清遠(yuǎn)抽水蓄能電站樞紐布置設(shè)計(jì)論述

鄧旭云

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510000)

1 工程概況

隨著廣東省經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，已有的電力負(fù)荷逐漸難以滿足用電需求。為進(jìn)一步推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提升廣東電力系統(tǒng)調(diào)峰能力，擴(kuò)容南方電網(wǎng)的“電力儲(chǔ)存糧倉(cāng)”，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站的建設(shè)迫在眉睫。位于珠江三角洲西北部的清遠(yuǎn)抽水蓄能電站坐落于廣東省清遠(yuǎn)市清新縣太平鎮(zhèn)，與廣州直線距離75km[1]。該項(xiàng)目工程任務(wù)為：承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相以及緊急事故備用，改善電力系統(tǒng)內(nèi)包括西電電源的運(yùn)行條件，提升電能質(zhì)量，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，有效保障廣東電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

電站樞紐工程布設(shè)有4臺(tái)單機(jī)容量320MW的可逆式水泵水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)到1280MW，最高凈水頭502.7m。根據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL5180-2003)中對(duì)電站裝機(jī)容量的規(guī)定，工程等別劃分為一等，工程規(guī)模屬于大⑴型。工程主要建筑物包含上、下水庫(kù)大壩、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、地面開關(guān)站及永久公路等。其中，水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500a一遇、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5000a一遇；水庫(kù)泄水建筑物消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇；廠房及其附屬建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000a一遇。上水庫(kù)正常蓄水位612.5m，可調(diào)節(jié)庫(kù)容1055萬(wàn)m3；下水庫(kù)正常蓄水位137.7m，可調(diào)節(jié)庫(kù)容1058萬(wàn)m3。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站站址條件好，水頭高、庫(kù)容大、水源充足、地質(zhì)條件好、環(huán)境影響少，工程于2006年選點(diǎn)規(guī)劃，2010年開工建設(shè)，2016年四臺(tái)機(jī)組全面投產(chǎn)發(fā)電。工程投產(chǎn)至今，約共發(fā)電83.76億度，為粵港澳大灣區(qū)提供了充足的清潔優(yōu)質(zhì)的電力服務(wù)。

2 建設(shè)條件

2.1 水文條件

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站選址于清遠(yuǎn)市清新縣的秦皇河上游，上水庫(kù)位于清新縣龍頸鎮(zhèn)與太平鎮(zhèn)交界處的甘竹頂山間盆地，距清新縣城32km。上水庫(kù)集雨面積1.001km2,天然狀況下其匯水區(qū)域分兩支，分別屬于濱江和秦皇河兩個(gè)流域，其中0.601km2屬于北江一級(jí)支流秦皇河，另外在主壩附近的0.4km2集雨面積在天然狀況下流入濱江支流駱坑河。下水庫(kù)地處清遠(yuǎn)市清新縣太平鎮(zhèn)龍灣村委境內(nèi)的麻竹腳，與清新縣城直線距離25km。下水庫(kù)為峽谷型水庫(kù)，整體呈南北向分布，擁有9.146km2的集雨面積, 全部位于秦皇河流域，下接大秦水庫(kù)庫(kù)尾，整體地勢(shì)呈現(xiàn)為北高南低。下水庫(kù)庫(kù)盆地表高程普遍處于80m以上，北、西、東三面均為中低山，坡勢(shì)較陡，植被較豐富，分水嶺高程普遍于300-638m區(qū)間分布。

2.2 地質(zhì)條件

區(qū)域內(nèi)地形呈北西高南東低的趨勢(shì)，山脊和分水嶺多呈北西走向，山嶺高程一般為200-700m。區(qū)內(nèi)大部分屬低山丘陵地貌，僅在東部為第四紀(jì)高漫灘、一級(jí)階地地貌。區(qū)內(nèi)長(zhǎng)期接受剝蝕、侵蝕，形成明顯的四級(jí)夷平面，高程分布為：700-750m、550-600m、350-400m、100-150m。站址處于佛岡——豐良東西向構(gòu)造帶的南面(相距約20km)、吳川——四會(huì)北東向構(gòu)造帶東南面(相距約30km)、鳳帽山背斜的南翼，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，斷裂不太發(fā)育，為區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。地震基本烈度為VI度。根據(jù)地勘成果分析，工程巖體主要力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 樞紐工程主要巖體力學(xué)參數(shù)建議值

