中国抽水蓄能电站概况及土建工程关键技术.pptx

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中国抽水蓄能电站概况及土建工程关键技术,报告人：

张巍华南农业大学水利与土木工程学院,11,我国抽水蓄能建设背景与现状,二抽水蓄能土建工程关键技术,目录,中国抽水蓄能建设背景与现状,政策背景二中国抽水蓄能站点资源三中国抽水蓄能开发现状四中国抽水蓄能发展历程五广东蓄能电站建设情况,抽水蓄能电站安装可以兼具水泵、水轮机两种工作方式的机组，在电力负荷出现低谷时做水泵使用，抽水蓄存在上水库。

0认识抽水蓄能电站,缓解系统调峰压力,提高电网安全稳定性,发挥调相功能,具备黑启动能力,促进电力行业节能减排,蓄能电站,绿色巨型“充电宝”保障电网安全的“最后一根火柴”,0认识抽水蓄能电站,一、政策背景,以习近平同志为核心的中共中央提出“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”这一重大战略目标，是中华民族伟大复兴的内在要求，也是人类可持续发展的客观需要。

中共中央、国务院印发关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见，国务院印发2030年前碳达峰行动方案。

一、政策背景,国家发展改革委、国家能源局先后印发了：

进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）,一、政策背景,抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）到2025年，抽水蓄能投产总规模较“十三五”翻一番，达到6200万千瓦以上;到2030年，抽水蓄能投产总规模较“十四五”再翻一番，达到1.2亿千瓦左右;到2035年，形成满足新能源高比例大规模发展需求的，技术先进、管理优质、国际竞争力强的抽水蓄能现代化产业，培育形成一批抽水蓄能大型骨干企业。

截至2021年底，我国已纳入规划的抽水蓄能站点资源总量约8.14亿kW，其中已建3639万kW，在建6153万kW，中长期规划重点实施项目4.1亿kW，备选项目3.1亿kW。

二、中国抽水蓄能站点资源,中国已纳入规划的抽水蓄能站点资源量（单位：

万kW）,截至2021年底，我国抽水蓄能电站在运项目40座，装机容量3639万kW，在建项目48座，装机容量6153万kW。

中国抽水蓄能电站已建和在建装机规模均为世界第一。

二、中国抽水蓄能站点资源,中国已建、在建抽水蓄能区域情况（单位：

万kW）,三、中国抽水蓄能开发现状,20世纪60、70年代我国试点开发建设了河北岗南、北京密云等抽水蓄能电站。

20世纪80、90年代,大型抽水蓄能电站起步开发，先后建成了广州、十三陵等大型抽水蓄能电站。

21世纪的第1个10年,电力系统对抽水蓄能电站的需求也在不断增加，浙江天荒坪、桐柏、河北张河湾、安徽琅琊山、广东惠州等大型抽水蓄能电站陆续建成投产，2008年抽水蓄能规模突破1000万kW，集中在华南、华东、华北电网。

21世纪的第2个10年抽水蓄能继续快速发展，截至2022年底，我国抽水蓄能电站总装机规模3149万kW、在建装机规模5243万kW。

a历年装机情况b项目核准情况抽水蓄能历年装机和项目核准情况,三、中国抽水蓄能开发现状,四、广东蓄能电站建设情况,四、广东蓄能电站建设情况,广州抽水蓄能电站我国建成的第一座高水头、大容量抽水蓄能电站,四、广东蓄能电站建设情况,惠州抽水蓄能电站我国建成的第一座“周调节”抽水蓄能电站,什么叫周调节？

四、广东蓄能电站建设情况,清远抽水蓄能电站国际上首次完成一管四机、四台机组同时满载甩负荷试验的抽水蓄能电站,四、广东蓄能电站建设情况,深圳抽水蓄能电站“城市中的抽水蓄能电站”,四、广东蓄能电站建设情况,阳江抽水蓄能电站国内核准建设的单机容量最大的超高水头抽水蓄能电站,枢纽总体布置二工程地质勘查三上、下水库四输水系统五厂房系统六场内永久交通,抽水蓄能土建工程关键技术,一、枢纽总体布置,上水库,地下厂房,输水系统,下水库,场内道路布置原则：

