洪屏抽水蓄能电站枢纽布置优选论述

2016-11-23冯仕能李幼胜

水力发电 2016年8期

关键词：主坝库岸坝址

冯仕能，李幼胜

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

洪屏抽水蓄能电站枢纽布置优选论述

冯仕能1，李幼胜2

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

洪屏抽水蓄能电站上水库库区为一四面环山的天然盆地，在其南侧狮子口以及西南侧、西侧的两条副沟设置主坝、西南副坝、西副坝而形成。下水库在秀峰河丁坑口下游筑坝形成，电站发电引水系统采取地下厂房中部开发方式；工程地处三爪仑国家森林公园，电站枢纽布置充分考虑了环境景观设计。

枢纽布置；工程特点；洪屏抽水蓄能电站

1 工程概况及建设条件

江西洪屏抽水蓄能电站(以下简称“洪屏电站”)位于江西省靖安县境内，紧靠江西省用电中心，距南昌、九江、武汉直线距离分别为65、100 km和190 km。鄂赣联网的500 kV输电线路从洪屏电站附近通过。工程地理位置较好，接入系统方便，自然条件优越，经济指标优良。

洪屏电站为周调节纯抽水蓄能电站，可行性研究设计阶段推荐按分期开发，一期装机容量为1 200 MW，终期装机规模为2 400 MW。电站建成后，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。电站一期以500 kV一级电压等级接入系统，出线一回接入江西500 kV梦山变电站，并预留2个出线间隔。设计年发电量17.43亿kW·h，年发电利用小时数为1 453 h。

电站枢纽建筑物主要包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群和地面开关站等。工程招标和施工图阶段，根据洪屏电站工程的特点，对其上水库库底防渗形式、主坝坝轴线以及开关站位置进行了优化调整，以确保工程安全。

洪屏电站工程自然条件优越，上水库成库条件好，库容大，主坝、两座副坝规模小，库盆防渗主要位于坝前；下水库为流域规划的站址，具有库容大，调节能力强的优势；电站水头高，输水系统距离短，距高比小，地下厂房及主变洞工程地质条件优良。

上水库位于三爪仑乡塘里村的洪屏自然村，为四面环山的沟源天然盆地，库底高程约688～698 m，库内有2条小溪，集雨面积为6.67 km2，其年平均流量为0.213 m3/s。下水库位于潦河二级支流北河上游河段的秀峰河上，坝址以上流域面积为420.0 km2，年平均流量8.33 m3/s。工程区属亚热带季风湿润气候区，气候温和，雨量充沛，日照充足，四季分明。下水库多年平均降雨量为1 663.4 mm。年降水主要集中在3～9月，占全年降水量的83%。

输水系统和地下厂房位于上下库之间的山体内，上下水库间平均水头552.5 m，输水系统水平长2 144.4 m，电站距高比3.88，开发条件优良。厂房段地质条件良好，采用中部布置形式。

工程场地50年超越概率10%的基岩水平向加速度峰值为0.053g，地震基本烈度为Ⅵ度；主要地层岩性为变质含砾中粗砂岩、变质中细砂岩、变质泥质粉砂岩，地层之间均为整合接触；NE～NEE向断层发育，次为NW向，断层带渗透性和导水性较好。

工程下水库有地方旅游公路从左岸通过，上下水库间现有简易道路相通，交通条件便利。

2 枢纽布置及主要建筑物

2.1 枢纽布置方案比选

洪屏电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站组成。利用三爪仑乡洪屏自然村高山盆地筑坝形成上水库，在秀峰河上丁坑口至岩背村间的峡谷河段筑坝形成下水库，在上、下水库间山体内布置输水发电系统的枢纽总布置(见图1)。

图1 枢纽总布置示意

2.1.1 上水库

上水库主要建筑物有主坝、西副坝、西南副坝和进/出水口等。由于受地形条件限制，上水库主坝和两座副坝的坝址选择余地不大，可研设计阶段只针对坝线和坝型进行了比选，技施阶段又对主坝坝线作了优化调整。根据主坝坝址区的地形、地质条件，适合布置大坝的位置为狮子口冲沟沟口约30～50 m的范围内。该范围的上游地形呈突阔的喇叭口，下游冲沟沟底纵坡突降，均不适合布置大坝。可研设计阶段在此范围内，综合考虑地形地质条件、枢纽布局及施工等因素，拟定了一条坝线(靠狮子口下游侧)进行坝体布置；技施设计阶段，经原审查单位审查同意，将主坝坝线往上游调整了30 m，移至可研阶段勘Ⅰ线位置，改善了溢洪道泄洪条件，工程投资也有所减少。西副坝选择在垭口相对狭窄处布置坝线，其右岸上下游地形零乱，冲沟发育，没有别的合适坝线。西南副坝按混凝土面板堆石坝坝型，布置了2条坝线进行比较，上坝线方案距上库进/出水口约50 m，下坝线方案即为预可阶段坝线，距上库进/出水口约450 m。两方案坝体规模均不大，下坝线方案相对较小，投资比上坝线方案少966万元，但由于南库岸存在渗漏问题，采用上坝线方案可缩短库岸防渗长度约400 m，同时库底水平防渗铺盖也可大大减少，考虑库岸防渗投资后上坝线方案投资低于下坝线方案3 000余万元，明显优于下坝线方案，推荐采用上坝线方案。

