鄭齊峰 ，吳喜艷

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）（2.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心抽水蓄能工程技術(shù)研發(fā)分中心，浙江省杭州市 311122）

0 引言

天荒坪抽水蓄能電站是國內(nèi)首批建設(shè)的大型抽水蓄能電站，機(jī)組具有水頭高、轉(zhuǎn)速高、大容量的特點(diǎn)，地下廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置較典型，為后續(xù)抽水蓄能電站地下廠房洞室群及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗振設(shè)計(jì)，提供一定的借鑒和參考。從天荒坪抽水蓄能電站開發(fā)后，陸續(xù)開發(fā)了幾十座抽水蓄能電站，開發(fā)過程中遇到了各種水文地質(zhì)條件及布置條件，地下廠房洞室群布置具有鮮明的個(gè)性和共性特點(diǎn)，本文對抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)布置的各細(xì)部設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述、對廠房內(nèi)部尺寸及巡視通道的布置、集水井布置位置、下部管道廊道及埋管廊道布置、主變運(yùn)輸洞功能演變、廠房油水分離設(shè)計(jì)、排水廊道布置、地下廠房抗振設(shè)計(jì)等進(jìn)行探討，其中許多經(jīng)典布置具有借鑒和參考價(jià)值。

1 概況

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)境內(nèi)，太湖西苕溪支流大溪流域上，距杭州57km、上海175km、南京180km。電站安裝6臺(tái)30萬kW機(jī)組，總裝機(jī)容量180萬kW，年發(fā)電量31.6億kWh，抽水電量42.86億kWh，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。電站以500kV一級(jí)電壓、出線二回接至瓶窯變電站進(jìn)入華東電網(wǎng)，在華東電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、填谷、調(diào)相、調(diào)頻及緊急事故備用等任務(wù)。

工程樞紐包括上下水庫、輸水系統(tǒng)、500kV開關(guān)站和地下廠房洞室群等，輸水發(fā)電系統(tǒng)采用兩洞六機(jī)斜井尾部廠房布置方式，地下廠房洞室群包括主副廠房洞、主變壓器洞、母線洞、尾閘洞、500kV電纜豎井及排風(fēng)兼交通豎井等。主副廠房洞長198.7m，寬21.0m，高47.73m，主變壓器洞長180.9 m，寬18.0m，高24.7m。主廠房布置巖壁吊車梁，主變壓器洞和尾閘洞平行于主廠房，布置在下游側(cè)。主廠房和主變壓器洞凈距離33.5m，主變壓器洞和尾閘洞凈距離26.5m。

500kV開關(guān)站位于在下水庫進(jìn)/出水口上部的350.2m高程上，排風(fēng)兼安全出口豎井和500kV電纜兼交通豎井為地下廠房洞室群與地面500kV開關(guān)站之間的兩個(gè)豎向交通通道，進(jìn)廠交通洞則是地下廠房洞室群與地面之間的水平交通通道。

2 地下廠房布置設(shè)計(jì)

2.1 廠房布置格局

天荒坪抽水蓄能電站是華東勘測設(shè)計(jì)研究院（以下簡稱華東院）首個(gè)設(shè)計(jì)的大型抽水蓄能電站，華東院在吸收國外先進(jìn)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行了大量深入的研究，主副廠房洞、主變壓器洞和尾閘洞采用三大洞室平行布置，安裝場設(shè)端部，主變壓器洞和主廠房之間通過母線道及主變壓器運(yùn)輸洞相連，布置合理，運(yùn)行方便，是國家電網(wǎng)公司抽水蓄能電站工程通用設(shè)計(jì)推薦的布置，該布置格局已經(jīng)成為后續(xù)類似抽水蓄能電站布置的經(jīng)典，具有參考意義。

限于當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件、運(yùn)行和設(shè)計(jì)理念，主廠房寬度21.0m，主變壓器洞寬度18.0m，主廠房和主變壓器洞凈距離僅為33.5m等，設(shè)備布置相對緊湊，個(gè)別通道狹窄，在后續(xù)抽水蓄能電站布置中已適當(dāng)加寬?！秶译娋W(wǎng)公司抽水蓄能電站工程通用設(shè)計(jì)》[1]建議類以機(jī)組主廠房寬度采用23.5m，主變壓器洞寬度采用19.0m，主廠房和主變壓器洞凈距離采用40m。

