溧陽抽水蓄能電站工程設計變更與優化

李建軍，吳書艷，石含鑫，胡林江，胡旺興

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；2.江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇溧陽213334)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站地處江蘇省溧陽市境內，主要任務是為江蘇電力系統提供調峰、填谷和緊急事故備用，同時也可承擔系統的調頻、調相等任務。電站裝機容量1 500 MW(6×250 MW)，發電最大水頭290.00 m，最小水頭227.30 m，額定水頭259.00 m，洞長水頭比為7.9。電站通過2回500 kV線路接入500 kV天目湖變電站。電站初期蓄水和運行補水水源為沙河水庫。本工程為一等大(1)型工程，電站樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等組成。

上水庫位于龍潭林場伍員山工區，并與安徽省接壤，主要利用2條沖溝開挖筑壩而成。水庫正常蓄水位291.00 m，死水位254.00 m，總庫容1 422.9萬m3，主要建筑物有主壩、2座副壩、進出水口、庫岸及庫底防滲體系等。主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高165.00 m(壩軸線處)，上游面坡比為1∶1.4，下游面綜合坡比為1∶1.45；①、②副壩均為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高分別為59.60 m和51.60 m；水庫采用全庫盆防滲，其中大壩和庫周采用鋼筋混凝土面板防滲，庫底回填石渣后采用土工膜防滲。

下水庫位于天目湖鎮吳村村，與沙河水庫南源支流中田舍河為鄰，在河流堆積階地、寬緩淺沖溝和殘丘處開挖并在臨沙河水庫側筑壩而成，其中開挖料主要用于上水庫主壩填筑。水庫呈“L”形，正常蓄水位19.00 m，死水位0.00 m，正常蓄水位庫容1 343.8萬m3。主要建筑物有大壩、補水泄水閘、進出水口、庫岸防護及補水設施等。大壩為均質土壩，布置在臨沙河水庫側，最大壩高12.60 m；補水泄水閘布置在大壩右壩頭庫岸段，孔口寬4.0 m。

輸水系統布置在上水庫東北側至下水庫西側山體中，引水和尾水均采用“一洞三機”聯合供水方式。上、下水庫進出口分別采用豎井式和側式，引水隧洞主洞洞徑9.20 m，全段采用鋼板襯砌；尾水隧洞主洞洞徑10.00 m，采用鋼筋混凝土襯砌；尾水調壓室為圓形阻抗式調壓室，大井直徑22.00 m，連接段(阻抗孔)直徑6.00 m。從上水庫進出水口至下水庫進出水口的輸水隧洞總長為1 969.094～2 153.334 m。

地下廠房采用首部式開發方式，主廠房垂直埋深約240～290 m。地下洞室群主要由主廠房、主變洞、母線洞、高壓電纜平洞及電纜豎井等組成。主廠房開挖尺寸為219.90 m×23.50 m×55.30 m(長×寬×高)，其中巖錨梁以上寬25.00 m；主變洞開挖尺寸為193.16 m×19.70 m×22.00 m(長×寬×高)；開關站位于主廠房下游地勢相對較平緩地段，地面高程88.90 m，平面尺寸123.00 m×82.00 m(長×寬)。

本電站臨建工程于2008年12月開始建設；主體工程于2011年4月開工建設；2015年5月中旬下水庫通過蓄水驗收并蓄水，2015年12月中旬上水庫通過蓄水驗收并蓄水；輸水系統及地下廠房洞室群開挖支護在2015年6月基本完成；引水和尾水系統在2016年7月前完成充排水試驗并一次成功；2017年1月10日首臺機組投產發電，2017年10月11日最后第6臺機組投產發電，本工程全部竣工投產。

2 設計變更內容

溧陽抽水蓄能電站工程地質條件十分復雜，技術難度大，可研階段對主要技術問題已有較全面的論證，明確了主要設計方案。在招標設計和施工詳圖階段，根據本工程技術特點，以可研審查意見、核準評估意見和歷次技術評估意見為基礎，遵循“安全可靠、質量可控、技術可行、經濟合理，同時兼顧進度和投資，有利于施工”的原則，根據現場實際情況，對可研階段設計方案進行了進一步優化設計。

