石臺抽水蓄能電站樞紐布置關鍵技術研究

摘要：石臺抽水蓄能電站位于安徽省池州市石臺縣境內(nèi)。石臺縣是國家重點生態(tài)功能區(qū)，生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，電站建設綠色環(huán)保要求高；下水庫大壩下游為彭溪村，樞紐布置需充分考慮對村民日常生活的影響。結合石臺抽水蓄能電站特點，基于“綠色環(huán)保、以人為本”設計理念進行電站樞紐布置，主要從上、下水庫壩址壩型壩線選擇、泄水建筑物布置、輸水系統(tǒng)立面布置、地下廠房開發(fā)方式，以及下游河道治理等方面開展研究。經(jīng)過精心設計，石臺抽水蓄能電站樞紐布置有效降低了對周邊社會環(huán)境的不利影響，形成工程建設與生態(tài)建設同步推進、人與自然和諧共生的良好局面。該設計理念與具體設計思路可供類似抽水蓄能電站樞紐布置設計參考。

關 鍵 詞：樞紐布置；綠色環(huán)保；以人為本；石臺抽水蓄能電站

中圖法分類號：TV61 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.027

0 引言

為實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”，近年來中國抽水蓄能電站的建設進入快車道^［1-2］。抽水蓄能電站站址一般選在電網(wǎng)負荷中心附近；同時，為了保證發(fā)電水頭，大多位于山澗峽谷，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度高、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好，對環(huán)境保護要求高，例如溧陽、泰安、天荒坪、績溪等抽水蓄能電站^［3］。對于抽水蓄能電站下水庫，其下游河道一般為中小河流，天然行洪能力較低，需要考慮工程建設對下游防洪及附近村民的影響^［4］。另外，抽水蓄能電站地下洞室群規(guī)模較大，需考慮施工環(huán)境、通風條件的影響。因此，對于抽水蓄能電站，將“綠色環(huán)保、以人為本”的設計理念融入工程建設，降低工程對周邊生態(tài)環(huán)境及人類社會的不利影響，促進人與自然和諧相處十分重要。

目前，國內(nèi)對于抽水蓄能電站“綠色環(huán)保、以人為本”設計理念的系統(tǒng)性研究較少，主要是基于施工期的相關措施開展研究^［5-6］。本文依托石臺抽水蓄能電站，將“綠色環(huán)保、以人為本”設計理念融入到前期樞紐布置中，以挖填平衡為導向，最大程度利用開挖料，減少工程對地表的擾動、減小工程占地范圍，同時適當考慮施工條件對施工人員安全、健康的影響，并考慮工程布置對下游居民日常生活的影響。上述工程設計理念對助力抽水蓄能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有參考價值。

1 工程概況

石臺抽水蓄能電站位于被譽為“中國原生態(tài)最美山鄉(xiāng)”的安徽省石臺縣，距離合肥市直線距離185 km。工程開發(fā)任務為承擔電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用。電站裝機容量1 200 MW，屬日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)8 h。裝設4臺單機容量300 MW立軸單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，設計年發(fā)電量14.71億kW·h，設計年抽水耗電量19.61億kW·h，綜合效率約為75%。電站屬Ⅰ等大（1）型工程，樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關站等建筑物組成。擋、泄水建筑物的設計洪水標準取200 a一遇，校核洪水標準取2 000 a一遇，地震基本烈度為Ⅵ度。

2 樞紐布置條件

2.1 水文泥沙

石臺抽水蓄能電站的上水庫位于丁香鎮(zhèn)林茶村霧脊坡，黃湓河二級支流林茶溪上游，壩址以上流域面積為2.30 km²。下水庫位于仙寓鎮(zhèn)彭溪村，壩址以上流域面積為4.54 km²。石臺縣屬于中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，光熱水資源豐富，四季分明，春季至初夏多雨，伏秋常旱，山區(qū)小氣候明顯。多年平均降水量1 638.2 mm，降水主要集中在4～8月，多年平均水面蒸發(fā)量777 mm。洪水與降雨過程密切相關，具有歷時短、匯流快、洪峰尖高的特點。根據(jù)多年實測泥沙資料，多年平均含沙量0.086 kg/m³，多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)86.6 t/km³。

2.2 地形地質(zhì)