《國家電網(wǎng)公司抽水蓄能電站工程通用設(shè)計(jì)》明確，地下廠房主廠房洞、主變壓器洞、尾閘洞三大洞室平行布置，對于地質(zhì)條件較差或短尾水洞電站等，可根據(jù)工程實(shí)際情況有選擇地局部選用。地下主廠房進(jìn)廠方案推薦采用端部（平行或垂直廠房縱軸線）進(jìn)廠方式，主廠房洞與主變壓器洞巖體厚度不宜小于40m，主變壓器洞與尾閘洞巖體厚度不宜小于30m。

2.2 地下洞室群采用巖壁吊車梁設(shè)計(jì)

地下廠房上覆巖體厚度160～200m，圍巖為侏羅系上統(tǒng)勞村組含礫流紋質(zhì)熔凝灰?guī)r，巖石堅(jiān)硬、新鮮。天荒坪地下廠房洞室群圍巖工程地質(zhì)條件好，為采用巖壁吊車梁提供了條件。巖壁梁在最大荷載（125%額定荷載）作用下，也是安全穩(wěn)定的。巖壁吊車梁不僅可以減小廠房洞的開挖跨度，而且為后期的施工帶來了極大便利。

后續(xù)地質(zhì)條件差的抽水蓄能電站工程如宜興等，也成功采用了巖壁吊車梁。

2.3 地下廠房的自流排水洞設(shè)計(jì)

天荒坪抽水蓄能電站的地下廠房設(shè)置了自流排水洞而不設(shè)常規(guī)的集水井，是該電站最成功經(jīng)典設(shè)計(jì)之一[2][3]，電站充分利用了下水庫河道縱坡陡的山區(qū)溪流特點(diǎn)（縱坡達(dá)4%～5%）。地下廠房洞底的排水廊道底高程為214m左右，比下水庫壩基高程低約50m，為此，布置了長約1600m的自流排水洞，出口高程約209m，大溪河底高程下降了約60m，即使在洪水期，自流排水洞也能順利排水。設(shè)計(jì)自流排水洞優(yōu)點(diǎn)十分明顯，它排除了因事故斷電，集水井水泵不能工作而造成水淹廠房的隱患。自流排水洞斷面大，排水能力強(qiáng)，除了正常排水外，一旦遇上廠房內(nèi)某些水管的事故爆管而造成排水量增大，也能及時(shí)排走。因此使防范水淹廠房的安全度大為增加。同時(shí)，施工期地下廠房洞室群各處施工用水全部通過自流排水洞自流排出，大大減少了施工期抽排水工作量。

后續(xù)抽水蓄能電站如寶泉、廈門、長龍山等工程，均采用自流排水洞?！秶译娋W(wǎng)公司抽水蓄能電站工程通用設(shè)計(jì)》明確，對于具備設(shè)置自流排水洞的工程需作相應(yīng)優(yōu)化考慮。

3 抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)布置

3.1 廠房內(nèi)部尺寸及巡視通道

天荒坪抽水蓄能電站地下廠房布置同后續(xù)已建的工程相比，內(nèi)部布置相對緊湊，從運(yùn)維情況看，應(yīng)適當(dāng)增加。廠房上游尺寸的確定主要考慮蝸殼層球閥的布置及巡視通道，對于500m以下水頭段的電站，蝸殼層上游側(cè)凈空尺寸建議5.1～5.5m；對于500m及以上水頭段的電站，蝸殼層上游側(cè)凈空尺寸建議4.8～5.2m。蝸殼層上游側(cè)最窄處通道建議1.2～1.5m。廠房下游尺寸主要由母線層的風(fēng)管、空調(diào)進(jìn)排水管、電纜橋架、母線槽等布置所需尺寸來控制，同時(shí)盡量兼顧母線洞內(nèi)電氣設(shè)備的搬運(yùn)。綜合考慮，建議廠房母線層下游側(cè)凈空3～3.5m。機(jī)墩、風(fēng)罩內(nèi)徑根據(jù)主機(jī)設(shè)備廠家及工程經(jīng)驗(yàn)確定，混凝土厚度的確定主要考慮廠房結(jié)構(gòu)的抗振能力。風(fēng)罩混凝土厚度根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速及支撐型式確定，轉(zhuǎn)速大于等于428.6r/min的高轉(zhuǎn)速懸式機(jī)組，建議風(fēng)罩混凝土厚度不小于1.2m，其他類型機(jī)組不小于1.0m。建議機(jī)墩混凝土厚度不小于3m，且下層機(jī)墩與上層風(fēng)罩的外緣原則上保持一致。

