梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)工程中抽蓄機(jī)組廠房布置研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計

江 軍， 王 勝， 楊 炳 全， 黃 煌， 陳 向 東， 李 治 國

(1.中電建水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610047；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

在我國當(dāng)前努力建設(shè)現(xiàn)代能源體系的指導(dǎo)方針下，國家要求“因地制宜開展中小型抽水蓄能電站建設(shè)，探索推進(jìn)水電梯級融合改造”。2022年4月30日，全球首個“分布式光伏+梯級小水電+小型抽水蓄能”聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)工程——春廠壩變速抽水蓄能示范電站在四川省阿壩州小金縣順利并網(wǎng)。作為服務(wù)于小金縣流域梯級水、光、蓄的深度融合型項目，通過新增加的5 MW全容量變速恒頻可逆式抽水蓄能發(fā)電機(jī)組，形成59 MW常蓄結(jié)合電站，與流域其他梯級小水電共計141 MW以及50 MW光伏形成梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合運行發(fā)電系統(tǒng)工程，實現(xiàn)了水電、光伏、抽水蓄能、水庫的優(yōu)化協(xié)同控制[1]。

根據(jù)小金流域梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合運行發(fā)電系統(tǒng)工程要求，常規(guī)的春廠壩水電站改造為常蓄混合式電站，需利用上游的已有水庫及其引水系統(tǒng)和下游已有梯級水庫。因此，新建抽蓄機(jī)組廠房需布置在已投運水電站廠房周邊，而在項目選點過程中遇到已投運水電站尾水與下水庫庫位相銜接及下水庫庫岸臺地地形條件下頂部圍巖較差等問題[2]。同時，抽水蓄能發(fā)電機(jī)組吸出高度一般在-30～-50 m左右，因此，抽蓄機(jī)組廠房必須深埋庫岸臺地以下約50 m，造成廠房布置極其困難、施工難度大、施工成本高。

為有效解決上述問題，本文通過以春廠壩變速抽水蓄能示范電站為例，提出一種抽水蓄能機(jī)組豎井式廠房結(jié)構(gòu)，將地下廠房布置在岸邊圓筒形豎井內(nèi)，與常規(guī)地下式廠房相比，可以有效解決岸邊抽水蓄能機(jī)組超低吸出高度布置困難和臺地地形條件下頂部圍巖不穩(wěn)定的問題，降低了廠房基礎(chǔ)開挖施工難度以及施工成本[3]。

1 電站原布置及地質(zhì)條件

1.1 原水電站工程布置

春廠壩水電站廠區(qū)樞紐由主廠房、副廠房、升壓站、回車場及進(jìn)廠公路等組成。廠址位于小金河左岸美興加油站下游約150 m的Ⅰ級階地處。廠房后邊坡為臺階狀地形，自然邊坡坡度13°～16°，邊坡整體穩(wěn)定性較好。主廠房內(nèi)安裝三臺單機(jī)容量為18 MW 的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。副廠房和電氣廊道布置在主廠房后側(cè)。

春廠壩水電站常規(guī)水電機(jī)組已于2016年投產(chǎn)發(fā)電，本階段利用上游的已有春廠壩水庫及其引水系統(tǒng)和下游已有三關(guān)橋水庫，新建抽水蓄能電站，安裝1臺變速恒頻可逆式抽水蓄能發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量5 MW[4]。新建水工建筑物主要有輸水壓力管道、尾水/抽水管、下庫進(jìn)/出水口、豎井式廠房等，新建水工建筑物的工程等別和建筑物級別宜與已有建筑物一致，永久性主要建筑物為Ⅲ級，次要建筑物為Ⅳ級，臨時建筑物為Ⅴ級。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)春廠壩水電站廠址區(qū)地勘資料，該處由上到下依次為表部人工堆積、砂卵礫石層和T3zh變質(zhì)砂巖與板巖不等厚互層。總體而言，基巖段巖性軟硬相間，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面(層面)以陡傾角為主，對井壁穩(wěn)定總體不利；板巖巖性軟弱，部分在開挖后，由于應(yīng)力調(diào)整可能會產(chǎn)生局部變形破壞；另預(yù)測全段地下水較豐，開挖過程中存在涌水問題；工程區(qū)域與廠區(qū)內(nèi)建筑物最小距離約10 m，春廠壩電站主廠房建于弱風(fēng)化基巖之上，受開挖影響較小，但對其周邊基礎(chǔ)置于砂卵礫石層的部分建筑物具有一定影響，若不采取防滲措施，開挖后形成集水井效應(yīng)，覆蓋層地下水降低后可能發(fā)生地面不均勻沉降問題，導(dǎo)致部分建筑物發(fā)生一定程度的開裂變形。

