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        甘肅玉門抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方案的選擇

        2022-11-08 12:54:04宋國棟
        廣東水利水電 2022年10期
        關(guān)鍵詞:工程系統(tǒng)

        王 明,宋國棟

        (廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣州 510635)

        1 概述

        甘肅玉門抽水蓄能電站位于甘肅省酒泉地區(qū)玉門市境內(nèi),距玉門市直線距離約40 km。電站靠近酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地,距離最近的風(fēng)電場約30 km。電站服務(wù)甘肅電網(wǎng),主要為酒泉能源基地輸電平臺配套服務(wù)[1]。電站裝機容量為1 200 MW,安裝4臺單機容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機,額定發(fā)電水頭為425 m。工程建成后將承擔(dān)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等任務(wù),可減輕電網(wǎng)調(diào)峰壓力,改善煤電機組運行條件,促進新能源的消納,提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性和安全可靠性。電站樞紐主要有上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地面廠房、廠區(qū)道路等組成。

        工程區(qū)位于祁連山地槽褶皺系北祁連山優(yōu)地槽褶皺帶北緣,近場區(qū)活動斷裂發(fā)育,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜,地震活動強烈。工程區(qū)海拔高(上庫高程近3 000 m)、蒸發(fā)強烈(多年平均蒸發(fā)為1 805.1 mm)、冬季寒冷(極端最低氣溫為-35.1 ℃)、夏季酷熱(極端最高氣溫為38 ℃)、地震烈度高(Ⅷ度)、地質(zhì)條件差,勘察設(shè)計工作面臨巨大的困難和挑戰(zhàn)[2]。隨著地質(zhì)資料的逐步揭露,地下洞室?guī)r體破碎、圍巖穩(wěn)定、大變形問題比較突出,采用常規(guī)的抽水蓄能電站地下廠房洞室群輸水發(fā)電系統(tǒng)方案將面臨較大的困難和挑戰(zhàn),結(jié)合地形地質(zhì)條件選擇一個合適的輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方案成為本工程樞紐布置的焦點所在[3-5]。

        2 輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方案

        本工程上水庫利用疏勒河右岸照壁山頂“凹”形平臺,采用兩面圍填兩面開挖而成。下水庫利用照壁山北側(cè)陰思道溝中段部位,在溝內(nèi)筑壩挖填形成下水庫。上、下水庫之間為照壁山山體,山體中部為懸崖地形,地勢急速降低。上、下水庫水平距離約2.0 km,相對高差約440 m(見圖1)。

        圖1 地下廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)平面示意

        1) 地下廠房方案

        下水庫整體呈“靴型”,根據(jù)上下水庫平面整體分布,下水庫進出水口布置在下庫南側(cè)平直庫岸段較為合理。根據(jù)輸水線路平順且最短的布置原則,上水庫進出水口布置在上庫右壩頭庫盆北側(cè)。同時考慮上、下水庫之間地形平面展布方向及陡岸分布、主要斷層分布和地層地質(zhì)條件,結(jié)合工程總體布置及地質(zhì)探洞揭露的斷裂及主應(yīng)力方向,可采用上、下水庫最短連接線路的地下廠房方案[6]。

        根據(jù)地下廠房在輸水發(fā)電系統(tǒng)中的位置,地下廠房的開發(fā)方式主要有:首部式、中部式、尾部式[7]。由于上下庫進出水口水平距離約2.0 km,電站距高比為4.7,中部式開發(fā)方案同首部式開發(fā)方案剖面布置相差不大,但根據(jù)地質(zhì)資料顯示,中部式地下廠房位置地質(zhì)條件較差,還需要增設(shè)上游調(diào)壓井,首部方案與之相比優(yōu)勢明顯。尾部開發(fā)方案廠房布置在下水庫庫尾南側(cè),地形為一單薄山梁。廠房拱頂處(高程為 2 314.9 m)斷層構(gòu)造發(fā)育,為強風(fēng)化狀構(gòu)造碎裂巖,破碎帶厚度約12.9 m,為塊石夾土狀。平洞PD01在廠房區(qū)揭露圍巖為灰黑色構(gòu)造碎裂巖,局部為輝長巖脈,脈體寬度小于30 m;構(gòu)造碎裂巖為碎裂、散體狀結(jié)構(gòu),以角礫夾巖屑為主,泥化、揉褶強烈,膠結(jié)一般,且遇水易軟化崩解,圍巖類別為Ⅳ類、Ⅴ類,基本無自穩(wěn)能力,不具備修建廠房洞室群的圍巖條件。

