宜兴抽水蓄能电站设计特点

宜兴抽水蓄能电站设计特点
陈顺义 姜长飞 时雷鸣
（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院杭州 310014）
1 工程概况
宜兴抽水蓄能电站位于江苏省宜兴市西南郊约10km的铜官山区，距上海、无锡、常州分别为200km、75km和71km。

电站装机容量4×250MW，电站建成后，以2回500kV出线接入岷珠变，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。

电站主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群和地面开关站等组成。

上水库位于铜官山主峰东北侧，利用沟源坳地挖填形成，集水面积0.21km2。

上水库库盆采用全库盆钢筋混凝土面板防渗，主坝采用钢筋混凝土面板混合堆石坝，最大坝高75m，坝顶长494.9m，坝顶高程474.2m；副坝采用碾压混凝土重力坝，最大坝高34.9m，坝顶长216m，坝顶高程474.2m；上水库总库容535.70万m3，有效库容510.75万m3，正常蓄水位471.5m，死水位428.6m。

下水库位于铜官山东北山麓，利用原会坞水库所在冲沟，在原大坝基础上加高改建而成，集水面积 1.87km2，来水量不足，另设有下水库补水工程。

下水库大坝采用粘土心墙堆石坝，最大坝高50.4m，坝顶长483m，坝顶高程83.4m；下水库总库容577.35万m3，有效库容526.70万m3，正常蓄水位78.9m，死水位57.0m。

输水系统设置在上下水库之间的山体内，输水系统总长度(包括上、下水库进/出水口)为3082.33～3061.0m，由上游引水系统和下游尾水系统组成。

引水隧洞（包括上水库进/出水口）长1242.12～1153.47m，洞径为 6.0～2.4m，除上水库进/出水口段采用钢筋混凝土衬砌外，其余均采用钢板衬砌，引水岔管采用对称Y形月牙肋钢岔管。

尾水隧洞（包括下水库进/出水口）长1840.21～ 1907.68m，洞径为5.0～7.2m，其中机组尾水管下游至尾水闸门井中心线下游28.5m段采用钢板衬砌，其余采用钢筋混凝土衬砌，尾水岔管采用卜型钢筋混凝土岔管。

尾水调压室布置在尾水岔管下游，采用阻抗式带上室结构型式，调压室大井直径为10.0m。

地下厂房洞室群位于输水系统中部，埋深310～370m。

主副厂房洞（包括安装场）开挖尺寸为155.3m×22.0m×52.4m（长×宽×高），岩梁以上开挖跨度为23.5m；主变洞开挖尺寸为134.65m×17.5m×20.7m(27.5m)(长×宽×高)；尾闸洞开挖尺寸为111.0m×8.0m×19.05m(长×宽×高)。

开关站位于地下厂房洞室北部约500m 的山坡上，建基面高程195m，开挖平面尺寸130m×37m(长×宽)，500kV高压电缆通过出线斜井引至地面开关站GIS室。

2005年12月，概算重编审定的工程总投资为46.39亿元，静态总投资为39.79亿元。

宜兴抽水蓄能电站由华东勘测设计研究院（以下简称我院）和上海勘测设计研究院负责勘测设计，勘测工作由我院承担，前期设计工作由上海院承担；从招标阶段开始，由我院为设计单位牵头方，负责电站地下工程及机电工程设计；上海勘测设计研究院负责上水库和下水库及进/出水口的设计工作。

本电站主体工程于2003年7月31日正式开工，2008年4月30日1号机组投入商业运行，同年12月全部机组投入运行。

2 工程技术特点
2.1 上水库
上水库主坝选用钢筋混凝土面板混合堆石坝坝型，即钢筋混凝土面板坝加下游重力挡墙，挡墙最大高度45.9m，悬臂段最大高度25.0m，挡墙顶长347.75m，挡墙基础布置钢筋混凝土抗剪桩和预应力锚索；上水库主坝坝轴线下游135.5m处为混凝土衡重式重力挡墙断面，重力挡墙以上至上游坝面为混凝土面板堆石坝断面。

副坝采用碾压混凝土重力坝。

上水库采用钢筋混凝土面板全库盆防渗。

根据世界银行特咨团第三次咨询报告建议，鉴于上水库主坝下游陡倾斜坝基特殊性，设置“增模区”，对减少下游坝坡的不均匀沉降很有必要，是防止面板结构性开裂的重要措施。

在主坝填筑设计中采取了下列措施：将主堆石填筑明确分为高程426.5m以下和以上两部分，高程426.5m以下的主堆石Ⅱ区为增模区，，主坝筑坝材料全部采用库盆开挖料。