2 新建抽蓄機(jī)組廠區(qū)樞紐布置

2.1 廠址選擇

上廠址發(fā)電系統(tǒng)位于春廠壩廠區(qū)上游偏內(nèi)側(cè)，下廠址發(fā)電系統(tǒng)布置于春廠壩廠區(qū)下游角值班房附近，根據(jù)地質(zhì)資料分析上、下廠址建筑物結(jié)構(gòu)、尺寸、地形、物理地質(zhì)現(xiàn)象和地層巖性層與上廠址條件基本一致。

從地質(zhì)角度看，上、下廠址地質(zhì)條件基本相同；而下廠址場地相對狹窄，會影響已有廠區(qū)交通道路、值班房等，廠區(qū)建筑物布置較為困難；且下廠址豎井式廠房部分位于廠區(qū)邊坡上，豎井距離下水庫岸邊更近，施工期和運行期豎井防滲難度更大，故推薦上廠址方案。

2.2 廠房型式選擇

因新建抽水蓄能機(jī)組吸出高度為-30 m，因此，廠房型式只能為地下式或半地下式。

若采用地下式廠房，則需采用水平交通，因機(jī)組安裝高程較低，地下廠房進(jìn)出交通洞繞道較遠(yuǎn)，進(jìn)廠交通洞室工程量較大，同時，地下廠房防滲排水、出線、通風(fēng)等輔助洞室的工程量也較大。考慮到新建機(jī)組僅1臺，需要的廠房面積小，若采用豎井式廠房，僅需考慮垂直交通，省去出線、通風(fēng)等輔助洞室，則廠房工程布置簡單，工程量相對較小。

另外，采用豎井式廠房，壓力管道、尾水管可采用明管布置，較為方便。若采用地下式廠房，則壓力管道、尾水管的布置需開挖隧洞，工程量相對較大。因此，從地形、地質(zhì)、廠區(qū)布置、輸水系統(tǒng)布置等角度分析，為節(jié)約工程量，方便機(jī)組運行，抽蓄機(jī)組廠房采用豎井式較為合理[5]。

2.3 廠房布置方案

抽水蓄能電站廠區(qū)建筑物包括主廠房、副廠房、出線設(shè)備等組成。副廠房布置在新建主廠房上游側(cè)，呈“L”型與主廠房相臨，出線設(shè)備結(jié)合現(xiàn)有的地面廠房布置。主廠房呈“一”字型排列。主廠房地面以下為豎井結(jié)構(gòu)，地面以上為鋼結(jié)構(gòu)排架結(jié)構(gòu)。

電站安裝1臺單機(jī)容量為5 MW的全功率變速恒頻可逆式抽水蓄能機(jī)組。機(jī)組布置在豎井底部；安裝間、副廠房等布置在上部地面平臺。豎井內(nèi)設(shè)置樓梯和電梯通向上部平臺，上部平臺與進(jìn)廠交通同高。

廠房上部尺寸為30.40 m×17.10 m(長×寬)。豎井開挖直徑為15.00 m，襯砌厚度1.00 m，凈空直徑13.00 m；豎井底部高程為2 254.80 m，地面高程為2 295.00 m，豎井開挖最大深度51.2 m，廠房頂高程為2 307.85 m，總高53.05 m。豎井底部有集水井，廠房滲水通過集水井泵送出豎井。

新廠區(qū)地坪高程與與原廠區(qū)地坪高程齊平為2 295.00 m，通過原廠區(qū)道路形成對外交通。新建抽水蓄能電站地面高程與原有電站地面高程一致。

3 新建抽蓄機(jī)組豎井式廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 豎井式廠房滲控設(shè)計

(1)覆蓋層段旋噴樁防滲。該段廠房豎井外側(cè)5 m設(shè)置旋噴樁，間隔0.8 m。采用146 mm跟管鉆進(jìn)，旋噴樁應(yīng)按序施工，施工間距應(yīng)不小于4～6 m。旋噴樁平均厚度不小于80 cm，最小厚度不小于40 cm。樁下部深入基巖深度不小于100 cm，樁頂部高程2 288.00 m。

