甘肅玉門抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方案的選擇

王 明,宋國棟

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

甘肅玉門抽水蓄能電站位于甘肅省酒泉地區(qū)玉門市境內(nèi)，距玉門市直線距離約40 km。電站靠近酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地，距離最近的風(fēng)電場約30 km。電站服務(wù)甘肅電網(wǎng)，主要為酒泉能源基地輸電平臺配套服務(wù)[1]。電站裝機(jī)容量為1 200 MW，安裝4臺單機(jī)容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機(jī)，額定發(fā)電水頭為425 m。工程建成后將承擔(dān)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等任務(wù)，可減輕電網(wǎng)調(diào)峰壓力，改善煤電機(jī)組運(yùn)行條件，促進(jìn)新能源的消納，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。電站樞紐主要有上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地面廠房、廠區(qū)道路等組成。

工程區(qū)位于祁連山地槽褶皺系北祁連山優(yōu)地槽褶皺帶北緣，近場區(qū)活動斷裂發(fā)育，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，地震活動強(qiáng)烈。工程區(qū)海拔高(上庫高程近3 000 m)、蒸發(fā)強(qiáng)烈(多年平均蒸發(fā)為1 805.1 mm)、冬季寒冷(極端最低氣溫為-35.1 ℃)、夏季酷熱(極端最高氣溫為38 ℃)、地震烈度高(Ⅷ度)、地質(zhì)條件差，勘察設(shè)計(jì)工作面臨巨大的困難和挑戰(zhàn)[2]。隨著地質(zhì)資料的逐步揭露，地下洞室?guī)r體破碎、圍巖穩(wěn)定、大變形問題比較突出，采用常規(guī)的抽水蓄能電站地下廠房洞室群輸水發(fā)電系統(tǒng)方案將面臨較大的困難和挑戰(zhàn)，結(jié)合地形地質(zhì)條件選擇一個合適的輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方案成為本工程樞紐布置的焦點(diǎn)所在[3-5]。

2 輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方案

本工程上水庫利用疏勒河右岸照壁山頂“凹”形平臺，采用兩面圍填兩面開挖而成。下水庫利用照壁山北側(cè)陰思道溝中段部位，在溝內(nèi)筑壩挖填形成下水庫。上、下水庫之間為照壁山山體，山體中部為懸崖地形，地勢急速降低。上、下水庫水平距離約2.0 km，相對高差約440 m(見圖1)。

圖1 地下廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)平面示意

1) 地下廠房方案

下水庫整體呈“靴型”，根據(jù)上下水庫平面整體分布，下水庫進(jìn)出水口布置在下庫南側(cè)平直庫岸段較為合理。根據(jù)輸水線路平順且最短的布置原則，上水庫進(jìn)出水口布置在上庫右壩頭庫盆北側(cè)。同時考慮上、下水庫之間地形平面展布方向及陡岸分布、主要斷層分布和地層地質(zhì)條件，結(jié)合工程總體布置及地質(zhì)探洞揭露的斷裂及主應(yīng)力方向，可采用上、下水庫最短連接線路的地下廠房方案[6]。

根據(jù)地下廠房在輸水發(fā)電系統(tǒng)中的位置，地下廠房的開發(fā)方式主要有：首部式、中部式、尾部式[7]。由于上下庫進(jìn)出水口水平距離約2.0 km，電站距高比為4.7，中部式開發(fā)方案同首部式開發(fā)方案剖面布置相差不大，但根據(jù)地質(zhì)資料顯示，中部式地下廠房位置地質(zhì)條件較差，還需要增設(shè)上游調(diào)壓井，首部方案與之相比優(yōu)勢明顯。尾部開發(fā)方案廠房布置在下水庫庫尾南側(cè)，地形為一單薄山梁。廠房拱頂處(高程為 2 314.9 m)斷層構(gòu)造發(fā)育，為強(qiáng)風(fēng)化狀構(gòu)造碎裂巖，破碎帶厚度約12.9 m，為塊石夾土狀。平洞PD01在廠房區(qū)揭露圍巖為灰黑色構(gòu)造碎裂巖，局部為輝長巖脈，脈體寬度小于30 m；構(gòu)造碎裂巖為碎裂、散體狀結(jié)構(gòu)，以角礫夾巖屑為主，泥化、揉褶強(qiáng)烈，膠結(jié)一般，且遇水易軟化崩解，圍巖類別為Ⅳ類、Ⅴ類，基本無自穩(wěn)能力，不具備修建廠房洞室群的圍巖條件。