        因此,選擇首部式地下廠房開發(fā)方案進行輸水發(fā)電系統(tǒng)布置比選(見圖2)。

        圖2 地下廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意

        2) 地面廠房方案

        在下水庫周邊存在北大窯溝、陰思道溝及野馬溝3條天然沖溝,根據(jù)初定的廠房安裝高程,3條沖溝的岸坡均具備布置地面廠房的地形(見圖3)。

        根據(jù)輸水發(fā)電系統(tǒng)平面布置原則[8-10],可根據(jù)輸水線路平距長短對方案的優(yōu)劣進行初步比選。輸水線路過長,對機組運行過渡過程不利,需對電站的過渡過程是否滿足要求進行初步判斷[11-12]。4個地面廠房方案均在照壁山懸崖末端設(shè)置上游調(diào)壓井,其輸水系統(tǒng)平距由長到短分別為地面廠房3(3 868 m)、地面廠房1(3 567 m)、地面廠房4(3 333 m)、地面廠房2(3 327 m),地面廠房4方案由于不具有設(shè)置尾水調(diào)壓井的地形以至于水力過渡過程不滿足要求。此外,地面廠房1位于照壁山懸崖下,有較大的邊坡崩塌風(fēng)險;廠區(qū)位于野馬溝側(cè),存在泥石流災(zāi)害;廠區(qū)地基斷層發(fā)育、規(guī)模較大,需進行地基加固,巖石存在遇水軟化問題;廠區(qū)邊坡巖層條件差,回填混凝土量大。地面廠房2廠房地基以弱風(fēng)化巖為主,地質(zhì)條件相對較好,同時由于有野馬溝的阻隔廠區(qū)位置條件好,無自然災(zāi)害問題。

        圖3 可選地面廠房方案示意

        根據(jù)廠房和下水庫的平面位置及周邊地形,地面廠房方案尾水系統(tǒng)的布置方式可采用同側(cè)出水和異側(cè)出水2種方式。

        同側(cè)出水和異側(cè)出水方案左岸地面廠房位置基本相同,由于輸水系統(tǒng)布置的原因,同側(cè)出水方案廠房軸線以異側(cè)出水方案軸線為基準逆時針旋轉(zhuǎn)50°。同側(cè)出水方案尾水系統(tǒng)總長較異側(cè)出水方案尾水系統(tǒng)總長增加197 m,但單條尾水支管較同側(cè)出水方案短191 m,工程投資差別不大。根據(jù)過渡過程初步計算成果,同側(cè)出水方案、異側(cè)出水方案尾水調(diào)壓井距機組中心線距離分別為250.5 m、421.9 m,同側(cè)出水方案尾水肘管處最低壓力為8 m,異側(cè)出水由于尾水調(diào)壓井距離機組較遠,尾水肘管處最低壓力為-3 m,不滿足運行要求。

        因此,選擇地面廠房2方案,尾水同側(cè)進出水進行輸水發(fā)電系統(tǒng)布置比選(見表1)。

        3 方案比較

        1) 工程布置

        地下廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)呈南北向布置,輸水系統(tǒng)采用“兩管四機”供水方式,地下廠房采用首部式開發(fā)方案。引水管道立面布置采用兩級豎井,尾水管道采用一坡到底的布置,管徑為6.9 m/6.6 m/6.0 m/4.9 m/7.5 m,設(shè)有阻抗式尾水調(diào)壓井。輸水系統(tǒng)襯砌型式上豎井、中平洞、下豎井、下平洞、引水岔管、引水支管、尾水支管及尾水隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段采用鋼板襯砌,其余采用鋼筋混凝土襯砌。輸水系統(tǒng)總長為2 651.5 m,其中:引水系統(tǒng)長為1 144.8 m,尾水系統(tǒng)長為1 506.7 m。輸水管道水平距離為2 220.8 m,距高比為5.2。地下廠房系統(tǒng)主要洞室有:主副廠房、主變洞、尾閘洞、母線洞、330 kV出線平洞、進廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞、排風(fēng)豎井、排水廊道、自流排水洞等。主副廠房、主變洞、尾閘洞3大洞室平行布置,廠房長軸方向為NE40.0°。

