抽水蓄能電站地下工程施工關(guān)鍵技術(shù)研究

劉杰

【摘要】抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)平衡、安全穩(wěn)定和提升電能質(zhì)量的關(guān)鍵組網(wǎng)資產(chǎn)，屬于高水頭、埋藏深的地下電站，其地下工程處于水庫高水位以下的復(fù)雜地質(zhì)和環(huán)境條件下，施工難度大、技術(shù)復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高，對工程關(guān)鍵技術(shù)要求比較高。本文主要?dú)w納總結(jié)了抽水蓄能電站地下工程關(guān)鍵技術(shù)，以供參考。

【關(guān)鍵詞】抽水蓄能電站；地下工程；關(guān)鍵技術(shù)

引言

抽水蓄能電站又稱蓄能式水電站，就是利用電力負(fù)荷低谷時的電能抽水至上水庫，然后，在電力負(fù)荷高峰期再將水放至下水庫發(fā)電的水電站。抽水蓄能電站能夠?qū)㈦娋W(wǎng)負(fù)荷低時的多余電能，有效轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時的高價值電能，具有調(diào)峰填谷、事故備用、調(diào)頻調(diào)相、快速啟閉等優(yōu)勢，在調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)平衡、安全穩(wěn)定和提升電能質(zhì)量等方面，發(fā)揮著舉足輕重的作用。歐美、日本等發(fā)達(dá)國家關(guān)于抽水蓄能電站的研究與建設(shè)，已經(jīng)有一百多年的歷史。我國在20世紀(jì)60年代開始開發(fā)抽水蓄能電站，改革開放后，在國家規(guī)劃推動下，一大批大型抽水蓄能電站不斷落成投運(yùn)。近年來建設(shè)的幾座大型抽水蓄能電站，例如廣州一、二期抽水蓄能電站，西龍池抽水蓄能電站，十三陵抽水蓄能電站以及天荒坪、張河灣和西龍池抽水蓄能電站等，其技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。截止2014 年底，我國已建成 6 月底，24座抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量2181萬千萬，占水電總裝機(jī)比重約7.2%。大型抽水蓄能電站一般由上水庫、下水庫、地下廠房、引水系統(tǒng)和開關(guān)站等組成，引水及發(fā)電系統(tǒng)由長隧洞和地下廠房洞室群組成。其施工主要涉及地下洞室群、滲控工程、土石開挖與填筑、混凝土工程、堆石壩、機(jī)電安裝與調(diào)試等多個專業(yè)領(lǐng)域。與常規(guī)水利水電工程相比，其滲控工程、地下工程、機(jī)電安裝等相比，都具有更高的要求。抽水蓄能電站地下工程位于地下，地質(zhì)和水文環(huán)境兔砸，因此，其工程施工關(guān)鍵技術(shù)非常重要，必須要進(jìn)行嚴(yán)格管理與控制，以提高工程質(zhì)量。

2. 抽水蓄能電站地下工程關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1地下洞室群施工技術(shù)概述。（1）地下洞室群包括引水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)，三者既相對獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，空間形態(tài)較為復(fù)雜，施工相互干擾；作業(yè)環(huán)境差，有害氣體、粉塵多，且地質(zhì)條件存在不可預(yù)見性。因此，在進(jìn)行地下洞室群施工時，應(yīng)先進(jìn)行系統(tǒng)研究和論證，然后再合理安排各洞室的先后施工順序，按“平面多工序、立體多層次”的原則展開。

（2）為了實(shí)現(xiàn)“立體多層次”，應(yīng)統(tǒng)籌考慮各大洞室開挖分層及各層的施工道道，所有與洞外相連的洞室宜早開工，以免影響大洞室的施工進(jìn)程。地下洞室群洞內(nèi)風(fēng)流場復(fù)雜，應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)布置。地下大型洞室一般在頂部、中部、底部均設(shè)有永久隧洞或施工輔助洞室，為各層提供施工通道和施工期通風(fēng)排煙通道，各層洞室（平洞）盡量與外界直接溝通，擴(kuò)大洞內(nèi)外氣體交換斷面，減少廢氣循環(huán)。先施工中小型洞室，在貫通之前，可在洞口布置風(fēng)機(jī)，向洞內(nèi)壓風(fēng)（或抽排）達(dá)到排煙除塵的目的。但在各洞室相互貫通后，洞內(nèi)風(fēng)流場開始變得復(fù)雜，應(yīng)結(jié)合各洞口的氣壓，對洞內(nèi)的風(fēng)流場進(jìn)行模擬演算，并調(diào)整壓風(fēng)機(jī)的布置。洞室中的長斜井、豎井是洞室群中的重要排風(fēng)口，先行施工可大大解決洞室群的通風(fēng)散煙問題，如無永久的長斜、豎井可利用時，可專門設(shè)置排煙豎井。例如，洪屏地下廠房在通風(fēng)兼安全洞上方，又專門設(shè)置了一深 231m 的排煙豎井，有效解決了地下廠房的排煙除塵問題。