3 樞紐布置及主要建筑物設(shè)計(jì)

在對(duì)樞紐布置以及建筑物結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化中，則可以通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整體樞紐布局設(shè)計(jì)的方式，對(duì)調(diào)壓過(guò)程以及書庫(kù)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高項(xiàng)目的輸水發(fā)電布置水平提升。

3.1 上水庫(kù)布置

在對(duì)上水庫(kù)進(jìn)行布置與優(yōu)化的過(guò)程中，則需要從庫(kù)容到落差都進(jìn)行設(shè)計(jì)，水庫(kù)的水位最大落差為25.5m，所以，在對(duì)庫(kù)容進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，總庫(kù)容為1179.8萬(wàn)m3,在對(duì)上水庫(kù)的建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)中，其中包含生態(tài)放水、副壩、主壩等，采用黏土心墻堆石方案進(jìn)行設(shè)計(jì)(典型斷面分別見圖1-2)；泄洪方式采用泄洪洞結(jié)合導(dǎo)流洞方案；上水庫(kù)庫(kù)周大部分為全風(fēng)化土，最不利工況下最大滲流量約為5128m3/d，通過(guò)對(duì)全風(fēng)化土采用混凝土防滲墻、對(duì)基巖采用帷幕灌漿的聯(lián)合處理方式，滲流量可減至2797.6m3/d，滿足規(guī)范規(guī)定每晝夜?jié)B流量≤總庫(kù)容的0.5‰的要求。

圖1 上水庫(kù)主壩標(biāo)準(zhǔn)斷面

圖2 上水庫(kù)副壩標(biāo)準(zhǔn)斷面

3.1.1 壩頂高程確定

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2020)及《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL5180-2003)的相關(guān)規(guī)定，壩頂在水庫(kù)靜水位以上的超高按下式確定：

y=R+e+A

(1)

式中：y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高；R為最大風(fēng)壅水面高度，m；A為安全加高，m，結(jié)合本工程實(shí)際情況，正常及設(shè)計(jì)運(yùn)行工況取1.5m，校核工況取1.0m。

壩頂高程等于水庫(kù)靜水位和壩頂超高之和，應(yīng)按設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位或校核洪水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高并取最大值，壩頂超高計(jì)算結(jié)果見表2，結(jié)果表明：防浪墻頂高程最大值為616.2m，因壩頂與公路連接，為保證景觀要求，根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土防浪墻兼花槽高度取0.6m，防浪墻頂設(shè)不銹鋼欄桿，故確定上水庫(kù)壩頂高程為615.6m，防浪墻頂高程為616.2m。

表2 上水庫(kù)壩頂高程計(jì)算表

3.1.2 基礎(chǔ)處理

壩基開挖：壩基開挖深度一般為坡積層以下2-3m，開挖邊坡坡積層為1∶1.8，全風(fēng)化土層為1∶1.5。對(duì)于全風(fēng)化較厚的部位，上下游堆石區(qū)基礎(chǔ)置于全風(fēng)化硬塑土上，對(duì)全風(fēng)化土較薄的部位，上下游堆石區(qū)基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化基巖，黏土心墻基礎(chǔ)開挖到強(qiáng)風(fēng)化層1m；對(duì)于全風(fēng)化較厚的部位，黏土心墻基礎(chǔ)置于全風(fēng)化層。

