蒲石河抽水蓄能電站工程設計

鄭光偉，張澤明，王廣福，崔金鐵

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 電站概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內，距丹東市約60 km；是東北電網建設的第一座大型純抽水蓄能電站，總裝機容量1 200 MW，安裝4臺單機容量為300 MW可逆式水泵水輪發電機組；承擔東北電網和遼寧省網的調峰、填谷、調頻和事故備用；電站年平均發電量18.6億kW·h，年平均抽水電量24.09億 kW·h，綜合效率77.2%；電站以一回500 kV出線接入丹東變電所，線路全長約58 km。

電站由上、下水庫工程、輸水系統、地下廠房系統及地面開關站等建筑物構成。

2 上水庫

2.1 庫容及特征水位

蒲石河抽水蓄能電站上水庫庫容構成按裝機規模1 200 MW、日調節抽水蓄能電站的功能設置：日發電調節庫容按1 200 MW泵工況滿抽6 h的水量785萬m3，加日發電調節庫容10%作為庫容計算裕度，即79萬m3；緊急事故備庫容按2臺機600 MW滿發2 h用水量165萬m3計。3項合計有效庫容為1 029 萬 m3。

根據地形地質條件及上水庫進出水口布置要求，確定其死水位為360.00 m，死庫容為227萬m3（回填后為95萬m3）；正常蓄水位392.00 m，建成后實測有效庫容為1 040萬m3，比原設計多11萬m3。上水庫集水面積僅為1.12 km2，洪水產生的洪量少，故上庫不設泄洪建筑物泄水，將其24 h洪量全部蓄在庫內正常蓄水位以上，以此計算設計洪水位和校核洪水位。

2.2 鋼筋混凝土面板堆石壩

根據以往面板堆石壩的工程實踐經驗，結合蒲石河蓄能電站選用水泥、粉煤灰、砂石骨料的具體情況，在科學試驗的基礎上，提出了具有可補償收縮防裂性能并且滿足C30F300W10要求的混凝土科學配比，按此配比修建的趾板、面板至今沒有發現有害的裂縫，效果很好。

墊層料的排水性能、凍脹性能試驗證明，冰凍期水庫水位消落后，面板不會產生有害的反向水壓力和凍脹力。

2.3 滲控工程

蒲石河抽水蓄能電站上水庫是三面環山溝口筑壩形成的天然庫盆。庫區范圍均為早元古代的混合花崗巖。庫周全長3 617 m，地下水位和相對不透水層 （q≤3 Lu） 高程高于正常蓄水位 （392.00 m）的分水嶺段長占總長的71%，存在滲水可能性的占29%，其透水率為3～17 Lu，多為弱透水，且滲徑較長。

上水庫的滲控工程包括壩基、壩肩、庫周的防滲工程，它們形成了一個封閉有效的防滲體系。根據水文、工程地質條件，設計采用單排帷幕灌漿作為該體系的防滲措施，孔距2 m，孔深入3 Lu線以下7 m，灌漿后q≤3 Lu。

2.4 水位變化區岸坡防護

上水庫水位最大消落深度32 m，運行水位最大消落速率超過5 m/h。上水庫水位變化區岸坡主要受以下因素影響：①庫水位驟降時，岸坡 “內水”外滲，可能造成細粒流失；②暴雨及其表面徑流沖蝕岸坡；③波浪沖刷，可能造成岸坡再造；④冬季冰凍對岸坡的凍害，岸冰與庫岸泥沙凍結在一起，水位急驟消落時，流向庫內和進口，造成泥沙在庫內和進口淤積，增加水流含沙量，磨蝕機組過流部件，影響機組效率和壽命。

基于上述因素，比選后決定采用鋼筋混凝土網格梁+干砌石的岸坡防護方案。

2.5 死庫容用棄渣回填

為減少上庫區開挖棄料的運距、降低開挖單價、減少棄渣場占地和初期蓄水上水庫的充水量，庫底358.00 m高程以下死庫容全部用棄渣回填，體積約130 余萬 m3。

3 下水庫

3.1 庫容及特征水位

下水庫壩址以上流域面積1 141 km2，多年平均流量22.9 m3/s。下水庫是蒲石河蓄能電站的專用水庫，其日發電調節庫容785萬m3、計算余量79萬m3、緊急事故備用165萬m3，下水庫冰凍備用庫容按其年最大結冰厚度 （0.77 m）計算為226萬m3。調節庫容合計1 255萬m3。正常蓄水位為66.00 m。由地形地質和下水庫進出水口布置條件確定，死水位為62.00 m，相應死庫容為1 616萬m3。正常蓄水位以下的總庫容為2 871萬m3。