蝸殼層至機(jī)組安裝高程高度建議，當(dāng)進(jìn)水閥直徑2.0m左右時(shí)該高度為4.5m；當(dāng)進(jìn)水閥直徑為2.5m左右時(shí)該高度為4.8m，當(dāng)進(jìn)水閥直徑為大于等于3.0m時(shí)該高度為6.0m。

機(jī)組安裝高程至水輪機(jī)層高度建議，當(dāng)進(jìn)水閥直徑2.0m左右時(shí)該高度為3.3m；當(dāng)進(jìn)水閥直徑為2.5m左右時(shí)該高度為3.5m，當(dāng)進(jìn)水閥直徑為大于等于3.0m時(shí)該高度為4.0m，水輪機(jī)層高度統(tǒng)一為6.5m。

母線層高度建議，單機(jī)容量350MW及以上時(shí)該高度為6.5m；單機(jī)容量300MW及以下時(shí)該高度為6m。

發(fā)電機(jī)層至橋機(jī)軌頂高度建議，單機(jī)容量350MW及以上時(shí)該高度為12m；單機(jī)容量300MW及以下時(shí)該高度為11.5m。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速為500r/min及以上時(shí)，發(fā)電機(jī)層至橋機(jī)軌頂?shù)母叨葢?yīng)在上述高度基礎(chǔ)上加0.5m（考慮轉(zhuǎn)子一根軸結(jié)構(gòu)）。

橋機(jī)軌頂至網(wǎng)架牛腿高度建議，當(dāng)主橋機(jī)采用250t時(shí)該高度為5.5m；當(dāng)主橋機(jī)采用300t時(shí)該高度為5.8m。

3.2 集水井布置

有些抽水蓄能電站因受地形條件限制，無法設(shè)置自流排水洞，需要設(shè)置集水井匯集地下洞室群的滲水?？梢栽谥鲝S房兩端各設(shè)一個(gè)集水井，如泰山抽水蓄能電站，也可以在主廠房一端設(shè)一個(gè)集水井，如桐柏、響水澗、仙游、洪屏等工程。從布置條件來看，在主廠房兩端各設(shè)一個(gè)集水井有利于匯集滲漏水，但這種布置方式會(huì)增加廠房總長度，無論在主廠房布置一個(gè)或兩個(gè)集水井，因其位置較低，大大增加出渣難度，對廠房發(fā)電工期有一定影響。

根據(jù)宜興工程將集水井布置在尾閘室的經(jīng)驗(yàn)，《國家電網(wǎng)公司抽水蓄能電站工程通用設(shè)計(jì)》建議，只要地址條件允許，可將集水井布置在尾閘室，績溪工程及后續(xù)在建項(xiàng)目均是這種布置方式，可以減輕主廠房開挖支護(hù)的工期壓力。

3.3 下部管道廊道布置

有些抽水蓄能電站受地形條件限制，無法設(shè)置自流排水洞，因此需在尾水管上游布置滲漏檢修排水廊道，導(dǎo)致廠房上游開挖邊墻更高，對邊墻穩(wěn)定不利，針對這種情況，仙游和仙居抽水蓄能電站將管道廊道改為埋管廊道，只在廠房內(nèi)尾水管之間開挖用于布置尾水管檢修的管道廊道，尺寸小，無需在尾水管上游拉槽，保留尾水管之間的巖梗，降低了廠房開挖高度。此廊道待管道安裝完后用混凝土回填密實(shí)，這種布置方式對于4臺(tái)機(jī)組及以下的電站是有優(yōu)勢的，如果機(jī)組臺(tái)數(shù)過多，需要開挖的埋管廊道尺寸太大可能就不經(jīng)濟(jì)了。

