洪屏抽水蓄能電站樞紐布置優選論述

馮仕能，李幼勝

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

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洪屏抽水蓄能電站樞紐布置優選論述

馮仕能1，李幼勝2

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

洪屏抽水蓄能電站上水庫庫區為一四面環山的天然盆地，在其南側獅子口以及西南側、西側的兩條副溝設置主壩、西南副壩、西副壩而形成。下水庫在秀峰河丁坑口下游筑壩形成，電站發電引水系統采取地下廠房中部開發方式；工程地處三爪侖國家森林公園，電站樞紐布置充分考慮了環境景觀設計。

樞紐布置；工程特點；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況及建設條件

江西洪屏抽水蓄能電站(以下簡稱“洪屏電站”)位于江西省靖安縣境內，緊靠江西省用電中心，距南昌、九江、武漢直線距離分別為65、100 km和190 km。鄂贛聯網的500 kV輸電線路從洪屏電站附近通過。工程地理位置較好，接入系統方便，自然條件優越，經濟指標優良。

洪屏電站為周調節純抽水蓄能電站，可行性研究設計階段推薦按分期開發，一期裝機容量為1 200 MW，終期裝機規模為2 400 MW。電站建成后，在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等任務。電站一期以500 kV一級電壓等級接入系統，出線一回接入江西500 kV夢山變電站，并預留2個出線間隔。設計年發電量17.43億kW·h，年發電利用小時數為1 453 h。

電站樞紐建筑物主要包括上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房洞室群和地面開關站等。工程招標和施工圖階段，根據洪屏電站工程的特點，對其上水庫庫底防滲形式、主壩壩軸線以及開關站位置進行了優化調整，以確保工程安全。

洪屏電站工程自然條件優越，上水庫成庫條件好，庫容大，主壩、兩座副壩規模小，庫盆防滲主要位于壩前；下水庫為流域規劃的站址，具有庫容大，調節能力強的優勢；電站水頭高，輸水系統距離短，距高比小，地下廠房及主變洞工程地質條件優良。

上水庫位于三爪侖鄉塘里村的洪屏自然村，為四面環山的溝源天然盆地，庫底高程約688～698 m，庫內有2條小溪，集雨面積為6.67 km2，其年平均流量為0.213 m3/s。下水庫位于潦河二級支流北河上游河段的秀峰河上，壩址以上流域面積為420.0 km2，年平均流量8.33 m3/s。工程區屬亞熱帶季風濕潤氣候區，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，四季分明。下水庫多年平均降雨量為1 663.4 mm。年降水主要集中在3～9月，占全年降水量的83%。

輸水系統和地下廠房位于上下庫之間的山體內，上下水庫間平均水頭552.5 m，輸水系統水平長2 144.4 m，電站距高比3.88，開發條件優良。廠房段地質條件良好，采用中部布置形式。

工程場地50年超越概率10%的基巖水平向加速度峰值為0.053g，地震基本烈度為Ⅵ度；主要地層巖性為變質含礫中粗砂巖、變質中細砂巖、變質泥質粉砂巖，地層之間均為整合接觸；NE～NEE向斷層發育，次為NW向，斷層帶滲透性和導水性較好。

工程下水庫有地方旅游公路從左岸通過，上下水庫間現有簡易道路相通，交通條件便利。

2 樞紐布置及主要建筑物

2.1 樞紐布置方案比選

洪屏電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站組成。利用三爪侖鄉洪屏自然村高山盆地筑壩形成上水庫，在秀峰河上丁坑口至巖背村間的峽谷河段筑壩形成下水庫，在上、下水庫間山體內布置輸水發電系統的樞紐總布置(見圖1)。