主坝坝址地形为“V”形峡谷，沟谷狭窄，两岸和坝基基岩裸露，中粗砂岩致密坚硬，适合修建混凝土重力坝；而西南库岸垭口和西库岸垭口沟谷宽阔，坝址基岩分别为抗风化能力较低的变质中细砂岩和变质泥质粉砂岩，岩体破碎，风化较深，适合修建当地材料坝。可研阶段主坝坝型比选了混凝土重力坝和面板堆石坝两个方案。狮子口沟为泄流主沟，重力坝坝身设置两孔开敞式溢洪道，受地形条件限制，面板堆石坝方案也采用坝身溢洪道。面板坝方案采用坝身溢洪道，坝体结构设计相对复杂，施工干扰较大，混凝土重力坝方案结构布置简单，施工方便，技术难度小，综合考虑后推荐混凝土重力坝方案。

考虑到南库岸的防渗方案采用水平防渗，混凝土面板堆石坝的上游防渗面板可以和库岸混凝土防渗面板形成较好的防渗接头，故西南副坝拟定混凝土面板堆石坝坝型作为推荐坝型。

西副坝可研设计阶段拟定混凝土面板堆石坝和粘土心墙堆石坝进行技术经济分析比较，上水库石料和粘土料源有保证，两方案技术上均可行，但粘土料天然含水量普遍偏高，粘土储量较大的东库岸料场砾石含量较高，施工难度较大。另外，考虑南库岸防渗形式及西南副坝坝型的一致性，选择面板堆石坝为西副坝推荐坝型。

2.1.2 下水库

可研设计阶段，结合坝型对下水库坝址进行了比较选择。下水库为河道峡谷型水库，库区长约10 km。根据地形地质条件分别在丁坑口下游370 m和上游1 500 m拟定上、下坝址。上坝址区河谷较开阔，呈不对称的“V”形，左岸见强～弱风化基岩出露，岩性为变质中细砂岩，右岸覆盖层厚2～22.3 m，弱风化厚度一般大于32 m，坝址区断层发育。上坝址工程地质条件较差，按混凝土面板堆石坝进行设计，最大坝高64.8 m，坝顶长度310.2 m，正常蓄水位186.0 m，右岸坝肩布置岸坡开敞式溢洪道，挑流消能，全长642 m。下坝址位于丁坑口至岩背村间的河湾峡谷处，河谷狭窄，呈不甚对称的“V”字形，两岸弱风化基岩裸露，岩性为变质含砾中粗砂岩，构造较发育。下坝址基岩裸露，地质条件好，适合建造混凝土重力坝，按碾压混凝土重力坝设计，最大坝高77.5 m，坝长179 m，中间布置3孔溢洪道，正常蓄水位181.0 m。下坝址为流域规划中的丁坑口梯级坝址，工程地质条件好，枢纽布置紧凑，利用坝身溢流较好地解决了电站大流量泄洪的问题，施工导流布置条件也好，不利的是下坝址方案水库移民、淹没稍多。另外，两坝址总投资较接近。综合考虑推荐下坝址方案。

针对选定的下坝址，就混凝土重力坝方案初拟3条坝线进行比选，上、中、下坝线间距100 m和95 m，均具备建造混凝土重力坝的地形地质条件。从地形上看，上坝线和中坝线位于河道拐弯处，存在泄洪出水不畅问题；而下坝线下游河道较顺直，泄洪出水较顺畅；工程地质条件差异程度不明显；坝体规模相当，投资比较接近。考虑泄洪消能因素，选择下坝线为推荐坝线。

下水库坝型比较了常态混凝土重力坝和碾压混凝土重力坝：两坝型地质条件、水工布置相同，施工条件、布置及工程进度基本相同；但从工程投资方面分析，碾压混凝土重力坝比常态混凝土重力坝节省投资约834万元，具有一定的优势。故，推荐采用碾压混凝土重力坝。

