安徽下滸山抽水蓄能電站樞紐布置設計

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司 樞紐處 ，湖北 武漢 430010)

1 電站概況及自然條件

下滸山抽水蓄能電站位于安徽省安慶桐城市與潛山縣交界處的大沙河上，距安徽省合肥市112 km，距安慶市65 km，距安徽電網安慶市雙嶺500 kV變電站40 km，接近安徽電網的負荷中心，電站安裝4臺單機300 MW的機組，總裝機容量為1 200 MW，年發電量為 26.04億kW·h，抽水電量(填谷電量)34.48億kW·h，為日調節的純抽水蓄能電站。該電站以500 kV電壓等級接入安徽電網，并在電網中擔負調峰填谷、調相調頻及緊急事故備用等任務。

電站樞紐主要建筑物包括上庫、下庫、輸水系統以及地下廠房等建筑物。上庫正常蓄水位為475.0 m，設計洪水位475.88 m，校核洪水位476.15 m，上庫正常蓄水位庫容為2 105萬m3，調節庫容為1 661萬m3。下庫正常蓄水位為 115.00 m，有效庫容為12 820萬m3。

電站利用下滸山水庫作為下庫，除出(進)水口外，下庫無需另建水工建筑物，自然條件優越，可節省投資。

上庫、輸水系統、地下廠房洞室群、開關站等電站主要建筑物位于大沙河左岸[1]，左岸山體雄厚，地形高差約350 m，上庫筑壩形成水庫后算術平均水頭 336.1 m，最大發電毛水頭378 m，上下庫距離為1.3 km，距高比較小，為 3.96，建設條件較好。

主、副壩壩基為黑云斜長(花崗)片麻巖，巖體均一，強度較高，滿足建壩條件。電站引水發電系統隧洞主要位于微風化黑云花崗片麻巖及花崗巖中，圍巖類別總體為Ⅱ～Ⅲ類，地質條件較好。

電站上庫壩址控制流域面積 1.77 km2，多年平均流量為 0.042 m3/s，水源條件較好。

2 主要建筑物區工程地質條件

2.1 上下庫

下滸山抽水蓄能電站上庫庫盆位于下滸山水庫壩址上游約 3.6 km處的大沙河左岸，屬大別山區東南邊緣中低山地貌，整個庫盆地形類似圈椅狀，北、東、西3面分水嶺環繞，除局部埡口高程較低外，高程多在500 m以上，上庫庫盆內無大的區域性斷層通過，上庫庫盆內巖體主要為黑云斜長(花崗)片麻巖。

上庫由主、副壩及四周地形所圍成，主壩壩基為黑云斜長(花崗)片麻巖，巖體均一，強度較高，滿足建壩條件。全強風化巖體破碎，強度較低，變形量大，不適宜作為趾板地基，趾板應置于弱風化巖體上。副壩壩基為黑云斜長(花崗)片麻巖，巖體均一，強度較高，滿足建壩條件。

下庫庫區巖體為花崗片麻巖、混合花崗巖，巖性較單一，地質構造破壞輕微，巖體總體風化較均勻。

2.2 輸水系統

上庫進/出水口基礎為微風化黑云花崗片麻巖，其承載力滿足要求。

輸水系統主要位于微風化黑云花崗片麻巖及花崗巖中，圍巖類別總體為Ⅱ～Ⅲ類，成洞條件總體較好。

下庫出/進水口基礎為弱-微風化混合花崗巖，其承載力滿足基礎要求。

2.3 地下廠房

地下廠房為中部式布置，上覆巖體厚度約280 m，圍巖主要為前震旦系橋嶺組1套深變質巖及5臺呂梁期混合花崗巖，全強風化巖體厚約5～15 m。其中變質巖主要為黑云花崗片麻巖，分布于引水發電系統上庫進/出水口至引水發電系統中部地下廠房一帶，片麻理產狀總體傾向北西，傾角約25°～35°；混合花崗巖主要分布于引水發電系統地下廠房至下庫進/出水口一帶。地下廠房區無大的區域性斷層通過。

3 樞紐布置關鍵技術問題研究

3.1 加高的面板堆石壩設計

上庫庫盆位于下滸山水庫壩址左岸上游約3.6 km山頂一洼地，洼地四周山嶺環繞，北東向山體雄厚，北西向、北東向山體略單薄，南西側、東側各有一低埡口，其中南西側埡口開口較大，庫岸除局部地形較陡外，一般坡角在15°～30°之間。主要工程有1座主壩、1座副壩、混凝土連接墻、生態放水管、庫盆開挖及防護、庫邊公路和庫岸防滲等。