在招標設計階段，開展了混凝土骨料場補充勘察、砂石加工系統、環境保護設計、上水庫防滲方案、上水庫大壩深化設計、地下廠房系統布置、輸水系統深化設計、施工總進度一級控制網絡、防震抗震、施工規劃等專題研究，收集整理了部分水文氣象資料、機組設計參數，并開展工程調研，對工程進行全面設計復核論證，并編制完成《江蘇溧陽抽水蓄能電站招標設計報告》。施工詳圖階段，根據現場開挖揭示的地質條件和施工方案，對部分建筑物結構進行了優化調整，對工程缺陷進行了處理。

所有設計變更內容不涉及工程建設條件和安全標準。設計變更主要為混凝土骨料料源變化，主要建筑物布置和結構方案，地面副廠房、開關站和中控室位置，機組安裝高程等方面；環境保護和水土保持方面總體沒有變更；建設征地移民安置由地方政府組織實施。涉及建筑物布置及結構方案變更、投資變化較大的主要設計變更內容主要有[1]：①混凝土骨料料源由西莊料場變更為樹管料場，施工期根據樹管料場的開采情況，部分采用外購天然河砂、下水庫開挖料軋制；上水庫大壩墊層料料源由骨料場變更為下水庫開挖料；②上水庫庫底防滲形式由粘土+土工膜組合防滲變更為土工膜防滲；③下水庫泄水建筑物形式由壩下設置淺埋式外包鋼筋混凝土鋼管泄洪變更為右岸岸坡泄洪閘；④上水庫進出水口隧洞段、引水隧洞襯砌由原混凝土襯砌變更為鋼襯，取消廠前帷幕灌漿，尾水岔管由鋼岔管變更為鋼筋混凝土岔管；⑤球閥由原獨立布置于主廠房前的球閥室內變更為布置在主廠房內(即取消球閥室布置)，地下副廠房集中布置于主廠房右端；⑥機組安裝吸出高度由-50.00 m變更為-57.00 m，機組安裝高程相應調整；⑦上水庫主壩體型(取消壩后“之”字路)、壩體分區及填筑參數調整；⑧上水庫主壩右壩頭處理方案由抗滑樁+預應力錨索綜合處理方案變更為開挖+局部錨索+壩體填筑綜合處理方案；⑨主廠房巖壁吊車梁采用增加附壁墻的加強處理方案；⑩優化調整引水鋼岔管體型和管徑；上水庫進出水口取消攔污柵及相應啟閉設備；上水庫邊坡處理方案及安全監測方案變化；下水庫邊坡處理方案變化；主廠房彎肘段結構體型優化；尾水岔管體型、位置調整；地下洞室支護參數優化；地面副廠房和開關站位置變化調整；中控室位置變化調整。

針對以上設計變更情況，設計單位于2014年3月和2015年12月編制完成工程重大設計變更報告[2-7]。水電水利規劃設計總院會同江蘇省能源局于2014年7月和2016年1月對其進行了審查，并通過。

3 主要設計變更

3.1 上水庫

3.1.1 庫底防滲形式

經技術經濟綜合比較，可研審定的上水庫全庫盆防滲方案為：庫岸及壩體采用混凝土面板防滲，庫底采取土工膜+粘土組合防滲方案。該方案庫底形式為：庫底開挖區開挖后基礎面高程240.70 m，庫底回填區回填石渣頂部高程240.70 m。庫底開挖區與回填區均采用粘土、土工膜組合防滲方案，防滲體頂部高程248.00 m。從上至下依次為：0.3 m厚碎石護面層、4.5 m厚粘土防滲層、1 mm厚HDPE土工膜、500 g/m2土工織物、0.5 m厚粘土層。0.5 m厚第1層反濾層、0.5 m厚第2層反濾層、1 m厚過渡層。

