黑龍江荒溝抽水蓄能電站電纜出線布置方式設(shè)計(jì)研究

宋立民 ，蘇奕康 ，王 哲 ，張子奇 ，張 騰

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林省長(zhǎng)春市 130021；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林省長(zhǎng)春市 130021）

1 工程概況

黑龍江荒溝抽水蓄能電站，位于黑龍江省牡丹江市海林市三道河子鎮(zhèn)，下水庫(kù)為已建的蓮花水電站水庫(kù)，上水庫(kù)為牡丹江支流三道河子右岸的山間洼地。站址距牡丹江市145km（公路里程），距哈爾濱市（直線距離）約235km，距蓮花壩址43km（公路里程）。電站為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大（1）型，樞紐中主要建筑物（如主壩、副壩、輸水系統(tǒng)、地下廠房及500kV地面開關(guān)站等）為1級(jí)建筑物；次要建筑物為3級(jí)建筑物。

工程以發(fā)電為主，總裝機(jī)容量為1200MW，單機(jī)容量為300MW，按一洞二機(jī)、共兩洞四機(jī)方案設(shè)計(jì)，廠內(nèi)裝有四臺(tái)可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組。電站建成后在黑龍江省電網(wǎng)擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。

黑龍江荒溝抽水蓄能電站地下廠房洞室系統(tǒng)是一組空間立體交叉的地下洞室群，主要包括：主廠房洞、主變壓器洞、尾閘洞、母線洞、電纜兼排風(fēng)豎井、電纜出線平洞、交通洞、通風(fēng)洞、排水廊道洞及其他附屬洞室等。

2 電纜出線方式比選設(shè)計(jì)

抽水蓄能電站工程高壓電纜出線方式的選擇是工程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作，一般情況高壓電纜出線方式是根據(jù)地下主變壓器洞和地面開關(guān)站的相對(duì)位置關(guān)系，可采用平洞、豎井、斜井或其組合的方式布置，經(jīng)過布置設(shè)計(jì)、方案比選、論證分析最后確定[1]。黑龍江荒溝抽水蓄能電站主變壓器布置在地下主變壓器洞內(nèi)，在地面布置500kV開關(guān)站場(chǎng)，荒溝工程在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)實(shí)際地形條件，在選定廠房交通洞、通風(fēng)洞洞線及中控樓位置的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)電、通風(fēng)及施工道路等因素的布置，對(duì)地面開關(guān)站位置及高壓電纜出線方式及地下廠房排風(fēng)布置進(jìn)行了深入的論證研究，設(shè)計(jì)了多個(gè)方案進(jìn)行必選[1-5]。

2.1 電纜出線比選方案設(shè)計(jì)

黑龍江荒溝抽水蓄能電站高壓電纜出線方式比選方案的設(shè)計(jì)，在考慮高壓出線方式的相關(guān)因素的同時(shí)，將地下廠房洞室的排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容一并考慮，進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)方案，綜合對(duì)比，以達(dá)到選擇一個(gè)最優(yōu)的布置方式。

本次設(shè)計(jì)比選共有六個(gè)方案，各方案地面開關(guān)站采用同一布置形式，占地面積均按照100m×73m（長(zhǎng)×寬）。

方案一：斜井出線＋單獨(dú)設(shè)置廠房排風(fēng)豎井方案，開關(guān)站布置在廠房東南側(cè)460.00m高程，廠房排風(fēng)豎井位于廠房右端部附近，地面出口高程位于510.00m高程山頂上。