圖1 樞紐總布置示意

2.1.1 上水庫

上水庫主要建筑物有主壩、西副壩、西南副壩和進/出水口等。由于受地形條件限制，上水庫主壩和兩座副壩的壩址選擇余地不大，可研設計階段只針對壩線和壩型進行了比選，技施階段又對主壩壩線作了優化調整。根據主壩壩址區的地形、地質條件，適合布置大壩的位置為獅子口沖溝溝口約30～50 m的范圍內。該范圍的上游地形呈突闊的喇叭口，下游沖溝溝底縱坡突降，均不適合布置大壩。可研設計階段在此范圍內，綜合考慮地形地質條件、樞紐布局及施工等因素，擬定了一條壩線(靠獅子口下游側)進行壩體布置；技施設計階段，經原審查單位審查同意，將主壩壩線往上游調整了30 m，移至可研階段勘Ⅰ線位置，改善了溢洪道泄洪條件，工程投資也有所減少。西副壩選擇在埡口相對狹窄處布置壩線，其右岸上下游地形零亂，沖溝發育，沒有別的合適壩線。西南副壩按混凝土面板堆石壩壩型，布置了2條壩線進行比較，上壩線方案距上庫進/出水口約50 m，下壩線方案即為預可階段壩線，距上庫進/出水口約450 m。兩方案壩體規模均不大，下壩線方案相對較小，投資比上壩線方案少966萬元，但由于南庫岸存在滲漏問題，采用上壩線方案可縮短庫岸防滲長度約400 m，同時庫底水平防滲鋪蓋也可大大減少，考慮庫岸防滲投資后上壩線方案投資低于下壩線方案3 000余萬元，明顯優于下壩線方案，推薦采用上壩線方案。

主壩壩址地形為“V”形峽谷，溝谷狹窄，兩岸和壩基基巖裸露，中粗砂巖致密堅硬，適合修建混凝土重力壩；而西南庫岸埡口和西庫岸埡口溝谷寬闊，壩址基巖分別為抗風化能力較低的變質中細砂巖和變質泥質粉砂巖，巖體破碎，風化較深，適合修建當地材料壩。可研階段主壩壩型比選了混凝土重力壩和面板堆石壩兩個方案。獅子口溝為泄流主溝，重力壩壩身設置兩孔開敞式溢洪道，受地形條件限制，面板堆石壩方案也采用壩身溢洪道。面板壩方案采用壩身溢洪道，壩體結構設計相對復雜，施工干擾較大，混凝土重力壩方案結構布置簡單，施工方便，技術難度小，綜合考慮后推薦混凝土重力壩方案。

考慮到南庫岸的防滲方案采用水平防滲，混凝土面板堆石壩的上游防滲面板可以和庫岸混凝土防滲面板形成較好的防滲接頭，故西南副壩擬定混凝土面板堆石壩壩型作為推薦壩型。

西副壩可研設計階段擬定混凝土面板堆石壩和粘土心墻堆石壩進行技術經濟分析比較，上水庫石料和粘土料源有保證，兩方案技術上均可行，但粘土料天然含水量普遍偏高，粘土儲量較大的東庫岸料場礫石含量較高，施工難度較大。另外，考慮南庫岸防滲形式及西南副壩壩型的一致性，選擇面板堆石壩為西副壩推薦壩型。

2.1.2 下水庫

可研設計階段，結合壩型對下水庫壩址進行了比較選擇。下水庫為河道峽谷型水庫，庫區長約10 km。根據地形地質條件分別在丁坑口下游370 m和上游1 500 m擬定上、下壩址。上壩址區河谷較開闊，呈不對稱的“V”形，左岸見強～弱風化基巖出露，巖性為變質中細砂巖，右岸覆蓋層厚2～22.3 m，弱風化厚度一般大于32 m，壩址區斷層發育。上壩址工程地質條件較差，按混凝土面板堆石壩進行設計，最大壩高64.8 m，壩頂長度310.2 m，正常蓄水位186.0 m，右岸壩肩布置岸坡開敞式溢洪道，挑流消能，全長642 m。下壩址位于丁坑口至巖背村間的河灣峽谷處，河谷狹窄，呈不甚對稱的“V”字形，兩岸弱風化基巖裸露，巖性為變質含礫中粗砂巖，構造較發育。下壩址基巖裸露，地質條件好，適合建造混凝土重力壩，按碾壓混凝土重力壩設計，最大壩高77.5 m，壩長179 m，中間布置3孔溢洪道，正常蓄水位181.0 m。下壩址為流域規劃中的丁坑口梯級壩址，工程地質條件好，樞紐布置緊湊，利用壩身溢流較好地解決了電站大流量泄洪的問題，施工導流布置條件也好，不利的是下壩址方案水庫移民、淹沒稍多。另外，兩壩址總投資較接近。綜合考慮推薦下壩址方案。