在招標設計及施工詳圖階段，經深入研究認證，并通過技術經濟綜合比較，庫岸及壩體仍采用混凝土面板防滲，庫底變更為純土工膜防滲方案，即取消了原組合防滲的粘土層。該方案庫底最終形式為：庫底開挖區開挖后基礎面高程246.00 m，庫底回填區回填石渣頂部高程246.00 m。庫底開挖區與回填區均采用土工膜防滲方案，防滲體頂部高程248.00 m。防滲體由上至下依次為：0.1 m厚混凝土預制塊(10 kg/塊)、500 g/m2土工布、1.5 mm厚HDPE土工膜、500 g/m2土工布、1 300 g/m2三維復合排水網、5 cm砂墊層、0.4 m厚碎石下墊層、1.5 m厚過渡層。

變更的主要理由：①粘土儲量不足，不能滿足純粘土防滲要求；②組合防滲方案結構層復雜，粘土壓實施工難度極大；③采用土工膜防滲形式已有工程可借鑒；④土工膜施工相對簡單，工期短；⑤工程量減小，投資省，檢修條件好。

3.1.2 主壩體型和壩體分區

主要涉及壩頂結構調整、下游壩坡護坡結構調整、壩基開挖方式調整、壩體分區調整并增設2個增模區等內容。經優化調整后，大壩運行性態更加符合地形地質條件和筑壩料要求。

3.1.3 主壩右壩頭處理方案

此段邊坡存在傾向庫外的軟弱夾層，經邊坡穩定計算復核與分析，需采取工程措施進行加固處理。可研階段采用抗滑樁+預應力錨索的處理方案，招標設計及施工詳圖階段經專項研究認證，軟弱夾層范圍小且埋深有限，調整為挖除軟弱夾層及以上巖體后，做面板堆石壩方案。實施時，根據開挖過程中實際揭露的地質條件情況，修改了挖除范圍及挖除深度，并局部增加錨索處理。該調整方案徹底消除了邊坡失穩隱患，經濟，可靠性高，施工簡單。

3.1.4 庫岸面板排水墊層

庫盆環庫公路以下擋水庫岸段邊坡按1∶1.4坡比開挖完成后，可研階段庫岸面板后排水墊層采用0.8 m厚碎石墊層。在施工詳圖階段，因在長斜坡面上做碎石墊層薄層碾壓施工難度大，易被雨水沖刷，施工碾壓質量難以保證，故將排水墊層調整為35 cm厚C10無砂混凝土，以降低施工難度，加快施工進度。為減小無砂混凝土墊層對面板的約束，在其表面全面噴涂1薄層陽離子乳化瀝青，再鋪設1層土工布(500 g/m2)后，澆筑庫岸面板。

3.2 下水庫

3.2.1 泄水建筑物形式

可研階段，下水庫泄洪設施方案比較了溢流堰、淺埋式鋼管以及鋼筋混凝土管等3種。其中，淺埋式鋼管方案投資最小，布置相對簡單，且管道受力條件好，也無端部接頭連接處理難題，故推薦該方案。在施工詳圖設計階段，經深入研究并通過技術經濟綜合比較，調整為岸邊式補水泄水閘方案，布置在土壩右壩頭處。

變更的主要理由：①可研方案排架基礎埋深大，基礎處理工程量大；②由于下水庫大壩為雙向擋水，可研方案蝶閥也需雙向擋水，考慮其運行及檢修要求，1條泄洪管需設置3扇蝶閥，由于電機不能入水，檢修、工作室及工作排架也需配套設置，結構布置及運行都較為復雜；③雙向擋水的蝶閥較貴，投資較大；④可研方案置于土壩底部，施工干擾較大；⑤變更后的補水泄水閘方案置于開挖基巖上，閘室穩定應力條件好，與土壩無接頭防滲問題，運行及檢修方便，且投資相對較少。

