抽水蓄能电站地下工程施工关键技术研究

刘杰

【摘要】抽水蓄能电站是电力系统调节平衡、安全稳定和提升电能质量的关键组网资产，属于高水头、埋藏深的地下电站，其地下工程处于水库高水位以下的复杂地质和环境条件下，施工难度大、技术复杂、安全风险高，对工程关键技术要求比较高。本文主要归纳总结了抽水蓄能电站地下工程关键技术，以供参考。

【关键词】抽水蓄能电站；地下工程；关键技术

引言

抽水蓄能电站又称蓄能式水电站，就是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，然后，在电力负荷高峰期再将水放至下水库发电的水电站。抽水蓄能电站能够将电网负荷低时的多余电能，有效转变为电网高峰时的高价值电能，具有调峰填谷、事故备用、调频调相、快速启闭等优势，在调节电力系统平衡、安全稳定和提升电能质量等方面，发挥着举足轻重的作用。欧美、日本等发达国家关于抽水蓄能电站的研究与建设，已经有一百多年的历史。我国在20世纪60年代开始开发抽水蓄能电站，改革开放后，在国家规划推动下，一大批大型抽水蓄能电站不断落成投运。近年来建设的几座大型抽水蓄能电站，例如广州一、二期抽水蓄能电站，西龙池抽水蓄能电站，十三陵抽水蓄能电站以及天荒坪、张河湾和西龙池抽水蓄能电站等，其技术已达到世界先进水平。截止2014 年底，我国已建成 6 月底，24座抽水蓄能电站，总装机容量2181万千万，占水电总装机比重约7.2%。大型抽水蓄能电站一般由上水库、下水库、地下厂房、引水系统和开关站等组成，引水及发电系统由长隧洞和地下厂房洞室群组成。其施工主要涉及地下洞室群、渗控工程、土石开挖与填筑、混凝土工程、堆石坝、机电安装与调试等多个专业领域。与常规水利水电工程相比，其渗控工程、地下工程、机电安装等相比，都具有更高的要求。抽水蓄能电站地下工程位于地下，地质和水文环境兔砸，因此，其工程施工关键技术非常重要，必须要进行严格管理与控制，以提高工程质量。

2. 抽水蓄能电站地下工程关键技术研究

2.1地下洞室群施工技术概述。（1）地下洞室群包括引水系统、地下厂房系统和尾水系统，三者既相对独立又相互关联，空间形态较为复杂，施工相互干扰；作业环境差，有害气体、粉尘多，且地质条件存在不可预见性。因此，在进行地下洞室群施工时，应先进行系统研究和论证，然后再合理安排各洞室的先后施工顺序，按“平面多工序、立体多层次”的原则展开。

（2）为了实现“立体多层次”，应统筹考虑各大洞室开挖分层及各层的施工道道，所有与洞外相连的洞室宜早开工，以免影响大洞室的施工进程。地下洞室群洞内风流场复杂，应加强通风系统布置。地下大型洞室一般在顶部、中部、底部均设有永久隧洞或施工辅助洞室，为各层提供施工通道和施工期通风排烟通道，各层洞室（平洞）尽量与外界直接沟通，扩大洞内外气体交换断面，减少废气循环。先施工中小型洞室，在贯通之前，可在洞口布置风机，向洞内压风（或抽排）达到排烟除尘的目的。但在各洞室相互贯通后，洞内风流场开始变得复杂，应结合各洞口的气压，对洞内的风流场进行模拟演算，并调整压风机的布置。洞室中的长斜井、竖井是洞室群中的重要排风口，先行施工可大大解决洞室群的通风散烟问题，如无永久的长斜、竖井可利用时，可专门设置排烟竖井。例如，洪屏地下厂房在通风兼安全洞上方，又专门设置了一深 231m 的排烟竖井，有效解决了地下厂房的排烟除尘问题。

（3）如果施工过程中，地下水比较丰富，应重视地下洞室的排水问题，如地下水处理不当，将影响大型洞室的钻孔、装药，进而影响爆破效果，同时也不利于大型洞室的围岩稳定。可根据前期中小洞室开挖时洞内渗水的大小，预测后期可能的渗流量，配足水泵，并逐级分段设置集水坑，利用水泵将渗水及时排出洞外，以确保各洞室的渗水不往大型洞室中汇集。

2.2长斜井施工技术。 斜井是水利水电工程中的重要建筑物，由于大型抽水蓄能电站的水头高，引水斜井也比较长，且为陡倾角斜井（45°～60°），其施工难度远远大于常规水电。当前国内斜井最长是760m（宝泉），最大连续斜长419m（宝泉），洞径最大9m（桐柏）。对超长单斜井（天荒坪697m），开挖时在中部布置一条支洞，并在斜井中留一段岩塞，将斜井分为上下两段分别进行开挖。

