蒲石河抽水蓄能电站工程设计

2012-04-28郑光伟张泽明王广福崔金铁

水力发电 2012年5期

郑光伟，张泽明，王广福，崔金铁

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021；2.辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁丹东 118216）

1 电站概况

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省宽甸满族自治县境内，距丹东市约60 km；是东北电网建设的第一座大型纯抽水蓄能电站，总装机容量1 200 MW，安装4台单机容量为300 MW可逆式水泵水轮发电机组；承担东北电网和辽宁省网的调峰、填谷、调频和事故备用；电站年平均发电量18.6亿kW·h，年平均抽水电量24.09亿 kW·h，综合效率77.2%；电站以一回500 kV出线接入丹东变电所，线路全长约58 km。

电站由上、下水库工程、输水系统、地下厂房系统及地面开关站等建筑物构成。

2 上水库

2.1 库容及特征水位

蒲石河抽水蓄能电站上水库库容构成按装机规模1 200 MW、日调节抽水蓄能电站的功能设置：日发电调节库容按1 200 MW泵工况满抽6 h的水量785万m3，加日发电调节库容10%作为库容计算裕度，即79万m3；紧急事故备库容按2台机600 MW满发2 h用水量165万m3计。3项合计有效库容为1 029 万 m3。

根据地形地质条件及上水库进出水口布置要求，确定其死水位为360.00 m，死库容为227万m3（回填后为95万m3）；正常蓄水位392.00 m，建成后实测有效库容为1 040万m3，比原设计多11万m3。上水库集水面积仅为1.12 km2，洪水产生的洪量少，故上库不设泄洪建筑物泄水，将其24 h洪量全部蓄在库内正常蓄水位以上，以此计算设计洪水位和校核洪水位。

2.2 钢筋混凝土面板堆石坝

根据以往面板堆石坝的工程实践经验，结合蒲石河蓄能电站选用水泥、粉煤灰、砂石骨料的具体情况，在科学试验的基础上，提出了具有可补偿收缩防裂性能并且满足C30F300W10要求的混凝土科学配比，按此配比修建的趾板、面板至今没有发现有害的裂缝，效果很好。

垫层料的排水性能、冻胀性能试验证明，冰冻期水库水位消落后，面板不会产生有害的反向水压力和冻胀力。

2.3 渗控工程

蒲石河抽水蓄能电站上水库是三面环山沟口筑坝形成的天然库盆。库区范围均为早元古代的混合花岗岩。库周全长3 617 m，地下水位和相对不透水层（q≤3 Lu）高程高于正常蓄水位（392.00 m）的分水岭段长占总长的71%，存在渗水可能性的占29%，其透水率为3～17 Lu，多为弱透水，且渗径较长。

上水库的渗控工程包括坝基、坝肩、库周的防渗工程，它们形成了一个封闭有效的防渗体系。根据水文、工程地质条件，设计采用单排帷幕灌浆作为该体系的防渗措施，孔距2 m，孔深入3 Lu线以下7 m，灌浆后q≤3 Lu。

2.4 水位变化区岸坡防护

上水库水位最大消落深度32 m，运行水位最大消落速率超过5 m/h。上水库水位变化区岸坡主要受以下因素影响：①库水位骤降时，岸坡 “内水”外渗，可能造成细粒流失；②暴雨及其表面径流冲蚀岸坡；③波浪冲刷，可能造成岸坡再造；④冬季冰冻对岸坡的冻害，岸冰与库岸泥沙冻结在一起，水位急骤消落时，流向库内和进口，造成泥沙在库内和进口淤积，增加水流含沙量，磨蚀机组过流部件，影响机组效率和寿命。

