黑龍江荒溝抽水蓄能電站電纜出線布置方式設計研究

宋立民 ，蘇奕康 ，王 哲 ，張子奇 ，張 騰

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林省長春市 130021；2.水利部寒區工程技術研究中心，吉林省長春市 130021）

1 工程概況

黑龍江荒溝抽水蓄能電站，位于黑龍江省牡丹江市海林市三道河子鎮，下水庫為已建的蓮花水電站水庫，上水庫為牡丹江支流三道河子右岸的山間洼地。站址距牡丹江市145km（公路里程），距哈爾濱市（直線距離）約235km，距蓮花壩址43km（公路里程）。電站為Ⅰ等工程，工程規模為大（1）型，樞紐中主要建筑物（如主壩、副壩、輸水系統、地下廠房及500kV地面開關站等）為1級建筑物；次要建筑物為3級建筑物。

工程以發電為主，總裝機容量為1200MW，單機容量為300MW，按一洞二機、共兩洞四機方案設計，廠內裝有四臺可逆式水泵水輪發電機組。電站建成后在黑龍江省電網擔任調峰、調頻和事故備用。

黑龍江荒溝抽水蓄能電站地下廠房洞室系統是一組空間立體交叉的地下洞室群，主要包括：主廠房洞、主變壓器洞、尾閘洞、母線洞、電纜兼排風豎井、電纜出線平洞、交通洞、通風洞、排水廊道洞及其他附屬洞室等。

2 電纜出線方式比選設計

抽水蓄能電站工程高壓電纜出線方式的選擇是工程設計的一項重要工作，一般情況高壓電纜出線方式是根據地下主變壓器洞和地面開關站的相對位置關系，可采用平洞、豎井、斜井或其組合的方式布置，經過布置設計、方案比選、論證分析最后確定[1]。黑龍江荒溝抽水蓄能電站主變壓器布置在地下主變壓器洞內，在地面布置500kV開關站場，荒溝工程在招標設計階段，根據實際地形條件，在選定廠房交通洞、通風洞洞線及中控樓位置的基礎上，結合機電、通風及施工道路等因素的布置，對地面開關站位置及高壓電纜出線方式及地下廠房排風布置進行了深入的論證研究，設計了多個方案進行必選[1-5]。

2.1 電纜出線比選方案設計

黑龍江荒溝抽水蓄能電站高壓電纜出線方式比選方案的設計，在考慮高壓出線方式的相關因素的同時，將地下廠房洞室的排風系統設計內容一并考慮，進行統籌設計方案，綜合對比，以達到選擇一個最優的布置方式。

本次設計比選共有六個方案，各方案地面開關站采用同一布置形式，占地面積均按照100m×73m（長×寬）。

方案一：斜井出線＋單獨設置廠房排風豎井方案，開關站布置在廠房東南側460.00m高程，廠房排風豎井位于廠房右端部附近，地面出口高程位于510.00m高程山頂上。

本方案高壓電纜采用斜井出線方式，斜井坡度約30°（i=57.7%），斜井長度約600m，斷面開挖尺寸為6.60m×5.30m （寬×高），凈尺寸為5.80m×4.50m （寬×高）；電纜斜井一側布置高壓電纜，另一側為低壓電纜及交通通道，高壓電纜與低壓電纜之間布置縱墻將其完全分開，為便于運行管理，在交通通道內設置一部索道式纜車；地下廠房排風豎井單獨布置，底部與廠房各排風支洞相連，頂部出露在地面高程510.00m以上，排風豎井長度為338m，噴護段開挖直徑為6.2m，襯砌段開挖直徑為7m，結構內徑為6m，豎井只作為地下排風的通道；需設置永久進場（開關站）公路，改建由上下水庫聯系路至4號施工支洞臨時道路為永久路，以及修建臨時路至排風豎井。出線斜井斷面示意見圖1。

方案二：兩段式豎井出線＋單獨設置廠房排風豎井方案，開關站布置在主變洞上部山頂475.00m高程，廠房排風豎井布置同方案一。

本方案高壓電纜采用豎井出線方式，出線豎井共分成兩段，分別為200m和108m，中部加設10m長出線平段，豎井開挖直徑9m，結構內徑尺寸為8m，兩段豎井間平洞段的斷面凈尺寸4.8m×4.5m（寬×高）；豎井內布置有兩個高壓出線道（兩回電纜分開布置）、控制電纜道、電梯井、樓梯井，通信及通風排煙設施等；廠房排風豎井布置同方案一；需在上下水庫聯系路引出永久進場（開關站）路和臨時施工路，改建由上下水庫聯系路至4號施工支洞臨時道路為永久路，之后設Y形路口，一路通往開關站的永久公路，在開關站的永久路路段內再設Y形路口，設置通往廠房排風豎井的臨時路，另一路為通往電纜豎井施工支洞的臨時路，由于出渣強度不大，施工支洞洞徑確定為5m×5.5m，長約487m。出線豎井斷面示意見圖3。