2.2.1 上水庫

上水庫基巖地層有前震旦系羊棧嶺組上部（Pt₁y^b）淺變質(zhì)長石石英砂巖、震旦系下統(tǒng)休寧組第一段（Z_ax¹）礫巖、休寧組第二段（Z_ax²）長石石英砂巖以及燕山期（δμ）閃長玢巖。庫岸山體和分水嶺雄厚，地形封閉條件好。水庫區(qū)地層為碎屑巖系隔水巖組，不存在巖溶現(xiàn)象，巖體隔水性總體較好，呈弱—微透水性。庫區(qū)斷裂構造不發(fā)育，無切穿周邊山體的長大結構面。庫區(qū)內(nèi)無滑坡、泥石流、采空塌陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象，主要分布7處崩塌堆積體，規(guī)模等級以小型為主。

2.2.2 下水庫

下水庫基巖地層主要有寒武系中統(tǒng)楊柳崗組（∈₂y）紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r及鈣質(zhì)頁巖，下統(tǒng)荷塘組（∈₁ht）含碳鈣質(zhì)頁巖、含碳硅質(zhì)頁巖，震旦系上統(tǒng)皮園村組（Z_bp）硅質(zhì)巖、藍田組（Z_bln）含碳硅質(zhì)鈣質(zhì)頁巖夾肋骨狀灰?guī)r等。庫周山體雄厚，無低矮埡口，地形封閉條件良好。庫盆巖體為碎屑巖，為隔水巖組，靠近壩址區(qū)為碳酸鹽巖。工程區(qū)無切穿兩岸山體的斷層，構造封閉條件好。庫區(qū)未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的崩塌、滑坡等不良物理現(xiàn)象，自然邊坡整體穩(wěn)定。

2.2.3 輸水發(fā)電系統(tǒng)

輸水系統(tǒng)除上、下水庫進出水口處圍巖厚度稍薄外，一般隧洞的上覆巖體厚度在48～520 m。沿線地層巖性為休寧組（Z_ax）長石石英砂巖、長石巖屑砂巖及燕山期花崗斑巖（γπ）、閃長玢巖（δμ），震旦系上統(tǒng)藍田冰磧層（Z_bl）中厚層凝灰質(zhì)巖屑砂巖、含礫砂巖、藍田組（Z_bln）含碳鈣質(zhì)頁巖夾薄層肋骨狀灰?guī)r、皮園村組（Z_bp）厚層硅質(zhì)巖等。巖體以微透水性為主，地下水活動總體較發(fā)育，沿斷層帶、長大裂隙面見多處涌水或線狀出水。斷層不甚發(fā)育，走向以NEE、NNE為主，Ⅲ級結構面有f3、f4、f13和f17，與洞向大角度相交。引水隧洞圍巖總體以Ⅱ類為主，地下廠房洞室群以Ⅱ類為主，尾水隧洞以Ⅲ類為主，斷層破碎帶及裂隙發(fā)育部位為Ⅳ類、V類。

3 樞紐總體布置

石臺抽水蓄能電站樞紐布置方案為：在丁香鎮(zhèn)林茶村霧基坡林茶溪源頭溝谷筑壩形成上水庫，在仙寓鎮(zhèn)彭溪村彭溪支溝內(nèi)筑壩形成下水庫，在上下水庫之間山體布置輸水發(fā)電系統(tǒng)，地下廠房為中部式，見圖1。

上水庫正常蓄水位755.00 m，死水位720.00 m，調(diào)節(jié)庫容959萬m³。主要建筑物有大壩、環(huán)庫公路等。大壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程761.00 m，最大壩高105.00 m，壩頂長度370 m，壩頂寬10 m。上水庫流域面積較小，24 h洪量全部蓄于庫內(nèi)，不設置泄洪設施。

下水庫正常蓄水位268.00 m，死水位238.00 m，調(diào)節(jié)庫容973萬m³。下水庫主要建筑物有大壩、豎井泄洪洞和洞內(nèi)放水管、環(huán)庫公路等。大壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程273.00 m，最大壩高107.00 m，壩頂長度367 m，壩頂寬10 m。下水庫泄洪設施由大壩左岸布置的豎井泄洪洞和洞內(nèi)放水管組成。

輸水系統(tǒng)總長約2 449 m，引水及尾水系統(tǒng)采用兩洞四機布置。上水庫進出水口采用側向岸塔式布置。引水系統(tǒng)平面上呈直線布置，立面采用二級豎井布置，設半埋藏式調(diào)壓室。尾水系統(tǒng)平面一次轉彎折線布置，立面采用“一坡到底”的布置形式，設尾水調(diào)壓室。下水庫進出水口采用側向岸塔式布置。

