郑齐峰 ，吴喜艳

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）（2.国家能源水电工程技术研发中心抽水蓄能工程技术研发分中心，浙江省杭州市 311122）

0 引言

天荒坪抽水蓄能电站是国内首批建设的大型抽水蓄能电站，机组具有水头高、转速高、大容量的特点，地下厂房结构设计及布置较典型，为后续抽水蓄能电站地下厂房洞室群及结构设计、抗振设计，提供一定的借鉴和参考。从天荒坪抽水蓄能电站开发后，陆续开发了几十座抽水蓄能电站，开发过程中遇到了各种水文地质条件及布置条件，地下厂房洞室群布置具有鲜明的个性和共性特点，本文对抽水蓄能电站地下厂房结构布置的各细部设计进行阐述、对厂房内部尺寸及巡视通道的布置、集水井布置位置、下部管道廊道及埋管廊道布置、主变运输洞功能演变、厂房油水分离设计、排水廊道布置、地下厂房抗振设计等进行探讨，其中许多经典布置具有借鉴和参考价值。

1 概况

天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县天荒坪镇境内，太湖西苕溪支流大溪流域上，距杭州57km、上海175km、南京180km。电站安装6台30万kW机组，总装机容量180万kW，年发电量31.6亿kWh，抽水电量42.86亿kWh，为日调节纯抽水蓄能电站。电站以500kV一级电压、出线二回接至瓶窑变电站进入华东电网，在华东电网中担负调峰、填谷、调相、调频及紧急事故备用等任务。

工程枢纽包括上下水库、输水系统、500kV开关站和地下厂房洞室群等，输水发电系统采用两洞六机斜井尾部厂房布置方式，地下厂房洞室群包括主副厂房洞、主变压器洞、母线洞、尾闸洞、500kV电缆竖井及排风兼交通竖井等。主副厂房洞长198.7m，宽21.0m，高47.73m，主变压器洞长180.9 m，宽18.0m，高24.7m。主厂房布置岩壁吊车梁，主变压器洞和尾闸洞平行于主厂房，布置在下游侧。主厂房和主变压器洞净距离33.5m，主变压器洞和尾闸洞净距离26.5m。

500kV开关站位于在下水库进/出水口上部的350.2m高程上，排风兼安全出口竖井和500kV电缆兼交通竖井为地下厂房洞室群与地面500kV开关站之间的两个竖向交通通道，进厂交通洞则是地下厂房洞室群与地面之间的水平交通通道。

2 地下厂房布置设计

2.1 厂房布置格局

天荒坪抽水蓄能电站是华东勘测设计研究院（以下简称华东院）首个设计的大型抽水蓄能电站，华东院在吸收国外先进抽水蓄能电站设计经验的同时，进行了大量深入的研究，主副厂房洞、主变压器洞和尾闸洞采用三大洞室平行布置，安装场设端部，主变压器洞和主厂房之间通过母线道及主变压器运输洞相连，布置合理，运行方便，是国家电网公司抽水蓄能电站工程通用设计推荐的布置，该布置格局已经成为后续类似抽水蓄能电站布置的经典，具有参考意义。

限于当时社会经济发展条件、运行和设计理念，主厂房宽度21.0m，主变压器洞宽度18.0m，主厂房和主变压器洞净距离仅为33.5m等，设备布置相对紧凑，个别通道狭窄，在后续抽水蓄能电站布置中已适当加宽。《国家电网公司抽水蓄能电站工程通用设计》[1]建议类以机组主厂房宽度采用23.5m，主变压器洞宽度采用19.0m，主厂房和主变压器洞净距离采用40m。

《国家电网公司抽水蓄能电站工程通用设计》明确，地下厂房主厂房洞、主变压器洞、尾闸洞三大洞室平行布置，对于地质条件较差或短尾水洞电站等，可根据工程实际情况有选择地局部选用。地下主厂房进厂方案推荐采用端部（平行或垂直厂房纵轴线）进厂方式，主厂房洞与主变压器洞岩体厚度不宜小于40m，主变压器洞与尾闸洞岩体厚度不宜小于30m。