下水庫因汛期有泄洪、排沙、防淤要求，泄洪能力大，故下庫的設計洪水位 （P=0.5%，Q=9 950 m3/s）、 校核洪水位 （P=0.1%，Q=12 590 m3/s） 均不超過正常蓄水位66.00 m。

3.2 下庫壩

下水庫混凝土重力壩由兩岸擋水壩段、泄洪排沙閘、引水壩段及壩后廠房共計19個壩段組成。最大壩高34.10 m，壩頂長336 m。壩斷面設計：上游坡直立，下游坡1∶0.75，壩頂高程70.10 m。各壩段壩頂寬度視壩頂交通和布置需要而不同。

7孔泄洪排沙閘位于主河床4號～11號壩段，壩段寬度18 m， 溢流面中間分縫；溢流孔寬14 m，墩厚4 m，堰頂高程48 m，堰上最大水深18 m。弧門擋水，孔前設有檢修門槽。采用底流消能，消力池底高程38 m，池深5.8 m，頂高程43.8 m。

整體水工模型試驗驗證：下庫壩過流能力、消能效果均滿足設計要求；泥沙數學模型和委托長江科學研究院所作的 1∶100完整庫段 （河道長 11.5 km）物理模型試驗證明，下庫大壩能夠滿足泄洪、排沙、防淤調度的要求。

3.3 閘墩結構和弧門

（1）空腔錨塊式預應力閘墩。有限元計算和結構模型試驗證明，采用空腔式錨塊，不僅閘墩頸部、錨塊應力狀態好，而且能夠降低噸錨比，噸錨比僅為1.41。閘墩預應力設計噸位:中墩主索為48 000 kN，邊墩主索為24 000 kN。中墩主索設計16束，2排布置，每排8束，設計噸位3 000 kN/束；次索3排，每排5束，共計15束，設計噸位2 000 kN/束。邊墩主索1排，8束；次索1排，5束；主次索設計噸位同中墩，材質選用1860級的鋼絞線。施工張拉噸位原設計：主索3 500 kN/束，次索2 300 kN/束。實施中，因預應力損失大，故提高張拉噸位，主索3 800 kN/束，次索2 500 kN/束；以確保滿足設計噸位要求。

（2）三支臂弧門。露頂大型弧門孔口尺寸14 m×19 m （寬×高），設計水頭18.5 m，弧門承受的總水推力達34 000 kN；運用上要求操作快捷方便。經流激振動模型試驗及有限元分析，優選了三支臂型閘門結構，有效改善了弧門的動力特性。

（3）中孔弧門采用專利技術。為了滿足7孔泄洪排沙閘的中間一孔在非汛期 （含冰凍期）能夠啟閉自如的要求，設計采用了我公司的 “一種保障露頂式閘門冬季正常運行的融冰設備”的專利技術，對該孔弧門、埋件加熱，以確保冬季弧門運行安全。

3.4 下水庫防淤

下水庫多年平均輸沙量57.2萬t，其中推移質13.3萬t。輸沙與洪水過程同步，但沙量比洪量更集中，如1979年6月26日洪水實測最大含沙量19 kg/m3，日均8.8 kg/m3。該年最大1日輸沙量占全年的70.3%，2日輸沙量占全年97.3%。除較大洪水期間外，通常河水清澈，沙量很少。

上述水沙特點，給工程帶來的影響：一是造成水庫淤積；二是洪水期間過機水流含沙量高，使水泵水輪機過流部件嚴重磨蝕，效率和壽命降低。為此采取以下措施：下水庫進出水口選址遠離水庫行洪主流；下水庫進出水口前緣設攔沙壩，取含沙量低的表層水；科學避沙，包括輸沙高峰事短時間停機避沙。

