安徽響水澗抽水蓄能電站重大設(shè)計(jì)變更及設(shè)計(jì)優(yōu)化

1、安徽響水澗抽水蓄能電站重大設(shè)計(jì)變更及設(shè)計(jì)優(yōu)化傅新芬1 成衛(wèi)忠2鄭齊峰1 肖貢元2（華東勘測設(shè)計(jì)研究院1杭州310014上?？睖y設(shè)計(jì)研究院2上海200434）摘 要 本文敘述響水澗抽水蓄能電站工程在招標(biāo)技施階段，根據(jù)補(bǔ)勘、模型試驗(yàn)及設(shè)計(jì)論證資料，進(jìn)行創(chuàng)新研究，對主要設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整及設(shè)計(jì)優(yōu)化，節(jié)省投資、簡化施工。關(guān)鍵詞 設(shè)計(jì)變更 設(shè)計(jì)優(yōu)化 響水澗抽水蓄能電站1工程概況響水澗抽水蓄能電站工程位于安徽省蕪湖市三山區(qū)峨橋鎮(zhèn)，直線距蕪湖市區(qū)30km，臨近電網(wǎng)負(fù)荷中心。該電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，裝機(jī)容量1000MW，工程樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等組成，為大（2）型二等工

2、程。樞紐主要建筑物上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等主要建筑物級別按 2級建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物為3級建筑物。上水庫大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高88.0m，壩頂長為520.00m，南、北副壩亦采用混凝土面板堆石壩，最大壩高分別為62.0m和53.5m，壩頂長分別為 353.00m、174.00m。上水庫采用為面板及帷幕灌漿相結(jié)合防滲方式。上水庫有效庫容1282萬m3,水庫運(yùn)行最大水位變幅32m，正常運(yùn)行時為24m。下水庫由湖蕩洼地經(jīng)圍堤圈圍而成，堤長3787m，最大堤咼21.5m，由均質(zhì)土圍堤和充水閘等組成。下水庫有效庫容1282萬m3。水庫運(yùn)行最大水位變幅 12.65m，正常運(yùn)

3、行時為10.49m。 輸水系統(tǒng)總長約 900m，單機(jī)流量大，因此采用單機(jī)單洞布置，主要由上下進(jìn)/出水口、引水豎井、尾水隧洞組成。地下廠房布置在上水庫主壩右岸的山體內(nèi)，采用首部式地下廠房布置方案。主要洞室有主副廠 房洞、主變洞、母線洞、電纜洞、通風(fēng)洞、交通洞等。主廠房尺寸175X 25X 55.45m長X寬X高），其中主廠房機(jī)組段長度為114.5m，副廠房長18m。500kV升壓變設(shè)在地下，通過 500kV電纜斜井至地面開關(guān)站 GIS，兩回出線。廠房內(nèi)安裝4臺單機(jī)250MW的立軸單級可逆混流式水泵 /水輪機(jī)-電動/發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)工況額定水頭 190m。2設(shè)計(jì)過程響水澗抽水蓄能電站工程可研（復(fù)核

4、）及以前的勘測設(shè)計(jì)由上?？睖y設(shè)計(jì)研究院負(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)、 華東勘測設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)勘測。 1995年底完成可研報(bào)告，1996年通過審查。2005年4月完成響水 澗抽水蓄能電站可行性研究復(fù)核報(bào)告的審查，同時完成環(huán)境影響評價、水土保持方案報(bào)告書、水資 源論證報(bào)告書的復(fù)核審查。2006年6月，國網(wǎng)新源控股有限公司正式委托華東院和上海院進(jìn)行響水澗抽水蓄能電站招標(biāo)和 施工圖階段勘測設(shè)計(jì)，華東院承擔(dān)樞紐地下工程及機(jī)電工程勘測設(shè)計(jì)，上海院承擔(dān)上水庫、下水庫 勘測設(shè)計(jì)，華東院為總責(zé)任方。3可研復(fù)核及其設(shè)計(jì)變更招標(biāo)階段補(bǔ)充勘察新增鉆孔180個、總進(jìn)尺5423m ;對可研復(fù)核審查意見進(jìn)行研究論證；根據(jù)補(bǔ)勘、模型試驗(yàn)及設(shè)