2.2 地下洞室群采用岩壁吊车梁设计

地下厂房上覆岩体厚度160～200m，围岩为侏罗系上统劳村组含砾流纹质熔凝灰岩，岩石坚硬、新鲜。天荒坪地下厂房洞室群围岩工程地质条件好，为采用岩壁吊车梁提供了条件。岩壁梁在最大荷载（125%额定荷载）作用下，也是安全稳定的。岩壁吊车梁不仅可以减小厂房洞的开挖跨度，而且为后期的施工带来了极大便利。

后续地质条件差的抽水蓄能电站工程如宜兴等，也成功采用了岩壁吊车梁。

2.3 地下厂房的自流排水洞设计

天荒坪抽水蓄能电站的地下厂房设置了自流排水洞而不设常规的集水井，是该电站最成功经典设计之一[2][3]，电站充分利用了下水库河道纵坡陡的山区溪流特点（纵坡达4%～5%）。地下厂房洞底的排水廊道底高程为214m左右，比下水库坝基高程低约50m，为此，布置了长约1600m的自流排水洞，出口高程约209m，大溪河底高程下降了约60m，即使在洪水期，自流排水洞也能顺利排水。设计自流排水洞优点十分明显，它排除了因事故断电，集水井水泵不能工作而造成水淹厂房的隐患。自流排水洞断面大，排水能力强，除了正常排水外，一旦遇上厂房内某些水管的事故爆管而造成排水量增大，也能及时排走。因此使防范水淹厂房的安全度大为增加。同时，施工期地下厂房洞室群各处施工用水全部通过自流排水洞自流排出，大大减少了施工期抽排水工作量。

后续抽水蓄能电站如宝泉、厦门、长龙山等工程，均采用自流排水洞。《国家电网公司抽水蓄能电站工程通用设计》明确，对于具备设置自流排水洞的工程需作相应优化考虑。

3 抽水蓄能电站地下厂房结构布置

3.1 厂房内部尺寸及巡视通道

天荒坪抽水蓄能电站地下厂房布置同后续已建的工程相比，内部布置相对紧凑，从运维情况看，应适当增加。厂房上游尺寸的确定主要考虑蜗壳层球阀的布置及巡视通道，对于500m以下水头段的电站，蜗壳层上游侧净空尺寸建议5.1～5.5m；对于500m及以上水头段的电站，蜗壳层上游侧净空尺寸建议4.8～5.2m。蜗壳层上游侧最窄处通道建议1.2～1.5m。厂房下游尺寸主要由母线层的风管、空调进排水管、电缆桥架、母线槽等布置所需尺寸来控制，同时尽量兼顾母线洞内电气设备的搬运。综合考虑，建议厂房母线层下游侧净空3～3.5m。机墩、风罩内径根据主机设备厂家及工程经验确定，混凝土厚度的确定主要考虑厂房结构的抗振能力。风罩混凝土厚度根据机组转速及支撑型式确定，转速大于等于428.6r/min的高转速悬式机组，建议风罩混凝土厚度不小于1.2m，其他类型机组不小于1.0m。建议机墩混凝土厚度不小于3m，且下层机墩与上层风罩的外缘原则上保持一致。

蜗壳层至机组安装高程高度建议，当进水阀直径2.0m左右时该高度为4.5m；当进水阀直径为2.5m左右时该高度为4.8m，当进水阀直径为大于等于3.0m时该高度为6.0m。

机组安装高程至水轮机层高度建议，当进水阀直径2.0m左右时该高度为3.3m；当进水阀直径为2.5m左右时该高度为3.5m，当进水阀直径为大于等于3.0m时该高度为4.0m，水轮机层高度统一为6.5m。

母线层高度建议，单机容量350MW及以上时该高度为6.5m；单机容量300MW及以下时该高度为6m。

发电机层至桥机轨顶高度建议，单机容量350MW及以上时该高度为12m；单机容量300MW及以下时该高度为11.5m。当机组转速为500r/min及以上时，发电机层至桥机轨顶的高度应在上述高度基础上加0.5m（考虑转子一根轴结构）。

