清远抽水蓄能电站枢纽布置设计论述

邓旭云

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510000)

1 工程概况

随着广东省经济的高速发展，已有的电力负荷逐渐难以满足用电需求。为进一步推动区域经济发展，提升广东电力系统调峰能力，扩容南方电网的“电力储存粮仓”，清远抽水蓄能电站的建设迫在眉睫。位于珠江三角洲西北部的清远抽水蓄能电站坐落于广东省清远市清新县太平镇，与广州直线距离75km[1]。该项目工程任务为：承担电力系统调峰填谷、调频调相以及紧急事故备用，改善电力系统内包括西电电源的运行条件，提升电能质量，优化电源结构，有效保障广东电网系统的稳定安全运行。

电站枢纽工程布设有4台单机容量320MW的可逆式水泵水轮机组，总装机容量达到1280MW，最高净水头502.7m。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL5180-2003)中对电站装机容量的规定，工程等别划分为一等，工程规模属于大⑴型。工程主要建筑物包含上、下水库大坝、输水系统、地下厂房洞室群、地面开关站及永久公路等。其中，水库大坝设计洪水标准为500a一遇、校核洪水标准为5000a一遇；水库泄水建筑物消能防冲设计洪水标准为100a一遇；厂房及其附属建筑物设计洪水标准为200a一遇，校核洪水标准为1000a一遇。上水库正常蓄水位612.5m，可调节库容1055万m3；下水库正常蓄水位137.7m，可调节库容1058万m3。

清远抽水蓄能电站站址条件好，水头高、库容大、水源充足、地质条件好、环境影响少，工程于2006年选点规划，2010年开工建设，2016年四台机组全面投产发电。工程投产至今，约共发电83.76亿度，为粤港澳大湾区提供了充足的清洁优质的电力服务。

2 建设条件

2.1 水文条件

清远抽水蓄能电站选址于清远市清新县的秦皇河上游，上水库位于清新县龙颈镇与太平镇交界处的甘竹顶山间盆地，距清新县城32km。上水库集雨面积1.001km2,天然状况下其汇水区域分两支，分别属于滨江和秦皇河两个流域，其中0.601km2属于北江一级支流秦皇河，另外在主坝附近的0.4km2集雨面积在天然状况下流入滨江支流骆坑河。下水库地处清远市清新县太平镇龙湾村委境内的麻竹脚，与清新县城直线距离25km。下水库为峡谷型水库，整体呈南北向分布，拥有9.146km2的集雨面积, 全部位于秦皇河流域，下接大秦水库库尾，整体地势呈现为北高南低。下水库库盆地表高程普遍处于80m以上，北、西、东三面均为中低山，坡势较陡，植被较丰富，分水岭高程普遍于300-638m区间分布。

2.2 地质条件

区域内地形呈北西高南东低的趋势，山脊和分水岭多呈北西走向，山岭高程一般为200-700m。区内大部分属低山丘陵地貌，仅在东部为第四纪高漫滩、一级阶地地貌。区内长期接受剥蚀、侵蚀，形成明显的四级夷平面，高程分布为：700-750m、550-600m、350-400m、100-150m。站址处于佛冈——丰良东西向构造带的南面(相距约20km)、吴川——四会北东向构造带东南面(相距约30km)、凤帽山背斜的南翼，区内地质构造以褶皱为主，断裂不太发育，为区域构造稳定区。地震基本烈度为VI度。根据地勘成果分析，工程岩体主要力学参数建议值见表1。

表1 枢纽工程主要岩体力学参数建议值

3 枢纽布置及主要建筑物设计

在对枢纽布置以及建筑物结构等方面进行优化中，则可以通过建筑结构设计以及整体枢纽布局设计的方式，对调压过程以及书库设计等方面进行优化，提高项目的输水发电布置水平提升。