基于上述因素，比选后决定采用钢筋混凝土网格梁+干砌石的岸坡防护方案。

2.5 死库容用弃渣回填

为减少上库区开挖弃料的运距、降低开挖单价、减少弃渣场占地和初期蓄水上水库的充水量，库底358.00 m高程以下死库容全部用弃渣回填，体积约130 余万 m3。

3 下水库

3.1 库容及特征水位

下水库坝址以上流域面积1 141 km2，多年平均流量22.9 m3/s。下水库是蒲石河蓄能电站的专用水库，其日发电调节库容785万m3、计算余量79万m3、紧急事故备用165万m3，下水库冰冻备用库容按其年最大结冰厚度（0.77 m）计算为226万m3。调节库容合计1 255万m3。正常蓄水位为66.00 m。由地形地质和下水库进出水口布置条件确定，死水位为62.00 m，相应死库容为1 616万m3。正常蓄水位以下的总库容为2 871万m3。

下水库因汛期有泄洪、排沙、防淤要求，泄洪能力大，故下库的设计洪水位（P=0.5%，Q=9 950 m3/s）、校核洪水位（P=0.1%，Q=12 590 m3/s）均不超过正常蓄水位66.00 m。

3.2 下库坝

下水库混凝土重力坝由两岸挡水坝段、泄洪排沙闸、引水坝段及坝后厂房共计19个坝段组成。最大坝高34.10 m，坝顶长336 m。坝断面设计：上游坡直立，下游坡1∶0.75，坝顶高程70.10 m。各坝段坝顶宽度视坝顶交通和布置需要而不同。

7孔泄洪排沙闸位于主河床4号～11号坝段，坝段宽度18 m，溢流面中间分缝；溢流孔宽14 m，墩厚4 m，堰顶高程48 m，堰上最大水深18 m。弧门挡水，孔前设有检修门槽。采用底流消能，消力池底高程38 m，池深5.8 m，顶高程43.8 m。

整体水工模型试验验证：下库坝过流能力、消能效果均满足设计要求；泥沙数学模型和委托长江科学研究院所作的 1∶100完整库段（河道长 11.5 km）物理模型试验证明，下库大坝能够满足泄洪、排沙、防淤调度的要求。

3.3 闸墩结构和弧门

（1）空腔锚块式预应力闸墩。有限元计算和结构模型试验证明，采用空腔式锚块，不仅闸墩颈部、锚块应力状态好，而且能够降低吨锚比，吨锚比仅为1.41。闸墩预应力设计吨位:中墩主索为48 000 kN，边墩主索为24 000 kN。中墩主索设计16束，2排布置，每排8束，设计吨位3 000 kN/束；次索3排，每排5束，共计15束，设计吨位2 000 kN/束。边墩主索1排，8束；次索1排，5束；主次索设计吨位同中墩，材质选用1860级的钢绞线。施工张拉吨位原设计：主索3 500 kN/束，次索2 300 kN/束。实施中，因预应力损失大，故提高张拉吨位，主索3 800 kN/束，次索2 500 kN/束；以确保满足设计吨位要求。

（2）三支臂弧门。露顶大型弧门孔口尺寸14 m×19 m （宽×高），设计水头18.5 m，弧门承受的总水推力达34 000 kN；运用上要求操作快捷方便。经流激振动模型试验及有限元分析，优选了三支臂型闸门结构，有效改善了弧门的动力特性。

（3）中孔弧门采用专利技术。为了满足7孔泄洪排沙闸的中间一孔在非汛期（含冰冻期）能够启闭自如的要求，设计采用了我公司的 “一种保障露顶式闸门冬季正常运行的融冰设备”的专利技术，对该孔弧门、埋件加热，以确保冬季弧门运行安全。

3.4 下水库防淤

下水库多年平均输沙量57.2万t，其中推移质13.3万t。输沙与洪水过程同步，但沙量比洪量更集中，如1979年6月26日洪水实测最大含沙量19 kg/m3，日均8.8 kg/m3。该年最大1日输沙量占全年的70.3%，2日输沙量占全年97.3%。除较大洪水期间外，通常河水清澈，沙量很少。

上述水沙特点，给工程带来的影响：一是造成水库淤积；二是洪水期间过机水流含沙量高，使水泵水轮机过流部件严重磨蚀，效率和寿命降低。为此采取以下措施：下水库进出水口选址远离水库行洪主流；下水库进出水口前缘设拦沙坝，取含沙量低的表层水；科学避沙，包括输沙高峰事短时间停机避沙。