2.2 下水库
下水库大坝采用粘土心墙堆石坝，平面上呈折线型，左坝头折向上游，最大坝高50.4m。

根据三维有限元应力应变分析成果，大坝粘土心墙存在拱效应。

施工过程中将粘土料含砾量放宽到平均不大于30%，个别点不大于40%。

使用砂石料加工厂生产的砂料作为粘土心墙反滤料，节省可观的工程投资。

2.3 地下厂房
地下厂房围岩为中～厚层岩屑砂岩夹薄层泥质粉砂岩，节理较为发育，顶拱与边墙部位Ⅲ类围岩分别占59%与75%，其余为Ⅳ类围岩，地下水丰富，断层构造带发育，为保证地下洞室的稳定，支护设计采用了喷钢纤维混凝土、锚杆、钢筋拱肋、预应力锚索等多种支护手段，开创了国内复杂工程地质条件和水文地质条件下兴建大型地下工程的成功范例，得到世界银行特别咨询团的高度评价。

地下厂房内安装两台250t的桥机，主机段采用常规岩壁吊车梁，安装场段由于围岩较差（IV～V类）结合边墙支护设计采用壁式牛腿结构，为保证岩梁安全裕度及耐久性，主机段岩梁下部结合防潮墙构造柱布置设置支撑柱，支撑在主厂房上下游实体混凝土边墙上。

地下洞室群位于地下水位以下，为减少施工和运行期厂房主要洞室的渗水量，保证工程安全，设置了四层厂区排水廊道：厂顶灌浆兼排水廊道、上层排水廊道、中层及下层排水廊道，所有渗水汇入渗漏集水井内，最后采用泵抽排至下水库。

2.4 输水系统
输水系统采用二洞四机布置，总长度为3082.33～3061.0m。

引水系统全部采用全洞段钢板衬砌，引水岔管采用对称Y形月牙肋钢岔管。

尾水系统中的尾水支管在靠近厂房处的113m段，也采用钢板衬砌，尾水岔管采用卜型钢筋混凝土岔管。

上库闸门井断面扩大兼作上游调压室，尾水调压室采用阻抗式带上室结构型式。

2.5 机电设备
电站装设4台250MW可逆式蓄能机组，以两回500kV出线接入华东电网。

机组主变压器组合方式为联合单元接线，500kV侧的电气主接线为内桥接线。

采用地面户内500kVGIS开关站，500kV 高压引出线采用XLPE电缆斜洞引出。

电站由华东网调、江苏中调进行调度，设有计算机监控系统。

华东网调、江苏中调的计算机监控系统对本电站进行控制和运行信息交换，电站按“无人值班，少人值守”的原则设计。

机组的运行工况主要包括：发电、发电调相、抽水、抽水调相、进相和静止6种。

水泵工况启动以静止变频器（SFC）启动为主，背靠背启动为备用。

电站上库无天然来水，通过外加泵向上水库充水，首机启动方式采用水轮机工况起动。

完成了必要的空载调试项目后，以水泵工况启动，完成后序调试项目。

电站主要机电设备利用世界银行贷款通过国际竞争性招标采购，主机设备由GE Canada Hydro 联营体供货，主变由Siemens AG供货，500kVGIS由ABB供货，500kV电缆由JPS供货。

3 工程设计特点
3.1 工程设计优化
在招标、施工图设计阶段，作为设计牵头方，我院根据可研审查意见、评估咨询意见和世界银行特咨团咨询意见，综合我院抽水蓄能电站勘测设计经验，对工程设计进行了一系列设计优化工作。

实践证明，这些设计优化工作对工程顺利建设和投资控制起到了重要作用。

3.1.1 下水库进/出水口布置优化
下水库进/出水口原设计布置在舌形山脊中部，洞脸开挖边坡高达125m。

招标设计阶段进行了高边坡方案与下库进/出水口外移200m方案的比较，最终采用下库进/出水口外移200m方案，外移后下进/出水口正面边坡高约50m，边坡高度降低了75m，地质条件也有所改善，避开了较大断层F110。

3.1.2输水系统优化设计
（1）引水钢岔管位置优化：由于引水隧洞采用全洞段钢衬，不存在高压管道内水向厂房渗漏的问题，设计将引水钢岔管位置向下游调整约40m，以缩短高压支管的长度，减少工程投资，经水力学过渡过程计算分析，两台机组间水力干扰较小。