桥机轨顶至网架牛腿高度建议，当主桥机采用250t时该高度为5.5m；当主桥机采用300t时该高度为5.8m。

3.2 集水井布置

有些抽水蓄能电站因受地形条件限制，无法设置自流排水洞，需要设置集水井汇集地下洞室群的渗水。可以在主厂房两端各设一个集水井，如泰山抽水蓄能电站，也可以在主厂房一端设一个集水井，如桐柏、响水涧、仙游、洪屏等工程。从布置条件来看，在主厂房两端各设一个集水井有利于汇集渗漏水，但这种布置方式会增加厂房总长度，无论在主厂房布置一个或两个集水井，因其位置较低，大大增加出渣难度，对厂房发电工期有一定影响。

根据宜兴工程将集水井布置在尾闸室的经验，《国家电网公司抽水蓄能电站工程通用设计》建议，只要地址条件允许，可将集水井布置在尾闸室，绩溪工程及后续在建项目均是这种布置方式，可以减轻主厂房开挖支护的工期压力。

3.3 下部管道廊道布置

有些抽水蓄能电站受地形条件限制，无法设置自流排水洞，因此需在尾水管上游布置渗漏检修排水廊道，导致厂房上游开挖边墙更高，对边墙稳定不利，针对这种情况，仙游和仙居抽水蓄能电站将管道廊道改为埋管廊道，只在厂房内尾水管之间开挖用于布置尾水管检修的管道廊道，尺寸小，无需在尾水管上游拉槽，保留尾水管之间的岩梗，降低了厂房开挖高度。此廊道待管道安装完后用混凝土回填密实，这种布置方式对于4台机组及以下的电站是有优势的，如果机组台数过多，需要开挖的埋管廊道尺寸太大可能就不经济了。

3.4 主变压器运输洞布置

抽水蓄能电站地下厂房主变压器运输、安装就位一般是先将主变压器运输到安装场，通过桥机起吊把主变压器就位到主变压器运输轨道，用卷扬机通过主变压器运输洞拉到主变压器洞，就位到主变压器转盘处，旋转90°，再通过主变压器运输轨道拉入各主变压器室就位。响水涧、仙居、绩溪工程主变压器就位时，用平板车通过主变压器进风洞直接将主变压器运到主变压器洞，通过枕木垫起、移动、千斤顶等方法，不需要主变压器运输轨道就可以将主变压器安装就位到主变压器室。因此，此方法值得借鉴，优点无需设主变压器运输轨道，施工期地面平整干净，另外主变压器运输洞尺寸也可作相应缩减，对主厂房下游边墙和岩壁吊车梁稳定非常有利。需注意的是，设计时复核进厂交通洞到主变压器进风洞整个运输线路上的路面宽度和转弯半径，特别注意电缆沟对运输的影响。

3.5 厂房油水分离设计

地下厂房的各种排水最后排入自流排水洞或集水井抽排排放至厂外，天荒坪工程厂内总渗漏量约50L/s（包括山体渗水和机组正常运行排水），由于限于当时设计理念和环保理念以及对机组设备含油的认识，原设计没有对含油废水和渗水进行分离和处理，是目前天荒坪抽水蓄能电站运行管理的难点。目前天荒坪公司已进行了地下厂房油水分离处理和改造，并在集中排油部位设置有滤油池，定期对油污清理，效果较好。

随着环保理念的加深及经济技术的不断发展，后续的抽水蓄能电站设计均已对含油废水和山体渗漏水进行分离设计，将主厂房及副厂房的含油废水引入油水分离池内进行油水分离，由于含油废水量小，通过含油废水设备处理后回用或排放。排水廊道、其他附属洞室等山体渗漏水直接排放厂外。泰安、宜兴、仙游、洪屏、仙居等工程均按上述理念设计的。尾闸洞经多年运行后发现也有含油废水产生，可在尾闸洞底板合适位置设一截水坑，将其废水引入截水坑内，用专用车辆运至厂外处理。在建的金寨、长龙山工程均按此设计。

3.6 排水廊道设计

天荒坪地下厂房洞群埋深160～200m，主厂房洞拱顶在下水库设计最高蓄水位以下约83m，主副厂房距下水库水平距离200m。来自引水系统和尾水系统渗水不可避免地或多或少通过裂隙断层等构造渗入厂房。

天荒坪电站排水系统由排水孔、排水廊道及自流排水洞3大部分组成，所有渗水最终都汇集到自流排水洞。天荒坪排水廊道共设了两层，通过近20年的运行观测，是成功的，其不足之处在于尾闸洞下游少一条中层排水廊道拦截下游渗水，导致尾闸洞顶拱有较多的渗水，后经处理拦截了渗水。