地下廠房上覆巖體厚度約為369～405 m，主廠房洞、主變洞、尾水閘門洞三大洞室平行布置，電纜出線采用斜井+平洞的方式，通向地面500 kV開關站。

4 “綠色環(huán)保、以人為本”設計理念在樞紐布置中的應用

工程區(qū)附近分布有牯牛降、蓬萊仙洞、仙寓山、秋浦河等自然風景區(qū)，自然環(huán)境優(yōu)美，環(huán)保水保要求高；下水庫毗鄰彭溪村，樞紐布置需考慮對周邊村民日常生活的影響；輸水系統(tǒng)總長近2.5 km，樞紐布置時需考慮施工環(huán)境、通風條件的影響。基于“綠色環(huán)保、以人為本”的設計理念，結合工程實際，重點從以下幾方面進行設計：①選擇合適的壩址、壩型及壩線，以挖填平衡為導向，充分利用工程天然材料，減少棄渣；②深化泄水建筑物布置方式研究，減少建筑物布置對天然地表的擾動；③適當考慮地下洞室群施工過程中的工作環(huán)境，保障施工人員的安全及健康；④充分考慮工程建設與下游村莊的關系，盡量減少對居民日常生活的影響。

4.1 上水庫壩址、壩型、壩線選擇

上水庫位于林茶溪源頭溝谷，通過擴庫開挖、溝口筑壩形成。天然庫盆較寬闊，山體總體較雄厚，水庫封閉條件好，庫盆防滲型式采用垂直防滲。根據(jù)天然地形條件，上水庫壩址唯一。由于上、下水庫之間的交通條件不便，外來材料運輸費用較高，且工程區(qū)附近均沒有可利用的黏土料源，為最大限度地利用庫區(qū)開挖料和當?shù)夭牧希瑝涡筒捎没炷撩姘宥咽瘔巍?/p>

在上水庫壩址范圍內(nèi)，優(yōu)選地形地質(zhì)條件較好、滿足庫容要求的壩線，擬定了如圖2所示上、中、下3條壩線，以挖填平衡為導向，按混凝土面板堆石壩布置格局進行比較。方案比選時，為減少棄渣對工程區(qū)附近環(huán)境景觀的影響，同時也有利于減少初期蓄水量，參考溧陽、句容等抽水蓄能電站的工程經(jīng)驗^［7-8］，將工程棄料經(jīng)適當碾壓填筑于部分死庫容區(qū)。

從地形地質(zhì)、大壩結構布置、征地移民、環(huán)保水保、施工條件等方面綜合考慮，上壩線水頭最高、棄渣量最大、投資最多，下壩線大壩趾板線跨沖溝、水頭最低、征地面積最大，中壩線地形地質(zhì)條件較優(yōu)、棄渣量最小、投資最省，因此選擇中壩線為上水庫推薦壩線。

上水庫大壩填筑需要的石料，主要從庫盆內(nèi)開采，選定壩型和壩線后，結合大壩填筑及調(diào)節(jié)庫容需求，在719.50 m高程以上沿庫周進行山體開挖，總開挖量約416萬m³，增加調(diào)節(jié)庫容約274萬m³。開挖有用料全部用于壩體填筑、混凝土骨料等，棄渣堆于庫盆719.00 m高程以下，從而減少工程占地面積，降低對周邊環(huán)境及居民的影響。

4.2 下水庫壩址、壩型、壩線選擇

下水庫位于由6條扇形展布的較大沖溝匯聚而成的彭溪支溝，通過擴庫開挖、溝口筑壩形成。庫岸山體和分水嶺雄厚，地層巖性主要呈弱—微透水性，封閉條件好，庫盆防滲型式采用垂直防滲。下水庫推薦壩址位于沖溝匯合處下游約200 m處，距彭溪村直線距離約420 m。下游彭溪村居民點密集，若壩址向下游調(diào)整，不利于工程施工布置，且對下游居民生活產(chǎn)生不利影響。壩址若向上游調(diào)整，壩軸線明顯變長，并且將使天然調(diào)節(jié)庫容大幅度減小，需增加庫容擴挖工程量或增加因上調(diào)正常蓄水位而導致的壩體增高填筑量。堅持“以人為本”的設計理念，綜合考慮地形地質(zhì)條件、樞紐布局等因素，認為下水庫壩址唯一。

