吳秋芳,林文婧,陳志偉,郭建設(shè)

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

1 概述

海水抽水蓄能電站以海洋作為下水庫(kù)，在地理位置和地形合理的海岸(島)山地上修建上水庫(kù)。相比常規(guī)陸地淡水抽水蓄能，海水抽水蓄能電站具有不需建設(shè)下水庫(kù)、可以修建在火電、核電、海上風(fēng)電等基荷電源附近，也可以建設(shè)在淡水資源缺乏、常規(guī)抽蓄電站建設(shè)條件較差的沿海地區(qū)和小島上等優(yōu)勢(shì)[1-2]。

在海水抽水蓄能規(guī)劃、設(shè)計(jì)及集成應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)方面,國(guó)際上1999年日本在沖繩建成世界第一座海水抽水蓄能電站，希臘等國(guó)正在開(kāi)展規(guī)劃。我國(guó)已在2014年完成沿海地區(qū)蓄能資源開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)，但仍未形成一套針對(duì)海水抽水蓄能站點(diǎn)的選址及設(shè)計(jì)方法。目前，我國(guó)正組織開(kāi)展相關(guān)前瞻技術(shù)研究。

海水抽水蓄能電站分為海岸抽水蓄能電站及海島抽水蓄能電站。其中，考慮海島供電電源相對(duì)單一、供電可靠性較差，海島抽水蓄能電站若與風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等組成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，充分發(fā)揮其在系統(tǒng)中的調(diào)頻、調(diào)相作用[3]，解決可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可再生能源的規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，故海島抽水蓄能電站對(duì)推動(dòng)國(guó)家的海洋發(fā)展戰(zhàn)略具有尤為重要的意義。

本文以大萬(wàn)山島為代表性站址，研究海島抽水蓄能電站的樞紐布置。

2 站址概況

2.1 地理位置

大萬(wàn)山島站址位于廣東省珠海市萬(wàn)山區(qū)萬(wàn)山群島的萬(wàn)山鎮(zhèn)。大萬(wàn)山島距珠海市直線(xiàn)距離約48 km，西北距澳門(mén)35 km，東北距香港59 km(見(jiàn)圖1所示)，工程建設(shè)所需的外來(lái)物資和機(jī)電設(shè)備需通過(guò)海運(yùn)上島。

圖1 大萬(wàn)山島地理位置示意

2.2 地形地質(zhì)條件

大萬(wàn)山島近似葫蘆形，南北長(zhǎng)為3.35 km，東西寬為2.45～3.88 km，為丘陵海島地貌；地勢(shì)中間高，四周低，最高的大萬(wàn)山頂海拔為432.5 m。島岸曲折陡峻，多為巖石陡岸。全島由燕山三期花崗巖(γ52(3))組成。

上庫(kù)選址島東北部山脊較平緩處，花崗巖，巖體較完整，預(yù)計(jì)庫(kù)內(nèi)、外邊坡總體穩(wěn)定性較好，無(wú)大的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。輸水發(fā)電系統(tǒng)圍巖為中細(xì)粒花崗巖，巖石堅(jiān)硬，輸水發(fā)電系統(tǒng)的工程地質(zhì)條件較好?？傮w站址水庫(kù)和輸水發(fā)電系統(tǒng)工程地質(zhì)條件較好，具備建設(shè)海水抽水蓄能電站的條件。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

大萬(wàn)山島站址上水庫(kù)為已有推船灣水庫(kù)，下庫(kù)進(jìn)出水口初選上水庫(kù)東北面海灣(見(jiàn)圖2)，輸水發(fā)電系統(tǒng)總體呈西南—東北走向，水平距離約為650 m，距高比為6.2。島內(nèi)無(wú)天然砂礫料，需從大陸買(mǎi)進(jìn)或采用庫(kù)、洞開(kāi)挖的弱風(fēng)化～新鮮花崗巖石料人工軋制。