針對選定的下壩址，就混凝土重力壩方案初擬3條壩線進行比選，上、中、下壩線間距100 m和95 m，均具備建造混凝土重力壩的地形地質條件。從地形上看，上壩線和中壩線位于河道拐彎處，存在泄洪出水不暢問題；而下壩線下游河道較順直，泄洪出水較順暢；工程地質條件差異程度不明顯；壩體規模相當，投資比較接近。考慮泄洪消能因素，選擇下壩線為推薦壩線。

下水庫壩型比較了常態混凝土重力壩和碾壓混凝土重力壩：兩壩型地質條件、水工布置相同，施工條件、布置及工程進度基本相同；但從工程投資方面分析，碾壓混凝土重力壩比常態混凝土重力壩節省投資約834萬元，具有一定的優勢。故，推薦采用碾壓混凝土重力壩。

2.1.3 輸水發電系統

前期設計階段，根據上、下水庫間的地形、地質條件，結合工程總體布置，輸水發電線路擬定了具有較好開發條件的左線和右線兩個方案進行線路比選。左線和右線方案分別布置在獅子口溝的左右側。方案比較時地下廠房均采用中部開發方式，上下水庫布置一致。從工程布置上看，輸水線路左線和右線方案均是可行的，兩者工程地質條件基本一致，右線略優；其主要差別在于左線方案洞線長度比右線長235 m，且左線方案廠房位置巖體覆蓋厚度較大，排風豎井相應較高，500 kV電纜洞較長。故，左線方案可比投資比右線方案多4 430萬元。綜合考慮，推薦右線方案。

廠房開發方式，可研階段依據廠房位置的不同共比較了首部、中部和尾部三種方案。首部方案地下廠房距上庫進出水口約493 m，僅設置尾水調壓室。中部方案廠房位于輸水系統中部，獅子口溝(F10斷層)的內側，設置引水調壓室和尾水調壓室。與中部方案比，尾部方案只是將地下廠房往下游移至獅子口溝(F10斷層)的外側，引水下平段長，而尾水隧洞相對較短，也設有引水和尾水調壓室。中部方案地下廠房為II類圍巖，水文地質條件相對簡單；尾部方案廠房位置為III類圍巖，地下水豐富，引水高壓段長，尾水低壓段短，與中部方案比不具優勢；首部方案地下廠房為II～III類圍巖，由于距上庫近，地下水也很豐富。中部方案可比投資比尾部、首部方案分別省5 400萬、5 000萬元。綜合考慮工程地質條件、建筑物布置、施工條件、運營條件以及投資等因素，推薦中部方案。

2.2 樞紐布置及主要建筑物

2.2.1 上水庫

上水庫主壩壩址位于盆地南側獅子口“V”形峽谷中，壩型為混凝土重力壩。壩頂高程737.5 m，最大壩高42.5 m，壩頂長104.1 m。溢流壩段布置在河床中間3號壩段，長21 m。左右岸為擋水壩段，基本斷面為三角形，壩頂寬度7.0 m。下游壩坡1∶0.72，轉折起坡點高程為725.5 m。大壩采用壩頂自由溢流的泄洪方式，堰頂高程為733.0 m。溢洪道共設2孔，單孔凈寬9 m，不設置閘門。大壩壩基采用固結灌漿加固，上游側設置防滲帷幕并與左右岸帷幕相接，帷幕深度以深入相對隔水層(q≤1 Lu)以下5 m控制。

西副壩為混凝土面板堆石壩，壩址位于水庫盆地西側埡口即小溪出口處，壩頂高程 738.9 m，最大壩高57.7 m，壩頂長367.5 m，壩頂寬7 m，左岸與庫岸公路連接。該壩上游壩坡 1∶1.4，下游壩坡坡比1∶1.8和1∶2.0。鋼筋混凝土面板厚0.35～0.51 m。大壩趾板基礎采用固結灌漿加固，設置防滲帷幕并與左右岸帷幕相接，帷幕深度以深入相對隔水層(q≤1 Lu)以下5 m控制。