（1）导井开挖技术。斜井、竖井开挖有全断面法和导井扩挖法两种，较大断面一般选用导井扩挖法。导井开挖方法当前有人工正导井法、人工反导井法、阿力马克爬罐反导井法和反井钻机反导井法四种方法，人工反导井法应用很少。斜井导井开挖当前常用有三种方案：一是正、反导井同时进行，上口采用手风钻开挖、人工装渣、卷扬机牵引斗车出渣，下口采用ALIMAK（阿力马克）爬罐打反导井、自重溜渣，宝泉、桐柏、广蓄、仙游等工程均采用该方案；二是反井钻机反导井开挖，惠蓄仅用此方案；三是多种方法综合应用，西龙池上斜井下口先用阿里玛克爬罐打262m，余下上部120m用反井钻反拉导井。如图1所示。

（2）扩挖与支护技术。斜井扩挖及喷锚支护，均在卷扬机牵引的钢平台上进行施工，这种高达10m的作业台车共分四层，可以满足扩挖钻爆和喷锚支护同时作业，也便于操作手容易打周边孔和径向锚杆。扩挖石渣通过导井溜渣到下口，再机械出渣。

（3）斜井混凝土施工技术。斜井混凝土衬砌一般采用全断面自下而上进行，施工难点是模板技术，有CSM间断滑模、XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模等三种，CSM间断滑模为国外引进技术，XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模为国内自行创新技术。LSD斜井滑模主要由模体、牵引、轨道和运输系统等部分组成，适合陡倾角大直径长斜井混凝土衬砌施工，已经应用于宝泉、桐柏、惠蓄、黑糜峰、仙游等工程。混凝土入仓采用M-Box、溜管或机械提升配溜槽。LSD斜井滑模系统施工如图2所示。

（4）斜井钢衬施工技术。大型抽水蓄能电站建设经验表明，钢筋混凝土衬砌在600m级水头风险很大，国内宝泉、西龙池、洪屏、呼蓄、丰宁等工程，设计或之后增设了斜井钢衬。钢衬入井就位、焊接和回填混凝土是施工关键技术。为满足最长钢管节入井、安装卷扬机及作业的空间需要，必须在上弯段进行扩挖，钢衬平移到斜井上口后，由慢速卷扬机牵引台车缓慢下降就位。由于钢衬与斜井基础面之间空间狭小，两节钢衬间的焊缝无法在钢衬外部进行焊接，采用单面焊接双面成型的焊接工艺，保证了焊接质量。钢衬外空腔回填混凝土，其混凝土入仓和振捣都非常困难，宝泉斜井、柬埔寨基里隆竖井均创新回填微膨胀自密实混凝土，溜管入仓，不仅进度快，而且质量保证率高。

2.3地下厂房施工技术。

（1）抽水蓄能电站地下厂房具有跨度大、边墙高、结构复杂、交叉洞室多、围岩稳定问题突出等特点，表1中为部分抽水蓄能电站地下厂房的特征参数（部分抽水蓄能电站地下厂房的特征参数见表1）。

（2）根据高度不同，厂房大多分为6层或是7层开挖完成。开挖分层的规划，需结合施工通道条件、厂房的结构特点、施工机械性能、相邻洞室及相关构筑物的施工等统筹考虑。第一层的高度宜适当高一些，以确保拱脚以下直立墙所预留的高度（如图3所示中的H），能满足第二层沿边墙垂直造孔时钻机对其上部空间的要求。其他层的层高以5～8m为宜，以减小抽槽开挖施工中岩石的夹制影响。

（3）厂房的施工工序相对复杂，工期紧。在施工安排上，多采用“平面多工序，立体多层次”的开挖方法。在平面上，钻孔、爆破、出渣、锚杆（索）钻孔安装、混凝土喷护等施工应尽可能实现流水作业或穿插施工；在立面上，遵循自上而下的顺序逐级开挖的同时，可考虑由下部施工通道进入厂房施工，实现立体交叉施工，例如，洪屏地下厂房就是采用这种方法。岩壁梁是地下厂房的重要建筑物，其岩台开挖质量将直接影响到桥机的运行安全。岩壁梁一般位于厂房开挖层的第二层或是第三层，对于这一层的开挖，按两侧预留保护层、中部抽槽开挖的方式进行（洪屏抽水蓄能电站地下厂房岩壁梁开挖层分区规划图见图4）。

3. 机电安装调试技术

大型抽水蓄能机组作为电站的核心设备，其功能主要是在电网中承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用任务，具有高水头、高转速、大功率、车由系长等特点，施工技术主要包括座环/蜗壳水压技术、转子热打键技术、动平衡试验技术、推力轴承预调整安装技术、首机首次水泵工况启动技术等。

