安徽下浒山抽水蓄能电站枢纽布置设计

(长江勘测规划设计研究有限责任公司 枢纽处 ，湖北 武汉 430010)

1 电站概况及自然条件

下浒山抽水蓄能电站位于安徽省安庆桐城市与潜山县交界处的大沙河上，距安徽省合肥市112 km，距安庆市65 km，距安徽电网安庆市双岭500 kV变电站40 km，接近安徽电网的负荷中心，电站安装4台单机300 MW的机组，总装机容量为1 200 MW，年发电量为 26.04亿kW·h，抽水电量(填谷电量)34.48亿kW·h，为日调节的纯抽水蓄能电站。该电站以500 kV电压等级接入安徽电网，并在电网中担负调峰填谷、调相调频及紧急事故备用等任务。

电站枢纽主要建筑物包括上库、下库、输水系统以及地下厂房等建筑物。上库正常蓄水位为475.0 m，设计洪水位475.88 m，校核洪水位476.15 m，上库正常蓄水位库容为2 105万m3，调节库容为1 661万m3。下库正常蓄水位为 115.00 m，有效库容为12 820万m3。

电站利用下浒山水库作为下库，除出(进)水口外，下库无需另建水工建筑物，自然条件优越，可节省投资。

上库、输水系统、地下厂房洞室群、开关站等电站主要建筑物位于大沙河左岸[1]，左岸山体雄厚，地形高差约350 m，上库筑坝形成水库后算术平均水头 336.1 m，最大发电毛水头378 m，上下库距离为1.3 km，距高比较小，为 3.96，建设条件较好。

主、副坝坝基为黑云斜长(花岗)片麻岩，岩体均一，强度较高，满足建坝条件。电站引水发电系统隧洞主要位于微风化黑云花岗片麻岩及花岗岩中，围岩类别总体为Ⅱ～Ⅲ类，地质条件较好。

电站上库坝址控制流域面积 1.77 km2，多年平均流量为 0.042 m3/s，水源条件较好。

2 主要建筑物区工程地质条件

2.1 上下库

下浒山抽水蓄能电站上库库盆位于下浒山水库坝址上游约 3.6 km处的大沙河左岸，属大别山区东南边缘中低山地貌，整个库盆地形类似圈椅状，北、东、西3面分水岭环绕，除局部垭口高程较低外，高程多在500 m以上，上库库盆内无大的区域性断层通过，上库库盆内岩体主要为黑云斜长(花岗)片麻岩。

上库由主、副坝及四周地形所围成，主坝坝基为黑云斜长(花岗)片麻岩，岩体均一，强度较高，满足建坝条件。全强风化岩体破碎，强度较低，变形量大，不适宜作为趾板地基，趾板应置于弱风化岩体上。副坝坝基为黑云斜长(花岗)片麻岩，岩体均一，强度较高，满足建坝条件。

下库库区岩体为花岗片麻岩、混合花岗岩，岩性较单一，地质构造破坏轻微，岩体总体风化较均匀。

2.2 输水系统

上库进/出水口基础为微风化黑云花岗片麻岩，其承载力满足要求。

输水系统主要位于微风化黑云花岗片麻岩及花岗岩中，围岩类别总体为Ⅱ～Ⅲ类，成洞条件总体较好。

下库出/进水口基础为弱-微风化混合花岗岩，其承载力满足基础要求。

2.3 地下厂房

地下厂房为中部式布置，上覆岩体厚度约280 m，围岩主要为前震旦系桥岭组1套深变质岩及5台吕梁期混合花岗岩，全强风化岩体厚约5～15 m。其中变质岩主要为黑云花岗片麻岩，分布于引水发电系统上库进/出水口至引水发电系统中部地下厂房一带，片麻理产状总体倾向北西，倾角约25°～35°；混合花岗岩主要分布于引水发电系统地下厂房至下库进/出水口一带。地下厂房区无大的区域性断层通过。

3 枢纽布置关键技术问题研究

3.1 加高的面板堆石坝设计

上库库盆位于下浒山水库坝址左岸上游约3.6 km山顶一洼地，洼地四周山岭环绕，北东向山体雄厚，北西向、北东向山体略单薄，南西侧、东侧各有一低垭口，其中南西侧垭口开口较大，库岸除局部地形较陡外，一般坡角在15°～30°之间。主要工程有1座主坝、1座副坝、混凝土连接墙、生态放水管、库盆开挖及防护、库边公路和库岸防渗等。