（3）如果施工過程中，地下水比較豐富，應(yīng)重視地下洞室的排水問題，如地下水處理不當(dāng)，將影響大型洞室的鉆孔、裝藥，進(jìn)而影響爆破效果，同時也不利于大型洞室的圍巖穩(wěn)定?？筛鶕?jù)前期中小洞室開挖時洞內(nèi)滲水的大小，預(yù)測后期可能的滲流量，配足水泵，并逐級分段設(shè)置集水坑，利用水泵將滲水及時排出洞外，以確保各洞室的滲水不往大型洞室中匯集。

2.2長斜井施工技術(shù)。 斜井是水利水電工程中的重要建筑物，由于大型抽水蓄能電站的水頭高，引水斜井也比較長，且為陡傾角斜井（45°～60°），其施工難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)水電。當(dāng)前國內(nèi)斜井最長是760m（寶泉），最大連續(xù)斜長419m（寶泉），洞徑最大9m（桐柏）。對超長單斜井（天荒坪697m），開挖時在中部布置一條支洞，并在斜井中留一段巖塞，將斜井分為上下兩段分別進(jìn)行開挖。

（1）導(dǎo)井開挖技術(shù)。斜井、豎井開挖有全斷面法和導(dǎo)井?dāng)U挖法兩種，較大斷面一般選用導(dǎo)井?dāng)U挖法。導(dǎo)井開挖方法當(dāng)前有人工正導(dǎo)井法、人工反導(dǎo)井法、阿力馬克爬罐反導(dǎo)井法和反井鉆機(jī)反導(dǎo)井法四種方法，人工反導(dǎo)井法應(yīng)用很少。斜井導(dǎo)井開挖當(dāng)前常用有三種方案：一是正、反導(dǎo)井同時進(jìn)行，上口采用手風(fēng)鉆開挖、人工裝渣、卷揚(yáng)機(jī)牽引斗車出渣，下口采用ALIMAK（阿力馬克）爬罐打反導(dǎo)井、自重溜渣，寶泉、桐柏、廣蓄、仙游等工程均采用該方案；二是反井鉆機(jī)反導(dǎo)井開挖，惠蓄僅用此方案；三是多種方法綜合應(yīng)用，西龍池上斜井下口先用阿里瑪克爬罐打262m，余下上部120m用反井鉆反拉導(dǎo)井。如圖1所示。

（2）擴(kuò)挖與支護(hù)技術(shù)。斜井?dāng)U挖及噴錨支護(hù)，均在卷揚(yáng)機(jī)牽引的鋼平臺上進(jìn)行施工，這種高達(dá)10m的作業(yè)臺車共分四層，可以滿足擴(kuò)挖鉆爆和噴錨支護(hù)同時作業(yè)，也便于操作手容易打周邊孔和徑向錨桿。擴(kuò)挖石渣通過導(dǎo)井溜渣到下口，再機(jī)械出渣。

（3）斜井混凝土施工技術(shù)。斜井混凝土襯砌一般采用全斷面自下而上進(jìn)行，施工難點(diǎn)是模板技術(shù)，有CSM間斷滑模、XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模等三種，CSM間斷滑模為國外引進(jìn)技術(shù)，XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模為國內(nèi)自行創(chuàng)新技術(shù)。LSD斜井滑模主要由模體、牽引、軌道和運(yùn)輸系統(tǒng)等部分組成，適合陡傾角大直徑長斜井混凝土襯砌施工，已經(jīng)應(yīng)用于寶泉、桐柏、惠蓄、黑糜峰、仙游等工程。混凝土入倉采用M-Box、溜管或機(jī)械提升配溜槽。LSD斜井滑模系統(tǒng)施工如圖2所示。

（4）斜井鋼襯施工技術(shù)。大型抽水蓄能電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，鋼筋混凝土襯砌在600m級水頭風(fēng)險(xiǎn)很大，國內(nèi)寶泉、西龍池、洪屏、呼蓄、豐寧等工程，設(shè)計(jì)或之后增設(shè)了斜井鋼襯。鋼襯入井就位、焊接和回填混凝土是施工關(guān)鍵技術(shù)。為滿足最長鋼管節(jié)入井、安裝卷揚(yáng)機(jī)及作業(yè)的空間需要，必須在上彎段進(jìn)行擴(kuò)挖，鋼襯平移到斜井上口后，由慢速卷揚(yáng)機(jī)牽引臺車緩慢下降就位。由于鋼襯與斜井基礎(chǔ)面之間空間狹小，兩節(jié)鋼襯間的焊縫無法在鋼襯外部進(jìn)行焊接，采用單面焊接雙面成型的焊接工藝，保證了焊接質(zhì)量。鋼襯外空腔回填混凝土，其混凝土入倉和振搗都非常困難，寶泉斜井、柬埔寨基里隆豎井均創(chuàng)新回填微膨脹自密實(shí)混凝土，溜管入倉，不僅進(jìn)度快，而且質(zhì)量保證率高。