目前抽水蓄能电站地下厂房如没有特殊的水文地质情况一般设3层排水廊道，上层、中层和下层，使地下厂房周围形成强大的排水系统。如厂区水文地质条件复杂，可能要在厂房顶拱以上增设1～2层排水廊道。宜兴工程厂房顶拱以上岩体为岩屑砂岩和泥质粉砂岩互层层状结构，发育有缓倾角层面节理，在厂房顶拱上部增设两条排水廊道，前期作为厂房顶拱灌浆及预应力锚固洞，后期作为永久排水廊道。洪屏工程厂区水文地质条件复杂，厂房探洞揭示厂区地下水丰富，示踪试验表明上水库与地下厂房存在渗漏通道，因此洪屏工程设置了5层排水廊道，实现了“高水自流、底水抽排”的设计理念。宜兴和洪屏工程竣工已有多年，证明排水系统设计是成功的，值得后续工程借鉴。

3.7 主厂房结构设计抗振设计

天荒坪抽水蓄能电站的水头高、机组容量大、机组转速高（正常工况500r/min，飞逸工况720r/min），因此激振频率高，正常工况8.33Hz，飞逸工况12.0Hz；悬式机组机墩上部受力，转轮采用中拆方式，机墩开孔大（5.9m×2.4m），基础薄弱，构成“头重脚轻”对抗振十分不利的结构形式，而且厂商对发电机基础切向和法向刚度要求高（12×106N/mm），这就给厂房的结构设计带来相当大的难度。[2][3]

设计上进行了多种结构布置型式、多个模型、在各种工况下的整体结构三维有限元动、静力分析研究，从中选择最优的结构布置型式，确定所采取的加大结构刚度的措施：

（1）将蜗壳机墩结构与下游边墙连接，增加约束。

（2）加大板、粱、柱断面，增加水平支承。

（3）加大发电机风罩的厚度。

（4）提高蜗壳、机墩和风罩混凝土强度等级。

（5）将上下游排架柱与岩壁黏结，利用围岩的抗力。

此外，采用了钢蜗壳在充水保压下浇筑外围混凝土，使蜗壳和外包混凝土形成一定程度的联合受力，达到既节约外包混凝土的配筋数量，又可吸收蜗壳中高速水流产生的水力振动的目的。

目前，天荒坪电站运行时厂房的振动是可接受的，达到了目的，证明地下厂房结构设计抗振措施是合理的，也是必要的，这些措施为后续抽水蓄能电站的抗振设计提供了参考。

当然，后续多数抽水蓄能电站的机组采用了上拆方式，避免了由于蜗壳和机墩开孔较大对结构刚度的削弱。由于机组采用上拆方式，机墩结构是通过板梁与下游围岩边墙连接的，厂房振动也是接受的。但是，通过笔者多个电站厂房设计经验分析，认为天荒坪厂房的机墩结构与下游边墙连接对抗振起了较大作用，对于安装高水头大容量机组的厂房，机墩结构与下游围岩边墙直接连接将对厂房抗振起较大好处。

3.8 厂房开发方式要综合考虑运行维护方面优势

天荒坪抽水蓄能自首台机组发电以来，电站运行管理和检修都相当方便，厂房枢纽布置及结构的设计是成功。如地面中控楼布置离地下主厂房极其近，运维期的故障处理和运行维护都非常方便，是尾部厂房方案的优势，设计单位在抽水蓄能电站可行性研究设计阶段进行首部厂房方案、中部厂房方案、尾部厂房方案比较，要综合考虑运行维护方便方面优势。

4 结束语

自天荒坪抽水蓄能电站1998年首台机组发电以来，又有十多座抽水蓄能电站投产发电，地下厂房结构布置设计更加成熟，更加符合运行维护要求，并已形成《国家电网公司抽水蓄能电站工程通用设计地下厂房布置分册》的标准化设计。随着社会经济及抽水蓄能电站技术的发展，地下厂房布置进一步向安全型、舒适型布置靠拢，把抽水蓄能电站建成一个绿色、精品、和谐的美丽电站。