下浒山抽水蓄能电站若按日调节性能设计，考虑调峰发电小时为5 h，考虑1 h的备用库容，等效发电小时数取6 h。根据上、下库死水位 448.00 m和 90.00 m，相应于所需调节库容1 075万m3，上库正常蓄水位为 468.00 m，相应调节库容为1 078万m3。若按周调节性能设计，考虑调峰发电小时为10 h，考虑1 h的备用库容，等效发电小时数取11 h。相应于所需调节库容1 659万m3，上库正常蓄水位为 475.00 m，相应调节库容为1 661万m3。后者比前者大坝加高7 m，工程投资增加约1 400万元。上库库盆较大，利用地形优势，面板堆石坝最大坝高增加至67 m，设计难度不大，增加很少投资就可使电站具备周调节特性。从抽水蓄能电站的调节性能、面板堆石坝设计及工程投资等方面综合考虑，选择加高的面板堆石坝方案。

上库主坝位于南西侧垭口西侧，采用混凝土面板坝，坝顶高程473 m，最大坝高67 m，坝顶长711 m，坝顶宽10 m，混凝土路面结构。坝体上游面坡比1∶1.4，采用钢筋混凝土面板防渗，坝体下游面坝坡1∶1.5，在高程453 m、423 m分别设宽3 m的马道。

上库副坝位于南西侧垭口东侧，采用土工膜心墙坝，坝顶高程473 m，最大坝高18 m，坝顶长300 m，坝顶宽10 m，混凝土路面结构，在坝顶中线采用土工膜心墙防渗。坝体上游面坡比1∶1.7，坝体下游面坡比1∶1.8。

3.2 高压管道的创新性设计[2]

上库正常蓄水位为475.00 m，设计洪水位为475.88 m，校核洪水位为 476.15 m，引水隧洞在立面上按两级竖井布置，由上平段、上斜段、第一级竖井段、中平段、第二级竖井段和下平段组成。引水隧洞从第一级竖井开始PD值较大，若全部洞段采用钢筋混凝土衬砌，配筋量较大，当内水压力达到一定数值，钢筋混凝土衬砌将无法承担，产生贯穿性开裂而成为透水衬砌，内水外渗进入围岩，将不利于隧洞及主厂房围岩的安全稳定。若从第一级竖井开始采用地下埋管的结构型式，则压力钢管的工程量较大，竖井段压力钢管的安装难度大、施工工期长，且工程投资较大。

上平段及上斜段的PD值较小，采用钢筋混凝土衬砌。为了有效控制渗流量，并考虑抽水蓄能电站发生频繁水锤作用，下平段压力钢管的长度一般不小于静水头的 0.1～0.3倍，根据地形地质条件、施工及运行条件及电站厂房洞室群的防渗要求，中平段以后采用钢衬混凝土衬砌。引水系统的关键技术问题是研究在引水系统的第一级竖井的上弯段、竖井直段、下弯段及中平段中间部位以前的洞段采用经济合理的结构型式。

在以上洞段采用沥青防渗薄膜复合混凝土衬砌这种新型引水隧洞的衬砌型式。洞段内径为 7.5 m，衬砌厚70 cm，隧洞开挖完成后，挂钢筋网喷厚10 cm的混凝土，沥青防渗薄膜由厚3 mm的PVC加上400 g/m2的聚丙烯织物及沥青组成，该止水薄膜设置在喷混凝土与钢筋混凝土衬砌之间，止水效果可与钢衬媲美，而造价低，不破坏内层喷混凝土层保护止水薄膜，同时防止内水外渗，有利于围岩的安全稳定。计算表明，钢筋混凝土衬砌、喷混凝土与围岩联合承载，衬砌结构的拉应力自内而外逐渐减小，沥青防渗薄膜处于受压状态，内层钢筋混凝土与外层喷混凝土共同承担内水压力，保护沥青防渗薄膜的完整性，使沥青防渗薄膜不因外压而破坏。

3.3 地下厂房中部式布置方案

根据选定的输水发电线路地下厂房在输水系统的位置，可采用首部、中部和尾部3种开发方式。首部开发方式尽量缩短高压引水系统的长度，采用一级竖井布置，在满足输水系统水力过渡过程要求前提下，不设上游调压室。中部开发方式采用两级竖井布置，设置尾水调压室[3]。尾部开发方式尽量缩短尾水系统长度，采用两级斜井，在满足输水系统水力过渡过程要求前提下，不设尾水调压室[4]。