方案三：平洞、豎井出線（利用通風洞作為出線平洞）＋單獨設置廠房排風豎井方案，開關站布置在廠房北側400.00m高程坡地上，廠房排風豎井布置同方案一。

本方案高壓電纜采用平洞、豎井的出線方式，出線始于主變壓器洞端部進風機室，利用通風洞出線長度約760m，再通過約50m長出線平洞引至出線豎井，豎井高度200m；在考慮通風、低壓電纜及施工出渣要求情況下，通風洞斷面凈尺寸為8.00m×6.50m （寬×高），在增加高壓電纜通道后，斷面凈尺寸為8.00m×7.30m（寬×高），即高度上增加了0.8m；廠房排風豎井布置同方案一；需在上下水庫聯系路引出永久進場（開關站）路，改建由上下水庫聯系路至4號施工支洞臨時道路為永久路，之后修建通往開關站的永久公路，以及修建臨時路至排風豎井。出線平洞斷面示意見圖2，出線豎井斷面示意見圖3。

方案四：平洞出線（利用通風洞作為出線平洞）＋單獨設置廠房排風豎井方案，開關站布置在下水庫進（出）水口北側，位于交通洞與通風洞進口之間，地面高程226.50m，廠房排風豎井布置同方案一。

本方案高壓電纜采用平洞出線方式，出線始于主變壓器洞端部進風機室，利用通風洞作為出線平洞，長度約1266m；廠房排風豎井布置同方案一；開關站進場路無需另外設置臨時及永久公路，僅需設置臨時路至排風豎井。出線平洞斷面示意見圖2。

方案五：一段式豎井出線＋單獨設置廠房排風豎井方案，開關站布置在主變壓器洞上部山頂475.00m高程，廠房排風豎井布置同方案一。

本方案高壓電纜采用豎井出線方式，豎井出口地面高程475.0m，底部高程172.90m，豎井高差308m，在豎井中部設置支洞，將出線分成兩段，支洞下豎井深度為200m，支洞以上108m；豎井內布置有高壓出線道、控制電纜道、電梯、樓梯，通信及通風排煙設施等，豎井的內徑尺寸為8m，豎井開挖直徑9.0m；豎井中間部位設置支洞，主要解決豎井過高，帶來的高壓電纜垂直拉力過大，避免電纜安裝及運行等造成的不安全因素；支洞分上、下兩層，上、下層高度分別為4m、6m，支洞的總寬度為5.7m，支洞長度定為15m；廠房排風豎井布置同方案一；需改建由上下水庫聯系路至4號施工支洞臨時道路為永久路，之后設通往開關站永久公路，在開關站的永久路的路段內設Y形路口，設置通往廠房排風豎井的臨時路。出線豎井斷面示意見圖3。

方案六：出線豎井兼排風豎井的一個大井方案（電纜出線豎井、廠房排風豎井合并方案）[6]，開關站布置在廠房右端頂部山頂510.00m高程，大井位于廠房右端部附近，地面出口高程位于510.00m高程山頂上。

本方案高壓電纜出線與地下廠房系統排風合并共用一個豎井，井內采用結構分隔，豎井內布置有高壓出線井、控制電纜井、電梯、樓梯、排風井等；豎井的內徑尺寸為9.5m，開挖直徑10.5m；豎井底部設置一聯絡洞與廠房交通洞相通，既可作為施工期豎井出渣交通聯絡洞，也可作為電站永久運行交通通道，聯絡洞為城門洞形，開挖尺寸4.8m×5.9m，洞長18.38m；出線豎井高338m，為滿足電纜敷設要求，在出線豎井中部設置支洞，支洞下豎井高度約為168m，支洞以上豎井高度為170m，豎井頂部地面出口在開關站場地內；豎井支洞分上、下兩層，上、下層高度分別為4m、6m，支洞的總寬度為5.7m，支洞長度定為15m；需設置永久進場（開關站）公路，改建由上下水庫聯系路至4號施工支洞臨時道路為永久路，之后設通往開關站永久公路。電纜兼排風豎井斷面示意見圖4。