3.4 主變壓器運(yùn)輸洞布置

抽水蓄能電站地下廠房主變壓器運(yùn)輸、安裝就位一般是先將主變壓器運(yùn)輸?shù)桨惭b場，通過橋機(jī)起吊把主變壓器就位到主變壓器運(yùn)輸軌道，用卷揚(yáng)機(jī)通過主變壓器運(yùn)輸洞拉到主變壓器洞，就位到主變壓器轉(zhuǎn)盤處，旋轉(zhuǎn)90°，再通過主變壓器運(yùn)輸軌道拉入各主變壓器室就位。響水澗、仙居、績溪工程主變壓器就位時(shí)，用平板車通過主變壓器進(jìn)風(fēng)洞直接將主變壓器運(yùn)到主變壓器洞，通過枕木墊起、移動(dòng)、千斤頂?shù)确椒?，不需要主變壓器運(yùn)輸軌道就可以將主變壓器安裝就位到主變壓器室。因此，此方法值得借鑒，優(yōu)點(diǎn)無需設(shè)主變壓器運(yùn)輸軌道，施工期地面平整干凈，另外主變壓器運(yùn)輸洞尺寸也可作相應(yīng)縮減，對主廠房下游邊墻和巖壁吊車梁穩(wěn)定非常有利。需注意的是，設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)核進(jìn)廠交通洞到主變壓器進(jìn)風(fēng)洞整個(gè)運(yùn)輸線路上的路面寬度和轉(zhuǎn)彎半徑，特別注意電纜溝對運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

3.5 廠房油水分離設(shè)計(jì)

地下廠房的各種排水最后排入自流排水洞或集水井抽排排放至廠外，天荒坪工程廠內(nèi)總滲漏量約50L/s（包括山體滲水和機(jī)組正常運(yùn)行排水），由于限于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念和環(huán)保理念以及對機(jī)組設(shè)備含油的認(rèn)識(shí)，原設(shè)計(jì)沒有對含油廢水和滲水進(jìn)行分離和處理，是目前天荒坪抽水蓄能電站運(yùn)行管理的難點(diǎn)。目前天荒坪公司已進(jìn)行了地下廠房油水分離處理和改造，并在集中排油部位設(shè)置有濾油池，定期對油污清理，效果較好。

隨著環(huán)保理念的加深及經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，后續(xù)的抽水蓄能電站設(shè)計(jì)均已對含油廢水和山體滲漏水進(jìn)行分離設(shè)計(jì)，將主廠房及副廠房的含油廢水引入油水分離池內(nèi)進(jìn)行油水分離，由于含油廢水量小，通過含油廢水設(shè)備處理后回用或排放。排水廊道、其他附屬洞室等山體滲漏水直接排放廠外。泰安、宜興、仙游、洪屏、仙居等工程均按上述理念設(shè)計(jì)的。尾閘洞經(jīng)多年運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)也有含油廢水產(chǎn)生，可在尾閘洞底板合適位置設(shè)一截水坑，將其廢水引入截水坑內(nèi)，用專用車輛運(yùn)至廠外處理。在建的金寨、長龍山工程均按此設(shè)計(jì)。

3.6 排水廊道設(shè)計(jì)

天荒坪地下廠房洞群埋深160～200m，主廠房洞拱頂在下水庫設(shè)計(jì)最高蓄水位以下約83m，主副廠房距下水庫水平距離200m。來自引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)滲水不可避免地或多或少通過裂隙斷層等構(gòu)造滲入廠房。

天荒坪電站排水系統(tǒng)由排水孔、排水廊道及自流排水洞3大部分組成，所有滲水最終都匯集到自流排水洞。天荒坪排水廊道共設(shè)了兩層，通過近20年的運(yùn)行觀測，是成功的，其不足之處在于尾閘洞下游少一條中層排水廊道攔截下游滲水，導(dǎo)致尾閘洞頂拱有較多的滲水，后經(jīng)處理攔截了滲水。

目前抽水蓄能電站地下廠房如沒有特殊的水文地質(zhì)情況一般設(shè)3層排水廊道，上層、中層和下層，使地下廠房周圍形成強(qiáng)大的排水系統(tǒng)。如廠區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，可能要在廠房頂拱以上增設(shè)1～2層排水廊道。宜興工程廠房頂拱以上巖體為巖屑砂巖和泥質(zhì)粉砂巖互層層狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育有緩傾角層面節(jié)理，在廠房頂拱上部增設(shè)兩條排水廊道，前期作為廠房頂拱灌漿及預(yù)應(yīng)力錨固洞，后期作為永久排水廊道。洪屏工程廠區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，廠房探洞揭示廠區(qū)地下水豐富，示蹤試驗(yàn)表明上水庫與地下廠房存在滲漏通道，因此洪屏工程設(shè)置了5層排水廊道，實(shí)現(xiàn)了“高水自流、底水抽排”的設(shè)計(jì)理念。宜興和洪屏工程竣工已有多年，證明排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的，值得后續(xù)工程借鑒。