3.1 上水库布置

在对上水库进行布置与优化的过程中，则需要从库容到落差都进行设计，水库的水位最大落差为25.5m，所以，在对库容进行设计的过程中，总库容为1179.8万m3,在对上水库的建筑物进行设计中，其中包含生态放水、副坝、主坝等，采用黏土心墙堆石方案进行设计(典型断面分别见图1-2)；泄洪方式采用泄洪洞结合导流洞方案；上水库库周大部分为全风化土，最不利工况下最大渗流量约为5128m3/d，通过对全风化土采用混凝土防渗墙、对基岩采用帷幕灌浆的联合处理方式，渗流量可减至2797.6m3/d，满足规范规定每昼夜渗流量≤总库容的0.5‰的要求。

图1 上水库主坝标准断面

图2 上水库副坝标准断面

3.1.1 坝顶高程确定

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020)及《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL5180-2003)的相关规定，坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：

y=R+e+A

(1)

式中：y为坝顶超高，m；R为最大波浪在坝坡上的爬高；R为最大风壅水面高度，m；A为安全加高，m，结合本工程实际情况，正常及设计运行工况取1.5m，校核工况取1.0m。

坝顶高程等于水库静水位和坝顶超高之和，应按设计洪水位、正常蓄水位或校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高并取最大值，坝顶超高计算结果见表2，结果表明：防浪墙顶高程最大值为616.2m，因坝顶与公路连接，为保证景观要求，根据同类工程经验，混凝土防浪墙兼花槽高度取0.6m，防浪墙顶设不锈钢栏杆，故确定上水库坝顶高程为615.6m，防浪墙顶高程为616.2m。

表2 上水库坝顶高程计算表

3.1.2 基础处理

坝基开挖：坝基开挖深度一般为坡积层以下2-3m，开挖边坡坡积层为1∶1.8，全风化土层为1∶1.5。对于全风化较厚的部位，上下游堆石区基础置于全风化硬塑土上，对全风化土较薄的部位，上下游堆石区基础置于强风化基岩，黏土心墙基础开挖到强风化层1m；对于全风化较厚的部位，黏土心墙基础置于全风化层。

坝基防渗：对于心墙基础为强风化基岩的，要求开挖强风化基岩深1m，在黏土心墙基础设1m厚的混凝土盖重，强风化基岩其它部位喷水泥砂浆，沿坝轴线进行防渗帷幕灌浆；对坝高超30m以上的黏土心墙基础进行固结灌浆，固结灌浆采用梅花型布置，深入基岩6m，间距3×3m。对全风化土较厚的部位，黏土心墙基础开挖到全风化层2-3m，基础防渗采用混凝土防渗墙+帷幕灌浆方案，混凝土防渗墙厚0.6m，混凝土防渗墙顶部伸入黏土心墙3m，其底部深入强风化基岩0.5m。帷幕灌浆布置一排，孔距1.5m。施工顺序为先混凝土防渗墙后帷幕灌浆，最后进行坝体填筑。

3.1.3 坝体渗流稳定分析

采用武汉大学SeepV3.0渗流计算软件对主、副坝进行渗流稳定分析[2]，计算断面见图3。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020)中相关规定来确定水位组合情况：①上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；②上游设计洪水位与下游相应的水位；③上游校核洪水位与下游相应的水位；④库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。计算结果表明：前三种工况下，单宽最大渗流量为3.90m3/d，而黏土心墙渗透比降J=0.468-1.768，对于良好压实的黏土，容许渗透比降为4。由于黏土心墙渗透比降小于容许值，表明黏土心墙堆石(渣)坝的渗流量和渗透稳定均满足要求。

图3 上水库坝体渗流稳定及边坡稳定计算断面

3.1.4 坝坡稳定分析

采用陈祖煜编制的土石坝专用程序——“土质边坡稳定分析 (STAB2005)程序”开展坝坡稳定分析，计算断面见图3，计算内容包括：①施工期的上、下游坝坡稳定；②稳定渗流期的上、下游坝坡稳定；③水库洪水位降落期的上游坝坡[3]。坝坡稳定分析成果见表3，结果表明：在各种条件下上、下坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于规范允许值，坝坡稳定满足要求。