安全可靠、技术先进、经济合理、资源节约、环境友好。

影响因素：

水文、气象、地形、工程地质和水文地质条件、施工条件、环境保护及运行要求等因素。

一、枢纽总体布置,枢纽布置方案论证,上水库,下水库,输水系统,厂房系统比选,库址比选,库址比选,坝线比选,坝型比选,泄洪方式比选,线路比选,开发方式比选,供水方式,厂房轴线及位置选择,立面布置比选,坝线比选,坝型比选,泄洪方式比选,厂房排水方案比选,二、工程地质,抓住关键、优选站址广东省抽水蓄能电站通过站址的精心比选,将输水发电系统放在花岗岩体中,将厂房和高岔布置在最好的岩体中。

地质勘探超前投入清远蓄能电站两年完成三个阶段的勘测设计工作,创国内最快纪录；勘察设计周期的缩短,要求跨阶段工作,超前投入；在预可研阶段确定厂房深孔位置。

地质长探洞的应用广东省抽水蓄能电站普遍采用了地质长探洞。

如惠州蓄能电站通过地质探洞查明了F304断层，清远抽水蓄能电站探洞一洞四用。

布置原则：

充分利用地形条件获得落差。

坝型、坝线选择同常规电站类似，根据水文气象、地形、地质、材料、地震烈度、施工、运行等比选确定。

当结合库盆开挖时应结合开挖土石方与坝型填筑料进行相应挖填平衡，充分利用开挖料。

当在高山台地围坝建库时，应根据相关地质地形条件确定安全距离。

应充分利用有利地形和溪流，增加天然径流量，以补充蒸发、渗漏损失。

三、上、下水库,主要建筑物挡水建筑物；泄水建筑物；生态放水管；库周防渗；环库道路。

三、上、下水库,布置原则：

在含砂河川或溪流上修建水库时，应因地制宜布置拦砂、防砂措施。

上下水库泄水建筑物布置，除应按常规水电站解决洪水问题外，还要分析天然洪水与电站抽水/发电流量遭遇的影响。

防渗范围应根据地形、地质和库区水文地质条件确定防渗范围。

三、上、下水库,渗控工程施工技术大型抽水蓄能电站上水库一般在选定位置新建，而下水库大多利用现有水库进行改扩建，也有部分工程下水库是新建的。

渗控工程是抽水蓄能电站新建水库的关键，尤其是上水库。

由于无天然径流补给，由下水库抽上来的水很珍贵，设计日渗漏量一般控制在总库容的0.02%-0.05%范围内。

如何确保防渗效果长期有效是一个重大技术难题，因为一旦防渗失效，不仅影响电站运行效益，更危及工上水库平面布置及料场分区程安全。

三、上、下水库,防渗设计:

全库防渗局部防渗不设防渗,防渗型式：

单一防渗联合防渗,图5上水库土坝坝体典型断面图（尺寸单位：

m）,三、上、下水库,4,1,2,3,沥青混凝土面板全面防渗的水库，如:

天荒坪抽水蓄能电站上水库,库底土工膜防渗的水库，如:

溧阳抽水蓄能电站上水库,国外：

近九成上水库库盆采用单一的全沥青混凝土防渗。

国内：

因地制宜、形式多样。

钢筋混凝土面板全面防渗的水库，如:

宜兴抽水蓄能电站上水库库底黏土防渗的水库，如:

宝泉抽水蓄能电站上,水库,广东省抽水蓄能电站渗控工程设计关键技术：

库盆仅进行局部垂直防渗。

广东省抽水蓄能电站水库的地质条件，库盆表层多为坡积物和全风化土所覆盖，库区基底主要为花岗岩，为非可溶性岩石。

根据地质测绘，库区没有通向库外的较大断裂，所揭露的断层规模小，胶结好，地下水位较高，不存在沿断层产生库水渗漏条件。

库盆底部一般覆盖有一定厚度的冲积、残破积土，属弱透水层，可起到一定的天然防渗铺盖作用。

库区不存在垂直渗漏的可能性，不需考虑库盆底防渗问题。

因此，广东省抽水蓄能电站都不需进行全库盆防渗，仅有针对性地进行局部垂直防渗。

三、上、下水库,当地材料筑坝为更好地适应天然地质条件，就地取材，清远抽水蓄能电站上下水库大坝均采用黏土心墙堆石（渣）坝上水库大坝充分利用库内小山包开挖渣料，既增加了库容和抽水蓄能容量，又改善了上水库进出水口进水水流流态。

下水库大坝设计达到土石方平衡运用，不设专门的料场和渣场，减少征地弃渣，节省投资。

当地材料筑坝较混凝土重力坝可避免大量混凝土浇筑，可减少混凝土生产程序中对环境的污染，且工程建成后可保持环境自然和谐。

三、上、下水库,除广蓄是结合小水电站发电引水宣泄洪水带来的多余水量外，其余项目均采用设置专门的放水底孔，孔口管径在2m左右，出口均采用锥形阀控制。

惠蓄、梅蓄是布置在重力坝内，清蓄、深蓄、阳蓄是布置在导流洞内，海蓄是布置在溢洪道边墙内，各具特色。

三、上、下水库,清蓄电站下水库竖井泄洪洞与放水底孔纵剖面图,清蓄上下库、海蓄上库、梅蓄上库均采用了与导流洞结合的竖井泄洪洞，其中清蓄下库竖井旋流泄洪洞体型为国内首创，采用一种特殊的起旋墩，使环形堰竖井产生稳定的空腔旋转流运动，利用旋流离心力消除溢流堰和竖井的负压，同时旋流空腔自然掺气可防止结构物空蚀和提高消能率。

三、上、下水库,图6清蓄电站下水库竖井泄洪洞与放水底孔纵剖面图,四、输水系统,进出水口,闸门井（调压井）,引水隧洞,高压隧洞/岔管,尾水支管/岔管,尾水调压井,尾水隧洞,进出水口,闸门井,四、输水系统,输水线路布置原则：

综合考虑枢纽总布置、地形、地质、覆盖厚度、生态环境、水土保持、水力学、施工方法、运行、沿线建筑物等各种因素；,供水方式：

一洞一机、一洞两机、一洞多机，广东地区以一洞多机为主；引水隧洞立面布置：

竖井、斜井或斜竖井结合的型式。

一管四机,一管三机,输水系统线路布置,四、输水系统,高水头、大直径透水隧洞钢筋混凝土衬砌，当内水压力超过100m后，衬砌裂缝便已产生，衬砌只起平整水流减少糙率的作用。

防渗和渗透稳定问题关键在于围岩，围岩要满足最小地应力准则、最小覆盖层厚度准则和渗透稳定准则。

图7压力隧洞围岩覆盖厚度示意,四、输水系统,输水隧洞线路沿线剖面最小主应力3等值线云示意,高水头、大直径透水隧洞三大准则：

最小地应力准则是围岩承载的核心，是对围岩承载能力的定量判断；最小覆盖层厚度准则是对最小地应力准则的经验判断；围岩渗透稳定准则是对最小地应力准则的补充完善，III类硬质围岩长期稳定渗透水力梯度不大于8。

