第五講地下空間開發(fā)利用與能源開發(fā)及合理利用

第四講

地下空間開發(fā)利用

與能源開發(fā)及合理利用地下空間開發(fā)利用與能源開發(fā)地下空間開發(fā)利用與能源儲備地下空間開發(fā)利用與能源合理利用4.1地下空間開發(fā)利用與能源開發(fā)地下空間開發(fā)利用與水電開發(fā)地下空間開發(fā)利用與火電開發(fā)地下空間開發(fā)利用與核電開發(fā)(1)地下空間開發(fā)利用與水電開發(fā)水電站幾大建筑物：攔水建筑物——大壩導流建筑物——導流洞或?qū)Я髅髑l(fā)電建筑物——引水管、引水洞、發(fā)電廠房泄洪建筑物——泄洪道（孔）、泄洪洞通航建筑物——船閘、升船機地下水電站一般情況下，水電站都會存在一些水工隧洞，如導流、引水、泄洪等，但只要發(fā)電廠房不在地下，就不能稱為地下水電站。只有發(fā)電廠房位于地面以下的水電站，才能稱為地下水電站。地下水電站可以劃分為兩種主要類型，即利用江河水源的地下水力發(fā)電站和循環(huán)使用地下水的抽水蓄能水電站。地下水電站可以充分利用地形、地勢、尤其在山谷狹窄地帶，在地下建站、布置發(fā)電機組，十分經(jīng)濟有效。電站建于地下，可獲得更大壓力水頭，并且在枯水季節(jié)，水位較低時也能發(fā)電。一般水電站的壓力隧道，選建于堅硬、完整的巖石中，可簡化襯砌結(jié)構(gòu)。地下水電站，在我國的東北和西南地區(qū)建設(shè)較多。

地下水電站布置示意圖地下水電站包括地上和地下一系列建筑物和構(gòu)筑物，可概括為大壩和電站兩大部分。大壩屬于大型水工建筑，電站主要包括主廠房、副廠房、變配電間和開關(guān)站等。右圖為地下水電站廠房布置圖。

我國地下水電站建設(shè)現(xiàn)狀及前景截止21世紀初，我國已建成裝機100MW以上的地下水電站20余座，規(guī)模不斷擴大，如80年代我國水電建設(shè)史上第一個部分引進外資，對外開放的試點項目：魯布革水電站，裝機600MW，地下主廠房尺寸為：125×17.5×39.4m（長×寬×高）；90年代建成的二灘水電站裝機3300MW，地下廠房尺寸為：280.29×30.70×65.35m；2001年底竣工的小浪底水電站裝機裝機1800MW，地下廠房尺寸為：251.5×26.2×61.44m；2004年7月，龍灘水電站地下廠房建成，裝機4200MW，地下廠房尺寸為：388×30.7×76.4m，為世界之最。三峽地下水電站簡介三峽地下電站與三峽垂直升船機并稱為“三峽工程的最后兩個謎底”。這個相當于1．5個葛洲壩水電站的地下電站隱藏于右岸大壩“白石尖”山體內(nèi)，主要建筑物分為引水系統(tǒng)、主廠房系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)三大部分。三峽地下電站裝機6×700MW，建成后三峽電站總裝機將達22400MW。地下廠房尺寸311.3×32.6×87.24m，在跨度和高度上再創(chuàng)新高。黃河小浪底水利樞紐簡介小浪底水利樞紐的開發(fā)目標是：以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉和發(fā)電，工程建成后能發(fā)揮巨大的綜合效益，可使黃河下游防洪標準由六十年一遇提高到千年一遇，基本解除黃河下游凌汛威脅，采用蓄清排渾運作方式，利用75.5億立方米的調(diào)沙庫容攔沙，相當于20年下游河床不淤積抬高，減少兩到三次大堤加高費用，每年增加20億立方米的供水量，大大提高下游4000萬畝灌區(qū)的用水率，改善下游灌溉供水條件。小浪底水電站裝機1800MW，地下廠房251.5×26.2×61.44m；小浪底洞群進水口，在一塊長270m、最高120m的人造絕壁上，開槽鑿了最大開挖直徑達19.8m，有19個洞口的16條大直徑的隧洞。在左岸約1km2的單薄山體中，一共開鑿了100多個地下洞室，整個山體幾乎被掏空，構(gòu)筑起世界上最大的地下“迷宮”。小浪底之最世界上最大的地下“迷宮”：世界上最雄偉的進水塔群：進水口10座進水塔連成一座寬276.4m，高113m，最大長度70m的鋼筋混凝土塔群，混凝土澆筑量達80多萬m3。其工程規(guī)模，結(jié)構(gòu)復雜和施工難度堪稱世界之最。