因此，選擇首部式地下廠房開發(fā)方案進(jìn)行輸水發(fā)電系統(tǒng)布置比選(見圖2)。

圖2 地下廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意

2) 地面廠房方案

在下水庫周邊存在北大窯溝、陰思道溝及野馬溝3條天然沖溝，根據(jù)初定的廠房安裝高程，3條沖溝的岸坡均具備布置地面廠房的地形(見圖3)。

根據(jù)輸水發(fā)電系統(tǒng)平面布置原則[8-10]，可根據(jù)輸水線路平距長短對方案的優(yōu)劣進(jìn)行初步比選。輸水線路過長，對機(jī)組運(yùn)行過渡過程不利，需對電站的過渡過程是否滿足要求進(jìn)行初步判斷[11-12]。4個地面廠房方案均在照壁山懸崖末端設(shè)置上游調(diào)壓井，其輸水系統(tǒng)平距由長到短分別為地面廠房3(3 868 m)、地面廠房1(3 567 m)、地面廠房4(3 333 m)、地面廠房2(3 327 m)，地面廠房4方案由于不具有設(shè)置尾水調(diào)壓井的地形以至于水力過渡過程不滿足要求。此外，地面廠房1位于照壁山懸崖下，有較大的邊坡崩塌風(fēng)險；廠區(qū)位于野馬溝側(cè)，存在泥石流災(zāi)害；廠區(qū)地基斷層發(fā)育、規(guī)模較大，需進(jìn)行地基加固，巖石存在遇水軟化問題；廠區(qū)邊坡巖層條件差，回填混凝土量大。地面廠房2廠房地基以弱風(fēng)化巖為主，地質(zhì)條件相對較好，同時由于有野馬溝的阻隔廠區(qū)位置條件好，無自然災(zāi)害問題。

圖3 可選地面廠房方案示意

根據(jù)廠房和下水庫的平面位置及周邊地形，地面廠房方案尾水系統(tǒng)的布置方式可采用同側(cè)出水和異側(cè)出水2種方式。

同側(cè)出水和異側(cè)出水方案左岸地面廠房位置基本相同，由于輸水系統(tǒng)布置的原因，同側(cè)出水方案廠房軸線以異側(cè)出水方案軸線為基準(zhǔn)逆時針旋轉(zhuǎn)50°。同側(cè)出水方案尾水系統(tǒng)總長較異側(cè)出水方案尾水系統(tǒng)總長增加197 m，但單條尾水支管較同側(cè)出水方案短191 m，工程投資差別不大。根據(jù)過渡過程初步計(jì)算成果，同側(cè)出水方案、異側(cè)出水方案尾水調(diào)壓井距機(jī)組中心線距離分別為250.5 m、421.9 m，同側(cè)出水方案尾水肘管處最低壓力為8 m，異側(cè)出水由于尾水調(diào)壓井距離機(jī)組較遠(yuǎn)，尾水肘管處最低壓力為-3 m，不滿足運(yùn)行要求。

因此，選擇地面廠房2方案，尾水同側(cè)進(jìn)出水進(jìn)行輸水發(fā)電系統(tǒng)布置比選(見表1)。

3 方案比較

1) 工程布置

地下廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)呈南北向布置，輸水系統(tǒng)采用“兩管四機(jī)”供水方式，地下廠房采用首部式開發(fā)方案。引水管道立面布置采用兩級豎井，尾水管道采用一坡到底的布置，管徑為6.9 m/6.6 m/6.0 m/4.9 m/7.5 m，設(shè)有阻抗式尾水調(diào)壓井。輸水系統(tǒng)襯砌型式上豎井、中平洞、下豎井、下平洞、引水岔管、引水支管、尾水支管及尾水隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段采用鋼板襯砌，其余采用鋼筋混凝土襯砌。輸水系統(tǒng)總長為2 651.5 m，其中：引水系統(tǒng)長為1 144.8 m，尾水系統(tǒng)長為1 506.7 m。輸水管道水平距離為2 220.8 m，距高比為5.2。地下廠房系統(tǒng)主要洞室有：主副廠房、主變洞、尾閘洞、母線洞、330 kV出線平洞、進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞、排風(fēng)豎井、排水廊道、自流排水洞等。主副廠房、主變洞、尾閘洞3大洞室平行布置，廠房長軸方向?yàn)镹E40.0°。

