抽水蓄能电站前期设计中若干技术问题探讨

下面文章在总结水电行业地下工程建设经验的基础上，结合高质量发展要求，对抽水蓄能电站前期设计中，引水发电建筑物的布置、施工度汛、节能与环保等进行了初步的探讨。相关意见可供抽水蓄能电站设计和建设管理参考。    

 

0 引言

自2021年9月17日，国家能源局发布了《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》以来，我国抽水蓄能电站建设进入到了一个空前发展的新阶段。据统计，截至2023年3月底，全国已经投运和在建的抽水蓄能电站总装机容量分别为0.4699亿KW和1.37亿KW。目前，正在开展前期工作的还有上亿KW。可以肯定，如此规模的抽水蓄能电站全部投运后，必将对我国的能源结构转型提供强有力的支撑，更为实现“双碳目标”打下坚实基础。

按照党的二十大报告中，高质量发展的指导要求，抽水蓄能电站建设要实现高质量发展，必须先从前期设计开始，吸收最新实践经验，大胆创新，提出精品设计。经调研，在抽水蓄能电站前期设计中，尚有以下问题需要引起高度重视:长斜井的优化布置丶厂房吊顶形式的选择丶厂房辅助洞室的布置简化丶施工度汛简化丶节能与环保措施的具体落实等。下文拟对上述问题做初步探讨。

 1.对引水发电建筑物几个布置问题的探讨

1.1超长斜井布置方式探讨

1.1 .1成就与问题        

目前，国内已建最长的引水斜井是浙江长龙山抽水蓄能电站的下斜井。其长度丶高差和开挖横断面尺寸分别为415m丶350m和7×5.9m（马蹄型断面）。长龙山引水下斜井采用“定向钻+反向钻”开挖导井，应用测斜纠偏技术解决了国内最长斜井的开挖难题。采用新型专利技术优化混凝土运输方式，实现了超长斜井钢管安装和混凝土回填安全高效施工，为超长斜井施工探索出了一套十分成熟的经验（详见参考文献1和2）。

与反井钻机开挖方法相比，由国网新源公司等牵头研制的TBM开挖斜井技术，其开挖效率更高，且斜井长度不受制约，但开挖造价相对较高（详见参考文献3和4）。

目前，国内外的长斜井混凝土浇筑仍沿用带有缓冲器的溜管入仓，配牵引式滑模施工工艺。当斜井的长度超过400m后，滑模运行和溜管入仓难度都将受到很大影响。为此，超长斜井在前期设计中普遍在中部增加了水平连接段和施工支洞。由此带来的问题，一是增加了引水隧洞的长度，二是因设置中间水平连接段而增加的两个弯道，将增大水头损失约0.3到0.4m。对于一座120万KW的抽水蓄能电站而言，每年损失电量约150万KWh。

1.1.2解决的途径

对于长度超过400m的超长斜井，可采用以下施工方案取消传统设计所增加的斜井中间水平连接段。

（1）当斜井采用TBM开挖时，上下贯通后，可在适当位置用钢结构进行隔离，并在隔离高程附近布置斜井下部混凝土浇筑所需的进料线和施工支洞。斜井上部混凝土施工所需的通道利用上平段解决。斜井混凝土施工结束后，对该施工支洞进行永久封堵，见图1右所示。

（2）当斜井采用反井钻机法开挖时，可在斜井的合适位置预留一段设有通气孔的上下隔离岩塞，并在岩塞高程附近设置施工支洞，实现斜井上下两段同步施工。待斜井混凝土施工结束后，对施工支洞进行永久封堵，见图1左所示。   

           图1   超长斜井采用不同施工方案示意图

1.2对地下厂房吊顶设计结构的探讨

1.2.1现状与问题

按材料划分，目前国内地下厂房的吊顶结构共有复合拱形钢架丶水平网架丶轻钢龙骨三种型式。其中，轻钢龙骨金属吊顶又分平顶和弧顶两种结构。不同吊顶结构对应的厂房上部体型差别比较大。图3和图4为上述三种吊顶结构的实际效果。在地下厂房前期设计阶段，选用何种吊顶结构，主要取决于设计单位的习惯或经验。

1.2.2需要重视的问题

金沙江旭龙水电站在可研设计阶段对三种吊顶结构进行了深入比较后认为，轻钢龙骨平顶对应的厂房开挖高度最低，其余结构对应的厂房开挖高度相对要增加2m到3.6m,复合拱形钢架吊顶对应的厂房上部开挖宽度还要增加0.4m。结合旭龙水电站地下厂房的地质条件，最终选择了厂房土建量相对最小的轻钢龙骨平型吊顶。

在抽水蓄能电站前期设计中，也需要结合项目的地质条件，通过调研，综合各种因素，选择最优的厂房吊顶结构。   

   

                      图3  复合拱形 钢 架吊顶（左）和水平网架吊顶（右）

   

