江 軍， 王 勝， 楊 炳 全， 黃 煌， 陳 向 東， 李 治 國(guó)

(1.中電建水電開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610047；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

在我國(guó)當(dāng)前努力建設(shè)現(xiàn)代能源體系的指導(dǎo)方針下，國(guó)家要求“因地制宜開(kāi)展中小型抽水蓄能電站建設(shè)，探索推進(jìn)水電梯級(jí)融合改造”。2022年4月30日，全球首個(gè)“分布式光伏+梯級(jí)小水電+小型抽水蓄能”聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)工程——春廠(chǎng)壩變速抽水蓄能示范電站在四川省阿壩州小金縣順利并網(wǎng)。作為服務(wù)于小金縣流域梯級(jí)水、光、蓄的深度融合型項(xiàng)目，通過(guò)新增加的5 MW全容量變速恒頻可逆式抽水蓄能發(fā)電機(jī)組，形成59 MW常蓄結(jié)合電站，與流域其他梯級(jí)小水電共計(jì)141 MW以及50 MW光伏形成梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行發(fā)電系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)了水電、光伏、抽水蓄能、水庫(kù)的優(yōu)化協(xié)同控制[1]。

根據(jù)小金流域梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行發(fā)電系統(tǒng)工程要求，常規(guī)的春廠(chǎng)壩水電站改造為常蓄混合式電站，需利用上游的已有水庫(kù)及其引水系統(tǒng)和下游已有梯級(jí)水庫(kù)。因此，新建抽蓄機(jī)組廠(chǎng)房需布置在已投運(yùn)水電站廠(chǎng)房周邊，而在項(xiàng)目選點(diǎn)過(guò)程中遇到已投運(yùn)水電站尾水與下水庫(kù)庫(kù)位相銜接及下水庫(kù)庫(kù)岸臺(tái)地地形條件下頂部圍巖較差等問(wèn)題[2]。同時(shí)，抽水蓄能發(fā)電機(jī)組吸出高度一般在-30～-50 m左右，因此，抽蓄機(jī)組廠(chǎng)房必須深埋庫(kù)岸臺(tái)地以下約50 m，造成廠(chǎng)房布置極其困難、施工難度大、施工成本高。

為有效解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)以春廠(chǎng)壩變速抽水蓄能示范電站為例，提出一種抽水蓄能機(jī)組豎井式廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)，將地下廠(chǎng)房布置在岸邊圓筒形豎井內(nèi)，與常規(guī)地下式廠(chǎng)房相比，可以有效解決岸邊抽水蓄能機(jī)組超低吸出高度布置困難和臺(tái)地地形條件下頂部圍巖不穩(wěn)定的問(wèn)題，降低了廠(chǎng)房基礎(chǔ)開(kāi)挖施工難度以及施工成本[3]。

1 電站原布置及地質(zhì)條件

1.1 原水電站工程布置

春廠(chǎng)壩水電站廠(chǎng)區(qū)樞紐由主廠(chǎng)房、副廠(chǎng)房、升壓站、回車(chē)場(chǎng)及進(jìn)廠(chǎng)公路等組成。廠(chǎng)址位于小金河左岸美興加油站下游約150 m的Ⅰ級(jí)階地處。廠(chǎng)房后邊坡為臺(tái)階狀地形，自然邊坡坡度13°～16°，邊坡整體穩(wěn)定性較好。主廠(chǎng)房?jī)?nèi)安裝三臺(tái)單機(jī)容量為18 MW 的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。副廠(chǎng)房和電氣廊道布置在主廠(chǎng)房后側(cè)。

春廠(chǎng)壩水電站常規(guī)水電機(jī)組已于2016年投產(chǎn)發(fā)電，本階段利用上游的已有春廠(chǎng)壩水庫(kù)及其引水系統(tǒng)和下游已有三關(guān)橋水庫(kù)，新建抽水蓄能電站，安裝1臺(tái)變速恒頻可逆式抽水蓄能發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量5 MW[4]。新建水工建筑物主要有輸水壓力管道、尾水/抽水管、下庫(kù)進(jìn)/出水口、豎井式廠(chǎng)房等，新建水工建筑物的工程等別和建筑物級(jí)別宜與已有建筑物一致，永久性主要建筑物為Ⅲ級(jí)，次要建筑物為Ⅳ級(jí)，臨時(shí)建筑物為Ⅴ級(jí)。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)春廠(chǎng)壩水電站廠(chǎng)址區(qū)地勘資料，該處由上到下依次為表部人工堆積、砂卵礫石層和T3zh變質(zhì)砂巖與板巖不等厚互層?？傮w而言，基巖段巖性軟硬相間，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面(層面)以陡傾角為主，對(duì)井壁穩(wěn)定總體不利；板巖巖性軟弱，部分在開(kāi)挖后，由于應(yīng)力調(diào)整可能會(huì)產(chǎn)生局部變形破壞；另預(yù)測(cè)全段地下水較豐，開(kāi)挖過(guò)程中存在涌水問(wèn)題；工程區(qū)域與廠(chǎng)區(qū)內(nèi)建筑物最小距離約10 m，春廠(chǎng)壩電站主廠(chǎng)房建于弱風(fēng)化基巖之上，受開(kāi)挖影響較小，但對(duì)其周邊基礎(chǔ)置于砂卵礫石層的部分建筑物具有一定影響，若不采取防滲措施，開(kāi)挖后形成集水井效應(yīng)，覆蓋層地下水降低后可能發(fā)生地面不均勻沉降問(wèn)題，導(dǎo)致部分建筑物發(fā)生一定程度的開(kāi)裂變形。