圖2 大萬(wàn)山島站址工程平面示意

考慮珠海市城市總體規(guī)劃、萬(wàn)山區(qū)海島建設(shè)發(fā)展情況以及目前電網(wǎng)約束條件，根據(jù)初步動(dòng)能計(jì)算并結(jié)合站址地形地質(zhì)條件，擬定電站調(diào)節(jié)時(shí)間為8h，裝機(jī)容量為20 MW(2臺(tái)10 MW)；電站上庫(kù)正常蓄水位為124.2 m，死水位為98.0 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容為60萬(wàn)m3，平均毛水頭為116.5 m；電站最小水頭最大流量為12.3 m3/s，最小揚(yáng)程最大流量為9.7 m3/s。

3 樞紐布置方案

抽水蓄能電站樞紐建筑物主要由上下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、電站廠(chǎng)房等組成，借鑒常規(guī)陸地淡水抽水蓄能的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，海島地形限制上庫(kù)位置一般唯一，下庫(kù)利用在海邊建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成，所以樞紐布置比較只是針對(duì)輸水系統(tǒng)地面明管還是地下隧道方案及電站廠(chǎng)房是地面還是地下進(jìn)行?？紤]海水環(huán)境、海洋邊界帶來(lái)的特殊性，如海水的高腐蝕性以及海洋微生物的附著、海島生態(tài)環(huán)境脆弱、施工條件受限、海島環(huán)境帶來(lái)的臺(tái)風(fēng)及鹽霧問(wèn)題等，提出了3個(gè)代表性的樞紐布置方案，其中方案1為輸水隧洞+地下廠(chǎng)房方案，方案2為地面明管+地面廠(chǎng)房方案，方案3為地面明管+地下廠(chǎng)房方案。

3.1 方案1(隧洞+地下廠(chǎng)房方案)

樞紐建筑物主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠(chǎng)房洞室群、尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)等組成。根據(jù)地形地質(zhì)條件，上水庫(kù)利用天然庫(kù)盆筑壩成庫(kù)，在上水庫(kù)與外海之間布置1洞2機(jī)、首部式地下廠(chǎng)房的樞紐布置方案。圖3是方案1樞紐布置示意，圖4是輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意。

圖3 方案一樞紐布置示意(隧洞+地下廠(chǎng)房)

圖4 輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意(隧洞+地下廠(chǎng)房)

1)上水庫(kù)

上水庫(kù)擬在現(xiàn)壩址位置重建擋水大壩，初擬為重力壩，最大壩高約35 m，壩長(zhǎng)約145 m。結(jié)合地形地質(zhì)條件，為避免海水滲漏對(duì)海島生態(tài)環(huán)境的干擾，上水庫(kù)擬采用全庫(kù)盆防滲，并在庫(kù)盆底部設(shè)置集水廊道，用于收集庫(kù)盆滲漏水。

2)輸水系統(tǒng)

輸水系統(tǒng)布置于NE向沖溝中，主要包括上庫(kù)進(jìn)/出水口、引水隧洞、岔管、引水支管、尾水支管、尾水隧洞、下庫(kù)進(jìn)/出水口等建筑物。輸水系統(tǒng)采用1管2機(jī)的供水方式，設(shè)尾水調(diào)壓室，總長(zhǎng)為800 m。為避免海水外滲，全系統(tǒng)管道均采用鋼板襯砌；此外，為減小海生物附著及海水腐蝕對(duì)管道的影響，輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮檢修方便。

上庫(kù)進(jìn)/出水口為豎井式進(jìn)/出水口，不設(shè)事故檢修閘門(mén)井。引水系統(tǒng)總長(zhǎng)為360 m，主洞內(nèi)徑為2.3 m；平面上，引水系統(tǒng)直線(xiàn)布置；立面上，考慮斜井及豎井均不方便檢修，故盡量將不可檢修段的管道長(zhǎng)度減少到最短，引水隧洞采用一級(jí)豎井+平洞布置，為方便進(jìn)人檢修，平洞縱坡坡度設(shè)為1%。引水鋼岔管采用Y型岔布置，引水支管管徑為1.15 m。尾水系統(tǒng)總長(zhǎng)為440 m，主洞內(nèi)徑為2.7 m；平面上，尾水系統(tǒng)直線(xiàn)布置；立面上，尾水隧洞為“龍?zhí)ь^”布置，考慮方便進(jìn)人檢修，平洞段縱坡設(shè)為1%，設(shè)尾水調(diào)壓室。尾水鋼岔管采用Y型岔布置，尾水支管管徑為2.26 m。下庫(kù)進(jìn)/出水口為側(cè)式(岸塔式)進(jìn)/出水口。