由水库泥沙淤积数学模型和物理试验成果分析知，减少水库淤积最有效的办法是洪水期降低水位运行（见表1），其好处是：

（1）降低水位，缩短了水库的回水长度，提高了过库水流速度，减少了含沙水流在库内的滞留时间和淤积量，增加了排沙比。

（2）降低水位运行，使淤积主要发生在死水位以下，有效库容落淤很少（见表1）。

表1 汛期不同排沙运行水位50年计算淤积量对比

由表1可见，降低水位运行对减少有效库容淤积非常有效。

4 输水系统

4.1 输水系统布置

输水系统由引水系统和尾水系统组成。引水系统由上水库进出水口、引水隧洞上平段、斜洞段、下平段、高压岔管、高压引水钢管组成。尾水系统由尾水支洞、尾闸室、尾水岔管、尾水调压井、尾水主洞、下水库进出水口组成。

上水库进出水口由引水明渠段、拦污栅、扩散（收缩）段、竖井式事故闸门井组成。进口拦污栅不设启吊和清污设施；闸门井设有事故检修闸门和液压启闭设备。

引水系统采用2洞4机布置，各段主洞和岔管均采用钢筋混凝土衬砌，衬砌后的内径8.1 m；初砌厚度上平段50 cm，斜洞段60 cm，岔管段80 cm；引水高压钢管段，内径5 m，外包80 cm混凝土。靠近厂房处钢管内径渐变为2.95 m，与球阀进口相接。靠近厂房35 m的钢管段，按明管设计。采用国产B610CF钢板，厚度46～58 mm；其余按埋管设计，采用Q345D钢板，厚度34～54 mm。埋管段在钢衬安装前先进行裸岩固结灌浆；钢衬起始段设3道止水环，末端设2道止推环。4条钢管上方与钢管平行设置3条断面为2.5 m×3.5 m排水廊道，向上钻有排水孔；在钢管的管壁与岩壁铺设软排水管。

尾闸室后的尾水支洞、尾水岔管、尾水调压井、尾水主洞均采用钢筋混凝土衬砌。尾水调压井为阻抗式，阻抗孔直径7.5 m，井高30 m，钢筋混凝土衬砌厚度50 cm；大井内径20 m，高80 m，衬砌厚度120 cm。穹顶采用喷锚支护。

下库进出水口由引水明渠、拦污栅、扩散（收缩）段、岸塔式检修闸门井组成。明渠前缘设有拦沙坎，进口前设有沉沙坑。

4.2 输水系统设计主要特点

（1）引水系统采用4洞4机布置，尾水系统采用1洞4机布置。主要考虑高压引水系统较尾水系统事故率高，1台机组故障仅影响2台机，对系统影响小；首台机组发电时土建与安装工作量较少。尾水系统1洞4机布置较经济，有利于施工。

（2）采取相应措施，取消引水调压井。尽量缩短洞长，降低进口高程，适当加大上平段的坡度，降低上湾段（上平段的末端）高程，以保证上平段洞顶最小压力满足要求。

（3）引水系统轴线与厂房轴线平行布置，引水支洞成 “F”形斜向进厂（洞轴和厂轴成60°角），有利于减少厂房跨度和调整2条引水下平洞间的距离。

（4）下水库进出水口选在蒲石河左岸黄草沟出口右侧，远离行洪主流，并在进口明渠前缘设有拦沙坎，以减少过机沙量。在黄草沟沟口筑坝拦沙，在远离进出口黄草沟出口左侧修建泄洪排沙洞。