（2）尾水隧洞洞距优化：经方案比较，将两条尾水隧洞轴线距离从51.8m缩小为35m，使两个下水库进/出水口间距减小16.8m，下水库进/出水口部位的明挖范围减小，对高边坡的开挖稳定较有利，检修闸门井平台与拦污栅平台之间的工作桥均减短了16.8m，工作桥的安全性和经济性也得到提高；另外，避开了F14断层对尾水调压室的高边墙稳定的影响。

（3）尾水钢衬范围优化：为避免尾水隧洞内水向尾水事故闸门洞渗漏，保护尾水事故闸门洞内的液压启闭设备，改善工作环境，将尾水钢衬向下游延伸至尾水事故闸门洞中心线下游28.5m处，与尾水事故闸门洞下游侧排水廊道及帷幕灌浆形成了一道阻水防线。

3.1.3 厂房布置和支护形式优化设计
（1）安装场位置和中控楼位置的调整：针对地下厂房左端（北侧）存在规模较大的F204断层、右端（南侧）存在F220断层及其一定范围的影响带的地质条件，将安装场由中部移至右端（南端）布置，以减小右端墙的高度，减少F220断层下盘及影响带对4号机厂房高边墙的不利影响。

将中控室从副厂房移至洞外，缩短了厂房的长度，有利于厂房洞室围岩的稳定，并改善运行人员的工作环境。

（2）吊车梁结构形式的优化：地下厂房内的吊车梁经综合论证和比较后采用岩壁吊车梁方案，安装场部位由于地质条件较差采用常规的梁柱式吊车梁结构。

使岩壁吊车梁可提前投入使用，有利于保障施工工期。

（3）支护形式的优化设计：根据世行特咨团咨询意见，并参考国内外已建工程的成功经验，通过对地下厂房洞室围岩的有限元分析，地下洞室群采用喷锚支护为主的综合支护结构形式取代现浇钢筋混凝土顶拱衬砌。

有利于保障施工期围岩稳定和施工安全，缩短工期。

3.1.4 地面开关站位置优化
将原布置在厂房顶部地面（310m高程）的地面开关站移到位于厂房北侧约500m处的山坡（195m 高程）上。

由原竖井出线改为斜洞出线，使开关站边坡高度大为减少，降低了工程潜在风险，节约投资约1000万元。

3.1.5 电气主接线优化设计
结合电站枢纽的总体布置及接入变电所站址的选定情况，对500kV侧电气主接线进行了研究和比选，最终确定本电站500kV侧的电气主接线为内桥接线。

3.1.6 水轮机工况额定水头的优化
可研阶段确定电站机组额定水头为353m。

通过论证，从提高机组运行稳定性以及水泵水轮机水力设计合理性角度出发，将机组额定水头提高了10m，机组的运行稳定性将有所改善，且电动机的最大入力降低8%左右，从而可降低发电电动机造价约1000万元。

3.1.7 电站调压方式的优化研究
根据电站接入系统设计和调压计算以及从提高电站机电设备可靠性考虑，我院进行了专题研究，取消主变压器有载调压方案，采用发电电动机机端调压的方式。

3.1.8 机电辅助设备和系统优化设计
对部分辅助设备系统进行了优化设计，以简化控制程序，提高系统可靠性和运行灵活性，节省投资。

具体有：
(1)技术供水系统由由2台机组分两组集中供水方案改为单元供水，每台机一主一备，增加了供水可靠性，简化了控制程序。

(2)检修排水系统根据不同排水量要求，设置了大、小两种容量的水泵，在排除闸门漏水时可减小厂用电，便于控制和操作。

(3)渗漏排水系统从二个集水井改为一个，布置位置也从主厂房移到尾闸洞，增加了厂房安全性。

(4)从中压压气系统减压作为吹扫和主轴密封用气源，提高供气可靠性，同时节省一台检修空压机。

(5)本电站地质条件较差，为减小桥机轮压对岩臂吊车量的影响，主厂房桥机由250+250/50t双小车桥机改为单小车桥机，减小桥机轮压，同时可减少发电机层支柱，以节约工期。