3.7 主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗振設(shè)計(jì)

天荒坪抽水蓄能電站的水頭高、機(jī)組容量大、機(jī)組轉(zhuǎn)速高（正常工況500r/min，飛逸工況720r/min），因此激振頻率高，正常工況8.33Hz，飛逸工況12.0Hz；懸式機(jī)組機(jī)墩上部受力，轉(zhuǎn)輪采用中拆方式，機(jī)墩開孔大（5.9m×2.4m），基礎(chǔ)薄弱，構(gòu)成“頭重腳輕”對抗振十分不利的結(jié)構(gòu)形式，而且廠商對發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)切向和法向剛度要求高（12×106N/mm），這就給廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來相當(dāng)大的難度。[2][3]

設(shè)計(jì)上進(jìn)行了多種結(jié)構(gòu)布置型式、多個(gè)模型、在各種工況下的整體結(jié)構(gòu)三維有限元?jiǎng)印㈧o力分析研究，從中選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布置型式，確定所采取的加大結(jié)構(gòu)剛度的措施：

（1）將蝸殼機(jī)墩結(jié)構(gòu)與下游邊墻連接，增加約束。

（2）加大板、粱、柱斷面，增加水平支承。

（3）加大發(fā)電機(jī)風(fēng)罩的厚度。

（4）提高蝸殼、機(jī)墩和風(fēng)罩混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

（5）將上下游排架柱與巖壁黏結(jié)，利用圍巖的抗力。

此外，采用了鋼蝸殼在充水保壓下澆筑外圍混凝土，使蝸殼和外包混凝土形成一定程度的聯(lián)合受力，達(dá)到既節(jié)約外包混凝土的配筋數(shù)量，又可吸收蝸殼中高速水流產(chǎn)生的水力振動(dòng)的目的。

目前，天荒坪電站運(yùn)行時(shí)廠房的振動(dòng)是可接受的，達(dá)到了目的，證明地下廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗振措施是合理的，也是必要的，這些措施為后續(xù)抽水蓄能電站的抗振設(shè)計(jì)提供了參考。

當(dāng)然，后續(xù)多數(shù)抽水蓄能電站的機(jī)組采用了上拆方式，避免了由于蝸殼和機(jī)墩開孔較大對結(jié)構(gòu)剛度的削弱。由于機(jī)組采用上拆方式，機(jī)墩結(jié)構(gòu)是通過板梁與下游圍巖邊墻連接的，廠房振動(dòng)也是接受的。但是，通過筆者多個(gè)電站廠房設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分析，認(rèn)為天荒坪廠房的機(jī)墩結(jié)構(gòu)與下游邊墻連接對抗振起了較大作用，對于安裝高水頭大容量機(jī)組的廠房，機(jī)墩結(jié)構(gòu)與下游圍巖邊墻直接連接將對廠房抗振起較大好處。

3.8 廠房開發(fā)方式要綜合考慮運(yùn)行維護(hù)方面優(yōu)勢

天荒坪抽水蓄能自首臺(tái)機(jī)組發(fā)電以來，電站運(yùn)行管理和檢修都相當(dāng)方便，廠房樞紐布置及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是成功。如地面中控樓布置離地下主廠房極其近，運(yùn)維期的故障處理和運(yùn)行維護(hù)都非常方便，是尾部廠房方案的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)單位在抽水蓄能電站可行性研究設(shè)計(jì)階段進(jìn)行首部廠房方案、中部廠房方案、尾部廠房方案比較，要綜合考慮運(yùn)行維護(hù)方便方面優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

自天荒坪抽水蓄能電站1998年首臺(tái)機(jī)組發(fā)電以來，又有十多座抽水蓄能電站投產(chǎn)發(fā)電，地下廠房結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)更加成熟，更加符合運(yùn)行維護(hù)要求，并已形成《國家電網(wǎng)公司抽水蓄能電站工程通用設(shè)計(jì)地下廠房布置分冊》的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及抽水蓄能電站技術(shù)的發(fā)展，地下廠房布置進(jìn)一步向安全型、舒適型布置靠攏，把抽水蓄能電站建成一個(gè)綠色、精品、和諧的美麗電站。