由水庫泥沙淤積數學模型和物理試驗成果分析知，減少水庫淤積最有效的辦法是洪水期降低水位運行 （見表1），其好處是：

（1）降低水位，縮短了水庫的回水長度，提高了過庫水流速度，減少了含沙水流在庫內的滯留時間和淤積量，增加了排沙比。

（2）降低水位運行，使淤積主要發生在死水位以下，有效庫容落淤很少 （見表1）。

表1 汛期不同排沙運行水位50年計算淤積量對比

由表1可見，降低水位運行對減少有效庫容淤積非常有效。

4 輸水系統

4.1 輸水系統布置

輸水系統由引水系統和尾水系統組成。引水系統由上水庫進出水口、引水隧洞上平段、斜洞段、下平段、高壓岔管、高壓引水鋼管組成。尾水系統由尾水支洞、尾閘室、尾水岔管、尾水調壓井、尾水主洞、下水庫進出水口組成。

上水庫進出水口由引水明渠段、攔污柵、擴散（收縮）段、豎井式事故閘門井組成。進口攔污柵不設啟吊和清污設施；閘門井設有事故檢修閘門和液壓啟閉設備。

引水系統采用2洞4機布置，各段主洞和岔管均采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌后的內徑8.1 m；初砌厚度上平段50 cm，斜洞段60 cm，岔管段80 cm；引水高壓鋼管段，內徑5 m，外包80 cm混凝土。靠近廠房處鋼管內徑漸變為2.95 m，與球閥進口相接。靠近廠房35 m的鋼管段，按明管設計。采用國產B610CF鋼板，厚度46～58 mm；其余按埋管設計，采用Q345D鋼板，厚度34～54 mm。埋管段在鋼襯安裝前先進行裸巖固結灌漿；鋼襯起始段設3道止水環，末端設2道止推環。4條鋼管上方與鋼管平行設置3條斷面為2.5 m×3.5 m排水廊道，向上鉆有排水孔；在鋼管的管壁與巖壁鋪設軟排水管。

尾閘室后的尾水支洞、尾水岔管、尾水調壓井、尾水主洞均采用鋼筋混凝土襯砌。尾水調壓井為阻抗式，阻抗孔直徑7.5 m，井高30 m，鋼筋混凝土襯砌厚度50 cm；大井內徑20 m，高80 m，襯砌厚度120 cm。穹頂采用噴錨支護。

下庫進出水口由引水明渠、攔污柵、擴散 （收縮）段、岸塔式檢修閘門井組成。明渠前緣設有攔沙坎，進口前設有沉沙坑。

4.2 輸水系統設計主要特點

（1）引水系統采用4洞4機布置，尾水系統采用1洞4機布置。主要考慮高壓引水系統較尾水系統事故率高，1臺機組故障僅影響2臺機，對系統影響小；首臺機組發電時土建與安裝工作量較少。尾水系統1洞4機布置較經濟，有利于施工。

（2）采取相應措施，取消引水調壓井。盡量縮短洞長，降低進口高程，適當加大上平段的坡度，降低上灣段 （上平段的末端）高程，以保證上平段洞頂最小壓力滿足要求。

（3）引水系統軸線與廠房軸線平行布置，引水支洞成 “F”形斜向進廠 （洞軸和廠軸成60°角），有利于減少廠房跨度和調整2條引水下平洞間的距離。

（4）下水庫進出水口選在蒲石河左岸黃草溝出口右側，遠離行洪主流，并在進口明渠前緣設有攔沙坎，以減少過機沙量。在黃草溝溝口筑壩攔沙，在遠離進出口黃草溝出口左側修建泄洪排沙洞。

4.3 技施階段主要設計優化

（1）引水隧洞下平段洞間距離由30 m調整到60 m。調整原因：①引水洞下平段兩洞間水力梯度大 （最大水力梯度為485/20.7=23.43）；②貫穿 1號、2號引水洞下平段的2號施工支洞應力松弛區發生水力劈裂的危險性增加；③2號施工支洞貫穿兩洞間的封堵體長度僅為20.7 m，很難滿足穩定安全性要求。為此，及時調整了1號發電引水斜洞段及下平段的布置。即，2號引水洞、4條壓力鋼管段及1號引水洞上平段布置保持不變，只改變1號引水洞的上彎段、斜洞、下平段的布置，使1號斜洞段與2號斜洞間的距離自上而下由30 m漸變到60 m，使下平段洞間距離由30 m調到60 m。調整后兩洞間水力梯度由23.4降為9.57，使圍巖滲透穩定和洞間封堵體的穩定安全得以保證；減少了廠房的滲漏排水量。