3條世界最大的孔板隧洞：依照設(shè)計，在完成導流任務后的3條直徑為14.5m的導流洞中，增設(shè)內(nèi)徑為10m和10.5m的環(huán)形突坎—孔板，使高速水流通過孔板環(huán)的一縮一擴，在洞中消減大量能量，從而降低流速，減少水流對建筑物的沖蝕和破壞。每條導流洞增設(shè)3級孔板，改建成永久泄洪洞，是世界上最大的孔板消能泄洪洞。

小浪底之最世界最大的消力池：泄洪系統(tǒng)出口的3個一級消力池總長210m、寬356m、深28m。由9條隧洞和1條溢洪道下泄的高速水流在其中進行兩級消能，是世界上最大、最集中的消力池中國規(guī)模最大的堆石壩：小浪底攔河大壩壩頂長1667m、壩高154m，總填筑量5185m3，屬中國規(guī)模最大的堆石壩。國內(nèi)最深的混凝土防滲墻：大壩防滲墻，最大深度81.9m墻厚1.2m，總防滲面積為21800m2，屬國內(nèi)最深的混凝土防滲墻。鋼索架起的工業(yè)城堡：為把破碎的巖層和“千層餅”一樣的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，像“納鞋底”一樣加固起來，小浪底一共安裝25m至50m長的預應力錨索1290根，創(chuàng)下錨索使用量國內(nèi)工程之最。

溪洛渡水電站

溪洛渡電站位于金沙江下游云南省永善縣與四川省雷波縣相接壤的溪洛渡峽谷，是金沙江下游梯級4座大型電站中的第三個梯級，設(shè)計裝機容量1260萬千瓦，裝機容量僅次于三峽水電站，目前在世界上排第三位。