各方案中出線斜井、平洞、豎井斷面示意見圖1～圖4。

2.2 設計方案比選

（1）技術比較。

方案一：

1）出線斜井施工[7]：斜井坡度為30°，兩回500kV電纜沿電纜斜井敷設引出。優點：電纜施工技術上比較成熟，敷設條件較好。缺點：土建開挖難度較大，施工安全性不易保證。

圖1 出線斜井斷面示意圖Figure 1 Diagrammatic sketch of outgoing inclined shaft section

圖2 出線平洞斷面示意圖Figure 2 Schematic diagram of exit plain hole section

圖3 出線豎井斷面示意圖Figure 3 Schematic diagram of outlet shaft section

圖4 電纜兼排風豎井斷面示意圖Figure 4 Diagram of section of cable-cum-exhaust shaft

2）排風豎井施工。

優點：土建開挖施工技術成熟度較好，安全度較高，技術上有可靠的保證。

方案二：

本方案采用兩段式豎井出線方案[7-9]，若電纜采用一段豎井垂直敷設，高差為308m，而目前，豎井深度最大的瀑布溝水電站豎井深度為256.9m，荒溝工程如此大的落差，目前在國內外還沒有一例工程業績。所以將308m高的電纜豎井分為兩段，一段深200m，另一段深108m，兩段豎井間以一條平洞相連。

1）電纜施工。

優點：200m及以內垂直段電纜施工從設備制造和施工方面均有成熟的經驗，技術上是可行的。

2）豎井施工。

優點：土建開挖施工技術成熟度較好，安全度較高，技術上有可靠的保證。

方案三：

地面開關站與地下廠房之間的兩回路500kV電纜，每回長約1084m，電纜過長，需設置電纜中間接頭。

1）電纜施工。

缺點：因電纜中間接頭是運行中故障多發處，會給安全運行帶來隱患，降低了可靠性，所以該方案與無接頭方案相比技術可靠性較差。

2）豎井施工。

優點：土建開挖施工技術成熟度較好，安全度較高，技術上有可靠的保證。

方案四：

地面開關站與地下廠房之間的兩回路500kV電纜，每回長約1358m，電纜過長，需設置電纜中間接頭。

1）電纜施工。

缺點：本方案和方案三存在同樣問題，因電纜中間接頭是運行中故障多發處，會給安全運行帶來隱患，降低了可靠性，所以該方案與無接頭方案相比技術可靠性較差。

2）排風豎井施工。

優點：土建開挖施工技術成熟度較好，安全度較高，技術上有可靠的保證。

方案五：

本方案在豎井中部設置支洞作為高壓電纜緩沖平洞，該方案與方案二基本相同，只是以支洞代替兩段豎井間平洞。

1）電纜施工。

優點：電纜施工從設備制造和施工方面均有成熟的經驗，技術上是可行的。

2）豎井施工。

優點：土建開挖施工技術成熟度較好，安全度較高，技術上有可靠的保證。

方案六：

本方案在豎井中部設置支洞作為高壓電纜緩沖平洞，本方案與方案五相同。

1）電纜施工。

優點：電纜施工從設備制造和施工方面均有成熟的經驗，技術上是可行的。

2）豎井施工。

優點：土建開挖施工技術成熟度較好，安全度較高，技術上有可靠的保證；由于本方案中豎井底部與廠房交通洞相通，施工出渣、施工交通等相對較為方便。

經過對各方案的技術條件分析，方案一、方案二、方案五及方案六電纜敷設技術上均較為成熟，且斜井敷設及豎井敷設無較大差異，方案三和方案四需設置電纜中間接頭，與無接頭方案相比技術可靠性較差。方案一中有斜井開挖施工，相對豎井開挖施工難度較大，施工安全不易保證。

（2）安裝、運行及維護。

1）方案一為便于地面開關站與地下廠房之間的交通聯絡和運行維護，在電纜斜洞內設交通用纜車。

2）方案二豎井內設有電梯和樓梯，便于安裝、運行和維護，且電梯的安全鑒定等相對成熟且簡單，但該方案設置兩段豎井，需通過兩部電梯才能到達開關站。

3）方案三利用部分通風洞作為出線平洞，通風洞比較平緩，便于電纜的施工和以后的運行維護，該方案豎井段設有電梯，也便于以后的運行和維護。

4）方案四利用通風洞作為出線平洞，通風洞比較平緩，便于電纜的施工和以后的運行維護，且該方案開關站位于通風洞、交通洞進口，距離綜合樓較近，其開關站運行管理和維護均是最便利的。