（2）尾水管至尾閘室的尾水支洞襯砌形式由鋼筋混凝土襯砌改為鋼襯。主變室開挖后發現洞壁構造出露部位滴水潮濕，分析這些構造與位于其下的尾水支洞相貫通；支洞襯砌為鋼筋混凝土，襯砌開裂造成的內水外滲是難免的，預計運行后滲水會加劇，影響主變室電氣設備運行安全。故，將襯砌改成鋼襯。

（3）下平段F3斷層處理。F3斷層貫通1號和2號引水洞下平段。斷層寬3.5～5.0 m，其中心由糜棱狀碎塊夾碎屑和斷層泥組成。原設計方案:洞室斷層深挖回填混凝土并灌漿改善斷層性狀，形成剛性楔體，并進行了加強固結灌漿處理。因該方案灌漿難度大，質量難以達到預期效果；故改為局部鋼襯方案。經充水試驗和首臺機組發電檢驗，其效果良好。

5 地下廠房系統

5.1 系統構成

地下廠房系統由主副廠房、主變室、尾閘室、母線洞、高壓電纜洞、地面開關站、中控室及附屬洞室等組成。附屬洞室有交通洞、主變搬運洞、通風洞、排水廊道和排風豎井等。

地面控制室位于進廠交通洞口；地面開關站位于主變室下游側216 m高程處，占地面積70.4 m×61.3 m。

5.2 廠房布置

（1）廠房交通洞與通風洞分開布置在廠房兩端，作為兩個獨立的由地下通往地面的安全出口。

（2）廠內交通在滿足運行管理使用和防火安全的同時，考慮更為人性化。主副廠房、主變室各層平面交通順暢：副廠房底層與安裝間底層、主機間、母線層同層；主副廠房各設1部電梯，主機間各機組段均設1部樓梯，副廠房設2部，主變室設3部。

（3）母線洞分兩層布置。母線洞設計為兩層結構，上層布置發電機電壓互感器柜、啟動母線、換相開關和電制動開關，下層布置發電機出口開關、換相開關、勵磁變壓器和電壓互感器柜等設備。

（4）一洞多用 永臨結合。交通洞與施工出渣、電纜洞結合，通風洞與出渣洞結合；2號施工支洞兼作尾閘室交通洞；部分排水廊道兼作電纜通道等。

（5）重視地下廠房通風、防潮、除濕設計。廠房的送排風系統由2個送風機室、3個排風機室和2個通往地面的排風豎井組成。主廠房排風豎井直徑4 m，副房排風豎井直徑1.4 m。優化送、排風系統，避免洞壁冬季結露、潮濕；主廠房下層、尾閘室等潮濕部位設置升溫型除濕機。

5.3 廠房結構

（1）各洞室圍巖支護以普通砂漿錨桿為主，局部視需要加設預應力錨索。

（2）廠房抗震設計思路是：盡可能提高整體和單體結構剛度，降低結構振動的幅值；把結構的固有頻率與迫振頻率錯開。為此，采取了加強廠房各墻體與圍巖的密貼、錨固，機架、定子基座等應力集中部位加強配筋，吊物孔、孔洞周邊及角緣部位、樓板、風罩、主柱等構件連接部位局部加強等各項措施。

（3）巖錨吊車梁。在廠房開挖至吊車梁高程以下適當高程時，按設計要求先期澆筑巖錨梁。這有利于減少廠房開挖跨度和方便后期施工。

（4）鋼蝸殼與外圍混凝土聯合承載。蝸殼正常運用最大靜水壓力394 m水頭，最大動水壓力水頭500 m。蝸殼混凝土采用保壓澆筑方式，保壓水頭197 m。超過197 m水頭由鋼蝸殼和外圍鋼筋混凝土結構共同承擔。