壩基防滲：對(duì)于心墻基礎(chǔ)為強(qiáng)風(fēng)化基巖的，要求開挖強(qiáng)風(fēng)化基巖深1m，在黏土心墻基礎(chǔ)設(shè)1m厚的混凝土蓋重，強(qiáng)風(fēng)化基巖其它部位噴水泥砂漿，沿壩軸線進(jìn)行防滲帷幕灌漿；對(duì)壩高超30m以上的黏土心墻基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿采用梅花型布置，深入基巖6m，間距3×3m。對(duì)全風(fēng)化土較厚的部位，黏土心墻基礎(chǔ)開挖到全風(fēng)化層2-3m，基礎(chǔ)防滲采用混凝土防滲墻+帷幕灌漿方案，混凝土防滲墻厚0.6m，混凝土防滲墻頂部伸入黏土心墻3m，其底部深入強(qiáng)風(fēng)化基巖0.5m。帷幕灌漿布置一排，孔距1.5m。施工順序?yàn)橄然炷练罎B墻后帷幕灌漿，最后進(jìn)行壩體填筑。

3.1.3 壩體滲流穩(wěn)定分析

采用武漢大學(xué)SeepV3.0滲流計(jì)算軟件對(duì)主、副壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析[2]，計(jì)算斷面見圖3。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2020)中相關(guān)規(guī)定來(lái)確定水位組合情況：①上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位；②上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)的水位；③上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位；④庫(kù)水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。計(jì)算結(jié)果表明：前三種工況下，單寬最大滲流量為3.90m3/d，而黏土心墻滲透比降J=0.468-1.768，對(duì)于良好壓實(shí)的黏土，容許滲透比降為4。由于黏土心墻滲透比降小于容許值，表明黏土心墻堆石(渣)壩的滲流量和滲透穩(wěn)定均滿足要求。

圖3 上水庫(kù)壩體滲流穩(wěn)定及邊坡穩(wěn)定計(jì)算斷面

3.1.4 壩坡穩(wěn)定分析

采用陳祖煜編制的土石壩專用程序——“土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析 (STAB2005)程序”開展壩坡穩(wěn)定分析，計(jì)算斷面見圖3，計(jì)算內(nèi)容包括：①施工期的上、下游壩坡穩(wěn)定；②穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡穩(wěn)定；③水庫(kù)洪水位降落期的上游壩坡[3]。壩坡穩(wěn)定分析成果見表3，結(jié)果表明：在各種條件下上、下壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，壩坡穩(wěn)定滿足要求。

表3 壩坡穩(wěn)定分析成果表

3.1.5 壩體應(yīng)力應(yīng)變分析

為觀察不同階段上水庫(kù)主壩的變形和應(yīng)力發(fā)展情況，對(duì)主壩最大橫剖面進(jìn)行有限元分析計(jì)算。計(jì)算工況分為兩種：竣工期(壩體自重)、蓄水期(壩體自重、浮拖力、水壓力)。計(jì)算分析中，采用增量法模擬土壩施工過(guò)程，每一荷載步進(jìn)行兩步迭代計(jì)算：第一步采用的模量是根據(jù)增量開始時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)算出，第二步是根據(jù)本增量步的平均應(yīng)力狀態(tài)算出。壩體最終的應(yīng)力、變形為每一荷載步所引起的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的迭加值。計(jì)算結(jié)果見表4和圖4-5，分析可知：壩體的位移、應(yīng)力分布規(guī)律較合理。從應(yīng)力分布水平上看，竣工期上水庫(kù)對(duì)應(yīng)壩體的應(yīng)力水平均在0.9MPa以下，蓄水以后壩體上游壩殼應(yīng)力水平均有較大增加，在上游反濾層附近有小部分區(qū)域的應(yīng)力水平>1.0MPa，但其分布范圍較小且均在壩體內(nèi)部，根據(jù)已運(yùn)行的同類工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為不影響大壩的整體穩(wěn)定。

圖4 竣工期壩體應(yīng)力水平(上水庫(kù)) 圖5 蓄水期壩體應(yīng)力水平(上水庫(kù))

表4 應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果匯總

3.2 輸水系統(tǒng)布置

在對(duì)輸水系統(tǒng)進(jìn)行布置與優(yōu)化中，則需要將1管4機(jī)的供水機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，在設(shè)置尾水調(diào)壓機(jī)制的視角下，可通過(guò)豎井、斜井的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，滿足輸水控制需求。輸水系統(tǒng)在搭建與優(yōu)化中，則采用襯砌型式，并對(duì)壓力鋼管進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在利用鋼筋混凝土的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)襯砌的綜合控制效果提升。