5）方案五一段式豎井直達開關站，豎井內設有電梯和樓梯，對于安裝、運行和維護條件來說，該方案比方案二兩部電梯方案在運行、維護上更為便利。

6）方案六一段式豎井直達開關站，與方案五相同，豎井內設有電梯和樓梯，且豎井與廠房交通洞直接相通，地下廠房與地面開關站之間的交通更加便捷，對于安裝、運行和維護條件來說，該方案比方案二、方案五，在運行、維護上更為便利。

經過對各方案的安裝、運行及維護條件分析，方案四是完全利用平洞出線，其安裝、運行及維護條件是最優的，且其開關站運行管理最為便利，但方案三、四技術條件較差，因此不做深入比較；在方案一、二、五、六中，各方案均設置電梯或纜車，安裝、運行均較為方便，方案六豎井電梯與廠房交通洞直接相通，致使地下廠房與地面開關站之間交通更為便利，安裝、運行及維護條件較優。

（3）交通道路。

為使開關站、電纜井及排風豎井工程具備施工條件及永久運行條件，各方案交通道路統計見表1。

表1 各方案交通交通道路統計表Table 1 Traffic road statistics for each programme

可見，若從交通道路設置及施工占地影響角度分析，方案四最優，方案一次之，方案二相對路線較長、占地較多。

（4） 工期。

六個方案在施工進度上均不對關鍵線路產生影響，對工期均無大的影響，但方案一、二、五均需經過主變壓器洞出渣，對主變壓器洞工期有一定影響，方案六直接從廠房交通洞出渣，相對地下洞室工期影響最小。

（5）經濟比較。

經濟比較主要考慮建筑工程、交通工程及機電設備工程幾個方面的直接工程投資估算。

各方案高壓電纜長度統計見表2。

表2 高壓電纜長度統計表Table 2 High voltage cable length statistics table

各方案投資估算見表3。

由表3可以看出，方案一投資最小，方案五、六次之，方案三、四投資較大。

2.3 比選結論

根據以上各項比選內容，進行綜合分析：①方案三與方案四在技術上由于需要設置電纜中間接頭，相對無接頭方案技術可靠性較差，且經濟投資相對其他方案較大，因此首先排除這兩個方案。②方案一雖然在經濟投資上是最優的，但在斜井開挖施工中，相對豎井開挖施工難度較大，施工出渣及施工排水等均較困難，且施工期安全不易保證，存在一定的安全隱患。③方案二、方案五、方案六均為豎井出線，施工難度基本相同，從運行管理方面，方案六的豎井底部與廠房交通洞直接相通，豎井相當于地下廠房與開關站的一個主要交通通道，地下廠房與地面開關站之間交通最為便利，運行管理條件相對較優；經濟投資上，三個方案的投資差值較小；施工方面，方案六出渣直接從交通洞出渣，而方案二和方案五均需經過主變壓器洞出渣，對主變壓器洞工期有一定影響。

表3 投資估算匯總表Table 3 Summary of investment estimates 萬元

綜上分析，方案六具有相對施工難度小、施工安全度高、施工出渣及運行管理方便等優勢，故推薦方案六為最終方案，即電纜出線豎井兼排風豎井的一個大井方案。

3 結束語

黑龍江荒溝抽水蓄能電站電纜出線方式的選擇，是經過技術、經濟、工期運行、維護等多方面論證研究，綜合分析確定的布置型式，即電纜出線豎井與地下廠房排風豎井結合布置的型式。本方案電纜及豎井施工技術成熟，相對施工難度小、施工安全度高、施工出渣及運行管理方便等優勢，同時布置型式還具有一定的特點。

（1）豎井具有電纜出線及地下廠房排風功能，同時兼有交通功能，屬于“一洞多用”的布置型式。

（2）豎井布置中，充分利用豎井截面，井內分隔成多個功能空間：電梯及電梯前室、樓梯間、高壓電纜井、低壓電纜井、地下洞室排風井、電梯泄風、電纜事故排煙井等，充分利用井內空間，減少豎井工程量。

（3）黑龍江荒溝抽水蓄能電站豎井布置新穎、獨特，是一種新型電纜出線的布置型式，不僅滿足工程功能上的要求，由于電纜豎井與排風豎井合并布置，減少總占地面積，還有利于環境保護和水土保持，符合國家生態建設的宗旨。