3)地下廠(chǎng)房

地下廠(chǎng)房采用首部式開(kāi)發(fā)方案，上覆巖體厚度為93～103 m，廠(chǎng)房軸線(xiàn)方向?yàn)?NW31°。主機(jī)間、安裝間、副廠(chǎng)房兼主變室布置在同一洞室內(nèi)，引水鋼支管正向進(jìn)廠(chǎng)，尾水管正向出廠(chǎng)。地下廠(chǎng)房開(kāi)挖尺寸為72.0 m×16.0 m×29.0 m(長(zhǎng)×寬×高)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)布置2 臺(tái)單機(jī)容量為10 MW的單級(jí)立軸混流可逆式水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，機(jī)組安裝高程為-27.0 m，機(jī)組間距為12.0 m。地下附屬洞室主要有交通洞、電纜兼出線(xiàn)洞等。

4)尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)

由于下庫(kù)進(jìn)/出水口位于海岸，為了減小海上風(fēng)浪及泥沙對(duì)海面取水口的影響并降低取水口抽取海水對(duì)周邊海洋生物的影響，擬于下庫(kù)進(jìn)/出水口海灣附近設(shè)尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建相對(duì)封閉又透水的下庫(kù)進(jìn)/出水口取用水環(huán)境。尾水防護(hù)結(jié)構(gòu)初擬采用拋填扭王塊至海中堆積形成防浪壩，壩頂寬為3 m，壩頂高程為3.0 m，總長(zhǎng)約為150 m。

3.2方案2(明管+地面廠(chǎng)房方案)

主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地面廠(chǎng)房、尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)等組成。上水庫(kù)利用天然庫(kù)盆筑壩成庫(kù)，在上水庫(kù)與外海之間布置引水系統(tǒng)1管2機(jī)、尾水系統(tǒng)1管1機(jī)、尾部式地面廠(chǎng)房的樞紐布置方案。上水庫(kù)及尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)同方案1。圖5是方案2樞紐布置示意，圖6是輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意。

圖5 方案二樞紐布置示意(明管+地面廠(chǎng)房)

圖6 輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意(明管+地面廠(chǎng)房)

1)輸水系統(tǒng)

輸水系統(tǒng)主要包括上庫(kù)進(jìn)/出水口、壓力明鋼管、引水支管、尾水壓力鋼管、下庫(kù)進(jìn)/出水口等建筑物。引水系統(tǒng)采用1管2機(jī)的供水方式，設(shè)地面調(diào)壓塔；尾水系統(tǒng)采用1管1機(jī)的供水方式。為盡量減少挖方，地面廠(chǎng)房盡量靠近尾部，正向進(jìn)水，正向(垂直廠(chǎng)房軸線(xiàn))出水。輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)為860 m,水頭損失與方案1接近。

上庫(kù)進(jìn)/出水口為側(cè)式進(jìn)水口，穿壩而設(shè)，設(shè)事故檢修閘門(mén)井一道，啟閉機(jī)室位于壩頂。引水系統(tǒng)全長(zhǎng)為770 m，主管內(nèi)徑為2.35 m。平面上，引水系統(tǒng)呈折線(xiàn)布置；立面上，從壩后接引水明管，設(shè)地面調(diào)壓塔，調(diào)壓塔前1管2機(jī)布置，管長(zhǎng)為460 m；調(diào)壓塔后采用1管1機(jī)，接2條引水明支管，引水支管直徑初擬為1.15 m，管長(zhǎng)為310 m；沿地面開(kāi)挖線(xiàn)布置進(jìn)入廠(chǎng)房。尾水系統(tǒng)總長(zhǎng)為90 m，1管1機(jī)布置，管內(nèi)徑為2.26 m。平面上，尾水系統(tǒng)直線(xiàn)布置；立面上，尾水系統(tǒng)沿開(kāi)挖面布置，全段均采用鋼管。下庫(kù)進(jìn)/出水口為側(cè)式(岸塔式)進(jìn)水口。

