玉林抽水蓄能電站樞紐布置設(shè)計

王榮華

（中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院有限公司，南寧 530007）

1 工程概況

玉林抽水蓄能電站位于玉林市福綿區(qū)成均鎮(zhèn)境內(nèi)，電站裝機容量1200 MW，裝機4 臺，單機容量300 MW，電站承擔廣西電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。

樞紐建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等部分組成。電站為一等大（1）型工程，根據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及洪水標準》（NB/T11012-2022）規(guī)定，擋水建筑物、泄水建筑物、電站進/出水口和輸水發(fā)電系統(tǒng)建筑物按200 年一遇洪水設(shè)計（P=0.5%），按1000 年一遇洪水校核（P=0.1%），消能防沖按100年一遇洪水設(shè)計（P=1%）。

玉林抽水蓄能電站樞紐布置平面示意圖見圖1，輸水發(fā)電系統(tǒng)剖面示意圖見圖2。

圖1 樞紐平面布置示意圖

圖2 輸水發(fā)電系統(tǒng)剖面示意圖

工程籌建期18 個月，施工計劃總工期為69 個月，其中準備工期為6 個月，主體工程工期為54 個月，完建工程工期為9個月。

2 樞紐區(qū)自然條件簡述

2.1 水文、泥沙

上水庫位于南流江一級支流沙生江上游的平江南側(cè)支溝上，下水庫位于南流江支流定川河的支流成均河上游的江坡支溝上。工程區(qū)域?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L氣候區(qū)，季節(jié)性氣候變化顯著，夏季濕潤多雨，冬季干冷少雨。

本工程所在的南流江流域徑流主要來源于降水，汛期為每年的4～9 月，水量占全年來水量的76.05%，枯季為10 月～翌年3 月，徑流采用橫江（二）水文站作為參證站，上水庫多年平均徑流量103.2萬m3，下水庫多年平均徑流量576.0萬m3。上下水庫壩址設(shè)計頻率洪水洪峰流量成果見表1。

表1 設(shè)計洪水成果表

壩址處采用多年平均輸沙模數(shù)為270 t/km2，多年平均懸移質(zhì)含沙量為0.234 kg/m3，多年最大含沙量為0.406 kg/m3，本工程泥沙計算結(jié)果見表2。

表2 泥沙計算結(jié)果表

2.2 地形及地質(zhì)條件

工程區(qū)位于六萬大山山脈東北部，六萬山山頂北麓。工程區(qū)內(nèi)山脊及溝谷走向受構(gòu)造作用影響較明顯，主要為NW～SE 走向，呈近平行展布，與六萬大山山脈走向近垂直。工程區(qū)內(nèi)的沖溝切割深淺不一，在較大的沖溝中上游河流斷面多呈“U”型河谷和“V”型河谷交替出現(xiàn)。

工程區(qū)及其附近主要出露的地層巖性主要為中粗粒黑云母斑狀花崗巖。

本工程所在區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度，上、下水庫工程場地50 年超越概率10%的基巖水平地震動峰值加速度為102 gal。

3 上水庫

上水庫擋水壩壩址位于福綿區(qū)平江南側(cè)支溝的“V”型峽谷處，庫尾修建一副壩，不設(shè)永久泄洪建筑物，考慮汛期洪水入庫，通過壩頂超高滿足水庫防洪要求。

3.1 水庫防滲型式

上水庫庫盆斜坡段多為坡殘積物、全風化～強風化花崗巖所覆蓋，沖溝段多為沖洪積物或強風化～弱風化花崗巖出露，下伏地層為弱～微風化花崗巖，中硬巖～堅硬巖，為非可溶性巖石。庫盆內(nèi)常年有水，地下水位較淺，低洼處常年沼澤化，庫周沖溝水和地下水向庫內(nèi)排泄，除副壩附近區(qū)域滲水點或泉水點的高程低于正常蓄水位外，上水庫庫盆內(nèi)其他水文點的高程均高于正常蓄水位。庫區(qū)不存在垂直滲漏的可能性，不需考慮庫盆底防滲問題。

除主壩和副壩位置外，上水庫庫周分水嶺山體雄厚，地表分水嶺高程一般在738.3～1021 m，在正常蓄水位高程時山體厚度均大于800 m，庫內(nèi)沖溝內(nèi)均有高于正常蓄水位的常年泉點出露，枯期分水嶺地下水位高于正常蓄水位。