5、計(jì)論證資料，進(jìn)行創(chuàng)新研究，重大設(shè)計(jì)變更有兩項(xiàng)，均在可研復(fù)核時通過原可 研審查單位中國水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院的審查。3.1 上水庫主壩下游堆石區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化響水澗主壩壩軸線上下游體型嚴(yán)重不對稱，下游堆石體水平長度及垂直高差均遠(yuǎn)大于上游堆石 體。主壩是建在傾斜建基面上的面板堆石壩，為進(jìn)一步減輕下游堆石體沉降的不利影響，參考宜興 抽水蓄能電站上庫主壩的成功經(jīng)驗(yàn)，招標(biāo)設(shè)計(jì)階段對主堆石II區(qū)進(jìn)行了優(yōu)化。將主壩下游堆石體的下部設(shè)計(jì)為增模區(qū)，進(jìn)一步提高了該區(qū)的壓實(shí)干密度指標(biāo)。在施工程序上，要求壩體下游堆石的填 筑超前于上游堆石，讓下游堆石有更多的時間預(yù)沉降，以減少上下游堆石沉降差。響水澗水庫主壩下游堆石區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化

6、的效果尚待實(shí)踐檢驗(yàn)。從宜興上庫主壩運(yùn)行后的觀測及分析成果看，優(yōu)化后下游堆石區(qū)尤其是增模區(qū)的變形模量有明顯的提高，壩體變形及不均勻沉降均小 于常規(guī)面板堆石壩，上游混凝土面板裂縫很少，優(yōu)化效果明顯。3.2 下水庫體型及布置優(yōu)化學(xué)習(xí)和運(yùn)用工程與環(huán)境和諧的新設(shè)計(jì)理念，對下水庫設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重大優(yōu)化調(diào)整。主要體現(xiàn)在：調(diào)整水庫體形，不改變現(xiàn)有水系；提高下水庫死水位，提高水庫庫底開挖高程，減少棄土；調(diào)整棄 土場位置，盡可能少侵占現(xiàn)有濕地。響水澗下水庫是靠半挖半填形成的平原水庫，盡可能減少棄土 方量就成了下水庫設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要目標(biāo)之一。新方案布置完全保留了泊口河原有的行洪河道，無須 再開挖新開河，圍堤總長由原35

7、68m改為3787m，下水庫的水面面積較原可研方案增大了約10%，下水庫死水位抬高 0.95m。經(jīng)挖填平衡后，優(yōu)化方案比原方案可少棄土方約200萬m3，可節(jié)省投資2200余萬元，優(yōu)化效果明顯。通過加高棄土堆放高程、棄土場面積較原來減少。更重要的是優(yōu)化方 案具有顯著的環(huán)境效益。4工程主要設(shè)計(jì)優(yōu)化招標(biāo)及技施階段對主要設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整及設(shè)計(jì)優(yōu)化，達(dá)到節(jié)省投資、簡化施工的效果。 主要設(shè)計(jì)優(yōu)化項(xiàng)目有：4.1 優(yōu)化廠房滲漏排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原可研階段方案為滲漏水直接排至1#及2#尾水隧洞、機(jī)組檢修排水沿尾水隧洞直接抽排至下水庫；該排水方案可以較好利用廠房空間，有利于廠房的合理布局；但滲漏排水管和檢修排水管