（5）主廠房吊頂采用拱形螺栓球網架結構+彩鋼板防水層；主變室及尾閘室吊頂采用無梁 “U”型彩鋼板拱形結構。上述吊頂形式，結構簡單耐久，造型新穎、美觀，施工快捷方便，造價低。

6 電站機電工程設計

6.1 水泵/水輪機

電站共裝設4臺水泵/水輪機，為單級混流可逆式，機組采用上拆方式； 發電電動機為立軸半傘式（具有上、下導軸承）、密封自循環、空氣冷卻、三相凸極、可逆式同步電機。

調速器采用PID數字式電液微機調節，反饋裝置配有導葉分段關閉裝置。

進水閥為臥軸雙密封、雙接力器式球閥，直徑為2.7 m，油壓操作。

每臺機組的調速器和球閥配置1套油壓裝置，并共用1個回油箱。

6.2 電氣主接線

單機容量為300 MW的可逆式機組，發電電動機與變壓器組合方式為單元接線，共4組發電電動機－變壓器單元，在發電電動機和主變壓器之間，裝設有發電機斷路器和換向隔離開關，發電/電動機工況轉換時的換相、同期均在發電機出口側進行。每2組發－變單元在主變500 kV側組成聯合單元，其聯合母線及相關設備均采用500 kV GIS戶內配電裝置。500 kV開關站采用二進一出的三角形接線。

6.3 廠用電電源及接線

高壓廠用電源的數量為5回，相互獨立，其中4回分別來自1號～4號機組的發電電動機18 kV側機端，另有1回10 kV電源來自地區保留的66 kV施工變電所，即小山變電所。此外，電站還設有1臺800 kW的柴油發電機組作為保安和黑起動電源。

高壓廠用電供電方式采用2臺容量各為5 000 kV·A、18/10 kV的三相干式變壓器。電站10 kV廠用電系統由3段母線組成。

6.4 調度控制方式

蒲石河抽水蓄能電站采用全計算機監控系統。電站接受東北網調的直接調度，在丹東市設蒲石河抽水蓄能電站遠方集控中心。電站運行人員可在蒲石河電站洞口控制樓的中控室或丹東市集控中心的中控室，通過計算機監控系統的操作員工作站對電站進行控制和調節。

6.5 機電工程設計的特點

（1）泥沙磨損研究與避沙運行方案。蒲石河電站主汛期天然河水含沙量較大，如防避措施不當，部分泥沙將會進入輸水系統和機組流道，當過機含沙量較大時，泥沙磨損會對機組造成嚴重的破壞。在水泵水輪機的參數選擇 （比轉速、額定轉速、安裝高程）、結構型式和拆裝方式選擇上充分引用了“蒲石河抽水蓄能電站水泵水輪機泥沙磨損試驗和機組參數分析論證”的科研成果。

（2）排水系統安全設計。電站廠內滲漏排水系統全廠設1個容積約為1 100 m3排水廊道。在排水廊道兩端各設1個滲漏集水井，每個集水井配3臺深井潛水泵，2臺工作，1臺備用。排水廊道作為事故備用，可在出現爆管、閘門漏水等突發事故時延緩水位上升而水淹廠房的時間。

（3）發電電動機繼電保護控制邏輯回路的改進。抽水蓄能電站運行工況復雜，繼電保護對可靠性的要求很高，事故情況下需要繼電保護100%可靠動作。為使繼電保護不依賴監控而獨立運行，利用保護裝置本身所具有的開關量輸入將所有運行工況邏輯編程。這樣簡單、可靠、實用。

（4）低周波自啟動設計。抽水蓄能電站低頻自啟動功能包括低頻切除抽水機組和低頻啟動發電機組兩種功能。快速切除正在抽水的水泵負荷，可抑制系統頻率下降；快速啟動發電機組，可向系統補充必要有功功率，恢復系統頻率到可以運行操作的較高數值。設計提出低頻自啟動控制策略，編制低頻自啟動控制流程。

7 結 語

蒲石河抽水蓄能電站是我國在寒冷地區建設的第1座純蓄能電站，工程有許多課題需要深入研究，本文僅介紹了工程的設計和特點。工程經初期蓄水和首臺機組發電短時間運行的檢驗，狀況基本正常。我們將不斷總結寒冷地區工程的設計經驗，為寒冷地區建設優質工程提供技術保證。