本方案高壓電纜采用斜井出線方式，斜井坡度約30°（i=57.7%），斜井長(zhǎng)度約600m，斷面開挖尺寸為6.60m×5.30m （寬×高），凈尺寸為5.80m×4.50m （寬×高）；電纜斜井一側(cè)布置高壓電纜，另一側(cè)為低壓電纜及交通通道，高壓電纜與低壓電纜之間布置縱墻將其完全分開，為便于運(yùn)行管理，在交通通道內(nèi)設(shè)置一部索道式纜車；地下廠房排風(fēng)豎井單獨(dú)布置，底部與廠房各排風(fēng)支洞相連，頂部出露在地面高程510.00m以上，排風(fēng)豎井長(zhǎng)度為338m，噴護(hù)段開挖直徑為6.2m，襯砌段開挖直徑為7m，結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為6m，豎井只作為地下排風(fēng)的通道；需設(shè)置永久進(jìn)場(chǎng)（開關(guān)站）公路，改建由上下水庫(kù)聯(lián)系路至4號(hào)施工支洞臨時(shí)道路為永久路，以及修建臨時(shí)路至排風(fēng)豎井。出線斜井?dāng)嗝媸疽庖妶D1。

方案二：兩段式豎井出線＋單獨(dú)設(shè)置廠房排風(fēng)豎井方案，開關(guān)站布置在主變洞上部山頂475.00m高程，廠房排風(fēng)豎井布置同方案一。

本方案高壓電纜采用豎井出線方式，出線豎井共分成兩段，分別為200m和108m，中部加設(shè)10m長(zhǎng)出線平段，豎井開挖直徑9m，結(jié)構(gòu)內(nèi)徑尺寸為8m，兩段豎井間平洞段的斷面凈尺寸4.8m×4.5m（寬×高）；豎井內(nèi)布置有兩個(gè)高壓出線道（兩回電纜分開布置）、控制電纜道、電梯井、樓梯井，通信及通風(fēng)排煙設(shè)施等；廠房排風(fēng)豎井布置同方案一；需在上下水庫(kù)聯(lián)系路引出永久進(jìn)場(chǎng)（開關(guān)站）路和臨時(shí)施工路，改建由上下水庫(kù)聯(lián)系路至4號(hào)施工支洞臨時(shí)道路為永久路，之后設(shè)Y形路口，一路通往開關(guān)站的永久公路，在開關(guān)站的永久路路段內(nèi)再設(shè)Y形路口，設(shè)置通往廠房排風(fēng)豎井的臨時(shí)路，另一路為通往電纜豎井施工支洞的臨時(shí)路，由于出渣強(qiáng)度不大，施工支洞洞徑確定為5m×5.5m，長(zhǎng)約487m。出線豎井?dāng)嗝媸疽庖妶D3。

方案三：平洞、豎井出線（利用通風(fēng)洞作為出線平洞）＋單獨(dú)設(shè)置廠房排風(fēng)豎井方案，開關(guān)站布置在廠房北側(cè)400.00m高程坡地上，廠房排風(fēng)豎井布置同方案一。

本方案高壓電纜采用平洞、豎井的出線方式，出線始于主變壓器洞端部進(jìn)風(fēng)機(jī)室，利用通風(fēng)洞出線長(zhǎng)度約760m，再通過約50m長(zhǎng)出線平洞引至出線豎井，豎井高度200m；在考慮通風(fēng)、低壓電纜及施工出渣要求情況下，通風(fēng)洞斷面凈尺寸為8.00m×6.50m （寬×高），在增加高壓電纜通道后，斷面凈尺寸為8.00m×7.30m（寬×高），即高度上增加了0.8m；廠房排風(fēng)豎井布置同方案一；需在上下水庫(kù)聯(lián)系路引出永久進(jìn)場(chǎng)（開關(guān)站）路，改建由上下水庫(kù)聯(lián)系路至4號(hào)施工支洞臨時(shí)道路為永久路，之后修建通往開關(guān)站的永久公路，以及修建臨時(shí)路至排風(fēng)豎井。出線平洞斷面示意見圖2，出線豎井?dāng)嗝媸疽庖妶D3。

