泰安二期抽水蓄能電站地下廠房位置及軸線選擇研究

丁師偉

摘要：抽水蓄能電站的地下廠房位置和軸線的選擇是輸水發電系統布置的關鍵，也是樞紐布置格局中的重要工作。該文在分析泰安二期抽水蓄能電站的地下廠房區工程地質條件的基礎上，對不同方案的地質條件和樞紐布置等因素進行比較，最終確定合適的廠房位置和軸線

Abstract： The underground powerhouse is one of the main buildings of the pumped storage power station， the choice of position and axis is an important task in the layout of the hub. The position and axis of the underground powerhouse will have a major impact on the project layout， engineering construction and engineering investment. This paper analyzes the geological conditions such as surrounding rock classification， structural surface development and geostress of the geological exploration tunnel of the second phase of Taian Pumped-storage Power Station， and combines the layout of the engineering hub to select the appropriate plant position and axis.

關鍵詞：抽水蓄能電站;地下廠房;位置;軸線

Key words： pumped storage power station;underground powerhouse;position;axis

中圖分類號：TV731+.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0142-02

0? 引言

地下廠房是抽水蓄能電站的主要建筑物之一，其位置和軸線的選擇是樞紐布置格局中的重要工作。地下廠房的位置和軸線對工程布置、工程施工和工程投資等產生重大影響。本文通過對泰安二期抽水蓄能電站的廠房地質探洞的圍巖分類、結構面的發育情況和地應力情況等地質條件的分析，并結合工程樞紐布置，從而選定合適的廠房位置和軸線。

1? 工程概況

山東泰安二期抽水蓄能電站位于山東省泰安市境內，地處山東省地理位置和電力負荷中心，上網條件便利，受送電條件好。電站為日調節純抽水蓄能電站，安裝6臺單機容量300MW的可逆式水輪發電機組。電站樞紐工程主要建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和開關站等組成，按裝機容量確定為一等大（1）型工程，主副廠房洞、主變洞、尾閘洞三大洞室采用平行布置方式。主副廠房洞和主變洞的凈距為40m，主變洞和尾閘洞的凈距為30m。主副廠房洞開挖尺寸223.0m×24.5m×55.7m（長×寬×高）、主變洞開挖尺寸為216.0m×20.0m×22.3m（長×寬×高），主副廠房洞與主變洞間設1條主變交通洞、1條電纜交通洞和6條母線洞。尾閘洞開挖尺寸為185.0m×7.8m×18.4m（長×寬×高）。

2? 地形地質條件

本工程廠房區地面高程545～620m，上覆巖體厚度約390～465m。洞室圍巖主要為傲徠山期第一階段侵入的中粗粒、中細粒二長花崗巖（ηγ21-1（b+c）），次塊狀～塊狀結構，微風化～新鮮，巖體較完整～完整，局部完整性差～較破碎，巖質堅硬，飽和單軸抗壓強度一般65～120MPa。

根據PD5平洞主、支洞及鉆孔揭示的地質條件，中部地下廠房區域構造較發育，主洞樁號950m至樁號1400m洞段主要發育F10、f18、f43、f44、f45、f46、f47斷層，區內還發育有F6、F8、F9斷層，均為Ⅲ級結構面。其中，f43、f44、f45斷層位于主洞樁號1422～1432m之間，產狀為N55～75°E，SE∠40～75°，寬度0.2～1.0m，角礫巖、碎粉巖、灰白色斷層泥等，性狀差，易坍塌，廠房位置選擇時應盡可能避開;F10斷層位于主洞樁號1532m處，寬度2～3m，上界面寬2～10cm、下界面寬20～40cm，性狀較差，走向與輸水隧洞近垂直;f47斷層位于PD5-1支洞洞底以外、水平距離大于25m，陡傾洞外，帶內涌水，初始水量22.17L/s;f18、f46斷層位于PD5-1樁號27～56m間，規模小、多充填石英脈、性狀較好，滲水或涌水，走向NE、陡傾，不控制廠房位置。F6、F8、F9斷層未在探洞揭示，斷層帶寬較大，帶內巖體破碎。

3? 廠房位置選擇方案擬定

在選定的中部廠房布置的基礎上，受樞紐和輸水系統布置以及廠區地質條件限制，以及引水調壓室設置臨界線限制，廠房位置選擇范圍不大。主要表現在中部廠房位置上游受斷層F6、F10、f43、f45限制，左端受斷層F8和涌水斷層f47限制，右端受斷層F9、f43、f45限制，形成了包圍的局面。因此廠房位置的選擇一是在原中部廠房位置的基礎上進行微調，盡量使主洞室避開周邊斷層的不利影響;二是在包圍圈外選擇合適的廠房位置。對于在包圍圈外選擇合適的廠房位置，考慮斷層的影響，擬定三處廠房位置。位置一廠房軸線位于PD5探洞1330m處，廠房軸線為N75°W。位置二較位置一向下游平移100m、沿廠房軸線向右（東南）偏移20m，軸線方向保持不變。位置三較位置一向上游平移50m、沿廠房軸線向左（西北）偏移30m，軸線方向保持不變。