四、输水系统,高水头、大直径透水隧洞为了增强围岩的完整性和抗渗性，加强高压水道围岩体的高压固结灌浆，十分必要和重要。

灌浆压力：

应超出实际最大水头并满足安全系数的要求，同时要顾及地应力水平，防止造成围岩劈裂破坏。

灌浆材料：

水泥、磨细水泥、化学。

清蓄：

系统灌浆+随机灌浆+局部深孔灌浆。

四、输水系统,高水头、大直径透水隧洞透水隧洞：

指按允许透水的理念设计的隧洞，主要包括不衬砌隧洞和混凝土衬砌隧洞。

钢衬砌隧洞则属于典型的不透水隧洞。

广东省的抽水蓄能站址具有以下特点：

天然来水量相对丰富，水库和水道的少量渗漏不会影响电站的正常运行；具备良好的地形、地质条件，高压隧洞深埋于微风化新鲜花岗岩中，围岩承载力高、透水性微弱；地下水位高。

根据透水衬砌设计理念，较高的地下水位能减少隧洞的内外水头差，若采用钢板衬砌，较高的地下水位不利于钢管的抗外压稳定。

采用透水隧洞设计理念，为每个抽水蓄能电站水道系统节省了上亿元的投资。

供水方式采用一管多机根据工程经验，供水方式采用一管多机比多管多机能节省数千万投资。

主要的技术问题是主洞规模较大，高压隧洞尤其是高压岔管PD值较大。

广东省抽水蓄能电站一般地质条件较好，可采取钢筋混凝土岔管。

同钢岔管相比，钢筋混凝土岔管可承担更大的PD值，使PD值较大不成为制约因素。

广东电网规模较大，单一抽水蓄能电站占电力系统比例很低。

由于输水管道检修一般是有计划停产，出现事故而导致停机检修的几率很小，即使出现这种情况，电网也可通过其他调度手段解决。

因此，广东省抽水蓄能电站供水方式一般采用一管多机。

四、输水系统,输水系统水力设计进出水口水力设计进出水口淹没深度、流态模型试验。

水头损失控制：

依据规范进行发电工况、水泵工况输水系统沿程水头损失与局部水头损失计算，通过经济洞径比选确定洞径。

水力过渡过程：

依据水损计算成果与规范进行调保计算，确定调压室最高、最低涌浪，输水管道最小压力等。

四、输水系统,四、输水系统,高压岔管和地下厂房防渗排水控制系统示意图,输水系统防渗排水系统设计防渗帷幕排水廊道排水孔幕,四、输水系统,斜井是水利水电工程中的重要建筑物，由于大型抽水蓄能电站的水头高，引水斜井也比较长，且为陡倾角斜井（45.6-60），其施工难度远远大于常规水电。

反井开挖技术。

全断面法导井扩挖法较大断面一般选用导井扩挖法，采用反井钻机打导井+扩挖。

长斜井施工技术,斜井二次扩挖纵剖示意图,四、输水系统,斜井混凝土施工技术。

斜井混凝土衬砌一般采用全断面自下而上进行，施工难点是滑模技术。

长斜井施工技术,斜井滑模系统施工布置图,五、厂房系统,地下厂房洞室群,五、厂房系统,五、厂房系统,主厂房,主变洞,尾闸室,发电机层,母线层水轮机层,蜗壳层,母线洞,五、厂房系统,地下厂房的布置原则开发方式：

尾部式开发：

下水库水的反渗和扬压力较大，但附属洞室线路较短；首部式开发：

地下水对地下厂房的影响较大，附属洞室长度较长。

中部式开发：

兼顾尾部及首部式开发特点，广东地区中部开发为主。

主变压器：

一般布置在地下厂房主变洞内，采用经典的三洞式布置（主厂房、主变洞、尾水闸门室三大洞室并列）。

五、厂房系统,地下厂房的布置原则开关站：

除需考虑地面地形地质条件对施工运行交通、开挖支护和工程投资的影响外，还应考虑高压电缆长度对造价的影响；开关站位置的选择往往与高压电缆洞方案结合进行比选研究。

附属洞室：

主要包括交通洞、通风洞（竖井）、高压电缆洞（竖井）、排水廊道、施工支洞等；尽量做到一洞多用，节约工程投资；应满足交通、通风、排水、出线、防火及安全疏散、施工要求。