下滸山抽水蓄能電站若按日調節性能設計，考慮調峰發電小時為5 h，考慮1 h的備用庫容，等效發電小時數取6 h。根據上、下庫死水位 448.00 m和 90.00 m，相應于所需調節庫容1 075萬m3，上庫正常蓄水位為 468.00 m，相應調節庫容為1 078萬m3。若按周調節性能設計，考慮調峰發電小時為10 h，考慮1 h的備用庫容，等效發電小時數取11 h。相應于所需調節庫容1 659萬m3，上庫正常蓄水位為 475.00 m，相應調節庫容為1 661萬m3。后者比前者大壩加高7 m，工程投資增加約1 400萬元。上庫庫盆較大，利用地形優勢，面板堆石壩最大壩高增加至67 m，設計難度不大，增加很少投資就可使電站具備周調節特性。從抽水蓄能電站的調節性能、面板堆石壩設計及工程投資等方面綜合考慮，選擇加高的面板堆石壩方案。

上庫主壩位于南西側埡口西側，采用混凝土面板壩，壩頂高程473 m，最大壩高67 m，壩頂長711 m，壩頂寬10 m，混凝土路面結構。壩體上游面坡比1∶1.4，采用鋼筋混凝土面板防滲，壩體下游面壩坡1∶1.5，在高程453 m、423 m分別設寬3 m的馬道。

上庫副壩位于南西側埡口東側，采用土工膜心墻壩，壩頂高程473 m，最大壩高18 m，壩頂長300 m，壩頂寬10 m，混凝土路面結構，在壩頂中線采用土工膜心墻防滲。壩體上游面坡比1∶1.7，壩體下游面坡比1∶1.8。

3.2 高壓管道的創新性設計[2]

上庫正常蓄水位為475.00 m，設計洪水位為475.88 m，校核洪水位為 476.15 m，引水隧洞在立面上按兩級豎井布置，由上平段、上斜段、第一級豎井段、中平段、第二級豎井段和下平段組成。引水隧洞從第一級豎井開始PD值較大，若全部洞段采用鋼筋混凝土襯砌，配筋量較大，當內水壓力達到一定數值，鋼筋混凝土襯砌將無法承擔，產生貫穿性開裂而成為透水襯砌，內水外滲進入圍巖，將不利于隧洞及主廠房圍巖的安全穩定。若從第一級豎井開始采用地下埋管的結構型式，則壓力鋼管的工程量較大，豎井段壓力鋼管的安裝難度大、施工工期長，且工程投資較大。

上平段及上斜段的PD值較小，采用鋼筋混凝土襯砌。為了有效控制滲流量，并考慮抽水蓄能電站發生頻繁水錘作用，下平段壓力鋼管的長度一般不小于靜水頭的 0.1～0.3倍，根據地形地質條件、施工及運行條件及電站廠房洞室群的防滲要求，中平段以后采用鋼襯混凝土襯砌。引水系統的關鍵技術問題是研究在引水系統的第一級豎井的上彎段、豎井直段、下彎段及中平段中間部位以前的洞段采用經濟合理的結構型式。

在以上洞段采用瀝青防滲薄膜復合混凝土襯砌這種新型引水隧洞的襯砌型式。洞段內徑為 7.5 m，襯砌厚70 cm，隧洞開挖完成后，掛鋼筋網噴厚10 cm的混凝土，瀝青防滲薄膜由厚3 mm的PVC加上400 g/m2的聚丙烯織物及瀝青組成，該止水薄膜設置在噴混凝土與鋼筋混凝土襯砌之間，止水效果可與鋼襯媲美，而造價低，不破壞內層噴混凝土層保護止水薄膜，同時防止內水外滲，有利于圍巖的安全穩定。計算表明，鋼筋混凝土襯砌、噴混凝土與圍巖聯合承載，襯砌結構的拉應力自內而外逐漸減小，瀝青防滲薄膜處于受壓狀態，內層鋼筋混凝土與外層噴混凝土共同承擔內水壓力，保護瀝青防滲薄膜的完整性，使瀝青防滲薄膜不因外壓而破壞。

3.3 地下廠房中部式布置方案

根據選定的輸水發電線路地下廠房在輸水系統的位置，可采用首部、中部和尾部3種開發方式。首部開發方式盡量縮短高壓引水系統的長度，采用一級豎井布置，在滿足輸水系統水力過渡過程要求前提下，不設上游調壓室。中部開發方式采用兩級豎井布置，設置尾水調壓室[3]。尾部開發方式盡量縮短尾水系統長度，采用兩級斜井，在滿足輸水系統水力過渡過程要求前提下，不設尾水調壓室[4]。

