玉林抽水蓄能电站枢纽布置设计

王荣华

（中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，南宁 530007）

1 工程概况

玉林抽水蓄能电站位于玉林市福绵区成均镇境内，电站装机容量1200 MW，装机4 台，单机容量300 MW，电站承担广西电网系统调峰、填谷、储能、调频、调相和紧急事故备用等任务。

枢纽建筑物由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站等部分组成。电站为一等大（1）型工程，根据《水电枢纽工程等级划分及洪水标准》（NB/T11012-2022）规定，挡水建筑物、泄水建筑物、电站进/出水口和输水发电系统建筑物按200 年一遇洪水设计（P=0.5%），按1000 年一遇洪水校核（P=0.1%），消能防冲按100年一遇洪水设计（P=1%）。

玉林抽水蓄能电站枢纽布置平面示意图见图1，输水发电系统剖面示意图见图2。

图1 枢纽平面布置示意图

图2 输水发电系统剖面示意图

工程筹建期18 个月，施工计划总工期为69 个月，其中准备工期为6 个月，主体工程工期为54 个月，完建工程工期为9个月。

2 枢纽区自然条件简述

2.1 水文、泥沙

上水库位于南流江一级支流沙生江上游的平江南侧支沟上，下水库位于南流江支流定川河的支流成均河上游的江坡支沟上。工程区域属南亚热带季风气候区，季节性气候变化显著，夏季湿润多雨，冬季干冷少雨。

本工程所在的南流江流域径流主要来源于降水，汛期为每年的4～9 月，水量占全年来水量的76.05%，枯季为10 月～翌年3 月，径流采用横江（二）水文站作为参证站，上水库多年平均径流量103.2万m3，下水库多年平均径流量576.0万m3。上下水库坝址设计频率洪水洪峰流量成果见表1。

表1 设计洪水成果表

坝址处采用多年平均输沙模数为270 t/km2，多年平均悬移质含沙量为0.234 kg/m3，多年最大含沙量为0.406 kg/m3，本工程泥沙计算结果见表2。

表2 泥沙计算结果表

2.2 地形及地质条件

工程区位于六万大山山脉东北部，六万山山顶北麓。工程区内山脊及沟谷走向受构造作用影响较明显，主要为NW～SE 走向，呈近平行展布，与六万大山山脉走向近垂直。工程区内的冲沟切割深浅不一，在较大的冲沟中上游河流断面多呈“U”型河谷和“V”型河谷交替出现。

工程区及其附近主要出露的地层岩性主要为中粗粒黑云母斑状花岗岩。

本工程所在区域地震基本烈度为Ⅶ度，上、下水库工程场地50 年超越概率10%的基岩水平地震动峰值加速度为102 gal。

3 上水库

上水库挡水坝坝址位于福绵区平江南侧支沟的“V”型峡谷处，库尾修建一副坝，不设永久泄洪建筑物，考虑汛期洪水入库，通过坝顶超高满足水库防洪要求。

3.1 水库防渗型式

上水库库盆斜坡段多为坡残积物、全风化～强风化花岗岩所覆盖，冲沟段多为冲洪积物或强风化～弱风化花岗岩出露，下伏地层为弱～微风化花岗岩，中硬岩～坚硬岩，为非可溶性岩石。库盆内常年有水，地下水位较浅，低洼处常年沼泽化，库周冲沟水和地下水向库内排泄，除副坝附近区域渗水点或泉水点的高程低于正常蓄水位外，上水库库盆内其他水文点的高程均高于正常蓄水位。库区不存在垂直渗漏的可能性，不需考虑库盆底防渗问题。

除主坝和副坝位置外，上水库库周分水岭山体雄厚，地表分水岭高程一般在738.3～1021 m，在正常蓄水位高程时山体厚度均大于800 m，库内冲沟内均有高于正常蓄水位的常年泉点出露，枯期分水岭地下水位高于正常蓄水位。