溪落渡電站廠房采用地下式，由于裝機較多（18臺700MW機組），所以在大壩左右岸各建一座地下廠房，單個廠房尺寸：333×30×74.7m，這在國內(nèi)是第一個，國際上也極為少見。二灘水電站二灘水電站位于雅礱江下游河段二灘峽谷區(qū)內(nèi)，是二十世紀建成的中國最大的水電站。總裝機容量330萬kW，單機容量55萬kW，這在21世紀初三峽電站建成之前，均列全國第一，單機容量排世界前10位。二灘拱壩壩高240m為中國第一高壩。在雙曲拱壩排行中，高度居亞洲第一、世界第三；承受總荷載980萬t，列世界第一?？傂顾?2480m3／s，在高壩中為世界第一。亞洲最大的地下廠房洞室群。由廠房、主變壓器室、尾水調(diào)壓室三大洞室及壓力管道、尾水管、尾水洞、母線洞、交通洞、通風洞、排水洞（廊道）、進風豎井、排風豎井、電梯豎井、電纜斜井等組成龐大洞室群。地下洞室開挖量370萬m3。其中，廠房長280m、寬25.5m、高65m。魯布革水電站地下廠房魯布革發(fā)電廠是云南電力集團公司的全資直屬發(fā)電廠，位于云貴兩省交界的黃泥河上，是國家“七五”、“八五”期間重點工程，總裝機容量60萬kW，設(shè)計多年平均發(fā)電量27.5億kWh。是我國水電建設(shè)史上第一個部分引進外資，對外開放的試點項目。地下主廠房尺寸為：125×17.5×39.4m（長×寬×高）；廣州抽水蓄能電站地下廠房廣州抽水蓄能電站(下稱廣蓄電站)位于廣東省從化市呂田鎮(zhèn),總裝機2400MW,是目前世界上最大的抽水蓄能電站。該工程分二期完成,每期工程均為4×300MW。分別于1994年3月和2000年6月建成投產(chǎn)。廣蓄電站的土建工程主要是地下建筑,其中地下廠房深埋于地面以下450m,開挖尺寸:長146.5m,寬21m,高44.54m。地下廠房等洞室群中,凡不過水洞室均采用噴錨支護作為永久支護,過水隧洞的臨時支護同樣采用噴錨支護。棉花灘水電站地下廠房棉花灘水電站位于福建省永定縣汀江干流棉花灘峽谷中部福至亭處,地下廠房位于左岸山體內(nèi)。棉花灘水電站裝機為4×150MW＝600MW。棉花灘水電站除了開關(guān)站出線場和控制樓布置于地面外,主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室及其他洞室均布置于地下,形成了一個錯綜復雜的大型地下洞室群。主廠房洞室開挖尺寸為129.50m×21.90m×52.08m(長×寬×高)。小灣水電站小灣水電站位于云南鳳慶縣與南潤縣境內(nèi)瀾滄江中下游河段，裝機6臺，總?cè)萘?200MW，總庫容151.32億m3立方米。小灣水電站地下廠房樞紐是一個超大型地下洞室群,其主廠房高65.5m、寬29.5m、長325m;主變室高32m!寬22m,長257m,雙圓筒調(diào)壓井高91.02m,開挖直徑38m,襯砌后直徑35m,兩條尾水隧洞長度分別為975.993m,和733.114m,而其高、跨均為20m。三大洞室,六條壓力管道、六條母線洞、兩條尾水隧洞、交通洞、運輸洞、出線洞和通風洞組成一個龐大的地下洞室群。龍灘水電站龍灘水電站是紅水河梯級開發(fā)的骨干工程

、巨型電站和大型水庫，設(shè)計裝機9臺，裝機總?cè)萘繛?,300MW,屬于我國已建和在建的第三大水電站。壩址在廣西壯族自治區(qū)天峨縣境內(nèi)，龍灘壩址控制流域面積98,500平方公里，占紅水河總流域面積的71.2%，多年平均流量1640m3/s，年徑流總量517億m3立方米。地下電站主廠房：388×30.7×76.4m，為世界之最。

天生橋I級水電站天生橋Ⅰ級水電站位于紅水河上游的南盤江，是紅水河梯級開發(fā)的"龍頭"電站。電站安裝4臺單機容量300MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量達1200MW。

大朝山水電站大朝山水電站位于云南省云縣瀾滄江上，裝機容量1350MW。工程主要由碾壓混凝土重力壩和右岸地下發(fā)電廠房系統(tǒng)組成。地下廠房系統(tǒng)包括右岸及進水口壩段、壓力(鋼)管道、主副廠房、安裝場、主變開關(guān)室、尾水調(diào)壓室及兩條長尾水隧洞等建筑物。

糯扎渡電站糯扎渡水電站位于瀾滄江下游河段，壩址位于云南省思茅地區(qū)瀾滄縣與思茅市的界河上，為瀾滄江中下游河段兩庫八級水電規(guī)劃中的第五個梯級，其上游與大朝山電站銜接，下游與景洪電站銜接。電站裝機容量650x9=5850MW，地下廠房洞室群包括主、副廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、母線洞、尾水支洞、尾水隧洞、出線洞、交通洞等。山體蓋厚度約為180～220m,水平埋深大于330m。

白山水電站白山發(fā)電廠位于吉林省樺甸市境內(nèi)，第二松花江上游，是國家電力公司東北公司直轄大型梯級水力發(fā)電廠。白山水電站裝機150萬千瓦（5×30），大壩為三圓心混凝土重力拱壩，最大壩高149.5米，壩頂弧長676.5米，庫容64.31億立方米，地下式廠房：121.5×25×54.25m。湖北水布埡水利樞紐工程