2 新建抽蓄機(jī)組廠(chǎng)區(qū)樞紐布置

2.1 廠(chǎng)址選擇

上廠(chǎng)址發(fā)電系統(tǒng)位于春廠(chǎng)壩廠(chǎng)區(qū)上游偏內(nèi)側(cè)，下廠(chǎng)址發(fā)電系統(tǒng)布置于春廠(chǎng)壩廠(chǎng)區(qū)下游角值班房附近，根據(jù)地質(zhì)資料分析上、下廠(chǎng)址建筑物結(jié)構(gòu)、尺寸、地形、物理地質(zhì)現(xiàn)象和地層巖性層與上廠(chǎng)址條件基本一致。

從地質(zhì)角度看，上、下廠(chǎng)址地質(zhì)條件基本相同；而下廠(chǎng)址場(chǎng)地相對(duì)狹窄，會(huì)影響已有廠(chǎng)區(qū)交通道路、值班房等，廠(chǎng)區(qū)建筑物布置較為困難；且下廠(chǎng)址豎井式廠(chǎng)房部分位于廠(chǎng)區(qū)邊坡上，豎井距離下水庫(kù)岸邊更近，施工期和運(yùn)行期豎井防滲難度更大，故推薦上廠(chǎng)址方案。

2.2 廠(chǎng)房型式選擇

因新建抽水蓄能機(jī)組吸出高度為-30 m，因此，廠(chǎng)房型式只能為地下式或半地下式。

若采用地下式廠(chǎng)房，則需采用水平交通，因機(jī)組安裝高程較低，地下廠(chǎng)房進(jìn)出交通洞繞道較遠(yuǎn)，進(jìn)廠(chǎng)交通洞室工程量較大，同時(shí)，地下廠(chǎng)房防滲排水、出線(xiàn)、通風(fēng)等輔助洞室的工程量也較大?？紤]到新建機(jī)組僅1臺(tái)，需要的廠(chǎng)房面積小，若采用豎井式廠(chǎng)房，僅需考慮垂直交通，省去出線(xiàn)、通風(fēng)等輔助洞室，則廠(chǎng)房工程布置簡(jiǎn)單，工程量相對(duì)較小。

另外，采用豎井式廠(chǎng)房，壓力管道、尾水管可采用明管布置，較為方便。若采用地下式廠(chǎng)房，則壓力管道、尾水管的布置需開(kāi)挖隧洞，工程量相對(duì)較大。因此，從地形、地質(zhì)、廠(chǎng)區(qū)布置、輸水系統(tǒng)布置等角度分析，為節(jié)約工程量，方便機(jī)組運(yùn)行，抽蓄機(jī)組廠(chǎng)房采用豎井式較為合理[5]。

2.3 廠(chǎng)房布置方案

抽水蓄能電站廠(chǎng)區(qū)建筑物包括主廠(chǎng)房、副廠(chǎng)房、出線(xiàn)設(shè)備等組成。副廠(chǎng)房布置在新建主廠(chǎng)房上游側(cè)，呈“L”型與主廠(chǎng)房相臨，出線(xiàn)設(shè)備結(jié)合現(xiàn)有的地面廠(chǎng)房布置。主廠(chǎng)房呈“一”字型排列。主廠(chǎng)房地面以下為豎井結(jié)構(gòu)，地面以上為鋼結(jié)構(gòu)排架結(jié)構(gòu)。

電站安裝1臺(tái)單機(jī)容量為5 MW的全功率變速恒頻可逆式抽水蓄能機(jī)組。機(jī)組布置在豎井底部；安裝間、副廠(chǎng)房等布置在上部地面平臺(tái)。豎井內(nèi)設(shè)置樓梯和電梯通向上部平臺(tái)，上部平臺(tái)與進(jìn)廠(chǎng)交通同高。

廠(chǎng)房上部尺寸為30.40 m×17.10 m(長(zhǎng)×寬)。豎井開(kāi)挖直徑為15.00 m，襯砌厚度1.00 m，凈空直徑13.00 m；豎井底部高程為2 254.80 m，地面高程為2 295.00 m，豎井開(kāi)挖最大深度51.2 m，廠(chǎng)房頂高程為2 307.85 m，總高53.05 m。豎井底部有集水井，廠(chǎng)房滲水通過(guò)集水井泵送出豎井。

新廠(chǎng)區(qū)地坪高程與與原廠(chǎng)區(qū)地坪高程齊平為2 295.00 m，通過(guò)原廠(chǎng)區(qū)道路形成對(duì)外交通。新建抽水蓄能電站地面高程與原有電站地面高程一致。