上水庫主、副壩壩基及兩岸壩肩防滲主要采用防滲墻結(jié)合防滲帷幕灌漿，防滲標準按巖體透水率q＜1 Lu控制，防滲帷幕伸入相對不透水層以下5 m。

3.2 壩型選擇

壩址橫跨水庫區(qū)主沖溝，壩址溝谷呈“V”型，壩址區(qū)覆蓋層主要為沖洪積卵礫石夾漂石（Qapl）和坡殘積礫質(zhì)黏性土（Qedl），基巖為中印支期花崗巖（）。河床壩基覆蓋層下限埋深小于5.5 m，強風化下帶巖體埋深平均為5.91 m；左岸覆蓋層及全風化巖體下限埋深為2.0～35.2 m，強風化巖體下限埋深為3.5～41.5 m；右岸覆蓋層及全風化巖體下限埋深為0～29.4 m，強風化巖體下限埋深為4.0～48.1 m。

根據(jù)左右岸全、強風化下限埋深大的特點，壩型不宜采用混凝土材料類型壩，基礎(chǔ)開挖深，土石方開挖量大，不能充分利用開挖料。同時，壩址附近無足夠滿足防滲要求的黏土料，為最大程度利用水庫開挖料，減少堆渣量，減少渣場堆渣對附近環(huán)境的影響，結(jié)合壩基地形地質(zhì)和料源條件，上水庫大壩適宜布置瀝青混凝土心墻堆石壩和混凝土面板堆石壩。瀝青混凝土心墻堆石壩壩坡較緩，壩體填筑工程量較大，需單獨設(shè)置瀝青混凝土骨料加工及生產(chǎn)系統(tǒng)，但瀝青混凝土心墻堆石壩心墻和壩基混凝土防滲墻連接較為方便，可將心墻建于全風化巖體上，心墻以下全風化巖體采用混凝土防滲墻進行防滲，壩基開挖工程量、邊坡范圍和擴庫開挖工程量均較小，工程投資相對較低。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟綜合比選，瀝青混凝土心墻堆石壩在投資經(jīng)濟性方面具有較大優(yōu)勢，主、副壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩較混凝土面板堆石壩相應(yīng)投資分別減少2 181.5 和1 521.6萬元，故上水庫采用瀝青混凝土心墻堆石壩壩型。

上水庫瀝青混凝土心墻堆石壩主壩壩頂高程684 m，壩頂寬度10 m，最大壩高99 m，壩軸線長度351 m。大壩上游壩坡為1∶2，下游壩坡為1∶2.8，下游壩坡每20 m 設(shè)一級馬道，馬道寬4 m。副壩壩型與主壩相同，最大壩高65 m，壩頂軸線長度307 m。

4 下水庫

下水庫位于江坡支溝內(nèi)，攔河筑壩形成，主要包括大壩和泄洪建筑物。

4.1 水庫防滲型式

下水庫地形地質(zhì)條件與上水庫相似，庫盆斜坡段多為坡殘積物、全風化～強風化花崗巖所覆蓋，下伏地層為弱～微風化花崗巖，庫盆內(nèi)常年有水，壩址兩岸山頂高程高于正常蓄水位，右岸山體寬厚，左岸相對較薄，兩岸均有高出正常蓄水位的地下水位銜接。庫區(qū)不存在垂直滲漏的可能性，不需考慮庫盆底防滲問題，僅需對壩基、壩肩進行防滲處理，采用防滲墻與防滲帷幕的方式，防滲標準按巖體透水率q＜3 Lu控制，防滲帷幕要求深入相對不透水層以下5 m。

4.2 壩型選擇

壩址區(qū)地形呈對稱“U”形，河谷較陡窄，兩岸呈對稱狀，壩址區(qū)覆蓋層主要為沖洪積卵礫石夾漂石（Qpal）和坡殘積礫質(zhì)黏性土（Qedl），基巖為中印支期花崗巖（）。河床壩基覆蓋層與強風化下帶層厚度不大，平均約7 m；兩岸覆蓋層、全強風化層厚度較大，平均厚約40 m。

結(jié)合壩址區(qū)地形地質(zhì)和料源條件的特點分析，基本與上水庫相同，具備修建瀝青混凝土心墻堆石壩和混凝土面板堆石壩的地形地質(zhì)條件。經(jīng)綜合比較，瀝青混凝土心墻堆石壩壩基開挖工程量、邊坡范圍、擴庫開挖工程量和工程投資均較小，采用瀝青混凝土心墻堆石壩較混凝土面板堆石壩相應(yīng)投資減少2 718.4萬元，故下水庫采用瀝青混凝土心墻堆石壩壩型。

下水庫瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂高程258.50 m，壩頂寬度10 m，最大壩高89.7 m，壩軸線長度355 m。大壩上游壩坡為1∶2，下游壩坡為1∶2.5，下游壩坡每20 m設(shè)一級馬道，馬道寬4 m。