方案四：平洞出線（利用通風(fēng)洞作為出線平洞）＋單獨(dú)設(shè)置廠房排風(fēng)豎井方案，開關(guān)站布置在下水庫(kù)進(jìn)（出）水口北側(cè)，位于交通洞與通風(fēng)洞進(jìn)口之間，地面高程226.50m，廠房排風(fēng)豎井布置同方案一。

本方案高壓電纜采用平洞出線方式，出線始于主變壓器洞端部進(jìn)風(fēng)機(jī)室，利用通風(fēng)洞作為出線平洞，長(zhǎng)度約1266m；廠房排風(fēng)豎井布置同方案一；開關(guān)站進(jìn)場(chǎng)路無需另外設(shè)置臨時(shí)及永久公路，僅需設(shè)置臨時(shí)路至排風(fēng)豎井。出線平洞斷面示意見圖2。

方案五：一段式豎井出線＋單獨(dú)設(shè)置廠房排風(fēng)豎井方案，開關(guān)站布置在主變壓器洞上部山頂475.00m高程，廠房排風(fēng)豎井布置同方案一。

本方案高壓電纜采用豎井出線方式，豎井出口地面高程475.0m，底部高程172.90m，豎井高差308m，在豎井中部設(shè)置支洞，將出線分成兩段，支洞下豎井深度為200m，支洞以上108m；豎井內(nèi)布置有高壓出線道、控制電纜道、電梯、樓梯，通信及通風(fēng)排煙設(shè)施等，豎井的內(nèi)徑尺寸為8m，豎井開挖直徑9.0m；豎井中間部位設(shè)置支洞，主要解決豎井過高，帶來的高壓電纜垂直拉力過大，避免電纜安裝及運(yùn)行等造成的不安全因素；支洞分上、下兩層，上、下層高度分別為4m、6m，支洞的總寬度為5.7m，支洞長(zhǎng)度定為15m；廠房排風(fēng)豎井布置同方案一；需改建由上下水庫(kù)聯(lián)系路至4號(hào)施工支洞臨時(shí)道路為永久路，之后設(shè)通往開關(guān)站永久公路，在開關(guān)站的永久路的路段內(nèi)設(shè)Y形路口，設(shè)置通往廠房排風(fēng)豎井的臨時(shí)路。出線豎井?dāng)嗝媸疽庖妶D3。

方案六：出線豎井兼排風(fēng)豎井的一個(gè)大井方案（電纜出線豎井、廠房排風(fēng)豎井合并方案）[6]，開關(guān)站布置在廠房右端頂部山頂510.00m高程，大井位于廠房右端部附近，地面出口高程位于510.00m高程山頂上。

本方案高壓電纜出線與地下廠房系統(tǒng)排風(fēng)合并共用一個(gè)豎井，井內(nèi)采用結(jié)構(gòu)分隔，豎井內(nèi)布置有高壓出線井、控制電纜井、電梯、樓梯、排風(fēng)井等；豎井的內(nèi)徑尺寸為9.5m，開挖直徑10.5m；豎井底部設(shè)置一聯(lián)絡(luò)洞與廠房交通洞相通，既可作為施工期豎井出渣交通聯(lián)絡(luò)洞，也可作為電站永久運(yùn)行交通通道，聯(lián)絡(luò)洞為城門洞形，開挖尺寸4.8m×5.9m，洞長(zhǎng)18.38m；出線豎井高338m，為滿足電纜敷設(shè)要求，在出線豎井中部設(shè)置支洞，支洞下豎井高度約為168m，支洞以上豎井高度為170m，豎井頂部地面出口在開關(guān)站場(chǎng)地內(nèi)；豎井支洞分上、下兩層，上、下層高度分別為4m、6m，支洞的總寬度為5.7m，支洞長(zhǎng)度定為15m；需設(shè)置永久進(jìn)場(chǎng)（開關(guān)站）公路，改建由上下水庫(kù)聯(lián)系路至4號(hào)施工支洞臨時(shí)道路為永久路，之后設(shè)通往開關(guān)站永久公路。電纜兼排風(fēng)豎井?dāng)嗝媸疽庖妶D4。

