甘肃玉门抽水蓄能电站输水发电系统布置方案的选择

王 明,宋国栋

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概述

甘肃玉门抽水蓄能电站位于甘肃省酒泉地区玉门市境内，距玉门市直线距离约40 km。电站靠近酒泉千万千瓦级风电基地，距离最近的风电场约30 km。电站服务甘肃电网，主要为酒泉能源基地输电平台配套服务[1]。电站装机容量为1 200 MW，安装4台单机容量为300 MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机，额定发电水头为425 m。工程建成后将承担调峰、填谷、储能、调频、调相、紧急事故备用等任务，可减轻电网调峰压力，改善煤电机组运行条件，促进新能源的消纳，提高系统运行经济性和安全可靠性。电站枢纽主要有上水库、下水库、输水系统、地面厂房、厂区道路等组成。

工程区位于祁连山地槽褶皱系北祁连山优地槽褶皱带北缘，近场区活动断裂发育，区域地质构造背景复杂，地震活动强烈。工程区海拔高(上库高程近3 000 m)、蒸发强烈(多年平均蒸发为1 805.1 mm)、冬季寒冷(极端最低气温为-35.1 ℃)、夏季酷热(极端最高气温为38 ℃)、地震烈度高(Ⅷ度)、地质条件差，勘察设计工作面临巨大的困难和挑战[2]。随着地质资料的逐步揭露，地下洞室岩体破碎、围岩稳定、大变形问题比较突出，采用常规的抽水蓄能电站地下厂房洞室群输水发电系统方案将面临较大的困难和挑战，结合地形地质条件选择一个合适的输水发电系统布置方案成为本工程枢纽布置的焦点所在[3-5]。

2 输水发电系统布置方案

本工程上水库利用疏勒河右岸照壁山顶“凹”形平台，采用两面围填两面开挖而成。下水库利用照壁山北侧阴思道沟中段部位，在沟内筑坝挖填形成下水库。上、下水库之间为照壁山山体，山体中部为悬崖地形，地势急速降低。上、下水库水平距离约2.0 km，相对高差约440 m(见图1)。

图1 地下厂房方案输水发电系统平面示意

1) 地下厂房方案

下水库整体呈“靴型”，根据上下水库平面整体分布，下水库进出水口布置在下库南侧平直库岸段较为合理。根据输水线路平顺且最短的布置原则，上水库进出水口布置在上库右坝头库盆北侧。同时考虑上、下水库之间地形平面展布方向及陡岸分布、主要断层分布和地层地质条件，结合工程总体布置及地质探洞揭露的断裂及主应力方向，可采用上、下水库最短连接线路的地下厂房方案[6]。

根据地下厂房在输水发电系统中的位置，地下厂房的开发方式主要有：首部式、中部式、尾部式[7]。由于上下库进出水口水平距离约2.0 km，电站距高比为4.7，中部式开发方案同首部式开发方案剖面布置相差不大，但根据地质资料显示，中部式地下厂房位置地质条件较差，还需要增设上游调压井，首部方案与之相比优势明显。尾部开发方案厂房布置在下水库库尾南侧，地形为一单薄山梁。厂房拱顶处(高程为 2 314.9 m)断层构造发育，为强风化状构造碎裂岩，破碎带厚度约12.9 m，为块石夹土状。平洞PD01在厂房区揭露围岩为灰黑色构造碎裂岩，局部为辉长岩脉，脉体宽度小于30 m；构造碎裂岩为碎裂、散体状结构，以角砾夹岩屑为主，泥化、揉褶强烈，胶结一般，且遇水易软化崩解，围岩类别为Ⅳ类、Ⅴ类，基本无自稳能力，不具备修建厂房洞室群的围岩条件。

因此，选择首部式地下厂房开发方案进行输水发电系统布置比选(见图2)。

图2 地下厂房方案输水发电系统纵剖面示意

2) 地面厂房方案

在下水库周边存在北大窑沟、阴思道沟及野马沟3条天然冲沟，根据初定的厂房安装高程，3条冲沟的岸坡均具备布置地面厂房的地形(见图3)。

根据输水发电系统平面布置原则[8-10]，可根据输水线路平距长短对方案的优劣进行初步比选。输水线路过长，对机组运行过渡过程不利，需对电站的过渡过程是否满足要求进行初步判断[11-12]。4个地面厂房方案均在照壁山悬崖末端设置上游调压井，其输水系统平距由长到短分别为地面厂房3(3 868 m)、地面厂房1(3 567 m)、地面厂房4(3 333 m)、地面厂房2(3 327 m)，地面厂房4方案由于不具有设置尾水调压井的地形以至于水力过渡过程不满足要求。此外，地面厂房1位于照壁山悬崖下，有较大的边坡崩塌风险；厂区位于野马沟侧，存在泥石流灾害；厂区地基断层发育、规模较大，需进行地基加固，岩石存在遇水软化问题；厂区边坡岩层条件差，回填混凝土量大。地面厂房2厂房地基以弱风化岩为主，地质条件相对较好，同时由于有野马沟的阻隔厂区位置条件好，无自然灾害问题。

图3 可选地面厂房方案示意

根据厂房和下水库的平面位置及周边地形，地面厂房方案尾水系统的布置方式可采用同侧出水和异侧出水2种方式。

同侧出水和异侧出水方案左岸地面厂房位置基本相同，由于输水系统布置的原因，同侧出水方案厂房轴线以异侧出水方案轴线为基准逆时针旋转50°。同侧出水方案尾水系统总长较异侧出水方案尾水系统总长增加197 m，但单条尾水支管较同侧出水方案短191 m，工程投资差别不大。根据过渡过程初步计算成果，同侧出水方案、异侧出水方案尾水调压井距机组中心线距离分别为250.5 m、421.9 m，同侧出水方案尾水肘管处最低压力为8 m，异侧出水由于尾水调压井距离机组较远，尾水肘管处最低压力为-3 m，不满足运行要求。

