梯级水光蓄互补联合发电系统工程中抽蓄机组厂房布置研究与结构设计

江 军， 王 胜， 杨 炳 全， 黄 煌， 陈 向 东， 李 治 国

(1.中电建水电开发集团有限公司，四川 成都 610047；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

在我国当前努力建设现代能源体系的指导方针下，国家要求“因地制宜开展中小型抽水蓄能电站建设，探索推进水电梯级融合改造”。2022年4月30日，全球首个“分布式光伏+梯级小水电+小型抽水蓄能”联合发电系统工程——春厂坝变速抽水蓄能示范电站在四川省阿坝州小金县顺利并网。作为服务于小金县流域梯级水、光、蓄的深度融合型项目，通过新增加的5 MW全容量变速恒频可逆式抽水蓄能发电机组，形成59 MW常蓄结合电站，与流域其他梯级小水电共计141 MW以及50 MW光伏形成梯级水光蓄互补联合运行发电系统工程，实现了水电、光伏、抽水蓄能、水库的优化协同控制[1]。

根据小金流域梯级水光蓄互补联合运行发电系统工程要求，常规的春厂坝水电站改造为常蓄混合式电站，需利用上游的已有水库及其引水系统和下游已有梯级水库。因此，新建抽蓄机组厂房需布置在已投运水电站厂房周边，而在项目选点过程中遇到已投运水电站尾水与下水库库位相衔接及下水库库岸台地地形条件下顶部围岩较差等问题[2]。同时，抽水蓄能发电机组吸出高度一般在-30～-50 m左右，因此，抽蓄机组厂房必须深埋库岸台地以下约50 m，造成厂房布置极其困难、施工难度大、施工成本高。

为有效解决上述问题，本文通过以春厂坝变速抽水蓄能示范电站为例，提出一种抽水蓄能机组竖井式厂房结构，将地下厂房布置在岸边圆筒形竖井内，与常规地下式厂房相比，可以有效解决岸边抽水蓄能机组超低吸出高度布置困难和台地地形条件下顶部围岩不稳定的问题，降低了厂房基础开挖施工难度以及施工成本[3]。

1 电站原布置及地质条件

1.1 原水电站工程布置

春厂坝水电站厂区枢纽由主厂房、副厂房、升压站、回车场及进厂公路等组成。厂址位于小金河左岸美兴加油站下游约150 m的Ⅰ级阶地处。厂房后边坡为台阶状地形，自然边坡坡度13°～16°，边坡整体稳定性较好。主厂房内安装三台单机容量为18 MW 的立轴混流式水轮发电机组。副厂房和电气廊道布置在主厂房后侧。

春厂坝水电站常规水电机组已于2016年投产发电，本阶段利用上游的已有春厂坝水库及其引水系统和下游已有三关桥水库，新建抽水蓄能电站，安装1台变速恒频可逆式抽水蓄能发电机组，装机容量5 MW[4]。新建水工建筑物主要有输水压力管道、尾水/抽水管、下库进/出水口、竖井式厂房等，新建水工建筑物的工程等别和建筑物级别宜与已有建筑物一致，永久性主要建筑物为Ⅲ级，次要建筑物为Ⅳ级，临时建筑物为Ⅴ级。

1.2 工程地质条件

根据春厂坝水电站厂址区地勘资料，该处由上到下依次为表部人工堆积、砂卵砾石层和T3zh变质砂岩与板岩不等厚互层。总体而言，基岩段岩性软硬相间，优势结构面(层面)以陡倾角为主，对井壁稳定总体不利；板岩岩性软弱，部分在开挖后，由于应力调整可能会产生局部变形破坏；另预测全段地下水较丰，开挖过程中存在涌水问题；工程区域与厂区内建筑物最小距离约10 m，春厂坝电站主厂房建于弱风化基岩之上，受开挖影响较小，但对其周边基础置于砂卵砾石层的部分建筑物具有一定影响，若不采取防渗措施，开挖后形成集水井效应，覆盖层地下水降低后可能发生地面不均匀沉降问题，导致部分建筑物发生一定程度的开裂变形。

2 新建抽蓄机组厂区枢纽布置

2.1 厂址选择

上厂址发电系统位于春厂坝厂区上游偏内侧，下厂址发电系统布置于春厂坝厂区下游角值班房附近，根据地质资料分析上、下厂址建筑物结构、尺寸、地形、物理地质现象和地层岩性层与上厂址条件基本一致。

从地质角度看，上、下厂址地质条件基本相同；而下厂址场地相对狭窄，会影响已有厂区交通道路、值班房等，厂区建筑物布置较为困难；且下厂址竖井式厂房部分位于厂区边坡上，竖井距离下水库岸边更近，施工期和运行期竖井防渗难度更大，故推荐上厂址方案。

2.2 厂房型式选择

因新建抽水蓄能机组吸出高度为-30 m，因此，厂房型式只能为地下式或半地下式。

若采用地下式厂房，则需采用水平交通，因机组安装高程较低，地下厂房进出交通洞绕道较远，进厂交通洞室工程量较大，同时，地下厂房防渗排水、出线、通风等辅助洞室的工程量也较大。考虑到新建机组仅1台，需要的厂房面积小，若采用竖井式厂房，仅需考虑垂直交通，省去出线、通风等辅助洞室，则厂房工程布置简单，工程量相对较小。