首部式方案的地下廠房洞室群的施工支洞較長，廠房的交通洞較長，運行管理不便，同時地下廠房離上庫較近，需要設置防滲系統。中部式方案的施工支洞及交通洞的長度適中。雖然尾部式方案中地下廠房離下庫較近，但為保證施工支洞及交通洞有一定坡度要求，其長度并未減短，同時地下廠房離下庫較近，需要設置防滲系統。上述3種方案的工程靜態總投資分別是56.41億元、56.21億元及56.57億元，中部式布置方案的投資最小。因此，從樞紐布置及工程投資綜合考慮，選擇中部式布置方案。

3.4 利用下滸山水庫的研究

在下滸山抽水蓄能電站出(進)水口的下游3.6 km處是下滸山水庫工程，其工程任務主要是防洪，還承擔了灌溉、供水和發電開發任務。下滸山抽水蓄能電站在樞紐布置上利用下滸山水庫作為下庫，可以節省投資，但需要研究對下滸山水庫工程的影響。

在考慮蓄滿2 000萬m3菜子湖防洪庫容以后(相應庫水位111.80 m)，分別采用“等蓄量”和“等泄量”兩種防洪調度方式[5]，對“以下滸山為主，區間相應”及“以區間為主，下滸山相應”兩種洪水地區組成的“1969年”、“1983年”及“1999年”3個典型20 a一遇洪水整體設計進行洪水調節計算，下滸山水利樞紐在不同洪水地區組成和洪水典型條件下存在一定的防洪庫容余度，最大庫容858萬m3，最小庫容67萬m3，可為下滸山抽水蓄能電站汛期抽蓄安全運行提供庫容空間。

下滸山水庫工程2030年規劃向下滸山灌區供水 1.111 9億m3，其中灌溉供水 0.898 3億m3，城鎮供水 0.213 6億m3，日均供水量 5.9萬t；電站裝機容量為15 MW，利用灌溉和供水水量發電，多年平均發電量為3 505萬kW·h。由于發電開發任務排在興利任務之末，興利庫容復核以完全滿足防洪庫容預留為前提，優先滿足灌溉和供水要求，不考慮專用發電庫容，采用初步設計階段徑流調節計算所使用的壩址徑流、生態流量下泄要求及灌溉和供水過程，進行長系列徑流調節復核計算。結果表明，在汛期防洪限制水位 108.9 m上浮 2.9～111.8 m運行前提下，若考慮1%以內的灌溉缺水率不計為缺水時，灌溉年保證率可達 84.4%，高于灌溉年設計保證率80%的要求；若按80%的灌溉年保證率反推，可將汛期運行水位下降約 0.8～111 m，相應騰空約590萬m3的庫容，可作為下庫有效利用庫容空間。若非汛期按80%的灌溉年保證率反推，可將正常蓄水位由目前的115 m下降約 5.5～109.5 m，相應騰空約4 000萬m3的庫容，可作為下庫有效利用庫容空間。

可見，汛期有接近600萬m3的庫容余度空間，非汛期則有約4 000萬m3的庫容余度空間，可滿足下滸山抽水蓄能電站下庫存放抽水量及備用水量的庫容要求，供下滸山水利樞紐原發電功能發電所用。

工程設計在下庫開挖一定的土石方量，以滿足抽水蓄能電站的庫容要求，同時不影響下滸山水庫工程的防洪。

4 結 語

下滸山抽水蓄能電站上庫采用加高的面板堆石壩方案后，調節性能由日調節變為周調節，調節性能更優；壓力管道采用瀝青防滲薄膜復合混凝土襯砌型式，結構經濟合理；地下廠房采用中部式布置方案，節省了工程投資；利用下滸山水庫作為下庫，不影響下滸山水庫工程的防洪任務。因此，下滸山抽水蓄能電站的樞紐布置設計是合理的。

參考文獻：

[1] 楊兆文, 劉素琴. 天荒坪抽水蓄能電站輸水系統設計[J]. 水力發電, 1998(8):35-37.

[2] 張克釗, 文洪, 孫浩民, 等. 天荒坪抽水蓄能電站樞紐布置[J]. 水力發電, 1998(8):18-21.

[3] 鮑海艷,付亮,楊建東.抽水蓄能水電站尾水調壓室設置條件探討[J].水力發電學報, 2014, 33(1): 95-101.

[4] 張健, 盧偉華, 范波芹,等. 輸水系統布置對抽水蓄能電站相繼甩負荷水力過渡過程影響[J]. 水力發電學報, 2008, 27(5):158-162.

[5] 李元璞, 孫利民, 聶永利, 等. 水庫調度與水庫規劃設計[J].黑龍江水專學報,1997(1-2):40-42.