下水庫壩址具備建造混凝土壩或土石壩的條件，常用的土石壩壩型有混凝土面板堆石壩和瀝青混凝土心墻堆石壩。若采用瀝青混凝土心墻堆石壩，上、下游坡比則需調(diào)整為1∶2，大壩填筑量和侵占有效庫容較多，所需開挖擴庫工程量較大、工程投資較大，且壩腳向下游延伸較遠，對下游居民影響較大。碾壓混凝土重力壩方案壩基開挖量大，且該工程泄流量小，重力壩壩身泄洪優(yōu)勢不明顯，而混凝土面板堆石壩方案基礎開挖少，邊坡及基礎處理相對簡單，在投資方面具有顯著優(yōu)勢，開挖料用于筑壩可減少對下游居民區(qū)影響，利于環(huán)境保護。因此，推薦下水庫大壩采用混凝土面板堆石壩方案。

在選定壩址范圍內(nèi)，將下水庫壩線選擇在彭溪支溝兩岸山脊、地形相對狹窄處。在盡量不影響彭溪村的前提下，按混凝土面板堆石壩布置格局，擬定2條壩線進行比選，位置見圖3。經(jīng)比選分析，兩條壩線地形地質(zhì)條件、輸水發(fā)電系統(tǒng)布置及施工條件相似，但上壩線方案壩軸線略短、泄水建筑物工程量較小、總體投資較省，且對下游彭溪村居民影響較小。因此，選擇上壩線為下水庫推薦壩線。

下水庫大壩填筑需要的石料，主要從庫盆、輸水系統(tǒng)、地下廠房及附屬洞室、開關站、豎井泄洪洞、環(huán)庫公路等部位開采。選定壩型和壩線后，結合大壩填筑及調(diào)節(jié)庫容需求，在237.50 m高程以上沿庫周進行山體開挖，總開挖量約330萬m³，增加調(diào)節(jié)庫容約172萬m³。開挖料主要有石英砂巖、硅質(zhì)巖、泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖等，其中強、弱風化頁巖質(zhì)量較差，結合筑壩材料試驗及大壩三維靜動力計算結果，將頁巖料布置在下游堆石干燥區(qū)，充分利用開挖料，減少山體明挖及對地表的擾動。開挖有用料全部用于壩體填筑、混凝土骨料等，棄渣一部分堆于庫盆237.00 m高程以下，一部分堆于壩后，一方面可以減少占地面積，降低對周邊環(huán)境及居民的影響，同時對壩后坡的穩(wěn)定有利，另一方面可以在壩后形成較大的棄渣平臺，作為施工場地或運行期景觀、旅游開發(fā)用地。

4.3 下水庫泄水建筑物選擇

對于抽水蓄能電站下水庫，發(fā)電工況如果遭遇洪水將出現(xiàn)天然洪水與發(fā)電流量疊加的問題，尤其是當庫盆調(diào)節(jié)能力差、天然洪量大時，疊加影響更為突出。另外，抽水蓄能電站正常運行時，上、下水庫的總水量不能超過任一庫調(diào)節(jié)庫容，水庫多余水量主要通過在水庫較低高程布置的放水底孔泄流，及時宣泄多余水量。因此，從保障工程安全、發(fā)揮工程效益角度出發(fā)，抽水蓄能電站下水庫泄水建筑物通常采取較低高程的底孔與較高高程的表孔相結合的布置方式。

石臺抽水蓄能電站預可行性研究階段，泄水建筑物布置采用左岸導流泄放洞+右岸開敞式溢洪道方案。可行性研究階段從地形地質(zhì)、水力和結構設計、施工條件、環(huán)境影響、工程投資及運行條件等方面，對泄洪建筑物布置方案開展進一步研究，擬定兩種泄水建筑物布置方案進行比選。方案一為右岸自由溢流式溢洪道（表孔）+左岸導流泄放洞（底孔）聯(lián)合泄流，方案二為左岸豎井泄洪洞（表孔）+洞內(nèi)放水管（底孔）聯(lián)合泄流。