3.2.2 均質土壩優化

主要涉及壩基防滲方案由粘土齒墻調整為高壓旋噴灌漿處理方案；壩段處岸坡支護方案由錨噴支護調整為網格梁+干砌石護坡方案；取消了靠下水庫側壩頂防浪墻；壩軸線的直線段向沙河水庫內平移7 m。

3.2.3 庫盆及庫岸邊坡處理方案

可研階段，庫岸邊坡地質條件主要依據有限的鉆孔資料推測，設計要求對邊坡采取錨噴支護處理，并對破碎和蝕變部位考慮有足夠的混凝土置換工程量，對地質缺陷地段提出了處理原則，但缺乏較強的針對性。

施工詳圖階段，施工揭露的庫岸邊坡地質條件較可研階段預測要差。為保證邊坡安全，在可研階段設計方案的基礎上，進行了適當的調整及補充，并根據工程的進展及變化情況予以完善。主要為：在下水庫進出水口邊坡段，由于開挖過程中卸荷的影響，邊坡產生變形致使局部出現裂縫，為確保此段邊坡穩定，增加了網格梁+節點錨索支護；其他環庫公路以下岸坡段，巖脈蝕變帶等較大面積出露的區域及局部有變形現象的岸坡，采取貼坡或置換混凝土及系統錨桿支護，局部段還增加了隨機錨筋樁或錨索支護。

3.3 輸水系統

3.3.1 隧洞襯砌形式

可研階段，引水主洞上平段至下彎段推薦的襯砌形式為鋼筋混凝土襯砌。根據補充勘探成果以及前期鄰近洞室開挖揭露的實際地質情況，該段圍巖條件較可研階段差，結合隧洞的運行條件和要求，為隧洞長久運行安全，在招標設計階段變更為鋼板襯砌。

可研階段，尾水岔管為鋼岔管；在招標設計階段，根據尾水岔管的實際運行特點，經技術經濟比較，變更為鋼筋混凝土襯砌，大大降低了施工難度。

在施工詳圖設計階段，根據現場開挖揭露的實際地質情況和現場灌漿試驗成果，對洞室圍巖穩定條件、圍巖的承載能力和防滲性能進行了深入分析，對上水庫進出水口隧洞段襯砌形式進行了調整，由厚壁鋼筋混凝土襯砌變更為鋼板襯砌。

3.3.2 引水鋼岔管設計

可研階段，引水鋼岔管為非對稱內加強月牙肋岔管，主管直徑8.5 m，HD值高達3 690 m2，在采用800 MPa級鋼材的情況下，按與圍巖聯合承載設計，岔管管壁最大厚度68 mm，肋板厚度136 mm，制作安裝存在較大難度。為減小岔管壁厚，降低施工難度，對引水鋼岔管的布置、管徑、體型等進行了優化和調整，對引水鋼岔管的結構特性、水力特性、施工特性進行了較系統的計算分析和研究后，通過采用對稱布置、縮小主管管徑、優化岔管體型，改善了岔管的應力分布，充分利用材料強度，岔管的管壁和肋板的厚度大為減薄，岔管的規模相應減小，施工難度大為降低。

3.3.3 取消攔污柵

可研階段，上水庫進出水口按設置攔污柵考慮。招標設計階段，經深化設計論證，因本電站為純蓄能電站，上水庫是人造的全庫盆防滲封閉式蓄水池，根據周邊的自然條件和水庫的運行條件，上水庫基本無污物來源，結合國內有關蓄能工程的實際運行情況，上水庫進出水口具備取消攔污柵條件，從而簡化進出水口結構，節省金屬結構及土建工程投資，同時還可減少水頭損失，增加發電效益。因此，招標設計和施工詳圖設計階段，上水庫進出水口均按無攔污柵設計。