8、總長 分別約為430m和370m。另外，由于埋設(shè)管路管徑較大（DN450和DN600），尾水洞開挖量也將較大，這種埋管方式也將給布置灌漿孔帶來極大不便，排水管存在被打穿的可能性。因此，可研復(fù)核 審查意見提出研究適當(dāng)提高廠房滲漏排水的可靠性、優(yōu)化廠房滲漏排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。招標(biāo)階段設(shè)計(jì)對廠房滲漏排水系統(tǒng)進(jìn)行方案研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)為：滲漏、檢修排水通過滲漏、檢 修排水泵先抽至上部排煙兼排水洞（利用前期PD7探硐改建），再自流排至廠外。通過排煙兼排水洞排水的方式可消除滲漏排水和檢修排水系統(tǒng)故障導(dǎo)致的尾水倒灌的可能性，增加了排水系統(tǒng)的可 靠性，且具有一定經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)階段集水井位置改至安裝場右端的底部，滲漏水泵室

9、安裝在水輪機(jī)層 高程，在發(fā)生水淹廠房事故的情況下增加了地下廠房的安全可靠度。4.2 機(jī)組吸出高度及安裝高程的優(yōu)化響水澗電站可研復(fù)核階段吸出高度Hs推薦值為-58m，機(jī)組安裝高程為-56.05m。招標(biāo)階段利用統(tǒng)計(jì)公式對響水澗水泵水輪機(jī)的吸出高度Hs進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，并與相近水頭段的電站進(jìn)行類比，同時再次向機(jī)組制造廠家進(jìn)行了機(jī)組主要參數(shù)征詢，先后收到七家制造廠家的復(fù)詢 資料，復(fù)詢資料大多數(shù)以現(xiàn)有相近轉(zhuǎn)輪模型作為基礎(chǔ)，其中絕大多數(shù)制造廠家經(jīng)分析認(rèn)為可研復(fù)核 階段響水澗水泵水輪機(jī)的Hs取-58m偏安全，有進(jìn)一步優(yōu)化的可能，并提出了在正常運(yùn)行范圍和考慮動用事故備用庫容運(yùn)行范圍內(nèi)的空化系數(shù)和吸出高度推薦值。

10、經(jīng)研究分析，招標(biāo)階段水泵水輪機(jī)吸出高度Hs優(yōu)化為-54m，相應(yīng)機(jī)組安裝高程為-52.05m。機(jī)組安裝高程優(yōu)化后相對于可研階段上抬4m,進(jìn)廠交通洞平均坡度由原來的5.405%變?yōu)?.017%;廠頂平均坡度由原來的 5.713%變?yōu)?.117%;引水豎井和尾水斜井減少開挖量1621m3,砼量397 m3,鋼筋20t。普遍減少了尾水施工支洞、廠房下部施工支洞及引水下平洞施工支洞的坡度，相應(yīng)減輕因 出渣機(jī)械爬坡產(chǎn)生的廢氣污染。節(jié)省開挖等土建直接投資70多萬元。目前響水澗機(jī)組轉(zhuǎn)輪模型驗(yàn)收試驗(yàn)已在瑞士洛桑第三方試驗(yàn)臺完成，試驗(yàn)結(jié)果表明，吸出高度 -54m可以滿足機(jī)組安全高效運(yùn)行的要求。4.3 上下水庫進(jìn)/

11、出水口流態(tài)研究及體型優(yōu)化本工程上、下進(jìn)/出水口均為一洞一機(jī)布置，4個進(jìn)/出水口必須緊貼布置，擴(kuò)散段平面擴(kuò)散空間受限制，流道呈窄高形。招標(biāo)和施工圖階段對進(jìn)/出水口的體型進(jìn)行了深入的模型試驗(yàn)研究，優(yōu)化了上水庫進(jìn)/出水口體型；減少了進(jìn) /出水口前方上庫料場死庫容區(qū)EL182mEL189m平臺處的石方開挖，可減少開挖量12.6萬m3。發(fā)電和抽水工況的水流條件均有較大程度的改善，基本上做到了出流工況水流能均勻擴(kuò)散、進(jìn)流工況消除有害環(huán)流和旋渦，有利于進(jìn)出水口結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全和減少水頭損失。下進(jìn)/出水口體型優(yōu)化。通過水工模型試驗(yàn)對原設(shè)計(jì)體型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多項(xiàng)調(diào)整。體型優(yōu)化后， 發(fā)電和抽水工況的水流條件均有較大程度