兩個方案對應的大壩規(guī)模相當，無技術限制條件。方案一中水庫表層、底層兩種泄水通道分開布置，結構設計簡單、水力特性好，在泄洪安全性方面略優(yōu)于方案二，但溢洪道結構布置易形成人工開挖高陡邊坡，且地表開挖量大，開挖擾動范圍廣，植被破壞面積大，工程投資較大。方案二中水庫表層、底層兩種泄水通道臨近布置，結構設計和水力特性稍復雜，但能有效減少地面明挖對地表植被的破壞，造成的水土流失相對較輕，利于環(huán)境保護與美觀，且與導流洞結合布置，樞紐布置緊湊、減少施工干擾，經(jīng)濟性較好。綜合分析，采用方案二作為下水庫泄水建筑物布置推薦方案。

4.4 引水系統(tǒng)立面布置型式選擇

抽水蓄能電站從上水庫進出水口到機組安裝高程的高差一般很大，如何進行上下平洞間的立面布置，需要考慮地形地質(zhì)條件、水力學條件、水工布置要求、工程投資和施工條件。從工程布置和投資的角度來看，采用斜井的方案線路短，工程投資省，但施工條件較差。在已建的長斜井施工過程中，由于地質(zhì)條件缺陷，局部錨桿施工、高壓固結灌漿及鋼管施工通常存在一定的風險性。目前國內(nèi)采用陡傾角、長斜井的布置方式較多，主要有十三陵、天荒坪、寶泉、西龍池等抽水蓄能電站^［3］。

石臺抽水蓄能電站預可行性研究階段引水系統(tǒng)立面型式采用兩級斜井方案，可行性研究階段結合地形地質(zhì)條件、水力條件、工程布置要求及施工技術水平等因素，針對兩級斜井和兩級豎井布置方式進行進一步研究。經(jīng)比選，兩級豎井方案引水系統(tǒng)長度較兩級斜井方案長181 m，水頭損失較兩級斜井方案增加0.49 m，投資增加約847萬元。但兩級豎井方案在地質(zhì)條件、施工條件、施工安全及質(zhì)量控制方面較斜井方案更優(yōu)，機械化程度高，且能保障施工工期。豎井方案更能體現(xiàn)國家安全生產(chǎn)“以人為本”“安全第一”的政策法規(guī)精神。因此，最終推薦采用兩級豎井的立面布置型式。

4.5 地下廠房開發(fā)方式選擇

大型抽水蓄能電站上、下水庫距離一般較遠，廠房多布置在上、下水庫之間的山體內(nèi)，選擇范圍大，可根據(jù)樞紐建筑物的布置、地形地質(zhì)條件及電站運行要求，靈活選擇合適的廠房位置。按照地下廠房在輸水系統(tǒng)中的位置，可以分為首部、中部和尾部3種布置方式。

該工程結合勘探平洞揭露的地質(zhì)條件，擬定首、中、尾3種廠房布置方式進行比選。經(jīng)綜合比較，首部方案附屬洞室及施工支洞最長，通風排煙條件較差，建設期施工環(huán)境差，且埋深達600 m，遭遇巖爆及相應地質(zhì)隱患的幾率大；尾部方案地質(zhì)條件最差；中部方案地下廠房附屬洞室短，對外交通、建設期及運行期通風條件較優(yōu)。堅持“以人為本”的設計理念，綜合考慮工程投資等方面，推薦采用中部式地下廠房布置方案。

4.6 下游河道治理工程

石臺抽水蓄能電站下水庫泄水建筑物設計時，下泄流量不大于入庫洪水流量，以避免電站運行時出現(xiàn)“人造”洪水對下游彭溪村造成不利影響。下水庫成庫后水庫下游防洪對象主要為彭溪支溝及彭溪兩岸的民居和農(nóng)田，根據(jù)GB 50201—2014《防洪標準》，水庫下游防洪標準確定為10 a一遇。經(jīng)實測斷面資料和洪水資料頻率研究，彭溪村現(xiàn)狀防洪標準不足5 a一遇。為了進一步提高彭溪村的防洪能力、切實保障村民生命財產(chǎn)安全，通過下水庫的滯洪作用并輔以河道疏浚、河岸防護等措施將下游河道行洪能力提高至10 a一遇。

5 結語

石臺抽水蓄能電站基于“綠色環(huán)保、以人為本”的設計理念，在前期樞紐布置時，就以挖填平衡為導向，減少棄渣及地表擾動，充分考慮工程布置對周邊自然環(huán)境及居民的影響，并考慮施工條件對施工人員的安全、健康影響，全面貫徹了高質(zhì)量發(fā)展要求，為實現(xiàn)抽水蓄能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展添磚加瓦。

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（編輯：鄭毅）