2.1.3 输水发电系统

前期设计阶段，根据上、下水库间的地形、地质条件，结合工程总体布置，输水发电线路拟定了具有较好开发条件的左线和右线两个方案进行线路比选。左线和右线方案分别布置在狮子口沟的左右侧。方案比较时地下厂房均采用中部开发方式，上下水库布置一致。从工程布置上看，输水线路左线和右线方案均是可行的，两者工程地质条件基本一致，右线略优；其主要差别在于左线方案洞线长度比右线长235 m，且左线方案厂房位置岩体覆盖厚度较大，排风竖井相应较高，500 kV电缆洞较长。故，左线方案可比投资比右线方案多4 430万元。综合考虑，推荐右线方案。

厂房开发方式，可研阶段依据厂房位置的不同共比较了首部、中部和尾部三种方案。首部方案地下厂房距上库进出水口约493 m，仅设置尾水调压室。中部方案厂房位于输水系统中部，狮子口沟(F10断层)的内侧，设置引水调压室和尾水调压室。与中部方案比，尾部方案只是将地下厂房往下游移至狮子口沟(F10断层)的外侧，引水下平段长，而尾水隧洞相对较短，也设有引水和尾水调压室。中部方案地下厂房为II类围岩，水文地质条件相对简单；尾部方案厂房位置为III类围岩，地下水丰富，引水高压段长，尾水低压段短，与中部方案比不具优势；首部方案地下厂房为II～III类围岩，由于距上库近，地下水也很丰富。中部方案可比投资比尾部、首部方案分别省5 400万、5 000万元。综合考虑工程地质条件、建筑物布置、施工条件、运营条件以及投资等因素，推荐中部方案。

2.2 枢纽布置及主要建筑物

2.2.1 上水库

上水库主坝坝址位于盆地南侧狮子口“V”形峡谷中，坝型为混凝土重力坝。坝顶高程737.5 m，最大坝高42.5 m，坝顶长104.1 m。溢流坝段布置在河床中间3号坝段，长21 m。左右岸为挡水坝段，基本断面为三角形，坝顶宽度7.0 m。下游坝坡1∶0.72，转折起坡点高程为725.5 m。大坝采用坝顶自由溢流的泄洪方式，堰顶高程为733.0 m。溢洪道共设2孔，单孔净宽9 m，不设置闸门。大坝坝基采用固结灌浆加固，上游侧设置防渗帷幕并与左右岸帷幕相接，帷幕深度以深入相对隔水层(q≤1 Lu)以下5 m控制。

西副坝为混凝土面板堆石坝，坝址位于水库盆地西侧垭口即小溪出口处，坝顶高程 738.9 m，最大坝高57.7 m，坝顶长367.5 m，坝顶宽7 m，左岸与库岸公路连接。该坝上游坝坡 1∶1.4，下游坝坡坡比1∶1.8和1∶2.0。钢筋混凝土面板厚0.35～0.51 m。大坝趾板基础采用固结灌浆加固，设置防渗帷幕并与左右岸帷幕相接，帷幕深度以深入相对隔水层(q≤1 Lu)以下5 m控制。

西南副坝为混凝土面板堆石坝，位于上水库进/出水口右侧冲沟内，坝顶高程 738.9 m，最大坝高 37.4 m，坝顶长311.2 m，坝顶宽7 m，两坝头与库岸公路连接。该坝上游坝坡 1∶1.4，下游坝坡坡比1∶1.8和1∶2.0。钢筋混凝土面板厚0.35 m。大坝趾板基础采用固结灌浆加固，设置防渗帷幕并与左右岸帷幕相接，帷幕深度以深入相对隔水层(q≤1 Lu)以下5 m控制。趾板上游与水平铺盖相接。

上库进/出水口位于上水库主坝右侧，距主坝约120 m。根据地形地质条件和库岸防渗以及交通连接的要求，上库进/出水口为侧式布置，竖井式闸门井。进/出水口由前池、拦污栅段、扩散段、平方段、事故闸门井等组成。前池总长约69.2 m，在拦砂坎处前池宽56.4 m，在拦沙坎以外库底高程约为706.0 m，在拦沙坎后接49.2 m长的反坡段，坡度为1∶15，再经20 m的前池段接至进/出水口，前池底板高程为702.2 m。