        表1 可選地面廠房方案對比

        地面廠房方案在下庫大壩西側(cè)野馬溝右岸設(shè)地面廠房,輸水系統(tǒng)平順連接上、下水庫及地面廠房,引水和尾水平面布置采用同側(cè)進出水(見圖4、圖5)。輸水系統(tǒng)工程方式仍采用“兩管四機”。引水管道及尾水管道里面布置均采用1級豎井,管徑為7.5 m/6.0 m/5.5 m/7.5 m,引水和尾水均設(shè)有阻抗式調(diào)壓井。輸水系統(tǒng)襯砌型式,豎井、下平洞、引水岔管、引水支管、尾水支管采用鋼板襯砌,其余均采用鋼筋混凝土襯砌。輸水系統(tǒng)總長為3 743.4 m,其中:引水系統(tǒng)長為3 008.8 m,尾水系統(tǒng)長為734.6 m。輸水管道水平距離為3 304.4 m,距高比為7.8。廠房位于下水庫主壩西側(cè),距下水庫距離約為500 m,采用尾部式開發(fā)方式。廠區(qū)地面高程為2 289.80 m,廠區(qū)平面尺寸為179.85 m×87.59 m。引水鋼支管與廠房軸線呈65°進入主機間上游邊墻(沿引水水流方向呈順時針),尾水管與廠房軸線呈75°自上游邊墻引出。主廠房布置在廠區(qū)中部,副廠房布置于主廠房下游側(cè),主要作為GIS室和電氣的設(shè)備室。尾閘洞單獨布置于廠區(qū)東南側(cè),距廠區(qū)約110 m。

        圖4 地面廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)平面示意

        圖5 地面廠房方案輸水系統(tǒng)縱剖面示意

        地面廠房方案較地下廠房方案增加了輸水系統(tǒng)長度,但由于其采用地面廠房,減少了附屬洞室及開關(guān)站,減少了大量地下洞室開挖支護,工程布置略優(yōu)。

        2) 地質(zhì)條件

        地下廠房洞室群圍巖為微泥晶灰?guī)r,夾層狀、互層狀分布,鑲嵌狀結(jié)構(gòu)、塊裂狀結(jié)構(gòu),局部夾碎裂結(jié)構(gòu),完整性較差,中硬巖夾軟巖,以中硬巖為主,圍巖強度應(yīng)力比小于2,地下水活動強烈,圍巖分類Ⅴ類為64.2%,Ⅳ類為35.8%,圍巖穩(wěn)定、大變形問題較突出,巖錨梁難以成型,需采取系統(tǒng)強支護措施。

        地下廠房方案與地面廠房方案相比圍巖穩(wěn)定、大變形問題比較突出,尤其是大跨度廠房洞室群圍巖成洞條件差,是地下廠房的主要工程地質(zhì)問題。地面廠房存在廠房邊坡局部質(zhì)量較差,地基巖土體局部存在軟硬不均持力層及基坑防排水問題,但為明挖施工,便于采取工程措施進行有效防治,工程地質(zhì)條件優(yōu)于地下廠房方案。

        3) 施工條件

        地下廠房方案廠房開挖量較大,輸水隧洞相對較短,但廠房附屬洞室較長,隧洞斷面較大,且大部分洞段位于遇水軟化的軟巖地段,施工期臨時支護難度大,施工安全風(fēng)險大;地面廠房方案廠房開挖主要為明挖,混凝土澆筑為地上澆筑,輸水隧洞總體較長,但地下洞室總長度較短,施工期臨時支護難度相對較低,施工風(fēng)險相對較小。地下廠房方案施工總工期為93個月,地面廠房方案施工總工期為76個月。地面廠房方案進度保證率高,地面廠房方案較地下廠房方案工期提前17個月。因此,從施工難度及工期方面對比地面廠房由于地下廠房方案。

        4) 工程投資及運行

        地面廠房方案工程總投資(動態(tài))為102.6億元,地下廠房方案總投資為114.6億元,節(jié)省工程投資為 12億元。地面廠房方案主要機電設(shè)備可從地面公路直接運抵,轉(zhuǎn)運方便。同時,地面廠房方案無單獨布置的戶外開關(guān)站,便于設(shè)備的集中維護管理。此外,地面廠房通風(fēng)采光條件較好、工作環(huán)境友好,極大地方便了施工和電站建成后的運行管理。

        4 結(jié)語

        綜合比較工程布置、地形地質(zhì)、施工條件、工程投資及運行管理等因素,地面廠房方案工程投資較省,施工、運行管理方便,施工難度較低、工期較短。其地質(zhì)條件較好且不存在照壁山陡崖崩落危石塊體的風(fēng)險。因此,推薦輸水發(fā)電系統(tǒng)采用地面廠房方案。

        甘肅玉門抽水蓄能電站由于其自身特殊的工程建設(shè)運行條件,難以采用常規(guī)的地下廠房樞紐格局。結(jié)合本工程地形、地質(zhì)特點,創(chuàng)新性的提出國內(nèi)首個抽水蓄能電站大型地面廠房方案輸水發(fā)電系統(tǒng)布置。本文為抽水蓄能輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方案提供了一種新的思路,可為類似工程提供借鑒和參考。

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