首部式方案的地下厂房洞室群的施工支洞较长，厂房的交通洞较长，运行管理不便，同时地下厂房离上库较近，需要设置防渗系统。中部式方案的施工支洞及交通洞的长度适中。虽然尾部式方案中地下厂房离下库较近，但为保证施工支洞及交通洞有一定坡度要求，其长度并未减短，同时地下厂房离下库较近，需要设置防渗系统。上述3种方案的工程静态总投资分别是56.41亿元、56.21亿元及56.57亿元，中部式布置方案的投资最小。因此，从枢纽布置及工程投资综合考虑，选择中部式布置方案。

3.4 利用下浒山水库的研究

在下浒山抽水蓄能电站出(进)水口的下游3.6 km处是下浒山水库工程，其工程任务主要是防洪，还承担了灌溉、供水和发电开发任务。下浒山抽水蓄能电站在枢纽布置上利用下浒山水库作为下库，可以节省投资，但需要研究对下浒山水库工程的影响。

在考虑蓄满2 000万m3菜子湖防洪库容以后(相应库水位111.80 m)，分别采用“等蓄量”和“等泄量”两种防洪调度方式[5]，对“以下浒山为主，区间相应”及“以区间为主，下浒山相应”两种洪水地区组成的“1969年”、“1983年”及“1999年”3个典型20 a一遇洪水整体设计进行洪水调节计算，下浒山水利枢纽在不同洪水地区组成和洪水典型条件下存在一定的防洪库容余度，最大库容858万m3，最小库容67万m3，可为下浒山抽水蓄能电站汛期抽蓄安全运行提供库容空间。

下浒山水库工程2030年规划向下浒山灌区供水 1.111 9亿m3，其中灌溉供水 0.898 3亿m3，城镇供水 0.213 6亿m3，日均供水量 5.9万t；电站装机容量为15 MW，利用灌溉和供水水量发电，多年平均发电量为3 505万kW·h。由于发电开发任务排在兴利任务之末，兴利库容复核以完全满足防洪库容预留为前提，优先满足灌溉和供水要求，不考虑专用发电库容，采用初步设计阶段径流调节计算所使用的坝址径流、生态流量下泄要求及灌溉和供水过程，进行长系列径流调节复核计算。结果表明，在汛期防洪限制水位 108.9 m上浮 2.9～111.8 m运行前提下，若考虑1%以内的灌溉缺水率不计为缺水时，灌溉年保证率可达 84.4%，高于灌溉年设计保证率80%的要求；若按80%的灌溉年保证率反推，可将汛期运行水位下降约 0.8～111 m，相应腾空约590万m3的库容，可作为下库有效利用库容空间。若非汛期按80%的灌溉年保证率反推，可将正常蓄水位由目前的115 m下降约 5.5～109.5 m，相应腾空约4 000万m3的库容，可作为下库有效利用库容空间。

可见，汛期有接近600万m3的库容余度空间，非汛期则有约4 000万m3的库容余度空间，可满足下浒山抽水蓄能电站下库存放抽水量及备用水量的库容要求，供下浒山水利枢纽原发电功能发电所用。

工程设计在下库开挖一定的土石方量，以满足抽水蓄能电站的库容要求，同时不影响下浒山水库工程的防洪。

4 结 语

下浒山抽水蓄能电站上库采用加高的面板堆石坝方案后，调节性能由日调节变为周调节，调节性能更优；压力管道采用沥青防渗薄膜复合混凝土衬砌型式，结构经济合理；地下厂房采用中部式布置方案，节省了工程投资；利用下浒山水库作为下库，不影响下浒山水库工程的防洪任务。因此，下浒山抽水蓄能电站的枢纽布置设计是合理的。

参考文献：

[1] 杨兆文, 刘素琴. 天荒坪抽水蓄能电站输水系统设计[J]. 水力发电, 1998(8):35-37.

[2] 张克钊, 文洪, 孙浩民, 等. 天荒坪抽水蓄能电站枢纽布置[J]. 水力发电, 1998(8):18-21.

[3] 鲍海艳,付亮,杨建东.抽水蓄能水电站尾水调压室设置条件探讨[J].水力发电学报, 2014, 33(1): 95-101.

[4] 张健, 卢伟华, 范波芹,等. 输水系统布置对抽水蓄能电站相继甩负荷水力过渡过程影响[J]. 水力发电学报, 2008, 27(5):158-162.

[5] 李元璞, 孙利民, 聂永利, 等. 水库调度与水库规划设计[J].黑龙江水专学报,1997(1-2):40-42.