                        图4   轻钢龙骨水平吊顶（左）和弧形吊顶（右）

1.3进厂交通洞和厂房周边排水洞布置探讨

1.3.1现状与问题

受抽水蓄能地下厂房位置的影响，目前的进厂交通洞布置普遍较长，其横断面尺寸在考虑了大件运输等因素后，还结合交通行业的规范要求，设置了两侧人行道。

厂房周边的帷幕灌浆洞和排水洞布置，目前还停留在半经验阶段。厂房周边多层排水洞的总长度普遍在数公里以上。

1.3.2布置简化探讨

进厂交通洞不存在后期向地方移交等协调问题，因此，对于比较长的进厂交通洞可结合行人少等实际情况，在前期设计阶段研究取消或简化人行道，进一步简化结构。

对于地质条件良好，且处于干燥地区的地下厂房，可在前期阶段结合厂房地勘平硐的布置，开展现场防渗试验研究。在此基础上，简化厂房周边帷幕灌浆洞和排水洞的布置。                  

  2.施工度汛设计简化探讨

2.1施工度汛分类与存在的问题

和大江大河上的常规大型水利水电工程相比，抽水蓄能电站施工期的水流控制问题相对要简单的多。根据已有的经验，抽水蓄能电站施工期的水流控制问题主要分三类。（1）在小河或溪流上修建抽蓄水库，需要设置临时围堰和泄水建筑物，如广蓄等。（2）利用已有的水库修建抽蓄的引水发电系统，如目前正在开展工作的混蓄等。这种情况下的施工期水流控制，只涉及临时挡水建筑物。（3）引用水源，在干地上修建水库。在这种情况下，施工期的水流控制只有雨季防汛措施。

在目前的抽水蓄能电站前期设计报告中，将与施工水流控制相关的内容都归结为施工导流。有的抽蓄项目还将施工导流分为初期丶中期和后期三个阶段，使简单问题复杂化。

2.2抽蓄项目施工度汛设计简化探讨

（1）对于上述分类的第一种情况，可参考常规水利水电工程，并结合项目特点提出导流方式丶初期导流标准和蓄水规划。但截流和中后期导流问题需要在前期设计报告中简化或淡化。其理由是：①在小河小溪上修建大坝，基本不存在截流问题。②建在小河小溪上的抽水蓄能水库，其蓄水时间普遍在一年甚至两年以上。而临时挡水和泄水建筑物规模比较小，永久封堵历时也较短，大坝的中后期导流问题也基本不存在。③进（出）水口施工期的度汛标准与厂房施工期的度汛标准可以做到区别对待。前者由临时土石围堰挡水度汛，后者由预留岩塞和闸门挡水度汛。

（2）对于上述分类的第二和第三种情况，可在前期设计报告中，将其明确为施工期度汛。查中国电力百科全书中施工导流的相关解释（参考文献6）可知，必须在原河床上，由临时挡水和泄水建筑物形成基坑，将来水导向下游才能称为施工导流。很显然，上述第二和第三种情况只能称为施工期临时度汛。为了简化相关论述，施工度汛标准仍按“2.2节（1）中的③”分两种情况确定。                  

3.对节能丶环保等问题的探讨

在抽水蓄能电站前期设计中，节能与环保涉及的内容比较多。结合目前存在的问题，需要对下列问题引起足够重视。

3.1深入挖掘节能潜力，提高项目的经济性

3.1.1结合项目所处的环境条件，可研究利用周边光伏作为施工电源

位于上网供给侧的不少抽水蓄能电站是开发大规模光伏电源的配套项目。为此，可利用建设环境条件，提前建设一批施工光伏电源供抽水蓄能电站建设期使用。在整个建设期，白天的施工用电主要利由施工光伏电源供应，夜晚用电的一部分可利用白天储存的光伏电量供应，不足部分从电网系统中解决。施工用电成本的大幅度下降有利于控制项目的经济指标。

3.1.2输水系统的沿程水头损失计算应与时俱进

实践证明，近年来用钢模台车或滑模浇筑的输水建筑物，其糙率一般小于0.0125（详见参考文献6）。因此，在输水建筑物的沿程水头损失计算中，可将糙率从习惯沿用的0.014降为0.0125，这样有利于增加计算电量，并减少抽水电量。

3.1.3高度重视干旱地区库面的蒸发问题

位于西北地区的不少抽水蓄能电站，其年平均蒸发量接近2000mm。这对于1km2的库面而言，每年将要蒸发水量200万m3。为此，在西北等特殊地区的抽水蓄能电站前期设计中，可结合新材料的研发情况，对库面的蒸发问题开展专题研究，并提出防蒸发措施。

3.2需要深入细化的几个环保问题

3.2.1进一步简化弃渣场的布置      

绝大多数抽水蓄能电站的开挖量大于所需的填筑量。为简化弃渣场的布置，有利于水土保持管理，可结合项目特点开展两方面的研究。一是当水库大坝采用土石坝时，可在大坝背水侧设置压重平台，减少弃渣量。二是当地下洞室的新鲜岩石具备加工石材，且具备销售条件时，可通过市场经济管理办法减少弃渣。

3.2.2简化隧洞边坡的开挖设计

在新的时期，不少抽蓄项目的所在地被划入国家水土保持治理范围。为此，可借鉴交通行业的先进经验，采用新的施工工艺，尽可能少隧洞进出口的边坡开挖量。

3.2.3简化部分房建设施的布置，尽可能节省土地资源

主要有：（1）部分建在城镇附近的抽水蓄能电站，可充分利用当地的社会资源，简化各种临时施工工厂和临时营地的布置。（2）深入研究部分施工支洞的永久利用问题，将具备管理条件的施工支洞改建为永久机电设备仓库。              

4.初步结论

我国抽水蓄能电站建设进入新的发展阶段后，需要站在高质量发展要求的角度，研究前期技术问题。目前，应高度重视的问题有：

（1）输水建筑物的超长斜井布置，应结合施工设备的最新发展情况，取消中部水平段，尽可能减小水头损失。

（2）厂房及辅助洞室的布置，应开展精细化设计，进一步减少土建投资。

（3）与水流控制相关的施工度汛问题应抓住度汛标准选择这一主要矛盾，进一步简化相关论述。

（4）节能和环保问题应向纵深方向发展。

（5）研究TBM的租赁丶使用范围的拓宽和地下厂房立体化施工等问题，进一步缩短建设周期。