2.3地下廠房施工技術(shù)。

（1）抽水蓄能電站地下廠房具有跨度大、邊墻高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、交叉洞室多、圍巖穩(wěn)定問題突出等特點(diǎn)，表1中為部分抽水蓄能電站地下廠房的特征參數(shù)（部分抽水蓄能電站地下廠房的特征參數(shù)見表1）。

（2）根據(jù)高度不同，廠房大多分為6層或是7層開挖完成。開挖分層的規(guī)劃，需結(jié)合施工通道條件、廠房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工機(jī)械性能、相鄰洞室及相關(guān)構(gòu)筑物的施工等統(tǒng)籌考慮。第一層的高度宜適當(dāng)高一些，以確保拱腳以下直立墻所預(yù)留的高度（如圖3所示中的H），能滿足第二層沿邊墻垂直造孔時鉆機(jī)對其上部空間的要求。其他層的層高以5～8m為宜，以減小抽槽開挖施工中巖石的夾制影響。

（3）廠房的施工工序相對復(fù)雜，工期緊。在施工安排上，多采用“平面多工序，立體多層次”的開挖方法。在平面上，鉆孔、爆破、出渣、錨桿（索）鉆孔安裝、混凝土噴護(hù)等施工應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)或穿插施工；在立面上，遵循自上而下的順序逐級開挖的同時，可考慮由下部施工通道進(jìn)入廠房施工，實(shí)現(xiàn)立體交叉施工，例如，洪屏地下廠房就是采用這種方法。巖壁梁是地下廠房的重要建筑物，其巖臺開挖質(zhì)量將直接影響到橋機(jī)的運(yùn)行安全。巖壁梁一般位于廠房開挖層的第二層或是第三層，對于這一層的開挖，按兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層、中部抽槽開挖的方式進(jìn)行（洪屏抽水蓄能電站地下廠房巖壁梁開挖層分區(qū)規(guī)劃圖見圖4）。

3. 機(jī)電安裝調(diào)試技術(shù)

大型抽水蓄能機(jī)組作為電站的核心設(shè)備，其功能主要是在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務(wù)，具有高水頭、高轉(zhuǎn)速、大功率、車由系長等特點(diǎn)，施工技術(shù)主要包括座環(huán)/蝸殼水壓技術(shù)、轉(zhuǎn)子熱打鍵技術(shù)、動平衡試驗(yàn)技術(shù)、推力軸承預(yù)調(diào)整安裝技術(shù)、首機(jī)首次水泵工況啟動技術(shù)等。

圖4洪屏抽水蓄能電站地下廠房巖壁梁開挖層分區(qū)規(guī)劃圖 3.1座環(huán)/蝸殼水壓技術(shù)。 抽水蓄能機(jī)組的座環(huán)/蝸殼由于工作壓力大，在安裝過程中，需進(jìn)行嚴(yán)格的水壓試驗(yàn)和保壓工作，以檢驗(yàn)座環(huán)/蝸殼焊縫的焊接質(zhì)量和蝸殼變形是否符合設(shè)計(jì)要求，以及在蝸殼周邊混凝土澆筑過程中提供保壓澆筑和回填灌漿條件。

3.2轉(zhuǎn)子熱打鍵技術(shù)。 轉(zhuǎn)子磁軛在運(yùn)行中由于受到強(qiáng)大的離心力作用，將會導(dǎo)致磁軛徑向變形，使磁軛與中心體發(fā)生徑向分離，轉(zhuǎn)速越高，這種分離現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，在轉(zhuǎn)子裝配過程中，應(yīng)預(yù)先給轉(zhuǎn)子磁軛與中心體一個預(yù)緊力，采用熱打鍵的方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。打鍵部位的順序，應(yīng)根據(jù)磁軛外圓實(shí)際情況進(jìn)行，外圓較小的部位應(yīng)優(yōu)先開始。磁軛鍵打完后，將多余部分割除，然后安裝主、副鍵壓板。待磁軛冷卻至室溫后，拆除保溫棚與加熱設(shè)備，進(jìn)行清掃與檢查。

3.3推力軸承預(yù)調(diào)整安裝技術(shù)。預(yù)調(diào)整安裝方法是在鏡板與推力頭未組合前，利用鏡板本身重量作為預(yù)壓力，采用微米位移傳感器檢測出各支柱式抗重螺栓的受壓量，再根據(jù)此受壓量進(jìn)行推力瓦的精確調(diào)整，其方法步驟主要如下：