4.3 技施阶段主要设计优化

（1）引水隧洞下平段洞间距离由30 m调整到60 m。调整原因：①引水洞下平段两洞间水力梯度大（最大水力梯度为485/20.7=23.43）；②贯穿 1号、2号引水洞下平段的2号施工支洞应力松弛区发生水力劈裂的危险性增加；③2号施工支洞贯穿两洞间的封堵体长度仅为20.7 m，很难满足稳定安全性要求。为此，及时调整了1号发电引水斜洞段及下平段的布置。即，2号引水洞、4条压力钢管段及1号引水洞上平段布置保持不变，只改变1号引水洞的上弯段、斜洞、下平段的布置，使1号斜洞段与2号斜洞间的距离自上而下由30 m渐变到60 m，使下平段洞间距离由30 m调到60 m。调整后两洞间水力梯度由23.4降为9.57，使围岩渗透稳定和洞间封堵体的稳定安全得以保证；减少了厂房的渗漏排水量。

（2）尾水管至尾闸室的尾水支洞衬砌形式由钢筋混凝土衬砌改为钢衬。主变室开挖后发现洞壁构造出露部位滴水潮湿，分析这些构造与位于其下的尾水支洞相贯通；支洞衬砌为钢筋混凝土，衬砌开裂造成的内水外渗是难免的，预计运行后渗水会加剧，影响主变室电气设备运行安全。故，将衬砌改成钢衬。

（3）下平段F3断层处理。F3断层贯通1号和2号引水洞下平段。断层宽3.5～5.0 m，其中心由糜棱状碎块夹碎屑和断层泥组成。原设计方案:洞室断层深挖回填混凝土并灌浆改善断层性状，形成刚性楔体，并进行了加强固结灌浆处理。因该方案灌浆难度大，质量难以达到预期效果；故改为局部钢衬方案。经充水试验和首台机组发电检验，其效果良好。

5 地下厂房系统

5.1 系统构成

地下厂房系统由主副厂房、主变室、尾闸室、母线洞、高压电缆洞、地面开关站、中控室及附属洞室等组成。附属洞室有交通洞、主变搬运洞、通风洞、排水廊道和排风竖井等。

地面控制室位于进厂交通洞口；地面开关站位于主变室下游侧216 m高程处，占地面积70.4 m×61.3 m。

5.2 厂房布置

（1）厂房交通洞与通风洞分开布置在厂房两端，作为两个独立的由地下通往地面的安全出口。

（2）厂内交通在满足运行管理使用和防火安全的同时，考虑更为人性化。主副厂房、主变室各层平面交通顺畅：副厂房底层与安装间底层、主机间、母线层同层；主副厂房各设1部电梯，主机间各机组段均设1部楼梯，副厂房设2部，主变室设3部。

（3）母线洞分两层布置。母线洞设计为两层结构，上层布置发电机电压互感器柜、启动母线、换相开关和电制动开关，下层布置发电机出口开关、换相开关、励磁变压器和电压互感器柜等设备。

（4）一洞多用永临结合。交通洞与施工出渣、电缆洞结合，通风洞与出渣洞结合；2号施工支洞兼作尾闸室交通洞；部分排水廊道兼作电缆通道等。

（5）重视地下厂房通风、防潮、除湿设计。厂房的送排风系统由2个送风机室、3个排风机室和2个通往地面的排风竖井组成。主厂房排风竖井直径4 m，副房排风竖井直径1.4 m。优化送、排风系统，避免洞壁冬季结露、潮湿；主厂房下层、尾闸室等潮湿部位设置升温型除湿机。

5.3 厂房结构

（1）各洞室围岩支护以普通砂浆锚杆为主，局部视需要加设预应力锚索。

（2）厂房抗震设计思路是：尽可能提高整体和单体结构刚度，降低结构振动的幅值；把结构的固有频率与迫振频率错开。为此，采取了加强厂房各墙体与围岩的密贴、锚固，机架、定子基座等应力集中部位加强配筋，吊物孔、孔洞周边及角缘部位、楼板、风罩、主柱等构件连接部位局部加强等各项措施。

（3）岩锚吊车梁。在厂房开挖至吊车梁高程以下适当高程时，按设计要求先期浇筑岩锚梁。这有利于减少厂房开挖跨度和方便后期施工。

（4）钢蜗壳与外围混凝土联合承载。蜗壳正常运用最大静水压力394 m水头，最大动水压力水头500 m。蜗壳混凝土采用保压浇筑方式，保压水头197 m。超过197 m水头由钢蜗壳和外围钢筋混凝土结构共同承担。