(6)安装场下中间透平油罐室移入施工支洞，减少了土建开挖量。

(7)本工程的地下厂房排水不具备自流排水条件，增设柴油发电机组，确保地下厂房运行安全，同时可满足本电站作为系统黑起动电源点的功能。

3.2 充分的技术论证、试验研究和技术创新
在进行本电站主体工程和机电设备招标设计之前以及过程中，对关键工程技术课题进行了专题论证和科学试验研究。

我院编制了一系列专题论证报告，涉及重大设计变更的项目，均按程序请原可研审查单位审查批准。

根据本工程的技术特点，我院有针对性地编制了科研试验计划并编写了科研试验大纲和技术要求，通过有关院校和科研试验单位的试验研究以及对成果进行专家评审，为工程招标和施工图设计打下良好基础，为重大技术课题的技术处理措施提供了科学依据和技术支持。

这些技术专题论证和科学试验研究，为本工程的顺利实施提供了可靠的技术保障。

在此基础上，我们对工程设计进行了多项创新，如复杂地质条件下的地下厂房支护设计，复合型的岩壁吊车梁设计，埋藏式钢岔管，柔性聚合物砂浆防渗衬砌结构的新型防渗型式，以及机械电气方面的新技术和新型式的选用，降低接地电阻至0.48欧姆的简易降阻措施等等，为工程设计增添了许多亮点。

4 完善的技术服务体系
根据我院"以促进人与自然和谐发展为使命，负责守信，优质高效，以先进的技术和完善的服务，持续满足顾客和社会的期望"的管理方针和程序作业文件的要求，我院建立了项目管理部和设代处常设机构，配备全方位的技术后勤人员，为工程建设提供“负责、高效、最好”的服务。

4.1 健全的项目管理体系和责任制
我院在宜兴工程的设计过程中，实行以“以顾客和市场为中心，以专业保障和职能保障为基础，以质量、环境、职业健康安全为核心”的项目经理负责制，为电站建设提供优质、高效的勘测、设计、咨询服务。

本工程勘测、设计进度完全满足工程进度的要求，施工图设计于2006年底提交完毕，比机组投产时间提前1年。

施工地质工作与工程建设同步进行，土建主体工程完成时做到外业到位、内业资料整编同步完成。

4.2 及时到位的施工地质服务
施工地质人员常驻宜兴工程现场并随时跟进现场开挖施工进度，及时编录、测绘施工揭露的地质现象，检验、修正前期工程地质勘察资料和评价结论，进行必要的取样与试验，及时提出对不良工程地质问题的处理意见和建议，并根据勘测和现场测绘结果以及我院的工程经验进行地质观测与预报。

同时，还参加地基、围岩、工程边坡及其它隐蔽工程的地质评价与验收工作。

及时到位的施工地质服务保证了设计工程措施的准确性和针对性，对控制工程地质风险和工程投资起到了关键作用。

4.3 强有力的技术支撑和技术咨询
院技术委员会为本工程勘察设计提供全方位技术支撑，根据项目策划要求提供技术决策和重大技术问题咨询，同时在主体工程开工后每年安排1～2次现场巡视工作，解决现场疑难问题，为项目设计和建设出谋划策。

4.4 负责、高效的设代服务
设代处以合理的人力资源，提供负责、高效的设代服务，进行专业图纸检查和现场巡视，以便先期发现问题和解决问题，参加设计图纸会审和技术交底，及时跟踪施工质量，及时提供设计修改和设计变更文件，提供度汛和施工安全措施要求，参加工程验收和现场施工协调工作，为项目业主和监理及时决策给予技术支撑。

确保项目负责人和各主要专业现场设代人员在工地不间断，在工程关键节点临时加大现场服务力量。

4.5 环境保护和水土保持
宜兴工程地处宜兴西南郊铜官山区，紧邻宜兴市环境科学工业园区，是江苏省省级水土流失重点监督区，有非常严格的环境保护和水土保持要求。

我院秉承人与自然和谐发展的宗旨，以服务业主、建设绿色电站为目标，根据环境保护和水土保持实施方案和相关主管部门的审查意见，进行环境保护和水土保持监测评估，同期进行水土保持设施设计和复绿设计，使工程水土保持复绿工程和主体工程同步实施，条件成熟一处实施一处，在首台机组发电的同时，部分工程设施已成为新的景观。

5 结语
宜兴抽水蓄能电站于2008年实现“一年四投”，比原计划提前9个月，在电网中正式承担起调峰、填谷、调相和事故备用。

我院在复杂地质条件区域完成的工程勘察、设计和现场服务为宜兴电站的成功投运和工程完建奠定了良好的基础。

我院将以负责、高效、最好的工作精神，继续为工程完建和竣工验收提供优质服务。