西南副壩為混凝土面板堆石壩，位于上水庫進/出水口右側沖溝內，壩頂高程 738.9 m，最大壩高 37.4 m，壩頂長311.2 m，壩頂寬7 m，兩壩頭與庫岸公路連接。該壩上游壩坡 1∶1.4，下游壩坡坡比1∶1.8和1∶2.0。鋼筋混凝土面板厚0.35 m。大壩趾板基礎采用固結灌漿加固，設置防滲帷幕并與左右岸帷幕相接，帷幕深度以深入相對隔水層(q≤1 Lu)以下5 m控制。趾板上游與水平鋪蓋相接。

上庫進/出水口位于上水庫主壩右側，距主壩約120 m。根據地形地質條件和庫岸防滲以及交通連接的要求，上庫進/出水口為側式布置，豎井式閘門井。進/出水口由前池、攔污柵段、擴散段、平方段、事故閘門井等組成。前池總長約69.2 m，在攔砂坎處前池寬56.4 m，在攔沙坎以外庫底高程約為706.0 m，在攔沙坎后接49.2 m長的反坡段，坡度為1∶15，再經20 m的前池段接至進/出水口，前池底板高程為702.2 m。

建庫蓄水后庫岸產生滲漏的地段主要有4個：西北埡口庫岸段、西副壩與西南副壩之間庫岸段，南庫岸段、主壩至西南副壩間庫盆底部。西北埡口庫岸段及兩副壩之間庫岸段采用帷幕灌漿防滲處理。帷幕灌漿深度按達到基礎相對隔水層(q≤1 Lu)以下5 m，以截斷可能的滲流通道為原則。帷幕灌漿孔距均為2 m，單排孔，遇斷層破碎帶及裂隙密集帶適當加密為2排。南庫岸段采用鋼筋混凝土面板防滲方案處理，并在趾板底部設置帷幕灌漿分別與主壩、西南副壩帷幕灌漿連接。對主壩至西南副壩間南庫底采用表面防滲方案。靠近南庫岸約6.5萬m2采用土工膜防滲，靠近庫尾約2.3萬m2(齒墻中心線)采用粘土鋪蓋防滲。

根據上水庫建筑物布置，對上庫主壩上游、土工膜防滲區對應的東南庫岸以及進出水口對岸山包進行防護。

2.2.2 輸水系統

輸水系統主要建筑物包括：上庫進/出水口、引水隧洞、引水調壓室、壓力管道、尾水支管、尾水閘門室、尾水調壓室、尾水隧洞和下庫進/出水口等。

上、下庫進/出水口之間輸水管道總長2 646.8 m(沿4號機輸水系統長度，下同)。其中，引水系統長1 369.5 m，尾水系統長1 277.3 m。上、下庫進/出水口均采用閘門豎井式。引水系統共兩個水力單元，采用二洞四機布置形式。引水上平洞直徑為6.0 m，襯砌均采用鋼筋混凝土結構，襯砌厚度為0.8 m。上平洞末端設阻抗式引水調壓室，調壓室大井直徑為9.0 m，阻抗孔直徑為4.0 m。從上豎井上彎段至高壓鋼支管均采用鋼板襯砌，在主廠房上游約74 m處設2個對稱鋼岔管，分別形成4條高壓鋼管，斜向65°進廠，分別與4臺機組相連；上豎井～中平洞鋼管直徑為5.2 m，下豎井～下平洞直徑為4.8～4.4 m。壓力鋼管主管長837.2～815.6 m。鋼岔管主管直徑4.4 m，支管直徑3.0 m。尾水隧洞共兩條，亦采用一洞兩機布置，尾水支管段長114 m，洞徑4.4 m，采用鋼板襯砌；尾水主管段洞徑6.5 m，采用鋼筋混凝土結構，襯砌厚度為0.6 m。尾水閘門室布置在廠房下游90.9 m處，設4扇事故閘門。尾水調壓室設置在尾水岔管下游15～60.0 m處，采用阻抗+上室式。調壓室大井直徑11.0 m，阻抗孔直徑4.5 m，采用鋼筋混凝土結構。