（5）主厂房吊顶采用拱形螺栓球网架结构+彩钢板防水层；主变室及尾闸室吊顶采用无梁 “U”型彩钢板拱形结构。上述吊顶形式，结构简单耐久，造型新颖、美观，施工快捷方便，造价低。

6 电站机电工程设计

6.1 水泵/水轮机

电站共装设4台水泵/水轮机，为单级混流可逆式，机组采用上拆方式；发电电动机为立轴半伞式（具有上、下导轴承）、密封自循环、空气冷却、三相凸极、可逆式同步电机。

调速器采用PID数字式电液微机调节，反馈装置配有导叶分段关闭装置。

进水阀为卧轴双密封、双接力器式球阀，直径为2.7 m，油压操作。

每台机组的调速器和球阀配置1套油压装置，并共用1个回油箱。

6.2 电气主接线

单机容量为300 MW的可逆式机组，发电电动机与变压器组合方式为单元接线，共4组发电电动机－变压器单元，在发电电动机和主变压器之间，装设有发电机断路器和换向隔离开关，发电/电动机工况转换时的换相、同期均在发电机出口侧进行。每2组发－变单元在主变500 kV侧组成联合单元，其联合母线及相关设备均采用500 kV GIS户内配电装置。500 kV开关站采用二进一出的三角形接线。

6.3 厂用电电源及接线

高压厂用电源的数量为5回，相互独立，其中4回分别来自1号～4号机组的发电电动机18 kV侧机端，另有1回10 kV电源来自地区保留的66 kV施工变电所，即小山变电所。此外，电站还设有1台800 kW的柴油发电机组作为保安和黑起动电源。

高压厂用电供电方式采用2台容量各为5 000 kV·A、18/10 kV的三相干式变压器。电站10 kV厂用电系统由3段母线组成。

6.4 调度控制方式

蒲石河抽水蓄能电站采用全计算机监控系统。电站接受东北网调的直接调度，在丹东市设蒲石河抽水蓄能电站远方集控中心。电站运行人员可在蒲石河电站洞口控制楼的中控室或丹东市集控中心的中控室，通过计算机监控系统的操作员工作站对电站进行控制和调节。

6.5 机电工程设计的特点

（1）泥沙磨损研究与避沙运行方案。蒲石河电站主汛期天然河水含沙量较大，如防避措施不当，部分泥沙将会进入输水系统和机组流道，当过机含沙量较大时，泥沙磨损会对机组造成严重的破坏。在水泵水轮机的参数选择（比转速、额定转速、安装高程）、结构型式和拆装方式选择上充分引用了“蒲石河抽水蓄能电站水泵水轮机泥沙磨损试验和机组参数分析论证”的科研成果。

（2）排水系统安全设计。电站厂内渗漏排水系统全厂设1个容积约为1 100 m3排水廊道。在排水廊道两端各设1个渗漏集水井，每个集水井配3台深井潜水泵，2台工作，1台备用。排水廊道作为事故备用，可在出现爆管、闸门漏水等突发事故时延缓水位上升而水淹厂房的时间。

（3）发电电动机继电保护控制逻辑回路的改进。抽水蓄能电站运行工况复杂，继电保护对可靠性的要求很高，事故情况下需要继电保护100%可靠动作。为使继电保护不依赖监控而独立运行，利用保护装置本身所具有的开关量输入将所有运行工况逻辑编程。这样简单、可靠、实用。

（4）低周波自启动设计。抽水蓄能电站低频自启动功能包括低频切除抽水机组和低频启动发电机组两种功能。快速切除正在抽水的水泵负荷，可抑制系统频率下降；快速启动发电机组，可向系统补充必要有功功率，恢复系统频率到可以运行操作的较高数值。设计提出低频自启动控制策略，编制低频自启动控制流程。