1,五、厂房系统,厂房位置选择原则,力求将厂房洞室群布置在新鲜、完整的岩体中，尽量避开大的断层和破碎带，尽量选择在岩体裂隙水不发育的地区;尽量缩短高压引水隧洞的长度，使输水系统布置协调、顺畅，并应综合考虑交通、出线、施工支洞及开关站的布置;当上游厂房压力管道采用钢筋混凝土衬砌时，应满足其埋藏深度的要求（按挪威准则要求确定），尤其当采用一洞多机布置时，尚需兼顾钢筋混凝土岔管的位置选择;,2,3,五、厂房系统,厂房位置选择原则,厂房轴线方向宜尽量垂直于地质主要结构面，或具有较大的交角，一般不宜小于30（整体块状岩体）和45（层状岩体），同时要兼顾次要结构面对洞室稳定的影响;厂房轴线方向与最大主应力水平投影方向的夹角不宜过大，并应考虑水道系统和辅助洞室的布置，使总体枢纽布置协调合理、流道顺畅。

4,5,五、厂房系统,广蓄地下厂房的支护设计吸取了国内外的先进经验，在大型厂房洞室群率先采用了轻型锚喷支护的柔性支护设计。

惠蓄在吸取广蓄锚喷支护设计成功经验的基础上，利用地下洞室弹塑性三维有限元计算成果，在锚杆方面不管是长度还是间距都进行了优化，主厂房拱顶用喷钢纤维混凝土替代挂网。

清蓄地下厂房开挖支护设计时，在广蓄和惠蓄的基础上，勇于创新，密切结合地质勘测、设计、施工及监测实行“动态设计”，对锚喷支护参数进行了进一步的优化设计。

在主厂房拱顶采用喷聚丙烯有机超钢纤维混凝土替代喷钢纤维混凝土，是国内地下主要洞室作为永久支护首次采用。

清蓄地下厂房锚喷支护,地下厂房围岩稳定与支护,1,五、厂房系统,围岩稳定分析及支护设计原则,采用工程类比法，初步拟定地下洞室之间的距离、支护形式及参数、施工措施等。

利用数值分析方法，分析、验证初拟方案的可行性、合理性，根据计算结果，适当调整设计方案，必要时进行模型试验。

2,地下洞室开挖后的围岩变形规律,进行局部加强支护设计。

对不稳定块体提出处理措施，对边墙上的交叉洞口及局部不利地质构造进行加强支护设计。

制定合理的施工程序及施工技术措施，并利用开挖过程中的现场监测资料，进行反馈设计。

3,4,清蓄厂房结构设计在吸取广蓄二期、惠蓄A、B厂厂房结构设计成功经验的基础上进一步总结提高，采用无梁厚板结构形式，简化了厂房楼板结构，提高了厂房整体抗振性能。

图15清蓄地下厂房第1阶振型,五、厂房系统,图14清蓄地下厂房有限元模型,空间形态较为复杂，施工相互干扰；作业环境差，有害气体、粉尘多，且地质条件存在不可预见性。

应先进行系统研究和论证，然后再合理安排各洞室的先后施工顺序，按“平面多工序、立体多层次”的原则展开。

五、厂房系统,地下厂房洞室群开挖施工,根据高度不同，厂房大多分为层或是层开挖完成。

开挖分层的规划，需结合施工通道条件、厂房的结构特点、施工机械性能、相邻洞室及相关构筑物的施工等统筹考虑。

第一层的高度宜适当高一些，以确保拱脚以下直立墙,所预留的高度，能满足第二层沿边墙垂直造孔时钻机对其上部空间的要求。

五、厂房系统,地下厂房分期开挖,清远抽水蓄能电站地下厂房开挖分层分块图,五、厂房系统,地下厂房分期开挖厂房的施工工序相对复杂，工期紧。

在施工安排上，多采用“平面多工序，立体多层次”的开挖方法：

在平面上，钻孔、爆破、出渣、锚杆（索）钻孔安装、混凝土喷护等施工应尽可能实现流水作业或穿插施工；在立面上，遵循自上而下的顺序逐级开挖的同时，可考虑由下部施工通道进人厂房施工，实现立体交叉施工。

