溧阳抽水蓄能电站工程设计变更与优化

李建军，吴书艳，石含鑫，胡林江，胡旺兴

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；2.江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳213334)

1 工程概况

溧阳抽水蓄能电站地处江苏省溧阳市境内，主要任务是为江苏电力系统提供调峰、填谷和紧急事故备用，同时也可承担系统的调频、调相等任务。电站装机容量1 500 MW(6×250 MW)，发电最大水头290.00 m，最小水头227.30 m，额定水头259.00 m，洞长水头比为7.9。电站通过2回500 kV线路接入500 kV天目湖变电站。电站初期蓄水和运行补水水源为沙河水库。本工程为一等大(1)型工程，电站枢纽建筑物主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等组成。

上水库位于龙潭林场伍员山工区，并与安徽省接壤，主要利用2条冲沟开挖筑坝而成。水库正常蓄水位291.00 m，死水位254.00 m，总库容1 422.9万m3，主要建筑物有主坝、2座副坝、进出水口、库岸及库底防渗体系等。主坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高165.00 m(坝轴线处)，上游面坡比为1∶1.4，下游面综合坡比为1∶1.45；①、②副坝均为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高分别为59.60 m和51.60 m；水库采用全库盆防渗，其中大坝和库周采用钢筋混凝土面板防渗，库底回填石渣后采用土工膜防渗。

下水库位于天目湖镇吴村村，与沙河水库南源支流中田舍河为邻，在河流堆积阶地、宽缓浅冲沟和残丘处开挖并在临沙河水库侧筑坝而成，其中开挖料主要用于上水库主坝填筑。水库呈“L”形，正常蓄水位19.00 m，死水位0.00 m，正常蓄水位库容1 343.8万m3。主要建筑物有大坝、补水泄水闸、进出水口、库岸防护及补水设施等。大坝为均质土坝，布置在临沙河水库侧，最大坝高12.60 m；补水泄水闸布置在大坝右坝头库岸段，孔口宽4.0 m。

输水系统布置在上水库东北侧至下水库西侧山体中，引水和尾水均采用“一洞三机”联合供水方式。上、下水库进出口分别采用竖井式和侧式，引水隧洞主洞洞径9.20 m，全段采用钢板衬砌；尾水隧洞主洞洞径10.00 m，采用钢筋混凝土衬砌；尾水调压室为圆形阻抗式调压室，大井直径22.00 m，连接段(阻抗孔)直径6.00 m。从上水库进出水口至下水库进出水口的输水隧洞总长为1 969.094～2 153.334 m。

地下厂房采用首部式开发方式，主厂房垂直埋深约240～290 m。地下洞室群主要由主厂房、主变洞、母线洞、高压电缆平洞及电缆竖井等组成。主厂房开挖尺寸为219.90 m×23.50 m×55.30 m(长×宽×高)，其中岩锚梁以上宽25.00 m；主变洞开挖尺寸为193.16 m×19.70 m×22.00 m(长×宽×高)；开关站位于主厂房下游地势相对较平缓地段，地面高程88.90 m，平面尺寸123.00 m×82.00 m(长×宽)。

本电站临建工程于2008年12月开始建设；主体工程于2011年4月开工建设；2015年5月中旬下水库通过蓄水验收并蓄水，2015年12月中旬上水库通过蓄水验收并蓄水；输水系统及地下厂房洞室群开挖支护在2015年6月基本完成；引水和尾水系统在2016年7月前完成充排水试验并一次成功；2017年1月10日首台机组投产发电，2017年10月11日最后第6台机组投产发电，本工程全部竣工投产。

2 设计变更内容

溧阳抽水蓄能电站工程地质条件十分复杂，技术难度大，可研阶段对主要技术问题已有较全面的论证，明确了主要设计方案。在招标设计和施工详图阶段，根据本工程技术特点，以可研审查意见、核准评估意见和历次技术评估意见为基础，遵循“安全可靠、质量可控、技术可行、经济合理，同时兼顾进度和投资，有利于施工”的原则，根据现场实际情况，对可研阶段设计方案进行了进一步优化设计。

在招标设计阶段，开展了混凝土骨料场补充勘察、砂石加工系统、环境保护设计、上水库防渗方案、上水库大坝深化设计、地下厂房系统布置、输水系统深化设计、施工总进度一级控制网络、防震抗震、施工规划等专题研究，收集整理了部分水文气象资料、机组设计参数，并开展工程调研，对工程进行全面设计复核论证，并编制完成《江苏溧阳抽水蓄能电站招标设计报告》。施工详图阶段，根据现场开挖揭示的地质条件和施工方案，对部分建筑物结构进行了优化调整，对工程缺陷进行了处理。