2.2.3 地下廠房和開關站

地下廠房位于輸水發電系統中部，廠房軸線位于PDX4長探洞約1+046 m樁號處，縱軸線方向N47.5°W。地下廠房洞群由主副廠房洞、主變洞、尾水閘門洞、母線洞、進廠交通洞、通風兼安全洞、排風豎井、500 kV電纜出線洞等附屬洞室組成。主副廠房洞與主變洞、尾水閘門洞平行布置，主變洞位于主副廠房洞的下游，兩洞間距為38 m，尾水閘門洞位于主變洞的下游，與主變洞間距30 m。主副廠房洞右端布置安裝場及通風機房，左端布置副廠房，中間為機組段，共布置4臺300 MW可逆式水泵水輪機組，機組安裝高程93.00 m，尾水管底板底高程約81.0 m，廠房拱頂高程132.1 m。主副廠房洞開挖尺寸為157.5 m×22.1 m×51.1 m(長×寬×高)。進廠交通洞與安裝場端部相連，長1 510 m，平均坡度5.2%。通風兼安全洞長1 218 m，平均坡度5.2%。地下廠房洞室群周邊設置了頂層、上層、中層、下層等4層排水廊道，還結合PDX4和PDX4- 1探洞在頂層排水廊道上部又設置了一層高層排水廊道。

500 kV開關站位于獅子口沖溝的左側，進廠公路旁，通過500 kV電纜出線洞與主變洞連接。開關站地面高程205 m，平面尺寸為137 m×35 m(長×寬)。開關站場地布置有GIS室、繼保樓及屋頂出線場等。

2.2.4 下水庫

下水庫左右岸擋水壩段基本斷面為三角形，壩頂寬度8.0 m，壩體上游為鉛直面，下游壩面坡比1∶0.75。大壩采用壩身溢流的泄洪方式。溢流壩段布置在河床中間，堰頂高程169.5 m。溢洪道共設3孔，單孔凈寬13.0 m，采用弧形閘門控制泄洪。溢流堰面采用WES實用堰，下接1∶0.75的直線段，泄槽凈寬45.0 m。消能方式為差動式鼻坎挑流消能。

壩內布置一個基礎排水灌漿廊道，其兩端口在壩頂附近接橫向交通廊道與下游壩面相通。大壩壩基采用固結灌漿加固，上游側設置防滲帷幕并與左右岸帷幕相接，帷幕深度以深入相對隔水層(q≤3 Lu)以下5 m控制。

下水庫庫區左岸邊坡以穩定性較差和差為主，分別占左岸邊坡的32%和35%；右岸邊坡穩定性較差段占右岸邊坡的40%。對穩定性較差和差的庫岸采取挖除不穩定體、漿砌石護坡、掛網噴錨、設置岸坡排水孔等處理措施。

3 工程設計特點

3.1 工程防滲排水設計

洪屏電站地層巖性主要為變質含礫中粗砂巖，弱風化和微新砂巖本身透水性弱，但砂巖巖體中斷層等導水構造較發育，水文地質條件復雜。前期勘探和施工期開挖揭示上水庫不僅存在巖體和斷層的水平滲透問題，也存在庫底斷層垂直滲透風險，而且斷層垂直滲透通道為地下廠房洞室群，引水系統部位的地下水位線也明顯偏低。庫盆的滲透、高壓管道的內水外滲不僅造成水量損失，更重要的是對廠房的安全運行存在不利影響。根據不同的水文地質條件和建筑物特點，對上水庫、壓力管道和地下廠房本身采取針對性的防滲排水措施，達到有效控制滲漏量，減小廠房排水壓力的目的。