注重大型洞室开挖围岩稳定和安全。

对于大型洞室，第一层开挖的拱顶往往较为平缓，开挖后其自稳能力难于形成，施工多采用分部开挖法，即先进行中导洞开挖，在对拱顶完成锚喷支护且围岩变形趋于稳定后，再进行两侧的扩挖施工。

五、厂房系统,岩壁梁一般位于厂房开挖层的第二层或是第三层，对于这一层的开挖，按两侧预留保护层、中部抽槽开挖的方式进行。

中部抽槽开挖时，槽的两侧设置预裂孔，按先预裂后槽内梯段爆破的方式形成“先锋槽”，以确保两侧所预留的保护层不被破坏。

槽两侧保护层一般采用手风钻垂直造孔，按浅孔梯段爆破+光面爆破的方式予以爆除。

岩壁早期开挖方式示意图（a）水平布孔图；（b）爆破后效果图,岩壁梁开挖,五、厂房系统,岩台竖向孔斜孔爆破方式,抽水蓄能电站地下厂房岩壁梁开挖层分区规划图,五、厂房系统,地下厂房施工通风地下洞室群洞内风流场复杂，应加强通风系统布置。

地下大型洞室一般在顶部、中部、底部均设有永久隧洞或施工辅助洞室，为各层提供施工通道和施工期通风排烟通道。

先施工中小型洞室，在贯通之前，可在洞口布置风机，达到排烟除尘的目的。

洞室中的长斜井、竖井是洞室群中的重要排风口。

清蓄开始采用排风竖井，在施工期利用烟囱效应自然通风。

五、厂房系统,地下水控制施工过程中，地下水比较丰富，应重视地下洞室的排水问题，如地下水处理不当，将影响大型洞室的钻孔、装药，进而影响爆破效果，同时也不利于大型洞室的围岩稳定。

根据前期中小洞室开挖时洞内渗水的大小，预测后期可能的渗流量，配足水泵，并逐级分段设置集水坑，利用水泵将渗水及时排出洞外，以确保各洞室的渗水不往大型洞室中汇集。

从惠蓄开始，设置自流排水洞，不仅避免了运行期水淹厂房的风险，还方便了施工期的排水。

厂房结构均采用一机一缝蜗壳混凝土均采用打压浇筑除广蓄、惠蓄为梁板结构外，后续项目均采用厚1m左右的厚板结构、清水混凝土少装修方案。

五、厂房系统,清蓄电站清水混凝土厂房,六、场内永久交通,112345,6,充分利用地形、地势，尽量少出现回头弯，相邻上下两条路线互不影响,路线应与电站枢纽的各个地面建筑点结合；尽量靠近厂区地面建筑物及各施工支洞口选择地质稳定、水文地质条件好的地带通过，尽量避开滑坡、崩坍、岩堆、泥石流、泥沼、排水不良的低洼地等不良地段；路线总里程较短、地形坡度较平缓、转弯舒顺；避开高边坡等地段；尽量避免穿过其他工矿区、密集居民区、村庄；少占耕地、少拆迁，多利用山地，有条件的地方尽量结合或利用现有道路尽量减少环保方面的不利因素，注意有效保护环境；减少水土流失并考虑环保、景观协调；,场内永久道路的路线选择原则,汇报完毕，感谢聆听！

Thanksforyourattention！