建库蓄水后库岸产生渗漏的地段主要有4个：西北垭口库岸段、西副坝与西南副坝之间库岸段，南库岸段、主坝至西南副坝间库盆底部。西北垭口库岸段及两副坝之间库岸段采用帷幕灌浆防渗处理。帷幕灌浆深度按达到基础相对隔水层(q≤1 Lu)以下5 m，以截断可能的渗流通道为原则。帷幕灌浆孔距均为2 m，单排孔，遇断层破碎带及裂隙密集带适当加密为2排。南库岸段采用钢筋混凝土面板防渗方案处理，并在趾板底部设置帷幕灌浆分别与主坝、西南副坝帷幕灌浆连接。对主坝至西南副坝间南库底采用表面防渗方案。靠近南库岸约6.5万m2采用土工膜防渗，靠近库尾约2.3万m2(齿墙中心线)采用粘土铺盖防渗。

根据上水库建筑物布置，对上库主坝上游、土工膜防渗区对应的东南库岸以及进出水口对岸山包进行防护。

2.2.2 输水系统

输水系统主要建筑物包括：上库进/出水口、引水隧洞、引水调压室、压力管道、尾水支管、尾水闸门室、尾水调压室、尾水隧洞和下库进/出水口等。

上、下库进/出水口之间输水管道总长2 646.8 m(沿4号机输水系统长度，下同)。其中，引水系统长1 369.5 m，尾水系统长1 277.3 m。上、下库进/出水口均采用闸门竖井式。引水系统共两个水力单元，采用二洞四机布置形式。引水上平洞直径为6.0 m，衬砌均采用钢筋混凝土结构，衬砌厚度为0.8 m。上平洞末端设阻抗式引水调压室，调压室大井直径为9.0 m，阻抗孔直径为4.0 m。从上竖井上弯段至高压钢支管均采用钢板衬砌，在主厂房上游约74 m处设2个对称钢岔管，分别形成4条高压钢管，斜向65°进厂，分别与4台机组相连；上竖井～中平洞钢管直径为5.2 m，下竖井～下平洞直径为4.8～4.4 m。压力钢管主管长837.2～815.6 m。钢岔管主管直径4.4 m，支管直径3.0 m。尾水隧洞共两条，亦采用一洞两机布置，尾水支管段长114 m，洞径4.4 m，采用钢板衬砌；尾水主管段洞径6.5 m，采用钢筋混凝土结构，衬砌厚度为0.6 m。尾水闸门室布置在厂房下游90.9 m处，设4扇事故闸门。尾水调压室设置在尾水岔管下游15～60.0 m处，采用阻抗+上室式。调压室大井直径11.0 m，阻抗孔直径4.5 m，采用钢筋混凝土结构。

2.2.3 地下厂房和开关站

地下厂房位于输水发电系统中部，厂房轴线位于PDX4长探洞约1+046 m桩号处，纵轴线方向N47.5°W。地下厂房洞群由主副厂房洞、主变洞、尾水闸门洞、母线洞、进厂交通洞、通风兼安全洞、排风竖井、500 kV电缆出线洞等附属洞室组成。主副厂房洞与主变洞、尾水闸门洞平行布置，主变洞位于主副厂房洞的下游，两洞间距为38 m，尾水闸门洞位于主变洞的下游，与主变洞间距30 m。主副厂房洞右端布置安装场及通风机房，左端布置副厂房，中间为机组段，共布置4台300 MW可逆式水泵水轮机组，机组安装高程93.00 m，尾水管底板底高程约81.0 m，厂房拱顶高程132.1 m。主副厂房洞开挖尺寸为157.5 m×22.1 m×51.1 m(长×宽×高)。进厂交通洞与安装场端部相连，长1 510 m，平均坡度5.2%。通风兼安全洞长1 218 m，平均坡度5.2%。地下厂房洞室群周边设置了顶层、上层、中层、下层等4层排水廊道，还结合PDX4和PDX4- 1探洞在顶层排水廊道上部又设置了一层高层排水廊道。

500 kV开关站位于狮子口冲沟的左侧，进厂公路旁，通过500 kV电缆出线洞与主变洞连接。开关站地面高程205 m，平面尺寸为137 m×35 m(长×宽)。开关站场地布置有GIS室、继保楼及屋顶出线场等。

2.2.4 下水库

下水库左右岸挡水坝段基本断面为三角形，坝顶宽度8.0 m，坝体上游为铅直面，下游坝面坡比1∶0.75。大坝采用坝身溢流的泄洪方式。溢流坝段布置在河床中间，堰顶高程169.5 m。溢洪道共设3孔，单孔净宽13.0 m，采用弧形闸门控制泄洪。溢流堰面采用WES实用堰，下接1∶0.75的直线段，泄槽净宽45.0 m。消能方式为差动式鼻坎挑流消能。