各方案中出線斜井、平洞、豎井?dāng)嗝媸疽庖妶D1～圖4。

2.2 設(shè)計(jì)方案比選

（1）技術(shù)比較。

方案一：

1）出線斜井施工[7]：斜井坡度為30°，兩回500kV電纜沿電纜斜井敷設(shè)引出。優(yōu)點(diǎn)：電纜施工技術(shù)上比較成熟，敷設(shè)條件較好。缺點(diǎn)：土建開挖難度較大，施工安全性不易保證。

圖1 出線斜井?dāng)嗝媸疽鈭DFigure 1 Diagrammatic sketch of outgoing inclined shaft section

圖2 出線平洞斷面示意圖Figure 2 Schematic diagram of exit plain hole section

圖3 出線豎井?dāng)嗝媸疽鈭DFigure 3 Schematic diagram of outlet shaft section

圖4 電纜兼排風(fēng)豎井?dāng)嗝媸疽鈭DFigure 4 Diagram of section of cable-cum-exhaust shaft

2）排風(fēng)豎井施工。

優(yōu)點(diǎn)：土建開挖施工技術(shù)成熟度較好，安全度較高，技術(shù)上有可靠的保證。

方案二：

本方案采用兩段式豎井出線方案[7-9]，若電纜采用一段豎井垂直敷設(shè)，高差為308m，而目前，豎井深度最大的瀑布溝水電站豎井深度為256.9m，荒溝工程如此大的落差，目前在國(guó)內(nèi)外還沒有一例工程業(yè)績(jī)。所以將308m高的電纜豎井分為兩段，一段深200m，另一段深108m，兩段豎井間以一條平洞相連。

1）電纜施工。

優(yōu)點(diǎn)：200m及以內(nèi)垂直段電纜施工從設(shè)備制造和施工方面均有成熟的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)上是可行的。

2）豎井施工。

優(yōu)點(diǎn)：土建開挖施工技術(shù)成熟度較好，安全度較高，技術(shù)上有可靠的保證。

方案三：

地面開關(guān)站與地下廠房之間的兩回路500kV電纜，每回長(zhǎng)約1084m，電纜過長(zhǎng)，需設(shè)置電纜中間接頭。

1）電纜施工。

缺點(diǎn)：因電纜中間接頭是運(yùn)行中故障多發(fā)處，會(huì)給安全運(yùn)行帶來隱患，降低了可靠性，所以該方案與無接頭方案相比技術(shù)可靠性較差。

2）豎井施工。

優(yōu)點(diǎn)：土建開挖施工技術(shù)成熟度較好，安全度較高，技術(shù)上有可靠的保證。

方案四：

地面開關(guān)站與地下廠房之間的兩回路500kV電纜，每回長(zhǎng)約1358m，電纜過長(zhǎng)，需設(shè)置電纜中間接頭。

1）電纜施工。

缺點(diǎn)：本方案和方案三存在同樣問題，因電纜中間接頭是運(yùn)行中故障多發(fā)處，會(huì)給安全運(yùn)行帶來隱患，降低了可靠性，所以該方案與無接頭方案相比技術(shù)可靠性較差。

2）排風(fēng)豎井施工。

優(yōu)點(diǎn)：土建開挖施工技術(shù)成熟度較好，安全度較高，技術(shù)上有可靠的保證。

方案五：

本方案在豎井中部設(shè)置支洞作為高壓電纜緩沖平洞，該方案與方案二基本相同，只是以支洞代替兩段豎井間平洞。

1）電纜施工。

優(yōu)點(diǎn)：電纜施工從設(shè)備制造和施工方面均有成熟的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)上是可行的。