表1 可選地面廠房方案對比

地面廠房方案在下庫大壩西側(cè)野馬溝右岸設(shè)地面廠房，輸水系統(tǒng)平順連接上、下水庫及地面廠房，引水和尾水平面布置采用同側(cè)進(jìn)出水(見圖4、圖5)。輸水系統(tǒng)工程方式仍采用“兩管四機(jī)”。引水管道及尾水管道里面布置均采用1級豎井，管徑為7.5 m/6.0 m/5.5 m/7.5 m，引水和尾水均設(shè)有阻抗式調(diào)壓井。輸水系統(tǒng)襯砌型式，豎井、下平洞、引水岔管、引水支管、尾水支管采用鋼板襯砌，其余均采用鋼筋混凝土襯砌。輸水系統(tǒng)總長為3 743.4 m，其中：引水系統(tǒng)長為3 008.8 m，尾水系統(tǒng)長為734.6 m。輸水管道水平距離為3 304.4 m，距高比為7.8。廠房位于下水庫主壩西側(cè)，距下水庫距離約為500 m，采用尾部式開發(fā)方式。廠區(qū)地面高程為2 289.80 m，廠區(qū)平面尺寸為179.85 m×87.59 m。引水鋼支管與廠房軸線呈65°進(jìn)入主機(jī)間上游邊墻(沿引水水流方向呈順時針)，尾水管與廠房軸線呈75°自上游邊墻引出。主廠房布置在廠區(qū)中部，副廠房布置于主廠房下游側(cè)，主要作為GIS室和電氣的設(shè)備室。尾閘洞單獨(dú)布置于廠區(qū)東南側(cè)，距廠區(qū)約110 m。

圖4 地面廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)平面示意

圖5 地面廠房方案輸水系統(tǒng)縱剖面示意

地面廠房方案較地下廠房方案增加了輸水系統(tǒng)長度，但由于其采用地面廠房，減少了附屬洞室及開關(guān)站，減少了大量地下洞室開挖支護(hù)，工程布置略優(yōu)。

2) 地質(zhì)條件

地下廠房洞室群圍巖為微泥晶灰?guī)r，夾層狀、互層狀分布，鑲嵌狀結(jié)構(gòu)、塊裂狀結(jié)構(gòu)，局部夾碎裂結(jié)構(gòu)，完整性較差，中硬巖夾軟巖，以中硬巖為主，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于2，地下水活動強(qiáng)烈，圍巖分類Ⅴ類為64.2%，Ⅳ類為35.8%，圍巖穩(wěn)定、大變形問題較突出，巖錨梁難以成型，需采取系統(tǒng)強(qiáng)支護(hù)措施。

地下廠房方案與地面廠房方案相比圍巖穩(wěn)定、大變形問題比較突出，尤其是大跨度廠房洞室群圍巖成洞條件差，是地下廠房的主要工程地質(zhì)問題。地面廠房存在廠房邊坡局部質(zhì)量較差，地基巖土體局部存在軟硬不均持力層及基坑防排水問題，但為明挖施工，便于采取工程措施進(jìn)行有效防治，工程地質(zhì)條件優(yōu)于地下廠房方案。

3) 施工條件

地下廠房方案廠房開挖量較大，輸水隧洞相對較短，但廠房附屬洞室較長，隧洞斷面較大，且大部分洞段位于遇水軟化的軟巖地段，施工期臨時支護(hù)難度大，施工安全風(fēng)險大；地面廠房方案廠房開挖主要為明挖，混凝土澆筑為地上澆筑，輸水隧洞總體較長，但地下洞室總長度較短，施工期臨時支護(hù)難度相對較低，施工風(fēng)險相對較小。地下廠房方案施工總工期為93個月，地面廠房方案施工總工期為76個月。地面廠房方案進(jìn)度保證率高，地面廠房方案較地下廠房方案工期提前17個月。因此，從施工難度及工期方面對比地面廠房由于地下廠房方案。

4) 工程投資及運(yùn)行

地面廠房方案工程總投資(動態(tài))為102.6億元，地下廠房方案總投資為114.6億元，節(jié)省工程投資為 12億元。地面廠房方案主要機(jī)電設(shè)備可從地面公路直接運(yùn)抵，轉(zhuǎn)運(yùn)方便。同時，地面廠房方案無單獨(dú)布置的戶外開關(guān)站，便于設(shè)備的集中維護(hù)管理。此外，地面廠房通風(fēng)采光條件較好、工作環(huán)境友好，極大地方便了施工和電站建成后的運(yùn)行管理。

4 結(jié)語

綜合比較工程布置、地形地質(zhì)、施工條件、工程投資及運(yùn)行管理等因素，地面廠房方案工程投資較省，施工、運(yùn)行管理方便，施工難度較低、工期較短。其地質(zhì)條件較好且不存在照壁山陡崖崩落危石塊體的風(fēng)險。因此，推薦輸水發(fā)電系統(tǒng)采用地面廠房方案。

甘肅玉門抽水蓄能電站由于其自身特殊的工程建設(shè)運(yùn)行條件，難以采用常規(guī)的地下廠房樞紐格局。結(jié)合本工程地形、地質(zhì)特點(diǎn)，創(chuàng)新性的提出國內(nèi)首個抽水蓄能電站大型地面廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)布置。本文為抽水蓄能輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方案提供了一種新的思路，可為類似工程提供借鑒和參考。