坝内布置一个基础排水灌浆廊道，其两端口在坝顶附近接横向交通廊道与下游坝面相通。大坝坝基采用固结灌浆加固，上游侧设置防渗帷幕并与左右岸帷幕相接，帷幕深度以深入相对隔水层(q≤3 Lu)以下5 m控制。

下水库库区左岸边坡以稳定性较差和差为主，分别占左岸边坡的32%和35%；右岸边坡稳定性较差段占右岸边坡的40%。对稳定性较差和差的库岸采取挖除不稳定体、浆砌石护坡、挂网喷锚、设置岸坡排水孔等处理措施。

3 工程设计特点

3.1 工程防渗排水设计

洪屏电站地层岩性主要为变质含砾中粗砂岩，弱风化和微新砂岩本身透水性弱，但砂岩岩体中断层等导水构造较发育，水文地质条件复杂。前期勘探和施工期开挖揭示上水库不仅存在岩体和断层的水平渗透问题，也存在库底断层垂直渗透风险，而且断层垂直渗透通道为地下厂房洞室群，引水系统部位的地下水位线也明显偏低。库盆的渗透、高压管道的内水外渗不仅造成水量损失，更重要的是对厂房的安全运行存在不利影响。根据不同的水文地质条件和建筑物特点，对上水库、压力管道和地下厂房本身采取针对性的防渗排水措施，达到有效控制渗漏量，减小厂房排水压力的目的。

洪屏工程上水库主要是针对库盆不同区域的渗透特性采取有针对性的防渗措施。上水库防渗方案采用垂直防渗为主、水平铺盖防渗为辅的防渗方式，主防渗体系控制渗流量并确保建筑物运行安全，辅助防渗体系主要针对库区断层垂直渗漏，减小厂房排水压力。在防渗措施上，综合采用了库岸混凝土面板、帷幕灌浆、土工膜、粘土铺盖等多种方式。该防渗体系是目前国内抽水蓄能电站库盆防渗中方案最复杂，防渗方式运用最多的工程，对类似水文地质条件下的库盆防渗具有一定的参考和借鉴价值。

引水系统压力管道的衬砌形式比较了钢板衬砌和钢筋混凝土衬砌两种方式，考虑砂岩的渗透特性、低于引水上平洞底板的地下水位以及管道的高内水压力，设计最后采用钢板衬砌防渗形式，从引水调压室后开始的高压管道全长钢板衬砌，下平洞设置两个钢岔管，从而避免高压内水外渗的风险。引水上平洞和调压室最大静水头65 m，采用钢筋混凝土衬砌，按抗裂设计，并对岩体加强固结灌浆。

为了拦截高处的地下渗水，使厂房施工时处于相对干燥的环境，同时降低厂房渗漏排水量，达到高水高排的目的，利用已有的PDX4长探洞，在地下厂房上方沿厂房纵轴方向设4条高层排水廊道，排水廊道高程约为181 m，分布在PDX4- 1厂房支洞的上下游，排水廊道的间距约为40 m。此外，又在厂房周边设置了高程约为150、123、107 m和82 m共4层排水廊道，并利用排水廊道在地下厂房洞室群四周和顶拱布设排水幕，同时进行帷幕灌浆处理。

3.2 工程建设注重生态景观和周围环境的融合

洪屏电站位于三爪仑国家森林公园内，九岭山省级自然保护区的北侧，工程建设注重生态景观和周围环境的融合。工程设计时对电站永久建筑物的造型和景观进行了优化，使地表建筑物与工程区环境相协调。在下水库坝址附近，结合业主营地建立珍稀植物园，将工程下库占地及水库淹没区内的珍稀保护和古大植物移栽至珍稀植物园。工程设计中对下水库还建道路和上水库弃渣场进行了方案变更和设计修改，上下库连接公路段改为公路隧道，减少了工程永久占地和临时占地对珍稀保护植物和周边环境的影响；进一步优化了水土保持方案，在环保设计中制定生态景观保护方案，对不同区域因地制宜地采取有效的景观恢复措施，利用弃渣对上水库坝后地形进行再塑，对道路沿线开挖边坡以及永久建筑物开挖边坡采取TBS植物绿化措施，恢复地表植被，使工程与周围景观和谐。恢复上水库狮子口瀑布景观，完善上、下蓄水方案，落实水库泄放环境流量设施，并合理调度运行。

4 结语

洪屏电站经过多方案的比较研究，目前选定的枢纽布置方案充分兼顾了洪屏工程的特点，方案合理可行。经过5年多的建设，电站下水库已于2015年8月顺利蓄水，上水库于2015年10月蓄水，2016年6月首台机组发电。电站的成功建成将为江西电网的安全稳定运行提供坚实有力的保障。

(责任编辑陈萍)

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