（1）鏡板放置在水平度（0.02mm/m）已調(diào)好的推力瓦上面；

（2）利用鏡板本身重量壓在推力瓦上，測量鏡板水平度和支柱螺栓受壓后的壓縮量；

（3）調(diào)整均等三塊推力瓦令鏡板水平符合0.02mm/m；

（4）上調(diào)其余推力瓦，調(diào)整和測量壓縮量；

（5）按上述程序反復(fù)起吊鏡板，實(shí)測推力瓦壓縮量，反復(fù)調(diào)整支柱式螺栓，使實(shí)測壓縮值均勻一致；

（6）再按正常程序組裝推力軸承。

3.4動平衡試驗(yàn)技術(shù)。抽蓄機(jī)組的動平衡試驗(yàn)方法，需在抽水和發(fā)電兩個旋轉(zhuǎn)方向分別進(jìn)行。方法步驟如下：

（1）先確定基準(zhǔn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，一般為80%額定轉(zhuǎn)速，再在此轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行機(jī)組各部位振動和擺度值的測定、配重、對比、改進(jìn)等試驗(yàn)；

（2）利用SFC裝置啟動機(jī)組，測出其振動、擺度及相位值；

（3）用一試重塊臨時緊固在轉(zhuǎn)子下方的聯(lián)軸螺桿上，再次啟動機(jī)組，測出新的振動、擺度及相位值；

（4）將試重塊取掉更換另一個位置，第三次啟動機(jī)組，并測量和記錄新的振動、擺度及相位值；

（5）根據(jù)前三次測量和記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算需要配重的方位及重量，配重后再次啟動機(jī)組，測量和記錄新的振動、擺度及相位值；

（6）經(jīng)過多次試驗(yàn)、測量、計(jì)算和配重后，達(dá)到減小機(jī)組振動和擺度的目的；

（7）抽水蓄能機(jī)組在水泵工況方向完成動平衡試驗(yàn)后，在后續(xù)水輪機(jī)工況方向再次進(jìn)行動平衡校正試驗(yàn)。

3.5首機(jī)首次水泵工況啟動技術(shù)。抽水蓄能電站首機(jī)首次水泵工況啟動原理，首先是利用充氣壓水設(shè)備，對機(jī)組轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行壓水，使轉(zhuǎn)輪處于空載狀態(tài)，再利用靜止變頻裝置SFC啟動機(jī)組，逐步升至額定轉(zhuǎn)速后并入電網(wǎng)，同時切除SFC設(shè)備，最后打開主球閥及導(dǎo)葉，機(jī)組開始抽水運(yùn)行，其方法步驟主要如下：（1）啟動條件。根據(jù)機(jī)組模型報(bào)告中所要求的水泵超低或最低揚(yáng)程來確定上水庫水位，應(yīng)，一般選擇最低揚(yáng)程啟泵；（2）調(diào)相壓水。其重點(diǎn)是關(guān)注儲氣罐的容積和調(diào)相壓水控制程序正確性；（3）動平衡試驗(yàn)。采用SFC拖動機(jī)組來進(jìn)行動平衡試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)中的檢測數(shù)據(jù)，完成轉(zhuǎn)子的配重工作；（4）調(diào)相轉(zhuǎn)抽水。正確選定標(biāo)志水泵造壓程度的功率值，由于機(jī)組輸入功率值能反映水泵造壓的實(shí)際情況，因此可監(jiān)測和設(shè)定一級功率設(shè)定值和二級功率設(shè)定值兩個功率參數(shù)；（5）數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析。主要監(jiān)測分析溫度、振動、擺度、壓力脈動、空化系數(shù)、機(jī)組淹沒深度等。先根據(jù)揚(yáng)程——開度——流量曲線，查出當(dāng)前導(dǎo)葉開度的流量值；再根據(jù)此流量值，從空蝕系數(shù)——流量曲線中查出空蝕系數(shù)。最后算出水泵淹沒深度，從而得知當(dāng)前下水庫的水位是否滿足要求，如果水位偏低，則說明水泵存在空蝕現(xiàn)象，如果判斷水泵存在空蝕，則需要減小導(dǎo)葉最大開度，以減小流量達(dá)到減少空蝕的目的。

4. 結(jié)語

綜上所述，我國現(xiàn)代大型抽水蓄能電站工程建設(shè)發(fā)展快速，相應(yīng)的施工關(guān)鍵技術(shù)也取得重大進(jìn)步，并自主創(chuàng)新了黏土鋪蓋防滲、陡坡庫岸防滲、斜井滑模、首機(jī)首次水泵工況啟動等一批重大施工技術(shù)，有力地推進(jìn)了大型抽水蓄能電站發(fā)展進(jìn)程。

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