洪屏工程上水庫主要是針對庫盆不同區域的滲透特性采取有針對性的防滲措施。上水庫防滲方案采用垂直防滲為主、水平鋪蓋防滲為輔的防滲方式，主防滲體系控制滲流量并確保建筑物運行安全，輔助防滲體系主要針對庫區斷層垂直滲漏，減小廠房排水壓力。在防滲措施上，綜合采用了庫岸混凝土面板、帷幕灌漿、土工膜、粘土鋪蓋等多種方式。該防滲體系是目前國內抽水蓄能電站庫盆防滲中方案最復雜，防滲方式運用最多的工程，對類似水文地質條件下的庫盆防滲具有一定的參考和借鑒價值。

引水系統壓力管道的襯砌形式比較了鋼板襯砌和鋼筋混凝土襯砌兩種方式，考慮砂巖的滲透特性、低于引水上平洞底板的地下水位以及管道的高內水壓力，設計最后采用鋼板襯砌防滲形式，從引水調壓室后開始的高壓管道全長鋼板襯砌，下平洞設置兩個鋼岔管，從而避免高壓內水外滲的風險。引水上平洞和調壓室最大靜水頭65 m，采用鋼筋混凝土襯砌，按抗裂設計，并對巖體加強固結灌漿。

為了攔截高處的地下滲水，使廠房施工時處于相對干燥的環境，同時降低廠房滲漏排水量，達到高水高排的目的，利用已有的PDX4長探洞，在地下廠房上方沿廠房縱軸方向設4條高層排水廊道，排水廊道高程約為181 m，分布在PDX4- 1廠房支洞的上下游，排水廊道的間距約為40 m。此外，又在廠房周邊設置了高程約為150、123、107 m和82 m共4層排水廊道，并利用排水廊道在地下廠房洞室群四周和頂拱布設排水幕，同時進行帷幕灌漿處理。

3.2 工程建設注重生態景觀和周圍環境的融合

洪屏電站位于三爪侖國家森林公園內，九嶺山省級自然保護區的北側，工程建設注重生態景觀和周圍環境的融合。工程設計時對電站永久建筑物的造型和景觀進行了優化，使地表建筑物與工程區環境相協調。在下水庫壩址附近，結合業主營地建立珍稀植物園，將工程下庫占地及水庫淹沒區內的珍稀保護和古大植物移栽至珍稀植物園。工程設計中對下水庫還建道路和上水庫棄渣場進行了方案變更和設計修改，上下庫連接公路段改為公路隧道，減少了工程永久占地和臨時占地對珍稀保護植物和周邊環境的影響；進一步優化了水土保持方案，在環保設計中制定生態景觀保護方案，對不同區域因地制宜地采取有效的景觀恢復措施，利用棄渣對上水庫壩后地形進行再塑，對道路沿線開挖邊坡以及永久建筑物開挖邊坡采取TBS植物綠化措施，恢復地表植被，使工程與周圍景觀和諧。恢復上水庫獅子口瀑布景觀，完善上、下蓄水方案，落實水庫泄放環境流量設施，并合理調度運行。

4 結 語

洪屏電站經過多方案的比較研究，目前選定的樞紐布置方案充分兼顧了洪屏工程的特點，方案合理可行。經過5年多的建設，電站下水庫已于2015年8月順利蓄水，上水庫于2015年10月蓄水，2016年6月首臺機組發電。電站的成功建成將為江西電網的安全穩定運行提供堅實有力的保障。

(責任編輯 陳 萍)

Layout Optimization of Hongping Pumped-storage Power Station

FENG Shineng1, LI Yousheng2

(1. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China;2. Jiangxi Hongping Pumped Storage Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China)

The upper reservoir area of Hongping Pumped-storage Power Station locates in a natural basin surrounded by mountains. The main dam, southwest auxiliary dam and west auxiliary dam are set at Shizikou in the south of basin, the southwest vice-valley and the west vice-valley respectively. The lower reservoir is formed by damming in the downstream location of Dingkengkou on Xiufeng River. The generating and water conveyance system adopts underground powerhouse mode with the middle development pattern. The project locates in Sanzhualun National Forest Park, so the environmental landscape design is highly valued.

project layout; project characteristics; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 16

馮仕能(1971—)，男，浙江蘭溪人，教授級高工，碩士，項目經理、項目設總，主要從事水電站結構及樞紐布置設計及項目管理工作．

TV222；TV743(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0001- 05