4? 廠房位置方案選擇

三個廠房位置相距分別為50m、100m，均布置在斷層F10、f43、f45、f43形成的區域內，均無法避免f18、f46的影響，且距離較近，在節理裂隙發育方面也無明顯差異，因此，三個廠房位置在地質條件、施工條件及工期、生產運行條件等方面基本相當，在地下洞群布置及輸水線路布置方面也無明顯差異，僅是局部考慮。

根據輸水系統和地下廠房布置方案比選成果，在選定西線輸水系統，地下廠房中部布置方案的基礎上，隨著廠房位置向上游平移，引水隧洞鋼襯長度減小，地下廠房附屬洞室長度增加，工程投資總體減小。因此，在避開F10、f43、f45、f43的影響的前提下，廠房位置更適合偏向輸水系統上游。

綜上所述，選擇位置三作為地下廠房推薦位置，即地下廠房軸線位于PD5探洞 1380m處。

5? 廠房軸線選擇

在選定廠房位置的基礎上，根據地下廠房區主要結構面、節理面和地應力的情況，結合輸水系統的布置，進一步優選廠房縱軸線方向。

5.1 廠房位置節理

地下廠房區節理以NNE、NEE向陡傾角為主，主要發育以下幾組：

①N15～35°E，SE（NW）∠65～85°，陡傾角，閉合為主，面較平直，粗糙，延伸較長，少量見巖屑、高嶺土充填，約占32.9%;②N55～75°E，SE∠75～85°，陡傾角，閉合為主，面微起伏，粗糙，斷續延伸長，少量見巖屑、高嶺土充填，約占31.1%;③N65～80°W，SW∠75～85°，陡傾角，閉合為主，面平直，粗糙，延伸較長，少量見巖屑、高嶺土充填，約占13.2%;④N75～90°E，NW∠70～90°，陡傾角，閉合為主，面平直，粗糙，斷續延伸長，少量見巖屑、高嶺土充填，約占8.8%;⑤N80～90°W，NE∠75～85°，陡傾角，閉合為主，面平直，粗糙，延伸較長，少量見巖屑、高嶺土充填，約占5%。

5.2 廠房位置地應力

根據地下廠房區三圍地應力測試成果，地下廠房區最大主應力σ1值9.76～10.15MPa，方位角S69°～75°E;最小主應力σ3值3.75～4.54MPa，方位角N11～20°E。

從實測成果和回歸成果綜合分析，該區應力主要受自重應力和地質構造影響，斷層構造帶地應力值和方位角存在局部效應。地下廠房區第一主應力σ1值為10.0～11.8MPa，屬低～中等應力區。

5.3 軸線方案擬定

根據本工程地質條件，輸水發電系統樞紐布置順暢和與優勢節理大角度相交為廠房軸線選擇的優先因素，節理N15～35°E為第一優勢節理，N55～75°E為次優勢節理，因此廠房軸線宜在N35～75°W之間選擇。

根據上述條件，擬定廠房軸線比選方案為：方案一N40°W、方案二N75°W、方案三N85°W。

6? 廠房軸線方案比選

由于三個軸線方案所對應的地下洞室群布置、輸水線路長度等方面無明顯差異，在施工條件及工期、生產運行條件等方面相當，因此廠房軸線方案主要從地質以及輸水線路順暢方面進行比選。三個軸線方案比較表見表1～表2所示。

經過分析比較，三個方案的地層巖性、地質構造條件基本相當，圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ1類為主，斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類，均具備布置地下廠房洞室群的地質條件。其中方案一廠房軸線（N40°W）在與優勢節理大角度相交方面略優，方案二（N75°W）在輸水系統布置順暢方面略優，考慮到本工程地下廠房區總體地質條件較好，與方案二廠房軸線夾角較小的節理為非優勢節理，因此從樞紐布置總體考慮，推薦方案二（N75°W）作為廠房軸線選定方案。

7? 結語

泰安二期抽水蓄能電站地下廠房位于以Ⅱ～Ⅲ1類圍巖為主的巖體中，斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類，巖石強度高，吸水率底，地下廠房區總體地質條件較好。綜合考慮了地質條件、工程布局和運行條件等因素，地下廠房軸線位于PD5探洞1380m處，廠房軸線為N75°W。

參考文獻：

[1]何艷麗.桐城抽水蓄能電站地下廠房位置及軸線的選擇[J]. 廣東水利水電，2020（03）：54-57.

[2]米應中.板橋峪抽水蓄能電站地下廠房位置及其軸線方向的選擇[J].水利水電技術，1999，30（09）：21-23.

[3]馮仕能.洪屏抽水蓄能電站樞紐布置優選論述[J].水利發電，2016，42（08）：1-5.

[4]奉偉清.桃源水電站樞紐布置方案設計綜述[J].水利發電，2014，40（06）：25-29.

[5]羅紹基，劉學山.抽水蓄能電站地下工程關鍵技術研究[J]. 水電與抽水蓄能，2016，2（5）：1-6.