2)地面廠(chǎng)房

地面廠(chǎng)房采用半埋式地下結(jié)構(gòu)，廠(chǎng)房軸線(xiàn)方向?yàn)?NE20°。主機(jī)間、安裝間、副廠(chǎng)房兼主變室并行布置，地面開(kāi)關(guān)站布置在主廠(chǎng)房的左側(cè)。廠(chǎng)房底板開(kāi)挖至高程為-35.0 m，四周采用混凝土回填至發(fā)電機(jī)層高程為-19.0 m，并在下游側(cè)設(shè)置防浪墻，墻頂高程為6.0 m。廠(chǎng)房尺寸及機(jī)組安裝高同方案一。

若考慮防鹽霧需求，可將地面廠(chǎng)房做成全封閉式的鋼筋砼結(jié)構(gòu)，設(shè)玻璃幕墻或玻璃頂拱，在保證自然采光的同時(shí)又可以做到廠(chǎng)房與空氣的隔絕，有利于廠(chǎng)房及機(jī)組設(shè)備防鹽霧。

3.3 方案3(明管+地下廠(chǎng)房方案)

樞紐建筑物主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠(chǎng)房、尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)等組成。根據(jù)地形地質(zhì)條件，上水庫(kù)利用天然庫(kù)盆筑壩成庫(kù)，在上水庫(kù)與外海之間布置輸水系統(tǒng)1管2機(jī)、尾部式地下廠(chǎng)房的樞紐布置方案。上水庫(kù)及尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)同方案1。圖7是方案1樞紐布置示意，圖8是輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意。

圖7 方案三樞紐布置示意(明管+地下廠(chǎng)房)

圖8 輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意(明管+地下廠(chǎng)房)

1)輸水系統(tǒng)

輸水系統(tǒng)主要包括上庫(kù)進(jìn)出水口、壓力明鋼管、引水支管、尾水壓力鋼管、下庫(kù)進(jìn)出水口等建筑物。輸水系統(tǒng)采用1管2機(jī)的供水方式，設(shè)上游調(diào)壓塔，總長(zhǎng)為960 m,水頭損失與方案1接近，隧洞均采用鋼板襯砌。

上庫(kù)進(jìn)/出水口為側(cè)式進(jìn)水口，穿壩而設(shè)，設(shè)事故檢修閘門(mén)井一道，啟閉機(jī)室位于壩頂。引水系統(tǒng)全長(zhǎng)為725 m，主管內(nèi)徑為2.4 m。平面上，引水系統(tǒng)呈折線(xiàn)布置；立面上，從壩后接引水明鋼管，設(shè)地面調(diào)壓塔，調(diào)壓塔前管長(zhǎng)為560 m；調(diào)壓塔底部設(shè)一級(jí)豎井接平洞進(jìn)入地下廠(chǎng)房，隧洞長(zhǎng)為165 m，主洞內(nèi)徑為為2.4 m；岔管采用Y型岔布置，引水支管內(nèi)徑為1.15 m。尾水系統(tǒng)總長(zhǎng)為235 m，主洞內(nèi)徑為2.4 m；平面上，尾水系統(tǒng)直線(xiàn)布置；立面上，尾水隧洞為“龍?zhí)ь^”布置，考慮方便進(jìn)人檢修，平洞段縱坡設(shè)1%，小斜井靠近下庫(kù)閘門(mén)井；岔管采用Y型岔布置，尾水支管內(nèi)徑初擬2.26 m。下庫(kù)進(jìn)/出水口為側(cè)式(岸塔式)進(jìn)水口。

2)地下廠(chǎng)房

地下廠(chǎng)房采用尾部式開(kāi)發(fā)方案，上覆巖體厚度為93～117 m，廠(chǎng)房軸線(xiàn)方向?yàn)?NW12°。主機(jī)間、安裝間、副廠(chǎng)房兼主變室布置在同一洞室內(nèi)，引水鋼支管正向進(jìn)廠(chǎng)，尾水管正向出廠(chǎng)。地下廠(chǎng)房開(kāi)挖尺寸為72.0 m×16.0 m×29.0 m(長(zhǎng)×寬×高)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)布置2 臺(tái)單機(jī)容量為10 MW的單級(jí)立軸混流可逆式水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，機(jī)組安裝高程為-27.0 m，機(jī)組間距為12.0 m。地下附屬洞室主要有交通洞、電纜兼出線(xiàn)洞等。