2）豎井施工。

優(yōu)點(diǎn)：土建開挖施工技術(shù)成熟度較好，安全度較高，技術(shù)上有可靠的保證。

方案六：

本方案在豎井中部設(shè)置支洞作為高壓電纜緩沖平洞，本方案與方案五相同。

1）電纜施工。

優(yōu)點(diǎn)：電纜施工從設(shè)備制造和施工方面均有成熟的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)上是可行的。

2）豎井施工。

優(yōu)點(diǎn)：土建開挖施工技術(shù)成熟度較好，安全度較高，技術(shù)上有可靠的保證；由于本方案中豎井底部與廠房交通洞相通，施工出渣、施工交通等相對(duì)較為方便。

經(jīng)過對(duì)各方案的技術(shù)條件分析，方案一、方案二、方案五及方案六電纜敷設(shè)技術(shù)上均較為成熟，且斜井敷設(shè)及豎井敷設(shè)無較大差異，方案三和方案四需設(shè)置電纜中間接頭，與無接頭方案相比技術(shù)可靠性較差。方案一中有斜井開挖施工，相對(duì)豎井開挖施工難度較大，施工安全不易保證。

（2）安裝、運(yùn)行及維護(hù)。

1）方案一為便于地面開關(guān)站與地下廠房之間的交通聯(lián)絡(luò)和運(yùn)行維護(hù)，在電纜斜洞內(nèi)設(shè)交通用纜車。

2）方案二豎井內(nèi)設(shè)有電梯和樓梯，便于安裝、運(yùn)行和維護(hù)，且電梯的安全鑒定等相對(duì)成熟且簡(jiǎn)單，但該方案設(shè)置兩段豎井，需通過兩部電梯才能到達(dá)開關(guān)站。

3）方案三利用部分通風(fēng)洞作為出線平洞，通風(fēng)洞比較平緩，便于電纜的施工和以后的運(yùn)行維護(hù)，該方案豎井段設(shè)有電梯，也便于以后的運(yùn)行和維護(hù)。

4）方案四利用通風(fēng)洞作為出線平洞，通風(fēng)洞比較平緩，便于電纜的施工和以后的運(yùn)行維護(hù)，且該方案開關(guān)站位于通風(fēng)洞、交通洞進(jìn)口，距離綜合樓較近，其開關(guān)站運(yùn)行管理和維護(hù)均是最便利的。

5）方案五一段式豎井直達(dá)開關(guān)站，豎井內(nèi)設(shè)有電梯和樓梯，對(duì)于安裝、運(yùn)行和維護(hù)條件來說，該方案比方案二兩部電梯方案在運(yùn)行、維護(hù)上更為便利。

6）方案六一段式豎井直達(dá)開關(guān)站，與方案五相同，豎井內(nèi)設(shè)有電梯和樓梯，且豎井與廠房交通洞直接相通，地下廠房與地面開關(guān)站之間的交通更加便捷，對(duì)于安裝、運(yùn)行和維護(hù)條件來說，該方案比方案二、方案五，在運(yùn)行、維護(hù)上更為便利。

經(jīng)過對(duì)各方案的安裝、運(yùn)行及維護(hù)條件分析，方案四是完全利用平洞出線，其安裝、運(yùn)行及維護(hù)條件是最優(yōu)的，且其開關(guān)站運(yùn)行管理最為便利，但方案三、四技術(shù)條件較差，因此不做深入比較；在方案一、二、五、六中，各方案均設(shè)置電梯或纜車，安裝、運(yùn)行均較為方便，方案六豎井電梯與廠房交通洞直接相通，致使地下廠房與地面開關(guān)站之間交通更為便利，安裝、運(yùn)行及維護(hù)條件較優(yōu)。

（3）交通道路。

為使開關(guān)站、電纜井及排風(fēng)豎井工程具備施工條件及永久運(yùn)行條件，各方案交通道路統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各方案交通交通道路統(tǒng)計(jì)表Table 1 Traffic road statistics for each programme