上水库主、副坝坝基及两岸坝肩防渗主要采用防渗墙结合防渗帷幕灌浆，防渗标准按岩体透水率q＜1 Lu控制，防渗帷幕伸入相对不透水层以下5 m。

3.2 坝型选择

坝址横跨水库区主冲沟，坝址沟谷呈“V”型，坝址区覆盖层主要为冲洪积卵砾石夹漂石（Qapl）和坡残积砾质黏性土（Qedl），基岩为中印支期花岗岩（）。河床坝基覆盖层下限埋深小于5.5 m，强风化下带岩体埋深平均为5.91 m；左岸覆盖层及全风化岩体下限埋深为2.0～35.2 m，强风化岩体下限埋深为3.5～41.5 m；右岸覆盖层及全风化岩体下限埋深为0～29.4 m，强风化岩体下限埋深为4.0～48.1 m。

根据左右岸全、强风化下限埋深大的特点，坝型不宜采用混凝土材料类型坝，基础开挖深，土石方开挖量大，不能充分利用开挖料。同时，坝址附近无足够满足防渗要求的黏土料，为最大程度利用水库开挖料，减少堆渣量，减少渣场堆渣对附近环境的影响，结合坝基地形地质和料源条件，上水库大坝适宜布置沥青混凝土心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝。沥青混凝土心墙堆石坝坝坡较缓，坝体填筑工程量较大，需单独设置沥青混凝土骨料加工及生产系统，但沥青混凝土心墙堆石坝心墙和坝基混凝土防渗墙连接较为方便，可将心墙建于全风化岩体上，心墙以下全风化岩体采用混凝土防渗墙进行防渗，坝基开挖工程量、边坡范围和扩库开挖工程量均较小，工程投资相对较低。经技术经济综合比选，沥青混凝土心墙堆石坝在投资经济性方面具有较大优势，主、副坝采用沥青混凝土心墙堆石坝较混凝土面板堆石坝相应投资分别减少2 181.5 和1 521.6万元，故上水库采用沥青混凝土心墙堆石坝坝型。

上水库沥青混凝土心墙堆石坝主坝坝顶高程684 m，坝顶宽度10 m，最大坝高99 m，坝轴线长度351 m。大坝上游坝坡为1∶2，下游坝坡为1∶2.8，下游坝坡每20 m 设一级马道，马道宽4 m。副坝坝型与主坝相同，最大坝高65 m，坝顶轴线长度307 m。

4 下水库

下水库位于江坡支沟内，拦河筑坝形成，主要包括大坝和泄洪建筑物。

4.1 水库防渗型式

下水库地形地质条件与上水库相似，库盆斜坡段多为坡残积物、全风化～强风化花岗岩所覆盖，下伏地层为弱～微风化花岗岩，库盆内常年有水，坝址两岸山顶高程高于正常蓄水位，右岸山体宽厚，左岸相对较薄，两岸均有高出正常蓄水位的地下水位衔接。库区不存在垂直渗漏的可能性，不需考虑库盆底防渗问题，仅需对坝基、坝肩进行防渗处理，采用防渗墙与防渗帷幕的方式，防渗标准按岩体透水率q＜3 Lu控制，防渗帷幕要求深入相对不透水层以下5 m。

4.2 坝型选择

坝址区地形呈对称“U”形，河谷较陡窄，两岸呈对称状，坝址区覆盖层主要为冲洪积卵砾石夹漂石（Qpal）和坡残积砾质黏性土（Qedl），基岩为中印支期花岗岩（）。河床坝基覆盖层与强风化下带层厚度不大，平均约7 m；两岸覆盖层、全强风化层厚度较大，平均厚约40 m。

结合坝址区地形地质和料源条件的特点分析，基本与上水库相同，具备修建沥青混凝土心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝的地形地质条件。经综合比较，沥青混凝土心墙堆石坝坝基开挖工程量、边坡范围、扩库开挖工程量和工程投资均较小，采用沥青混凝土心墙堆石坝较混凝土面板堆石坝相应投资减少2 718.4万元，故下水库采用沥青混凝土心墙堆石坝坝型。

下水库沥青混凝土心墙堆石坝坝顶高程258.50 m，坝顶宽度10 m，最大坝高89.7 m，坝轴线长度355 m。大坝上游坝坡为1∶2，下游坝坡为1∶2.5，下游坝坡每20 m设一级马道，马道宽4 m。