(2)基巖段帷幕灌漿防滲。該段廠房豎井外側(cè)5 m設(shè)置防滲帷幕，間隔2 m。廠區(qū)帷幕灌漿透水率q<3lu。灌漿范圍為：基覆界限至高程2 241.60 m。

3.2 豎井開挖支護(hù)設(shè)計

(1)覆蓋層段支護(hù)設(shè)計。該段廠房豎井外側(cè)設(shè)置旋挖樁，相鄰布置。頂部設(shè)置混凝土圈梁、中部設(shè)置腰梁進(jìn)行支持。圈梁和旋挖樁混凝土強(qiáng)度等級為C25，鋼筋為HRB400。根據(jù)計算結(jié)果，需要增加一道圈梁、兩道腰梁和一道底梁，腰梁通過短錨桿與旋挖樁銜接。廠房豎井腰梁剖面見圖1。

圖1 廠房豎井腰梁剖面圖

(2)基巖段網(wǎng)噴支護(hù)。該段豎井支護(hù)參數(shù)為：掛網(wǎng)鋼筋φ8@15 cmx15 cm，噴C25混凝土15 cm，錨桿φ25，L=4@1.5 m，交錯布置。

3.3 豎井覆蓋層段襯砌結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)廠址區(qū)地質(zhì)條件，側(cè)向山巖壓力按含水層進(jìn)行計算。豎井在外壓力作用時，采用麥拉公式計算，即可求出襯砌內(nèi)緣應(yīng)力σ0及外緣應(yīng)力σb。豎井襯砌(覆蓋層段)內(nèi)力計算結(jié)果見表1(“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力)。

3.4 豎井基巖段襯砌結(jié)構(gòu)計算

表1 豎井襯砌(覆蓋層段)內(nèi)力計算結(jié)果

豎井2 280 m高程以下井段發(fā)育基巖：2 280～2 275 m段為強(qiáng)風(fēng)化巖體，巖性軟弱，巖體破碎，地下水發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性極差，圍巖類別以Ⅴ類為主；2 275～2 255 m段為弱風(fēng)化巖體，巖體軟硬相間，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖類別以Ⅳ類為主；2 255 m以下段為微新巖體，巖體軟硬相間，圍巖類別以Ⅲ類為主，部分板巖集中發(fā)育段為Ⅳ類。

豎井在外壓力作用時，仍采用麥拉公式計算，豎井襯砌(基巖段)內(nèi)力計算結(jié)果見表2(“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力)。

表2 豎井襯砌(基巖段)內(nèi)力計算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以春廠壩變速抽水蓄能示范電站為實例，論證了在梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)工程中，將抽水蓄能機(jī)組布置在豎井式地下廠房的合理性和科學(xué)性，通過廠房形式比選和結(jié)構(gòu)計算，得出以下結(jié)論：

(1)由于抽蓄機(jī)組吸出高度低于常規(guī)機(jī)組，在常規(guī)水電改造為混合式抽蓄時，受已有建筑物結(jié)構(gòu)、地形地貌、地質(zhì)條件等制約因素影響，抽蓄廠房布置型式要謹(jǐn)慎選擇。由于布置型式不同，會導(dǎo)致施工難度和投資變化增大。

(2)經(jīng)施工期間監(jiān)測結(jié)果表明，該項目豎井式廠房的臨時支護(hù)和永久襯砌設(shè)計對周邊已有建筑物氣到了較好的保護(hù)作用，未見沉降、變形等現(xiàn)象發(fā)生。

(3)本項目豎井廠房位于下游梯級電站庫尾，距庫岸垂直距離26 m，最大開挖深度位于庫水位以下約40 m，因此，防滲處理措施的選擇顯得尤為重要。隨著豎井式廠房開挖深度增大，在施工期豎井井身滲水現(xiàn)象嚴(yán)重，存在多處集中涌水部位，客觀上也增加了施工難度和投資成本。

(4)本項目投運后，廠房各建筑物均處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，滲水量在可控范圍內(nèi)。實踐表明，在常規(guī)機(jī)組改造為混合式抽蓄設(shè)計過程中，豎井式廠房布置是合理可行的。