表明，鋼筋混凝土襯砌、噴混凝土與圍巖聯(lián)合承載，襯砌結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力自內(nèi)而外逐漸減小，瀝青防滲薄膜處于受壓狀態(tài)，內(nèi)層鋼筋混凝土與外層噴混凝土共同承擔(dān)內(nèi)水壓力，保護(hù)瀝青防滲薄膜的完整性，使瀝青防滲薄膜不因外壓而破壞。

3.3 地下廠房中部式布置方案

根據(jù)選定的輸水發(fā)電線路地下廠房在輸水系統(tǒng)的位置，可采用首部、中部和尾部3種開發(fā)方式。首部開發(fā)方式盡量縮短高壓引水系統(tǒng)的長(zhǎng)度，采用一級(jí)豎井布置，在滿足輸水系統(tǒng)水力過渡過程要求前提下，不設(shè)上游調(diào)壓室。中部開發(fā)方式采用兩級(jí)豎井布置，設(shè)置尾水調(diào)壓室[3]。尾部開發(fā)方式盡量縮短尾水系統(tǒng)長(zhǎng)度，采用兩級(jí)斜井，在滿足輸水系統(tǒng)水力過渡過程要求前提下，不設(shè)尾水調(diào)壓室[4]。

首部式方案的地下廠房洞室群的施工支洞較長(zhǎng)，廠房的交通洞較長(zhǎng)，運(yùn)行管理不便，同時(shí)地下廠房離上庫(kù)較近，需要設(shè)置防滲系統(tǒng)。中部式方案的施工支洞及交通洞的長(zhǎng)度適中。雖然尾部式方案中地下廠房離下庫(kù)較近，但為保證施工支洞及交通洞有一定坡度要求，其長(zhǎng)度并未減短，同時(shí)地下廠房離下庫(kù)較近，需要設(shè)置防滲系統(tǒng)。上述3種方案的工程靜態(tài)總投資分別是56.41億元、56.21億元及56.57億元，中部式布置方案的投資最小。因此，從樞紐布置及工程投資綜合考慮，選擇中部式布置方案。

3.4 利用下滸山水庫(kù)的研究

在下滸山抽水蓄能電站出(進(jìn))水口的下游3.6 km處是下滸山水庫(kù)工程，其工程任務(wù)主要是防洪，還承擔(dān)了灌溉、供水和發(fā)電開發(fā)任務(wù)。下滸山抽水蓄能電站在樞紐布置上利用下滸山水庫(kù)作為下庫(kù)，可以節(jié)省投資，但需要研究對(duì)下滸山水庫(kù)工程的影響。

在考慮蓄滿2 000萬(wàn)m3菜子湖防洪庫(kù)容以后(相應(yīng)庫(kù)水位111.80 m)，分別采用“等蓄量”和“等泄量”兩種防洪調(diào)度方式[5]，對(duì)“以下滸山為主，區(qū)間相應(yīng)”及“以區(qū)間為主，下滸山相應(yīng)”兩種洪水地區(qū)組成的“1969年”、“1983年”及“1999年”3個(gè)典型20 a一遇洪水整體設(shè)計(jì)進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，下滸山水利樞紐在不同洪水地區(qū)組成和洪水典型條件下存在一定的防洪庫(kù)容余度，最大庫(kù)容858萬(wàn)m3，最小庫(kù)容67萬(wàn)m3，可為下滸山抽水蓄能電站汛期抽蓄安全運(yùn)行提供庫(kù)容空間。

下滸山水庫(kù)工程2030年規(guī)劃向下滸山灌區(qū)供水 1.111 9億m3，其中灌溉供水 0.898 3億m3，城鎮(zhèn)供水 0.213 6億m3，日均供水量 5.9萬(wàn)t；電站裝機(jī)容量為15 MW，利用灌溉和供水水量發(fā)電，多年平均發(fā)電量為3 505萬(wàn)kW·h。由于發(fā)電開發(fā)任務(wù)排在興利任務(wù)之末，興利庫(kù)容復(fù)核以完全滿足防洪庫(kù)容預(yù)留為前提，優(yōu)先滿足灌溉和供水要求，不考慮專用發(fā)電庫(kù)容，采用初步設(shè)計(jì)階段徑流調(diào)節(jié)計(jì)算所使用的壩址徑流、生態(tài)流量下泄要求及灌溉和供水過程，進(jìn)行長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)復(fù)核計(jì)算。結(jié)果表明，在汛期防洪限制水位 108.9 m上浮 2.9～111.8 m運(yùn)行前提下，若考慮1%以內(nèi)的灌溉缺水率不計(jì)為缺水時(shí)，灌溉年保證率可達(dá) 84.4%，高于灌溉年設(shè)計(jì)保證率80%的要求；若按80%的灌溉年保證率反推，可將汛期運(yùn)行水位下降約 0.8～111 m，相應(yīng)騰空約590萬(wàn)m3的庫(kù)容，可作為下庫(kù)有效利用庫(kù)容空間。若非汛期按80%的灌溉年保證率反推，可將正常蓄水位由目前的115 m下降約 5.5～109.5 m，相應(yīng)騰空約4 000萬(wàn)m3的庫(kù)容，可作為下庫(kù)有效利用庫(kù)容空間。

可見，汛期有接近600萬(wàn)m3的庫(kù)容余度空間，非汛期則有約4 000萬(wàn)m3的庫(kù)容余度空間，可滿足下滸山抽水蓄能電站下庫(kù)存放抽水量及備用水量的庫(kù)容要求，供下滸山水利樞紐原發(fā)電功能發(fā)電所用。

工程設(shè)計(jì)在下庫(kù)開挖一定的土石方量，以滿足抽水蓄能電站的庫(kù)容要求，同時(shí)不影響下滸山水庫(kù)工程的防洪。

4 結(jié) 語(yǔ)

下滸山抽水蓄能電站上庫(kù)采用加高的面板堆石壩方案后，調(diào)節(jié)性能由日調(diào)節(jié)變?yōu)橹苷{(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)性能更優(yōu)；壓力管道采用瀝青防滲薄膜復(fù)合混凝土襯砌型式，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理；地下廠房采用中部式布置方案，節(jié)省了工程投資；利用下滸山水庫(kù)作為下庫(kù)，不影響下滸山水庫(kù)工程的防洪任務(wù)。因此，下滸山抽水蓄能電站的樞紐布置設(shè)計(jì)是合理的。

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