清江水布埡水利柩紐是清江流域梯級滾動開發(fā)的最上一級龍頭工程，位于湖北省恩施州巴東縣境內(nèi)。工程由大壩、發(fā)電廠房、左岸溢洪道和右岸放空隧洞等組成，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高233m（世界第一），電站共安裝4臺400MW水輪發(fā)電機組，總裝機容量1600MW。

水布埡電站地下廠房位于右岸馬崖高陡邊坡坡內(nèi)，主廠房尺寸為：141×23×68m。地下廠房圍巖具有下部軟巖含量大、軟硬相間、多層間剪切帶發(fā)育、多構(gòu)造裂隙的特點。(2)地下空間開發(fā)利用與火電開發(fā)火電廠一般由主廠房、主變配電室及其他輔助設(shè)施組成。所謂地下火電廠就是將火電廠的部分或全部置于地下。一般地下火電廠主要出于戰(zhàn)備考慮，其造價比地面火電廠要高得多。我國在上世紀六、七十年代曾修建過少數(shù)地下火電廠。五通橋地下電廠位于四川省，裝機2×50MW，為我國規(guī)模最大的地下火電工程；該工程主廠房兩條長172.1米×15.4米×20.7米的平行洞室組成，最大開挖跨度達20米，兩洞室凈距33米，工程于1966年9月正式開工。1號機組1979年10月并網(wǎng)發(fā)電，1986年1月2號機組并網(wǎng)發(fā)電。上海高橋石化公司電廠位于地面以下28.5m，直徑64m的圓形結(jié)構(gòu)，主體設(shè)備包括125MW發(fā)電機組、3臺鍋爐、變壓器、控制室等，安裝有10臺風機與外界持續(xù)通風。(2)地下空間開發(fā)利用與核電開發(fā)1986年，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生事故以后，核電站設(shè)計專家們?yōu)樘岣吆穗娬镜陌踩禂?shù)，進行了深入的調(diào)查研究。其中有一個研究方向是探討地下核電站的可行性。結(jié)果表明，地下核電站比地上核電站更為安全，并且經(jīng)濟和技術(shù)上都是可行的。

據(jù)分析，這種地下核電站至少可保證運營中不危害周圍環(huán)境，不發(fā)生切爾諾貝利核電站那種浩劫式的事故后果，而且便于封存壽終正寢的反應堆，減輕地震對核電站的影響。此外，把核電站轉(zhuǎn)入地下還可以使核電站的建設(shè)得以在現(xiàn)有技術(shù)水平上得到發(fā)展，而無須等到“絕對安全”的核電站設(shè)計問世之后再發(fā)展核電事業(yè)。

地下核電站分類及其特點地下核發(fā)電站有半地下式和完全地下式兩類，半地下式核發(fā)電站，是指關(guān)鍵設(shè)備進入地下。地下原子能發(fā)電站的優(yōu)點表現(xiàn)在：不需要寬闊平坦的場地，在海岸和山區(qū)均可修建，選址容易；巖體對地下放射物質(zhì)有良好的遮蔽效果；耐震、并具有良好的防護性。通常，地下核電站，除了需開鑿發(fā)電大廳以裝備發(fā)電機和原子爐之外，尚須開發(fā)一系列隧道，以作人員通行、物質(zhì)運輸?shù)扔谩?/p>

4.2地下空間開發(fā)利用與能源儲備主要指國家戰(zhàn)略石油儲備。目前世界上主要消耗的能源有：煤炭、石油、天然氣。最近幾年，國際上石油價格迅猛增長，而我國隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，已經(jīng)從石油出口國成為石油凈進口國，每年用于石油進口的資金以百億美元計，每年因為石油漲價而多支付的費用就達百億美元。一方面石油資源越來越枯竭，另一方面石油消耗越來越依賴進口，一旦進口渠道不暢、或石油供應成問題，那么必須要有足夠的石油儲備，不至于造成大的動亂。美國已經(jīng)具有相當大能力的戰(zhàn)略石油儲備能力，我國目前才剛剛提上議事日程。石油儲備方式石油的儲備方式分地上和地下兩類，地上主要采用鋼制油罐，而地下主要采用地下油罐或地下水封油庫。