所有设计变更内容不涉及工程建设条件和安全标准。设计变更主要为混凝土骨料料源变化，主要建筑物布置和结构方案，地面副厂房、开关站和中控室位置，机组安装高程等方面；环境保护和水土保持方面总体没有变更；建设征地移民安置由地方政府组织实施。涉及建筑物布置及结构方案变更、投资变化较大的主要设计变更内容主要有[1]：①混凝土骨料料源由西庄料场变更为树管料场，施工期根据树管料场的开采情况，部分采用外购天然河砂、下水库开挖料轧制；上水库大坝垫层料料源由骨料场变更为下水库开挖料；②上水库库底防渗形式由粘土+土工膜组合防渗变更为土工膜防渗；③下水库泄水建筑物形式由坝下设置浅埋式外包钢筋混凝土钢管泄洪变更为右岸岸坡泄洪闸；④上水库进出水口隧洞段、引水隧洞衬砌由原混凝土衬砌变更为钢衬，取消厂前帷幕灌浆，尾水岔管由钢岔管变更为钢筋混凝土岔管；⑤球阀由原独立布置于主厂房前的球阀室内变更为布置在主厂房内(即取消球阀室布置)，地下副厂房集中布置于主厂房右端；⑥机组安装吸出高度由-50.00 m变更为-57.00 m，机组安装高程相应调整；⑦上水库主坝体型(取消坝后“之”字路)、坝体分区及填筑参数调整；⑧上水库主坝右坝头处理方案由抗滑桩+预应力锚索综合处理方案变更为开挖+局部锚索+坝体填筑综合处理方案；⑨主厂房岩壁吊车梁采用增加附壁墙的加强处理方案；⑩优化调整引水钢岔管体型和管径；上水库进出水口取消拦污栅及相应启闭设备；上水库边坡处理方案及安全监测方案变化；下水库边坡处理方案变化；主厂房弯肘段结构体型优化；尾水岔管体型、位置调整；地下洞室支护参数优化；地面副厂房和开关站位置变化调整；中控室位置变化调整。

针对以上设计变更情况，设计单位于2014年3月和2015年12月编制完成工程重大设计变更报告[2-7]。水电水利规划设计总院会同江苏省能源局于2014年7月和2016年1月对其进行了审查，并通过。

3 主要设计变更

3.1 上水库

3.1.1 库底防渗形式

经技术经济综合比较，可研审定的上水库全库盆防渗方案为：库岸及坝体采用混凝土面板防渗，库底采取土工膜+粘土组合防渗方案。该方案库底形式为：库底开挖区开挖后基础面高程240.70 m，库底回填区回填石渣顶部高程240.70 m。库底开挖区与回填区均采用粘土、土工膜组合防渗方案，防渗体顶部高程248.00 m。从上至下依次为：0.3 m厚碎石护面层、4.5 m厚粘土防渗层、1 mm厚HDPE土工膜、500 g/m2土工织物、0.5 m厚粘土层。0.5 m厚第1层反滤层、0.5 m厚第2层反滤层、1 m厚过渡层。

在招标设计及施工详图阶段，经深入研究认证，并通过技术经济综合比较，库岸及坝体仍采用混凝土面板防渗，库底变更为纯土工膜防渗方案，即取消了原组合防渗的粘土层。该方案库底最终形式为：库底开挖区开挖后基础面高程246.00 m，库底回填区回填石渣顶部高程246.00 m。库底开挖区与回填区均采用土工膜防渗方案，防渗体顶部高程248.00 m。防渗体由上至下依次为：0.1 m厚混凝土预制块(10 kg/块)、500 g/m2土工布、1.5 mm厚HDPE土工膜、500 g/m2土工布、1 300 g/m2三维复合排水网、5 cm砂垫层、0.4 m厚碎石下垫层、1.5 m厚过渡层。

变更的主要理由：①粘土储量不足，不能满足纯粘土防渗要求；②组合防渗方案结构层复杂，粘土压实施工难度极大；③采用土工膜防渗形式已有工程可借鉴；④土工膜施工相对简单，工期短；⑤工程量减小，投资省，检修条件好。

3.1.2 主坝体型和坝体分区

主要涉及坝顶结构调整、下游坝坡护坡结构调整、坝基开挖方式调整、坝体分区调整并增设2个增模区等内容。经优化调整后，大坝运行性态更加符合地形地质条件和筑坝料要求。

3.1.3 主坝右坝头处理方案

此段边坡存在倾向库外的软弱夹层，经边坡稳定计算复核与分析，需采取工程措施进行加固处理。可研阶段采用抗滑桩+预应力锚索的处理方案，招标设计及施工详图阶段经专项研究认证，软弱夹层范围小且埋深有限，调整为挖除软弱夹层及以上岩体后，做面板堆石坝方案。实施时，根据开挖过程中实际揭露的地质条件情况，修改了挖除范围及挖除深度，并局部增加锚索处理。该调整方案彻底消除了边坡失稳隐患，经济，可靠性高，施工简单。