3.4 發電廠房

3.4.1 球閥布置方案

可研階段，球閥布置于廠房上游球閥洞室內。招標設計階段對球閥布置方案進行了深入論證研究，經技術經濟比較后認為，球閥布置在地下廠房內部，廠房跨度增加有限，對圍巖穩定影響較小，施工及運行管理方便，投資少。因此，在招標設計和施工詳圖階段，將球閥布置方案調整為球閥廠內布置，引水壓力鋼管斜向進廠。

3.4.2 布置集中的地下副廠房，取消廠用設備洞

可研階段，地下副廠房布置比較分散，在安裝間下游與主變洞之間布置1條45.00 m×9.00 m×13.15 m(長×寬×高)的廠用設備洞，主要布置蓄電池室、電纜、低壓配電盤和高壓配電盤等廠用配電設備；在安裝間下部主要布置低壓空壓機、高壓空壓機和滲漏排水泵房等。這些設備均布置在離⑥號機組較遠的位置，不利于電站首臺機安裝調試和電站運行期的管理維護。因此，招標設計和施工詳圖階段，在主機間左端設置集中地下副廠房，把廠用設備洞和安裝間下部布置的機電設備均集中布置在離⑥號機組最近的地下副廠房內，取消了廠用設備洞。

3.4.3 機組安裝高程

可研階段，水泵水輪機的吸出高度及安裝高程為-50 m。根據可研審查意見，招標階段對水泵水輪機的吸出高度及安裝高程進行了深入研究。由于該電站水頭變幅較大，機組水力設計難度大，為保證機組的安全穩定運行，宜適當降低機組安裝高程，以利于水泵水輪機無空化運行和保證尾水管真空值在過渡過程中滿足要求。因此，在招標設計和施工詳圖階段，綜合考慮到在機組招標選擇廠家時，不受吸出高度與安裝高程的制約，并結合現階段進廠交通洞布置難度，將水泵水輪機吸出高度由-50 m調整為-57 m。

3.4.4 廠區防滲排水系統設計

可研階段，地下廠房廠區防滲排水系統采用堵排結合方案，在距主廠房上游側70 m位置設置1道防滲帷幕，在廠房四周布置排水廊道及排水孔(幕)。招標設計階段，引水隧洞由部分鋼襯調整為全鋼襯后，考慮引水隧洞內水已無法外滲，為減小廠前帷幕的阻水作用對壓力鋼管的影響，在招標和施工詳圖階段，取消了主廠房前的防滲帷幕。

可研階段，廠區滲漏集水井及排水泵房布置在安裝間下部位置。招標設計階段，地質鉆孔揭示，滲漏集水井附近安山斑巖巖脈蝕變成土狀，巖脈位于廠房底板高程附近及以下。由于滲漏集水井位置較深，巖脈性狀很難摸清，因此，招標設計和施工詳圖階段將滲漏集水井及泵房位置調整至地下副廠房端部，取消了安裝間下部排水泵房和集水井。

可研階段，集水井的滲漏水與檢修排水的通道均采用直接抽排至尾水管流至下水庫的方案，該方案安全保證性差，滲漏水和檢修水也不宜直接排至庫內。在招標設計和施工詳圖階段，在廠區頂部增加1條自流排水洞，廠區滲漏集水井內滲漏水和檢修排水通過抽排至自流排水洞，再自排至下水庫周邊的排水渠中。

3.4.5 地面副廠房、開關站和中控室位置變化

可研階段，地面副廠房、中控室和開關站布設于地下廠房下游①道路高程125.00 m山坡開挖形成的平臺上。根據建設征地情況和方便運行管理，招標設計和施工詳圖階段，將地面副廠房、GIS開關站和出線平臺均布設于地下廠房下游側地勢相對平坦、開闊的的地面上(高程90.00 m)，將中控室布置在業主營地辦公區內。

4 結 語

溧陽抽水蓄能電站各項重大設計變更均按國家有關法定程序進行了審查，符合工程建設規定和工程實際，并在技施階段予以實施，6臺機組已于2017

年10月全部投產發電，電站運行良好，各水工建筑物安全穩定。從現階段結果來看，這些變更是必要的，且符合工程實際需要。