3.3 廠房系統(tǒng)及開關(guān)站布置

廠房系統(tǒng)及開關(guān)站布置中，則需要從地下廠房以及主變線路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)廠房電網(wǎng)、交通路徑以及排水管道等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)廠房系統(tǒng)的綜合控制效果提升。在對(duì)廠房的整體功能進(jìn)行優(yōu)化中，則需要對(duì)廠房結(jié)構(gòu)以及整體布局設(shè)計(jì)等進(jìn)行優(yōu)化，提高廠房設(shè)計(jì)水平。其中，地下廠房由主機(jī)間、副廠房、安裝場(chǎng)及風(fēng)機(jī)室組成。主機(jī)間長(zhǎng)108.5m，寬25.5m (吊車梁以上廠房寬26.5m),高57.9m，拱頂高程83.4m。廠房?jī)?nèi)裝設(shè)4臺(tái)320MW機(jī)組，水輪機(jī)吸出高度為-66m，安裝高程為42.0m,機(jī)組間距為24m。副廠房布置在主機(jī)間右側(cè)，長(zhǎng)23m,寬25.5m,高39.55m (由透平油處理室底板底部算起)，共分7層。

3.4 下水庫(kù)布置

在對(duì)下水庫(kù)的布置進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，則需要對(duì)下水庫(kù)的布局、規(guī)劃等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)下水庫(kù)的綜合應(yīng)用效果提升。水庫(kù)上游，其集雨的面積為9.146km2。下水庫(kù)的總庫(kù)容的設(shè)定為1495.32萬(wàn)m3，在對(duì)水庫(kù)水位進(jìn)行監(jiān)督與控制的基礎(chǔ)上，對(duì)擋水壩、放水底孔等進(jìn)行建設(shè)。但是，在建設(shè)中，下水庫(kù)的地形比較陡，水庫(kù)蓄水運(yùn)行過(guò)程中可能引起局部坍塌，因此采用挖頂卸載及混凝土格梁結(jié)合錨桿護(hù)坡等方式進(jìn)行處理，護(hù)坡范圍主要是自然邊坡坡度>30°的范圍?；炷粮窳撼叽鐬?00×500mm，間距2.5×4.5m；錨桿直徑為Φ28，間距2.5×2.25m；混凝土格梁之間填筑干砌石(厚度為300mm)，干砌石下設(shè)反濾排水層。

3.5 永久公路布置

永久公路包括對(duì)外交通公路(即進(jìn)場(chǎng)公路)及場(chǎng)內(nèi)交通公路兩部分。進(jìn)場(chǎng)公路包括進(jìn)場(chǎng)公路前/后段(分界樁號(hào)為K3+585.52)、交通洞口進(jìn)/出洞連接支線。場(chǎng)內(nèi)交通公路包括上下庫(kù)連接公路、上庫(kù)壩頂連接公路、下庫(kù)連接支線。永久公路總里程為17.098km，包括橋梁2座(全長(zhǎng)128m)，涵洞80道，隧道1座(長(zhǎng)704m)。進(jìn)場(chǎng)公路按三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度為40km/h(前段)及30km/h(后端)，設(shè)兩車道；場(chǎng)內(nèi)交通公路按四級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合清遠(yuǎn)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)實(shí)際，對(duì)樞紐布置及主要建筑物設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論述，重點(diǎn)對(duì)上水庫(kù)壩頂高程計(jì)算、地基處理、壩體滲流穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定及應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了分析。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站建筑物組成復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工難度大。針對(duì)樞紐工程特定的建設(shè)條件，確定了各主要建筑物合理的布置方案和處理措施。工程自投運(yùn)以來(lái)，始終保持安全高效穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮著“穩(wěn)壓器”“調(diào)節(jié)器”和“超級(jí)充電寶”的重要作用，為大灣區(qū)的電力供應(yīng)保駕護(hù)航。