12、的改善；同時減少了水頭損失，將提高電站長期運(yùn)行的經(jīng) 濟(jì)效益。也相應(yīng)減少了土石方開挖量（約25.74萬m3）和漿砌塊石護(hù)底、護(hù)坡工程量。4.4 下水庫進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化（1） 下進(jìn)/出水口 16.5m高程以上開挖邊坡優(yōu)化。施工圖設(shè)計(jì)時根據(jù)補(bǔ)充地質(zhì)資料，下進(jìn)/出水口正面開挖邊坡放陡、降低了開挖坡頂高程，減少開挖工程量約5.96萬m3，節(jié)約投資100余萬元。（2） 下進(jìn)/出水口前池外反坡段兩側(cè)平面擴(kuò)散角從原來的34.8630縮小到8o,并在坡頂兩側(cè)增加 頂高程2.5m的導(dǎo)堤，起了使水流歸槽的作用，改善了前池流態(tài)；同時減少了前池的土石方開挖量。（3） 下進(jìn)/出水口攔污柵下游防渦梁上方增設(shè)消渦擋板（

13、設(shè)透水孔），頂高程 7.0m ;設(shè)置擋板 后完全消除了抽水工況有害的挾物旋渦，彌補(bǔ)了原設(shè)計(jì)體型的一項(xiàng)缺陷。（4） 下進(jìn)/出水口前池護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化。根據(jù)施工圖階段的補(bǔ)充地質(zhì)資料，將下進(jìn)仙水口前 池混凝土護(hù)坡結(jié)構(gòu)改為漿砌石結(jié)構(gòu)，減少了工程投資。（5） 下水庫進(jìn)/出水口事故閘門井孔口寬度由6.2m改為6.4m ；孔口兩側(cè)流速可與軸線處流速基 本相等，擴(kuò)散段4條流道流量分配不均勻的程度有所減輕。（6）下進(jìn)/出水口擴(kuò)散段分流墩頭部間距由常規(guī)的比例（中孔 0.22B,邊孔0.28B）、墩頭齊平改 為等間距布置，中墩后退 3.5m;進(jìn)/出水口擴(kuò)散段4條流道做到了流量分配基本均勻。4.5 其他設(shè)計(jì)優(yōu)化項(xiàng)目在

14、施工圖設(shè)計(jì)階段和工程實(shí)施過程中，還進(jìn)行了下述多項(xiàng)優(yōu)化。（1）對施工供水系統(tǒng)水源地枯水期補(bǔ)水方式的優(yōu)化本工程施工供水系統(tǒng)枯水期需要從漳河向泊口河補(bǔ)水，原設(shè)計(jì)為浮式泵站及3.8km長地下埋管組合方案。該方案直接從漳河取水，對泊口河無影響，供水可靠。但方案工程投資及運(yùn)行成本大， 供水工程費(fèi)用約 500萬元，且管路沿線臨時征地多。2007年4月上海院提出優(yōu)化方案，利用泊口河和東邊灘天然河道局部開挖形成供水通道，引到東邊灘“一級泵站”取水口，取消原來的地下埋管； 采用臨時水泵將水從漳河提升到泊口河。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案大大減輕征地等工作難度，總投資可節(jié)約300余萬元，而對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)影響不大。（2）南副壩、北副壩壩

15、體滲水排水優(yōu)化設(shè)計(jì)南副壩壩體滲水排水優(yōu)化：為解決滲水外排問題，壩下山脊埡口開挖了底高程 175m170m的排 滲槽；上游面板施工期預(yù)留反滲排水孔，壩前 1A、1B區(qū)回填前封堵排水孔，并加大 1B區(qū)蓋重厚度 以平衡反滲水壓力。解決了低水位壩體滲水對面板的反向水壓問題。北副壩排水優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：溝谷段結(jié)合F1斷層處理，在趾板下設(shè)置了排水灌漿廊道。壩基190m以下的壩體滲水及地下水通過排水孔引入該廊道集水井，用排水泵經(jīng)左岸趾板下的交通廊道將集水 抽排至壩外。190m高程以上的壩體滲水可直接自流排至下游。上庫庫外棄渣場改為貼北副壩下游布置，其頂部形成向下游延伸115m的220m高程平臺。220m高程以下