因此，选择地面厂房2方案，尾水同侧进出水进行输水发电系统布置比选(见表1)。

3 方案比较

1) 工程布置

地下厂房方案输水发电系统呈南北向布置，输水系统采用“两管四机”供水方式，地下厂房采用首部式开发方案。引水管道立面布置采用两级竖井，尾水管道采用一坡到底的布置，管径为6.9 m/6.6 m/6.0 m/4.9 m/7.5 m，设有阻抗式尾水调压井。输水系统衬砌型式上竖井、中平洞、下竖井、下平洞、引水岔管、引水支管、尾水支管及尾水隧洞Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段采用钢板衬砌，其余采用钢筋混凝土衬砌。输水系统总长为2 651.5 m，其中：引水系统长为1 144.8 m，尾水系统长为1 506.7 m。输水管道水平距离为2 220.8 m，距高比为5.2。地下厂房系统主要洞室有：主副厂房、主变洞、尾闸洞、母线洞、330 kV出线平洞、进厂交通洞、通风兼安全洞、排风竖井、排水廊道、自流排水洞等。主副厂房、主变洞、尾闸洞3大洞室平行布置，厂房长轴方向为NE40.0°。

表1 可选地面厂房方案对比

地面厂房方案在下库大坝西侧野马沟右岸设地面厂房，输水系统平顺连接上、下水库及地面厂房，引水和尾水平面布置采用同侧进出水(见图4、图5)。输水系统工程方式仍采用“两管四机”。引水管道及尾水管道里面布置均采用1级竖井，管径为7.5 m/6.0 m/5.5 m/7.5 m，引水和尾水均设有阻抗式调压井。输水系统衬砌型式，竖井、下平洞、引水岔管、引水支管、尾水支管采用钢板衬砌，其余均采用钢筋混凝土衬砌。输水系统总长为3 743.4 m，其中：引水系统长为3 008.8 m，尾水系统长为734.6 m。输水管道水平距离为3 304.4 m，距高比为7.8。厂房位于下水库主坝西侧，距下水库距离约为500 m，采用尾部式开发方式。厂区地面高程为2 289.80 m，厂区平面尺寸为179.85 m×87.59 m。引水钢支管与厂房轴线呈65°进入主机间上游边墙(沿引水水流方向呈顺时针)，尾水管与厂房轴线呈75°自上游边墙引出。主厂房布置在厂区中部，副厂房布置于主厂房下游侧，主要作为GIS室和电气的设备室。尾闸洞单独布置于厂区东南侧，距厂区约110 m。

图4 地面厂房方案输水发电系统平面示意

图5 地面厂房方案输水系统纵剖面示意

地面厂房方案较地下厂房方案增加了输水系统长度，但由于其采用地面厂房，减少了附属洞室及开关站，减少了大量地下洞室开挖支护，工程布置略优。

2) 地质条件

地下厂房洞室群围岩为微泥晶灰岩，夹层状、互层状分布，镶嵌状结构、块裂状结构，局部夹碎裂结构，完整性较差，中硬岩夹软岩，以中硬岩为主，围岩强度应力比小于2，地下水活动强烈，围岩分类Ⅴ类为64.2%，Ⅳ类为35.8%，围岩稳定、大变形问题较突出，岩锚梁难以成型，需采取系统强支护措施。

地下厂房方案与地面厂房方案相比围岩稳定、大变形问题比较突出，尤其是大跨度厂房洞室群围岩成洞条件差，是地下厂房的主要工程地质问题。地面厂房存在厂房边坡局部质量较差，地基岩土体局部存在软硬不均持力层及基坑防排水问题，但为明挖施工，便于采取工程措施进行有效防治，工程地质条件优于地下厂房方案。

3) 施工条件

地下厂房方案厂房开挖量较大，输水隧洞相对较短，但厂房附属洞室较长，隧洞断面较大，且大部分洞段位于遇水软化的软岩地段，施工期临时支护难度大，施工安全风险大；地面厂房方案厂房开挖主要为明挖，混凝土浇筑为地上浇筑，输水隧洞总体较长，但地下洞室总长度较短，施工期临时支护难度相对较低，施工风险相对较小。地下厂房方案施工总工期为93个月，地面厂房方案施工总工期为76个月。地面厂房方案进度保证率高，地面厂房方案较地下厂房方案工期提前17个月。因此，从施工难度及工期方面对比地面厂房由于地下厂房方案。

4) 工程投资及运行

地面厂房方案工程总投资(动态)为102.6亿元，地下厂房方案总投资为114.6亿元，节省工程投资为 12亿元。地面厂房方案主要机电设备可从地面公路直接运抵，转运方便。同时，地面厂房方案无单独布置的户外开关站，便于设备的集中维护管理。此外，地面厂房通风采光条件较好、工作环境友好，极大地方便了施工和电站建成后的运行管理。

4 结语

综合比较工程布置、地形地质、施工条件、工程投资及运行管理等因素，地面厂房方案工程投资较省，施工、运行管理方便，施工难度较低、工期较短。其地质条件较好且不存在照壁山陡崖崩落危石块体的风险。因此，推荐输水发电系统采用地面厂房方案。

甘肃玉门抽水蓄能电站由于其自身特殊的工程建设运行条件，难以采用常规的地下厂房枢纽格局。结合本工程地形、地质特点，创新性的提出国内首个抽水蓄能电站大型地面厂房方案输水发电系统布置。本文为抽水蓄能输水发电系统布置方案提供了一种新的思路，可为类似工程提供借鉴和参考。