另外，采用竖井式厂房，压力管道、尾水管可采用明管布置，较为方便。若采用地下式厂房，则压力管道、尾水管的布置需开挖隧洞，工程量相对较大。因此，从地形、地质、厂区布置、输水系统布置等角度分析，为节约工程量，方便机组运行，抽蓄机组厂房采用竖井式较为合理[5]。

2.3 厂房布置方案

抽水蓄能电站厂区建筑物包括主厂房、副厂房、出线设备等组成。副厂房布置在新建主厂房上游侧，呈“L”型与主厂房相临，出线设备结合现有的地面厂房布置。主厂房呈“一”字型排列。主厂房地面以下为竖井结构，地面以上为钢结构排架结构。

电站安装1台单机容量为5 MW的全功率变速恒频可逆式抽水蓄能机组。机组布置在竖井底部；安装间、副厂房等布置在上部地面平台。竖井内设置楼梯和电梯通向上部平台，上部平台与进厂交通同高。

厂房上部尺寸为30.40 m×17.10 m(长×宽)。竖井开挖直径为15.00 m，衬砌厚度1.00 m，净空直径13.00 m；竖井底部高程为2 254.80 m，地面高程为2 295.00 m，竖井开挖最大深度51.2 m，厂房顶高程为2 307.85 m，总高53.05 m。竖井底部有集水井，厂房渗水通过集水井泵送出竖井。

新厂区地坪高程与与原厂区地坪高程齐平为2 295.00 m，通过原厂区道路形成对外交通。新建抽水蓄能电站地面高程与原有电站地面高程一致。

3 新建抽蓄机组竖井式厂房结构设计

3.1 竖井式厂房渗控设计

(1)覆盖层段旋喷桩防渗。该段厂房竖井外侧5 m设置旋喷桩，间隔0.8 m。采用146 mm跟管钻进，旋喷桩应按序施工，施工间距应不小于4～6 m。旋喷桩平均厚度不小于80 cm，最小厚度不小于40 cm。桩下部深入基岩深度不小于100 cm，桩顶部高程2 288.00 m。

(2)基岩段帷幕灌浆防渗。该段厂房竖井外侧5 m设置防渗帷幕，间隔2 m。厂区帷幕灌浆透水率q<3lu。灌浆范围为：基覆界限至高程2 241.60 m。

3.2 竖井开挖支护设计

(1)覆盖层段支护设计。该段厂房竖井外侧设置旋挖桩，相邻布置。顶部设置混凝土圈梁、中部设置腰梁进行支持。圈梁和旋挖桩混凝土强度等级为C25，钢筋为HRB400。根据计算结果，需要增加一道圈梁、两道腰梁和一道底梁，腰梁通过短锚杆与旋挖桩衔接。厂房竖井腰梁剖面见图1。

图1 厂房竖井腰梁剖面图

(2)基岩段网喷支护。该段竖井支护参数为：挂网钢筋φ8@15 cmx15 cm，喷C25混凝土15 cm，锚杆φ25，L=4@1.5 m，交错布置。

3.3 竖井覆盖层段衬砌结构计算

根据厂址区地质条件，侧向山岩压力按含水层进行计算。竖井在外压力作用时，采用麦拉公式计算，即可求出衬砌内缘应力σ0及外缘应力σb。竖井衬砌(覆盖层段)内力计算结果见表1(“+”为拉应力，“-”为压应力)。

3.4 竖井基岩段衬砌结构计算

表1 竖井衬砌(覆盖层段)内力计算结果

竖井2 280 m高程以下井段发育基岩：2 280～2 275 m段为强风化岩体，岩性软弱，岩体破碎，地下水发育，围岩稳定性极差，围岩类别以Ⅴ类为主；2 275～2 255 m段为弱风化岩体，岩体软硬相间，围岩稳定性差，围岩类别以Ⅳ类为主；2 255 m以下段为微新岩体，岩体软硬相间，围岩类别以Ⅲ类为主，部分板岩集中发育段为Ⅳ类。

竖井在外压力作用时，仍采用麦拉公式计算，竖井衬砌(基岩段)内力计算结果见表2(“+”为拉应力，“-”为压应力)。

表2 竖井衬砌(基岩段)内力计算结果

4 结 论

本文以春厂坝变速抽水蓄能示范电站为实例，论证了在梯级水光蓄互补联合发电系统工程中，将抽水蓄能机组布置在竖井式地下厂房的合理性和科学性，通过厂房形式比选和结构计算，得出以下结论：

(1)由于抽蓄机组吸出高度低于常规机组，在常规水电改造为混合式抽蓄时，受已有建筑物结构、地形地貌、地质条件等制约因素影响，抽蓄厂房布置型式要谨慎选择。由于布置型式不同，会导致施工难度和投资变化增大。

(2)经施工期间监测结果表明，该项目竖井式厂房的临时支护和永久衬砌设计对周边已有建筑物气到了较好的保护作用，未见沉降、变形等现象发生。

(3)本项目竖井厂房位于下游梯级电站库尾，距库岸垂直距离26 m，最大开挖深度位于库水位以下约40 m，因此，防渗处理措施的选择显得尤为重要。随着竖井式厂房开挖深度增大，在施工期竖井井身渗水现象严重，存在多处集中涌水部位，客观上也增加了施工难度和投资成本。

(4)本项目投运后，厂房各建筑物均处于稳定运行状态，渗水量在可控范围内。实践表明，在常规机组改造为混合式抽蓄设计过程中，竖井式厂房布置是合理可行的。