3.1.4 库岸面板排水垫层

库盆环库公路以下挡水库岸段边坡按1∶1.4坡比开挖完成后，可研阶段库岸面板后排水垫层采用0.8 m厚碎石垫层。在施工详图阶段，因在长斜坡面上做碎石垫层薄层碾压施工难度大，易被雨水冲刷，施工碾压质量难以保证，故将排水垫层调整为35 cm厚C10无砂混凝土，以降低施工难度，加快施工进度。为减小无砂混凝土垫层对面板的约束，在其表面全面喷涂1薄层阳离子乳化沥青，再铺设1层土工布(500 g/m2)后，浇筑库岸面板。

3.2 下水库

3.2.1 泄水建筑物形式

可研阶段，下水库泄洪设施方案比较了溢流堰、浅埋式钢管以及钢筋混凝土管等3种。其中，浅埋式钢管方案投资最小，布置相对简单，且管道受力条件好，也无端部接头连接处理难题，故推荐该方案。在施工详图设计阶段，经深入研究并通过技术经济综合比较，调整为岸边式补水泄水闸方案，布置在土坝右坝头处。

变更的主要理由：①可研方案排架基础埋深大，基础处理工程量大；②由于下水库大坝为双向挡水，可研方案蝶阀也需双向挡水，考虑其运行及检修要求，1条泄洪管需设置3扇蝶阀，由于电机不能入水，检修、工作室及工作排架也需配套设置，结构布置及运行都较为复杂；③双向挡水的蝶阀较贵，投资较大；④可研方案置于土坝底部，施工干扰较大；⑤变更后的补水泄水闸方案置于开挖基岩上，闸室稳定应力条件好，与土坝无接头防渗问题，运行及检修方便，且投资相对较少。

3.2.2 均质土坝优化

主要涉及坝基防渗方案由粘土齿墙调整为高压旋喷灌浆处理方案；坝段处岸坡支护方案由锚喷支护调整为网格梁+干砌石护坡方案；取消了靠下水库侧坝顶防浪墙；坝轴线的直线段向沙河水库内平移7 m。

3.2.3 库盆及库岸边坡处理方案

可研阶段，库岸边坡地质条件主要依据有限的钻孔资料推测，设计要求对边坡采取锚喷支护处理，并对破碎和蚀变部位考虑有足够的混凝土置换工程量，对地质缺陷地段提出了处理原则，但缺乏较强的针对性。

施工详图阶段，施工揭露的库岸边坡地质条件较可研阶段预测要差。为保证边坡安全，在可研阶段设计方案的基础上，进行了适当的调整及补充，并根据工程的进展及变化情况予以完善。主要为：在下水库进出水口边坡段，由于开挖过程中卸荷的影响，边坡产生变形致使局部出现裂缝，为确保此段边坡稳定，增加了网格梁+节点锚索支护；其他环库公路以下岸坡段，岩脉蚀变带等较大面积出露的区域及局部有变形现象的岸坡，采取贴坡或置换混凝土及系统锚杆支护，局部段还增加了随机锚筋桩或锚索支护。

3.3 输水系统

3.3.1 隧洞衬砌形式

可研阶段，引水主洞上平段至下弯段推荐的衬砌形式为钢筋混凝土衬砌。根据补充勘探成果以及前期邻近洞室开挖揭露的实际地质情况，该段围岩条件较可研阶段差，结合隧洞的运行条件和要求，为隧洞长久运行安全，在招标设计阶段变更为钢板衬砌。

可研阶段，尾水岔管为钢岔管；在招标设计阶段，根据尾水岔管的实际运行特点，经技术经济比较，变更为钢筋混凝土衬砌，大大降低了施工难度。

在施工详图设计阶段，根据现场开挖揭露的实际地质情况和现场灌浆试验成果，对洞室围岩稳定条件、围岩的承载能力和防渗性能进行了深入分析，对上水库进出水口隧洞段衬砌形式进行了调整，由厚壁钢筋混凝土衬砌变更为钢板衬砌。

3.3.2 引水钢岔管设计

可研阶段，引水钢岔管为非对称内加强月牙肋岔管，主管直径8.5 m，HD值高达3 690 m2，在采用800 MPa级钢材的情况下，按与围岩联合承载设计，岔管管壁最大厚度68 mm，肋板厚度136 mm，制作安装存在较大难度。为减小岔管壁厚，降低施工难度，对引水钢岔管的布置、管径、体型等进行了优化和调整，对引水钢岔管的结构特性、水力特性、施工特性进行了较系统的计算分析和研究后，通过采用对称布置、缩小主管管径、优化岔管体型，改善了岔管的应力分布，充分利用材料强度，岔管的管壁和肋板的厚度大为减薄，岔管的规模相应减小，施工难度大为降低。