图4洪屏抽水蓄能电站地下厂房岩壁梁开挖层分区规划图 3.1座环/蜗壳水压技术。 抽水蓄能机组的座环/蜗壳由于工作压力大，在安装过程中，需进行严格的水压试验和保压工作，以检验座环/蜗壳焊缝的焊接质量和蜗壳变形是否符合设计要求，以及在蜗壳周边混凝土浇筑过程中提供保压浇筑和回填灌浆条件。

3.2转子热打键技术。 转子磁轭在运行中由于受到强大的离心力作用，将会导致磁轭径向变形，使磁轭与中心体发生径向分离，转速越高，这种分离现象越严重。因此，在转子装配过程中，应预先给转子磁轭与中心体一个预紧力，采用热打键的方法可以实现这一点。打键部位的顺序，应根据磁轭外圆实际情况进行，外圆较小的部位应优先开始。磁轭键打完后，将多余部分割除，然后安装主、副键压板。待磁轭冷却至室温后，拆除保温棚与加热设备，进行清扫与检查。

3.3推力轴承预调整安装技术。预调整安装方法是在镜板与推力头未组合前，利用镜板本身重量作为预压力，采用微米位移传感器检测出各支柱式抗重螺栓的受压量，再根据此受压量进行推力瓦的精确调整，其方法步骤主要如下：

（1）镜板放置在水平度（0.02mm/m）已调好的推力瓦上面；

（2）利用镜板本身重量压在推力瓦上，测量镜板水平度和支柱螺栓受压后的压缩量；

（3）调整均等三块推力瓦令镜板水平符合0.02mm/m；

（4）上调其余推力瓦，调整和测量压缩量；

（5）按上述程序反复起吊镜板，实测推力瓦压缩量，反复调整支柱式螺栓，使实测压缩值均匀一致；

（6）再按正常程序组装推力轴承。

3.4动平衡试验技术。抽蓄机组的动平衡试验方法，需在抽水和发电两个旋转方向分别进行。方法步骤如下：

（1）先确定基准试验转速，一般为80%额定转速，再在此转速点进行机组各部位振动和摆度值的测定、配重、对比、改进等试验；

（2）利用SFC装置启动机组，测出其振动、摆度及相位值；

（3）用一试重块临时紧固在转子下方的联轴螺杆上，再次启动机组，测出新的振动、摆度及相位值；

（4）将试重块取掉更换另一个位置，第三次启动机组，并测量和记录新的振动、摆度及相位值；

（5）根据前三次测量和记录的数据，计算需要配重的方位及重量，配重后再次启动机组，测量和记录新的振动、摆度及相位值；

（6）经过多次试验、测量、计算和配重后，达到减小机组振动和摆度的目的；

（7）抽水蓄能机组在水泵工况方向完成动平衡试验后，在后续水轮机工况方向再次进行动平衡校正试验。

3.5首机首次水泵工况启动技术。抽水蓄能电站首机首次水泵工况启动原理，首先是利用充气压水设备，对机组转轮室进行压水，使转轮处于空载状态，再利用静止变频装置SFC启动机组，逐步升至额定转速后并入电网，同时切除SFC设备，最后打开主球阀及导叶，机组开始抽水运行，其方法步骤主要如下：（1）启动条件。根据机组模型报告中所要求的水泵超低或最低扬程来确定上水库水位，应，一般选择最低扬程启泵；（2）调相压水。其重点是关注储气罐的容积和调相压水控制程序正确性；（3）动平衡试验。采用SFC拖动机组来进行动平衡试验，并根据试验中的检测数据，完成转子的配重工作；（4）调相转抽水。正确选定标志水泵造压程度的功率值，由于机组输入功率值能反映水泵造压的实际情况，因此可监测和设定一级功率设定值和二级功率设定值两个功率参数；（5）数据监测与分析。主要监测分析温度、振动、摆度、压力脉动、空化系数、机组淹没深度等。先根据扬程——开度——流量曲线，查出当前导叶开度的流量值；再根据此流量值，从空蚀系数——流量曲线中查出空蚀系数。最后算出水泵淹没深度，从而得知当前下水库的水位是否满足要求，如果水位偏低，则说明水泵存在空蚀现象，如果判断水泵存在空蚀，则需要减小导叶最大开度，以减小流量达到减少空蚀的目的。

4. 结语

综上所述，我国现代大型抽水蓄能电站工程建设发展快速，相应的施工关键技术也取得重大进步，并自主创新了黏土铺盖防渗、陡坡库岸防渗、斜井滑模、首机首次水泵工况启动等一批重大施工技术，有力地推进了大型抽水蓄能电站发展进程。

参考文献

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