4.3 泄洪建筑物布置

下水库集水面积6.98 km2，1000 年一遇校核标准洪峰流量221 m3/s，考虑水库防洪安全、放空和水位调节需要，设置泄洪表孔和底孔进行联合泄洪，采用竖井式泄洪洞+放水管的布置方式。

竖井式泄洪洞布置在右岸，泄洪建筑物较顺直、轴线短，水流归槽条件好，竖井式泄洪洞全长722 m，井口环形溢流堰堰顶半径4.5 m，堰顶高程与正常蓄水位一致为253 m，竖井段采用内径6.0 m等直径圆形竖井，退水隧洞为4.5 m×6.3 m 城门洞型，隧洞内水流为无压明流；底孔泄洪采用放水管，管径为2 m，结合导流洞布置。

5 输水系统

5.1 供水方式

电站装机4 台，单机容量300 MW，发电引用流量83.09 m3/s，引水隧洞、岔管围岩类别以Ⅱ～Ⅲ类为主。供水方式选择主要考虑一洞四机和两洞四机两种方案，从水工布置、施工难度、电站运行灵活性及风险控制角度等方面综合考虑，一洞四机供水方案都具有一定的优势，两洞四机比一洞四机布置方案工程投资多10 125 万元。故供水方式采用一洞四机布置。

5.2 立面布置

上水库/出水口方圆渐变段末端至引水高压岔洞始端高差约417 m，具备设置竖井条件。考虑地形地质条件、高压管道布置和施工难度，引水系统立面拟定一级竖井和两级斜井方案进行比较，一级竖井方案洞线较两级斜井方案长约173.12 m，但无需设置中平段施工支洞，施工支洞长度减少892 m，一级竖井方案比两级斜井方案投资减少1819万元，投资较省。综合考虑，在地形地质条件基本相当，水力条件均满足、运行检修均方便的情况下，故选择采用安全系数更高，施工条件更好的一级竖井方案。

5.3 调压井设置

根据《水电站调压室设计规范》（NB/T35021-2014），引水水流惯性时间常数Tw=2.37 s＞2 s，需设置引水调压室；尾水水流惯性时间常数Tws=10.390 s＞6 s，需要设置尾水调压室。

5.4 高压岔管衬砌型式

压力隧洞沿线围岩为中粗粒黑云母斑状花岗岩，微风化及以下岩体饱和抗压强度在41.8～125.00 MPa 之间，属于中硬岩～坚硬岩；根据《水工隧洞设计规范》（NB/T10391-2020），主要从挪威准则、最小地应力准则和渗透稳定准则这三个方面分析论证高压隧洞及岔洞采用钢筋混凝土衬砌的可行性。

（1）挪威准则。根据《水工隧洞设计规范》（NB/T10391-2020）挪威准则，计算引水系统沿线最小覆盖厚度（见表3）。

表3 引水隧洞最小覆盖厚度计算成果表

由表3 可知，输水系统沿线岩体最小覆盖厚度安全系数均在1.41～1.91 之间，均满足挪威准则要求。另外根据输水系统沿线地形，布置区无沟谷切割，侧向埋深安全度大于顶部，侧向覆盖厚度满足要求。

（2）最小地应力准则。根据水压致裂法地应力试验成果，引水系统沿线隧洞最小主应力为4.0 ～12.3 MPa，洞内最大静水压力5.19 MPa，最小地应力与最大静水压力比值为1.88～3.60，满足规范1.2～1.3倍安全系数的要求，满足最小地应力准则。

（3）渗透稳定准则。为保证围岩渗透稳定，在设计内水压力作用下隧洞沿线围岩的平均透水率应不大于2 Lu，经灌浆后的围岩透水率应不大于1 Lu。根据地质高压压水试验成果，引水系统岩体透水率均在0～0.23 Lu，属微透水～极微透水岩体，按照初始劈裂压力Pmin判定原则，最小劈裂压力均大于6.3 MPa，大于1.2 倍高压管道最大内水压力，岩体完整性和稳定性较好，不存在渗透稳定问题，满足渗透稳定准则。