表3 坝坡稳定分析成果表

3.1.5 坝体应力应变分析

为观察不同阶段上水库主坝的变形和应力发展情况，对主坝最大横剖面进行有限元分析计算。计算工况分为两种：竣工期(坝体自重)、蓄水期(坝体自重、浮拖力、水压力)。计算分析中，采用增量法模拟土坝施工过程，每一荷载步进行两步迭代计算：第一步采用的模量是根据增量开始时的应力状态算出，第二步是根据本增量步的平均应力状态算出。坝体最终的应力、变形为每一荷载步所引起的应力、应变和位移的迭加值。计算结果见表4和图4-5，分析可知：坝体的位移、应力分布规律较合理。从应力分布水平上看，竣工期上水库对应坝体的应力水平均在0.9MPa以下，蓄水以后坝体上游坝壳应力水平均有较大增加，在上游反滤层附近有小部分区域的应力水平>1.0MPa，但其分布范围较小且均在坝体内部，根据已运行的同类工程经验认为不影响大坝的整体稳定。

图4 竣工期坝体应力水平(上水库) 图5 蓄水期坝体应力水平(上水库)

表4 应力应变计算结果汇总

3.2 输水系统布置

在对输水系统进行布置与优化中，则需要将1管4机的供水机制进行优化，在设置尾水调压机制的视角下，可通过竖井、斜井的设计与优化，满足输水控制需求。输水系统在搭建与优化中，则采用衬砌型式，并对压力钢管进行设计与优化，在利用钢筋混凝土的基础上，可实现衬砌的综合控制效果提升。

3.3 厂房系统及开关站布置

厂房系统及开关站布置中，则需要从地下厂房以及主变线路设计的基础上，对厂房电网、交通路径以及排水管道等方面进行优化设计，从而实现厂房系统的综合控制效果提升。在对厂房的整体功能进行优化中，则需要对厂房结构以及整体布局设计等进行优化，提高厂房设计水平。其中，地下厂房由主机间、副厂房、安装场及风机室组成。主机间长108.5m，宽25.5m (吊车梁以上厂房宽26.5m),高57.9m，拱顶高程83.4m。厂房内装设4台320MW机组，水轮机吸出高度为-66m，安装高程为42.0m,机组间距为24m。副厂房布置在主机间右侧，长23m,宽25.5m,高39.55m (由透平油处理室底板底部算起)，共分7层。

3.4 下水库布置

在对下水库的布置进行优化的过程中，则需要对下水库的布局、规划等方面进行设计，从而实现下水库的综合应用效果提升。水库上游，其集雨的面积为9.146km2。下水库的总库容的设定为1495.32万m3，在对水库水位进行监督与控制的基础上，对挡水坝、放水底孔等进行建设。但是，在建设中，下水库的地形比较陡，水库蓄水运行过程中可能引起局部坍塌，因此采用挖顶卸载及混凝土格梁结合锚杆护坡等方式进行处理，护坡范围主要是自然边坡坡度>30°的范围。混凝土格梁尺寸为500×500mm，间距2.5×4.5m；锚杆直径为Φ28，间距2.5×2.25m；混凝土格梁之间填筑干砌石(厚度为300mm)，干砌石下设反滤排水层。

3.5 永久公路布置

永久公路包括对外交通公路(即进场公路)及场内交通公路两部分。进场公路包括进场公路前/后段(分界桩号为K3+585.52)、交通洞口进/出洞连接支线。场内交通公路包括上下库连接公路、上库坝顶连接公路、下库连接支线。永久公路总里程为17.098km，包括桥梁2座(全长128m)，涵洞80道，隧道1座(长704m)。进场公路按三级公路标准设计，设计速度为40km/h(前段)及30km/h(后端)，设两车道；场内交通公路按四级公路标准控制。

4 结 语

结合清远抽水蓄能电站设计实际，对枢纽布置及主要建筑物设计方案进行了论述，重点对上水库坝顶高程计算、地基处理、坝体渗流稳定、坝坡稳定及应力应变情况进行了分析。清远抽水蓄能电站建筑物组成复杂，设计和施工难度大。针对枢纽工程特定的建设条件，确定了各主要建筑物合理的布置方案和处理措施。工程自投运以来，始终保持安全高效稳定运行，发挥着“稳压器”“调节器”和“超级充电宝”的重要作用，为大湾区的电力供应保驾护航。