可見，若從交通道路設(shè)置及施工占地影響角度分析，方案四最優(yōu)，方案一次之，方案二相對(duì)路線較長(zhǎng)、占地較多。

（4） 工期。

六個(gè)方案在施工進(jìn)度上均不對(duì)關(guān)鍵線路產(chǎn)生影響，對(duì)工期均無大的影響，但方案一、二、五均需經(jīng)過主變壓器洞出渣，對(duì)主變壓器洞工期有一定影響，方案六直接從廠房交通洞出渣，相對(duì)地下洞室工期影響最小。

（5）經(jīng)濟(jì)比較。

經(jīng)濟(jì)比較主要考慮建筑工程、交通工程及機(jī)電設(shè)備工程幾個(gè)方面的直接工程投資估算。

各方案高壓電纜長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 高壓電纜長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表Table 2 High voltage cable length statistics table

各方案投資估算見表3。

由表3可以看出，方案一投資最小，方案五、六次之，方案三、四投資較大。

2.3 比選結(jié)論

根據(jù)以上各項(xiàng)比選內(nèi)容，進(jìn)行綜合分析：①方案三與方案四在技術(shù)上由于需要設(shè)置電纜中間接頭，相對(duì)無接頭方案技術(shù)可靠性較差，且經(jīng)濟(jì)投資相對(duì)其他方案較大，因此首先排除這兩個(gè)方案。②方案一雖然在經(jīng)濟(jì)投資上是最優(yōu)的，但在斜井開挖施工中，相對(duì)豎井開挖施工難度較大，施工出渣及施工排水等均較困難，且施工期安全不易保證，存在一定的安全隱患。③方案二、方案五、方案六均為豎井出線，施工難度基本相同，從運(yùn)行管理方面，方案六的豎井底部與廠房交通洞直接相通，豎井相當(dāng)于地下廠房與開關(guān)站的一個(gè)主要交通通道，地下廠房與地面開關(guān)站之間交通最為便利，運(yùn)行管理?xiàng)l件相對(duì)較優(yōu)；經(jīng)濟(jì)投資上，三個(gè)方案的投資差值較?。皇┕し矫?，方案六出渣直接從交通洞出渣，而方案二和方案五均需經(jīng)過主變壓器洞出渣，對(duì)主變壓器洞工期有一定影響。

表3 投資估算匯總表Table 3 Summary of investment estimates 萬元

綜上分析，方案六具有相對(duì)施工難度小、施工安全度高、施工出渣及運(yùn)行管理方便等優(yōu)勢(shì)，故推薦方案六為最終方案，即電纜出線豎井兼排風(fēng)豎井的一個(gè)大井方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

黑龍江荒溝抽水蓄能電站電纜出線方式的選擇，是經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期運(yùn)行、維護(hù)等多方面論證研究，綜合分析確定的布置型式，即電纜出線豎井與地下廠房排風(fēng)豎井結(jié)合布置的型式。本方案電纜及豎井施工技術(shù)成熟，相對(duì)施工難度小、施工安全度高、施工出渣及運(yùn)行管理方便等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)布置型式還具有一定的特點(diǎn)。

（1）豎井具有電纜出線及地下廠房排風(fēng)功能，同時(shí)兼有交通功能，屬于“一洞多用”的布置型式。

（2）豎井布置中，充分利用豎井截面，井內(nèi)分隔成多個(gè)功能空間：電梯及電梯前室、樓梯間、高壓電纜井、低壓電纜井、地下洞室排風(fēng)井、電梯泄風(fēng)、電纜事故排煙井等，充分利用井內(nèi)空間，減少豎井工程量。

（3）黑龍江荒溝抽水蓄能電站豎井布置新穎、獨(dú)特，是一種新型電纜出線的布置型式，不僅滿足工程功能上的要求，由于電纜豎井與排風(fēng)豎井合并布置，減少總占地面積，還有利于環(huán)境保護(hù)和水土保持，符合國(guó)家生態(tài)建設(shè)的宗旨。