满足以上三个准则，故高压岔洞采用钢筋混凝土衬砌。

5.5 输水系统布置

输水系统包括上水库进/出水口、引水主洞、引水调压室、引水高压钢筋混凝土岔管、引水支洞等，尾水系统包括尾水支洞、尾水钢筋混凝土岔洞、尾水主洞、尾水调压室和下水库进/出水口等。输水系统总长度为3 583.11 m，其中引水系统长度为1 776.57 m，尾水系统长度为1 806.54 m。

上水库侧式进/出水口底板高程为624 m，引水调压室布置于引水主洞上竖井上弯段前86.28 m处，调压室大井直径20 m，高度为81 m，连接管直径10 m，高度为21.39 m，阻抗孔直径6.50 m。引水上平段至竖井后接下平段洞径为10 m，下水平段洞径由10 m缩小至9 m。高压引水岔洞采用钢筋混凝土梳子形1分4“卜”型岔洞，分岔角为60°，洞径由9 m渐变至4.2 m，引水支洞内径4.20 m，尾水支管内径5.5 m。尾水岔洞为梳子形1 分4“卜”型，分岔角为60°，洞径由5.5 m渐变至10 m。尾水调压室位于钢筋混凝土岔管下游20 m 处，调压室大井直径20 m，高度为83 m，连接管直径10 m，高度为48.75 m，阻抗孔直径6.50 m。下水库进/出水口底板高程为204 m。

6 地下厂房

6.1 位置选择

地下厂房位置拟定中部式和首部式两个开发方式选择，地下厂房洞室整体稳定性较好，地质条件相当，首部式辅助洞室长度较长，但中部式增加引水调压井和引调道路，经投资比较，中部式投资较低，较首部式投资减少3301 万元，故采用中部式布置方式。

6.2 轴线选择

根据地应力测试成果，地下厂房区以构造应力场为主的中等地应力场，最大主应力方向为N20°W～N25°W；主要优势结构面走向以N60°～80°W 为主；地下厂房纵轴线方向推荐选择为N36.52°W，与优势结构面成较大夹角，与区域构造应力场主压应力方向小角度相交。

6.3 地下厂房布置

地下厂房洞室群主要由主厂房、主变洞、尾闸洞等建筑物组成。厂房内安装4 台300 MW 机组，水轮机吸出高度为-70 m，安装高程为154 m，机组间距为24.5 m。

主厂房、主变洞和尾闸洞采用平行布置的格局，洞室净距分别为40 m和35 m。安装间和副厂房分别位于主厂房两端，尺寸为173.00 m×26.00 m×59.10 m（长×宽×高）。主变洞平行布置在主厂房下游40 m，开挖尺寸为161.80 m×20.0 m×21.00 m（长×宽×高）。尾闸室位于主变洞下游35 m，开挖尺寸104.65 m×7.9 m×19.32 m（长×宽×高）。进厂交通洞全长1658 m，综合坡比5.6%；通风兼安全洞全长1430 m，综合坡比7.3%；高压电缆洞与通风兼安全洞结合布置，高压电缆洞总长1 347.5 m，出线采用短斜井+平洞的方式。

厂房排水采用自流排水方式，排水洞出口位于厂房东侧约5.3 km处山谷下游。

7 结语

结合玉林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，重点对水库防渗型式、坝型、供水方式、立面布置、调压井设置、高压岔管衬砌型式及厂房位置和轴线选择等进行了分析。玉林抽蓄电站工程布置与建筑物设计具有南方区域兴建抽蓄电站的特色，例如上水库不设泄洪建筑物，下水库埋设放水管预泄洪水，高压管道采用钢筋混凝土衬砌、设置自流排水洞等。也有自身的特色，设计结合本工程覆盖层厚、全强风化埋深大的特点，采用适宜当地地形地质条件的当地材料坝，通过土石方平衡规划，上、下水库均不设置库外渣场，减少对环境的影响，可为其他同类工程提供参考。