16、的北副壩下游壩坡設(shè)置了反濾層，棄渣場底部設(shè)置了反濾層和排水層，以保持壩體及棄渣場排水暢通。（3） 根據(jù)施工開挖揭示的地質(zhì)條件變化，對北副壩F1斷層處理混凝土防滲墻及溝谷段齒墻尺 寸進(jìn)行優(yōu)化。（4）輸水系統(tǒng)的防滲與排水設(shè)計(jì)優(yōu)化為了減小在水庫蓄水后有可能形成集中滲漏對廠房、壓力鋼管的影響，采用了 “前堵后排” 的設(shè)計(jì)思路，具體優(yōu)化方案為：母線洞、主變洞底部的流道由原混凝土襯砌方案改為鋼襯方案， 鋼襯長度為55.5m ;在引水、尾水壓力鋼管首部分別設(shè)置灌漿帷幕；引水壓力鋼管頂部高壓管道排 水廊道內(nèi)布置豎向封閉帷幕，并與鋼管首部帷幕進(jìn)行有效搭接，以此阻截上下水庫、豎井對廠區(qū) 的滲漏；廠房周邊布置三層排

17、水廊道及高壓管道排水廊道、形成封閉排水幕，并在廠區(qū)洞室?guī)r壁 上布置排水孔，將水層層引入排水溝，匯入集水井；引水、尾水壓力鋼管外壁設(shè)置貼壁排水系統(tǒng)， 減小作用于管壁上的外水壓力；排水廊道、洞室?guī)r壁滲水及鋼管貼壁外排水匯入集水井后通過深 井水泵抽排至廠外。（5）尾水隧洞襯砌形式優(yōu)化設(shè)計(jì)抽水蓄能電站有別于常規(guī)水電站的一個特點(diǎn)是吸出高度（負(fù)值）比較大，相應(yīng)尾水隧洞承受的內(nèi)水壓力也要大，廠區(qū)下游洞群的防滲問題相對比較突出。本電站可研階段尾水隧洞全程采用混凝 土襯砌，隧洞承受最大靜水壓力為77.25m，根據(jù)調(diào)保計(jì)算最大動水壓力超過100m，前期PD7探硐揭露廠區(qū)巖體陡傾角結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育。由于受溫度、約束、

18、施工、內(nèi)水壓力作用等因素影響混凝土 襯砌將出現(xiàn)裂縫，內(nèi)水外滲現(xiàn)象難以避免，滲水通過陡傾角結(jié)構(gòu)面將影響母線洞、主變洞，甚至地 下廠房的正常運(yùn)行，因此招標(biāo)階段對尾水隧洞靠近廠區(qū)洞段襯砌形式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，尾水管下游 55.5m隧洞采用鋼板襯砌。雖然增加了鋼板投資，但是工程安全風(fēng)險(xiǎn)得到了有效控制。（6）優(yōu)化廠用電源變壓器配置招標(biāo)階段對廠用電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，由原4組3*1400kVA高壓廠變優(yōu)化為2組3*2100kV A高壓廠變，由1#、4#機(jī)各引接一回廠用電源，施工變引來一回電源，另外設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)兼顧了施 工期備用電源及保安電源的功能。施工用電35kV變電所按永久建設(shè)作為廠用電外來備用電源。廠用變壓器額定值為 3*2100kVA/15.75kV ，柴油發(fā)電機(jī)額定值為 800KVA/400V。保證了三個廠用電源， 運(yùn)行切換簡單，節(jié)省設(shè)備投資約512萬元。（7）初期蓄水方案優(yōu)化根據(jù)電站