3.4 各方案投資匡算

各方案投資匡算見(jiàn)表1。

表1 各方案投資匡算

4 方案比較及分析

各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表2。

表2 各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)缺點(diǎn)比選

根據(jù)方案比選，方案1建筑物及機(jī)電設(shè)備深埋地下，有利于防腐防鹽霧及防風(fēng)防浪，洞挖料可一定程度上解決海島天然建材缺乏的問(wèn)題，但工程檢修較不易，工程造價(jià)相對(duì)較大，施工工期長(zhǎng)，通風(fēng)設(shè)備布置困難；方案2不利于防腐防鹽霧及防風(fēng)防浪，需要考慮無(wú)組織滲透風(fēng)，地表開(kāi)挖大，征地范圍大，對(duì)海島陸地生態(tài)環(huán)境影響較大，且天然建材需大量通過(guò)外運(yùn)解決，但工程檢修方便，相對(duì)于方案1在工程造價(jià)及施工工期上有一定的優(yōu)勢(shì)；方案3的優(yōu)劣介于方案1及方案2之間。

從工程投資、施工工期等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)看，在不考慮征地和海島環(huán)保等制約因素的前提下，方案2相對(duì)較優(yōu)，但3個(gè)方案的指標(biāo)差別并不是很大；考慮海島上對(duì)征地、環(huán)保的要求較為嚴(yán)格，且可能涉及軍事用地及國(guó)防安全，方案1最大限度減少了地表開(kāi)挖，且地下工程的開(kāi)挖料可解決天然建材不足的問(wèn)題，從征地、環(huán)保角度來(lái)說(shuō)最優(yōu)，此外在海島臺(tái)風(fēng)、濕鹽環(huán)境下地下廠(chǎng)房也相對(duì)有利，故推薦采用方案1，即隧洞+地下廠(chǎng)房方案。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以大萬(wàn)山站址為典型站址，結(jié)合常規(guī)抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并考慮海島環(huán)境的特殊性，提出了3個(gè)代表性的樞紐布置方案進(jìn)行海島抽水蓄能電站樞紐布置的研究；其中，方案1為隧洞+地下廠(chǎng)房方案，方案2為明管+地面廠(chǎng)房方案，方案3為明管+地下廠(chǎng)房方案。

根據(jù)方案比較分析，3種樞紐布置型式技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差異不大，但隧洞+地下廠(chǎng)房布置可以最大限度減少地表開(kāi)挖，從環(huán)保角度最優(yōu)；洞挖料可以一定程度上解決海島天然建材不足的問(wèn)題，降低由于大量天然建材需海運(yùn)造成的昂貴成本；同時(shí)，考慮海島臺(tái)風(fēng)、濕鹽的特殊環(huán)境，地下廠(chǎng)房布置也最有利。因此，綜合考慮海島脆弱的生態(tài)現(xiàn)狀、有限的施工條件以及臺(tái)風(fēng)鹽濕的特殊環(huán)境，海島抽水蓄能電站樞紐布置宜首推隧洞+地下廠(chǎng)房布置方案。

此外，在海島抽水蓄能電站的樞紐布置設(shè)計(jì)中，與常規(guī)陸地淡水抽水蓄能相比，考慮海水環(huán)境、海洋邊界帶來(lái)的特殊性，還應(yīng)考慮以下問(wèn)題：

1)由于海水存在高腐蝕性以及海洋微生物的附著問(wèn)題，輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮檢修方便，相關(guān)的建筑物均應(yīng)考慮適宜的防腐防污設(shè)計(jì)；

2)為減小海水滲透對(duì)地下水環(huán)境的污染問(wèn)題，輸水系統(tǒng)管道應(yīng)采用鋼板等不透水材料襯砌，上水庫(kù)應(yīng)進(jìn)行全庫(kù)盆防滲并設(shè)庫(kù)盆滲漏收集系統(tǒng)；

3)為減小海上風(fēng)浪及泥沙對(duì)海面取水口的影響并降低取水口抽取海水對(duì)周邊海洋生物的影響，下庫(kù)進(jìn)/出水口海灣附近應(yīng)設(shè)尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)。