3.3.3 取消拦污栅

可研阶段，上水库进出水口按设置拦污栅考虑。招标设计阶段，经深化设计论证，因本电站为纯蓄能电站，上水库是人造的全库盆防渗封闭式蓄水池，根据周边的自然条件和水库的运行条件，上水库基本无污物来源，结合国内有关蓄能工程的实际运行情况，上水库进出水口具备取消拦污栅条件，从而简化进出水口结构，节省金属结构及土建工程投资，同时还可减少水头损失，增加发电效益。因此，招标设计和施工详图设计阶段，上水库进出水口均按无拦污栅设计。

3.4 发电厂房

3.4.1 球阀布置方案

可研阶段，球阀布置于厂房上游球阀洞室内。招标设计阶段对球阀布置方案进行了深入论证研究，经技术经济比较后认为，球阀布置在地下厂房内部，厂房跨度增加有限，对围岩稳定影响较小，施工及运行管理方便，投资少。因此，在招标设计和施工详图阶段，将球阀布置方案调整为球阀厂内布置，引水压力钢管斜向进厂。

3.4.2 布置集中的地下副厂房，取消厂用设备洞

可研阶段，地下副厂房布置比较分散，在安装间下游与主变洞之间布置1条45.00 m×9.00 m×13.15 m(长×宽×高)的厂用设备洞，主要布置蓄电池室、电缆、低压配电盘和高压配电盘等厂用配电设备；在安装间下部主要布置低压空压机、高压空压机和渗漏排水泵房等。这些设备均布置在离⑥号机组较远的位置，不利于电站首台机安装调试和电站运行期的管理维护。因此，招标设计和施工详图阶段，在主机间左端设置集中地下副厂房，把厂用设备洞和安装间下部布置的机电设备均集中布置在离⑥号机组最近的地下副厂房内，取消了厂用设备洞。

3.4.3 机组安装高程

可研阶段，水泵水轮机的吸出高度及安装高程为-50 m。根据可研审查意见，招标阶段对水泵水轮机的吸出高度及安装高程进行了深入研究。由于该电站水头变幅较大，机组水力设计难度大，为保证机组的安全稳定运行，宜适当降低机组安装高程，以利于水泵水轮机无空化运行和保证尾水管真空值在过渡过程中满足要求。因此，在招标设计和施工详图阶段，综合考虑到在机组招标选择厂家时，不受吸出高度与安装高程的制约，并结合现阶段进厂交通洞布置难度，将水泵水轮机吸出高度由-50 m调整为-57 m。

3.4.4 厂区防渗排水系统设计

可研阶段，地下厂房厂区防渗排水系统采用堵排结合方案，在距主厂房上游侧70 m位置设置1道防渗帷幕，在厂房四周布置排水廊道及排水孔(幕)。招标设计阶段，引水隧洞由部分钢衬调整为全钢衬后，考虑引水隧洞内水已无法外渗，为减小厂前帷幕的阻水作用对压力钢管的影响，在招标和施工详图阶段，取消了主厂房前的防渗帷幕。

可研阶段，厂区渗漏集水井及排水泵房布置在安装间下部位置。招标设计阶段，地质钻孔揭示，渗漏集水井附近安山斑岩岩脉蚀变成土状，岩脉位于厂房底板高程附近及以下。由于渗漏集水井位置较深，岩脉性状很难摸清，因此，招标设计和施工详图阶段将渗漏集水井及泵房位置调整至地下副厂房端部，取消了安装间下部排水泵房和集水井。

可研阶段，集水井的渗漏水与检修排水的通道均采用直接抽排至尾水管流至下水库的方案，该方案安全保证性差，渗漏水和检修水也不宜直接排至库内。在招标设计和施工详图阶段，在厂区顶部增加1条自流排水洞，厂区渗漏集水井内渗漏水和检修排水通过抽排至自流排水洞，再自排至下水库周边的排水渠中。

3.4.5 地面副厂房、开关站和中控室位置变化

可研阶段，地面副厂房、中控室和开关站布设于地下厂房下游①道路高程125.00 m山坡开挖形成的平台上。根据建设征地情况和方便运行管理，招标设计和施工详图阶段，将地面副厂房、GIS开关站和出线平台均布设于地下厂房下游侧地势相对平坦、开阔的的地面上(高程90.00 m)，将中控室布置在业主营地办公区内。

4 结 语

溧阳抽水蓄能电站各项重大设计变更均按国家有关法定程序进行了审查，符合工程建设规定和工程实际，并在技施阶段予以实施，6台机组已于2017

年10月全部投产发电，电站运行良好，各水工建筑物安全稳定。从现阶段结果来看，这些变更是必要的，且符合工程实际需要。