4.3 泄洪建筑物布置

下水庫集水面積6.98 km2，1000 年一遇校核標準洪峰流量221 m3/s，考慮水庫防洪安全、放空和水位調(diào)節(jié)需要，設(shè)置泄洪表孔和底孔進行聯(lián)合泄洪，采用豎井式泄洪洞+放水管的布置方式。

豎井式泄洪洞布置在右岸，泄洪建筑物較順直、軸線短，水流歸槽條件好，豎井式泄洪洞全長722 m，井口環(huán)形溢流堰堰頂半徑4.5 m，堰頂高程與正常蓄水位一致為253 m，豎井段采用內(nèi)徑6.0 m等直徑圓形豎井，退水隧洞為4.5 m×6.3 m 城門洞型，隧洞內(nèi)水流為無壓明流；底孔泄洪采用放水管，管徑為2 m，結(jié)合導流洞布置。

5 輸水系統(tǒng)

5.1 供水方式

電站裝機4 臺，單機容量300 MW，發(fā)電引用流量83.09 m3/s，引水隧洞、岔管圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主。供水方式選擇主要考慮一洞四機和兩洞四機兩種方案，從水工布置、施工難度、電站運行靈活性及風險控制角度等方面綜合考慮，一洞四機供水方案都具有一定的優(yōu)勢，兩洞四機比一洞四機布置方案工程投資多10 125 萬元。故供水方式采用一洞四機布置。

5.2 立面布置

上水庫/出水口方圓漸變段末端至引水高壓岔洞始端高差約417 m，具備設(shè)置豎井條件。考慮地形地質(zhì)條件、高壓管道布置和施工難度，引水系統(tǒng)立面擬定一級豎井和兩級斜井方案進行比較，一級豎井方案洞線較兩級斜井方案長約173.12 m，但無需設(shè)置中平段施工支洞，施工支洞長度減少892 m，一級豎井方案比兩級斜井方案投資減少1819萬元，投資較省。綜合考慮，在地形地質(zhì)條件基本相當，水力條件均滿足、運行檢修均方便的情況下，故選擇采用安全系數(shù)更高，施工條件更好的一級豎井方案。

5.3 調(diào)壓井設(shè)置

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》（NB/T35021-2014），引水水流慣性時間常數(shù)Tw=2.37 s＞2 s，需設(shè)置引水調(diào)壓室；尾水水流慣性時間常數(shù)Tws=10.390 s＞6 s，需要設(shè)置尾水調(diào)壓室。

5.4 高壓岔管襯砌型式

壓力隧洞沿線圍巖為中粗粒黑云母斑狀花崗巖，微風化及以下巖體飽和抗壓強度在41.8～125.00 MPa 之間，屬于中硬巖～堅硬巖；根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（NB/T10391-2020），主要從挪威準則、最小地應(yīng)力準則和滲透穩(wěn)定準則這三個方面分析論證高壓隧洞及岔洞采用鋼筋混凝土襯砌的可行性。

（1）挪威準則。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（NB/T10391-2020）挪威準則，計算引水系統(tǒng)沿線最小覆蓋厚度（見表3）。

表3 引水隧洞最小覆蓋厚度計算成果表

由表3 可知，輸水系統(tǒng)沿線巖體最小覆蓋厚度安全系數(shù)均在1.41～1.91 之間，均滿足挪威準則要求。另外根據(jù)輸水系統(tǒng)沿線地形，布置區(qū)無溝谷切割，側(cè)向埋深安全度大于頂部，側(cè)向覆蓋厚度滿足要求。

（2）最小地應(yīng)力準則。根據(jù)水壓致裂法地應(yīng)力試驗成果，引水系統(tǒng)沿線隧洞最小主應(yīng)力為4.0 ～12.3 MPa，洞內(nèi)最大靜水壓力5.19 MPa，最小地應(yīng)力與最大靜水壓力比值為1.88～3.60，滿足規(guī)范1.2～1.3倍安全系數(shù)的要求，滿足最小地應(yīng)力準則。

（3）滲透穩(wěn)定準則。為保證圍巖滲透穩(wěn)定，在設(shè)計內(nèi)水壓力作用下隧洞沿線圍巖的平均透水率應(yīng)不大于2 Lu，經(jīng)灌漿后的圍巖透水率應(yīng)不大于1 Lu。根據(jù)地質(zhì)高壓壓水試驗成果，引水系統(tǒng)巖體透水率均在0～0.23 Lu，屬微透水～極微透水巖體，按照初始劈裂壓力Pmin判定原則，最小劈裂壓力均大于6.3 MPa，大于1.2 倍高壓管道最大內(nèi)水壓力，巖體完整性和穩(wěn)定性較好，不存在滲透穩(wěn)定問題，滿足滲透穩(wěn)定準則。