3 新建抽蓄機(jī)組豎井式廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 豎井式廠(chǎng)房滲控設(shè)計(jì)

(1)覆蓋層段旋噴樁防滲。該段廠(chǎng)房豎井外側(cè)5 m設(shè)置旋噴樁，間隔0.8 m。采用146 mm跟管鉆進(jìn)，旋噴樁應(yīng)按序施工，施工間距應(yīng)不小于4～6 m。旋噴樁平均厚度不小于80 cm，最小厚度不小于40 cm。樁下部深入基巖深度不小于100 cm，樁頂部高程2 288.00 m。

(2)基巖段帷幕灌漿防滲。該段廠(chǎng)房豎井外側(cè)5 m設(shè)置防滲帷幕，間隔2 m。廠(chǎng)區(qū)帷幕灌漿透水率q<3lu。灌漿范圍為：基覆界限至高程2 241.60 m。

3.2 豎井開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)

(1)覆蓋層段支護(hù)設(shè)計(jì)。該段廠(chǎng)房豎井外側(cè)設(shè)置旋挖樁，相鄰布置。頂部設(shè)置混凝土圈梁、中部設(shè)置腰梁進(jìn)行支持。圈梁和旋挖樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，鋼筋為HRB400。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，需要增加一道圈梁、兩道腰梁和一道底梁，腰梁通過(guò)短錨桿與旋挖樁銜接。廠(chǎng)房豎井腰梁剖面見(jiàn)圖1。

圖1 廠(chǎng)房豎井腰梁剖面圖

(2)基巖段網(wǎng)噴支護(hù)。該段豎井支護(hù)參數(shù)為：掛網(wǎng)鋼筋φ8@15 cmx15 cm，噴C25混凝土15 cm，錨桿φ25，L=4@1.5 m，交錯(cuò)布置。

3.3 豎井覆蓋層段襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)廠(chǎng)址區(qū)地質(zhì)條件，側(cè)向山巖壓力按含水層進(jìn)行計(jì)算。豎井在外壓力作用時(shí)，采用麥拉公式計(jì)算，即可求出襯砌內(nèi)緣應(yīng)力σ0及外緣應(yīng)力σb。豎井襯砌(覆蓋層段)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1(“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力)。

3.4 豎井基巖段襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

表1 豎井襯砌(覆蓋層段)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

豎井2 280 m高程以下井段發(fā)育基巖：2 280～2 275 m段為強(qiáng)風(fēng)化巖體，巖性軟弱，巖體破碎，地下水發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性極差，圍巖類(lèi)別以Ⅴ類(lèi)為主；2 275～2 255 m段為弱風(fēng)化巖體，巖體軟硬相間，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖類(lèi)別以Ⅳ類(lèi)為主；2 255 m以下段為微新巖體，巖體軟硬相間，圍巖類(lèi)別以Ⅲ類(lèi)為主，部分板巖集中發(fā)育段為Ⅳ類(lèi)。

豎井在外壓力作用時(shí)，仍采用麥拉公式計(jì)算，豎井襯砌(基巖段)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2(“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力)。

表2 豎井襯砌(基巖段)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以春廠(chǎng)壩變速抽水蓄能示范電站為實(shí)例，論證了在梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)工程中，將抽水蓄能機(jī)組布置在豎井式地下廠(chǎng)房的合理性和科學(xué)性，通過(guò)廠(chǎng)房形式比選和結(jié)構(gòu)計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)由于抽蓄機(jī)組吸出高度低于常規(guī)機(jī)組，在常規(guī)水電改造為混合式抽蓄時(shí)，受已有建筑物結(jié)構(gòu)、地形地貌、地質(zhì)條件等制約因素影響，抽蓄廠(chǎng)房布置型式要謹(jǐn)慎選擇。由于布置型式不同，會(huì)導(dǎo)致施工難度和投資變化增大。

(2)經(jīng)施工期間監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該項(xiàng)目豎井式廠(chǎng)房的臨時(shí)支護(hù)和永久襯砌設(shè)計(jì)對(duì)周邊已有建筑物氣到了較好的保護(hù)作用，未見(jiàn)沉降、變形等現(xiàn)象發(fā)生。

(3)本項(xiàng)目豎井廠(chǎng)房位于下游梯級(jí)電站庫(kù)尾，距庫(kù)岸垂直距離26 m，最大開(kāi)挖深度位于庫(kù)水位以下約40 m，因此，防滲處理措施的選擇顯得尤為重要。隨著豎井式廠(chǎng)房開(kāi)挖深度增大，在施工期豎井井身滲水現(xiàn)象嚴(yán)重，存在多處集中涌水部位，客觀(guān)上也增加了施工難度和投資成本。

(4)本項(xiàng)目投運(yùn)后，廠(chǎng)房各建筑物均處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，滲水量在可控范圍內(nèi)。實(shí)踐表明，在常規(guī)機(jī)組改造為混合式抽蓄設(shè)計(jì)過(guò)程中，豎井式廠(chǎng)房布置是合理可行的。