滿足以上三個準則，故高壓岔洞采用鋼筋混凝土襯砌。

5.5 輸水系統(tǒng)布置

輸水系統(tǒng)包括上水庫進/出水口、引水主洞、引水調(diào)壓室、引水高壓鋼筋混凝土岔管、引水支洞等，尾水系統(tǒng)包括尾水支洞、尾水鋼筋混凝土岔洞、尾水主洞、尾水調(diào)壓室和下水庫進/出水口等。輸水系統(tǒng)總長度為3 583.11 m，其中引水系統(tǒng)長度為1 776.57 m，尾水系統(tǒng)長度為1 806.54 m。

上水庫側(cè)式進/出水口底板高程為624 m，引水調(diào)壓室布置于引水主洞上豎井上彎段前86.28 m處，調(diào)壓室大井直徑20 m，高度為81 m，連接管直徑10 m，高度為21.39 m，阻抗孔直徑6.50 m。引水上平段至豎井后接下平段洞徑為10 m，下水平段洞徑由10 m縮小至9 m。高壓引水岔洞采用鋼筋混凝土梳子形1分4“卜”型岔洞，分岔角為60°，洞徑由9 m漸變至4.2 m，引水支洞內(nèi)徑4.20 m，尾水支管內(nèi)徑5.5 m。尾水岔洞為梳子形1 分4“卜”型，分岔角為60°，洞徑由5.5 m漸變至10 m。尾水調(diào)壓室位于鋼筋混凝土岔管下游20 m 處，調(diào)壓室大井直徑20 m，高度為83 m，連接管直徑10 m，高度為48.75 m，阻抗孔直徑6.50 m。下水庫進/出水口底板高程為204 m。

6 地下廠房

6.1 位置選擇

地下廠房位置擬定中部式和首部式兩個開發(fā)方式選擇，地下廠房洞室整體穩(wěn)定性較好，地質(zhì)條件相當，首部式輔助洞室長度較長，但中部式增加引水調(diào)壓井和引調(diào)道路，經(jīng)投資比較，中部式投資較低，較首部式投資減少3301 萬元，故采用中部式布置方式。

6.2 軸線選擇

根據(jù)地應(yīng)力測試成果，地下廠房區(qū)以構(gòu)造應(yīng)力場為主的中等地應(yīng)力場，最大主應(yīng)力方向為N20°W～N25°W；主要優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面走向以N60°～80°W 為主；地下廠房縱軸線方向推薦選擇為N36.52°W，與優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面成較大夾角，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向小角度相交。

6.3 地下廠房布置

地下廠房洞室群主要由主廠房、主變洞、尾閘洞等建筑物組成。廠房內(nèi)安裝4 臺300 MW 機組，水輪機吸出高度為-70 m，安裝高程為154 m，機組間距為24.5 m。

主廠房、主變洞和尾閘洞采用平行布置的格局，洞室凈距分別為40 m和35 m。安裝間和副廠房分別位于主廠房兩端，尺寸為173.00 m×26.00 m×59.10 m（長×寬×高）。主變洞平行布置在主廠房下游40 m，開挖尺寸為161.80 m×20.0 m×21.00 m（長×寬×高）。尾閘室位于主變洞下游35 m，開挖尺寸104.65 m×7.9 m×19.32 m（長×寬×高）。進廠交通洞全長1658 m，綜合坡比5.6%；通風兼安全洞全長1430 m，綜合坡比7.3%；高壓電纜洞與通風兼安全洞結(jié)合布置，高壓電纜洞總長1 347.5 m，出線采用短斜井+平洞的方式。

廠房排水采用自流排水方式，排水洞出口位于廠房東側(cè)約5.3 km處山谷下游。

7 結(jié)語

結(jié)合玉林抽水蓄能電站設(shè)計實際，對樞紐布置及主要建筑物設(shè)計方案進行了論述，重點對水庫防滲型式、壩型、供水方式、立面布置、調(diào)壓井設(shè)置、高壓岔管襯砌型式及廠房位置和軸線選擇等進行了分析。玉林抽蓄電站工程布置與建筑物設(shè)計具有南方區(qū)域興建抽蓄電站的特色，例如上水庫不設(shè)泄洪建筑物，下水庫埋設(shè)放水管預(yù)泄洪水，高壓管道采用鋼筋混凝土襯砌、設(shè)置自流排水洞等。也有自身的特色，設(shè)計結(jié)合本工程覆蓋層厚、全強風化埋深大的特點，采用適宜當?shù)氐匦蔚刭|(zhì)條件的當?shù)夭牧蠅?，通過土石方平衡規(guī)劃，上、下水庫均不設(shè)置庫外渣場，減少對環(huán)境的影響，可為其他同類工程提供參考。