论如何选择一个好的抽水蓄能电站？

关关雎鸠，在河之洲；

窈窕淑女，君子好逑。

地形条件分析主要包括水头、距高比，以及上、下水库的天然有效库容。抽水蓄能所存储的能量实质上是水的重力势能，等于高差和水库中水之重力的乘积。所以为了储存同样的能量，或者是增加上、下水库之间的高差，或者是增加抽水蓄能上、下水库的调节库容。

在具备条件的情况下，上、下水库之间的高差大一些要更加合适，这样可以减少上、下水库的规模和厂房、机电设备尺寸，减少工程投资。但是根据目前抽水蓄能机组的制造水平，高差过大也会导致机组制造难度加大，所以也不是越大越好。根据工程经验，一般落差在400～700m之间较为适宜。如：十三陵抽水蓄能电站额定水头430m；仙居抽水蓄能电站额定水头447m；天池抽水蓄能电站额定水头510m；天荒坪抽水蓄能电站额定水头526m；西龙池抽水蓄能电站额定水头640m；敦化抽水蓄能电站额定水头655m。目前，我国已建抽水蓄能电站利用落差最高的是长龙山抽水蓄能电站、额定水头710m；在建抽水蓄能电站利用落差最高的是天台抽水蓄能电站、额定水头724m。

距高比是水平距离和上、下水库高差之间的比值，一般来说小一点比较合适，可以减少输水系统的工程量、节约工程投资。但是根据工程经验，距高比过小容易引起工程布置以及高陡边坡等问题，所以一般距高比在2～10之间比较合适。如：长龙山抽水蓄能点站距高比3.1；惠州抽水蓄能点站距高比是8.3。

当上、下水库库盆地形较开阔时，就可以在较小的库盆面积内形成满足储能的需要，否则就需要扩大库盆面积或通过扩库开挖来获得调节库容，增加占地和工程量。对于装机容量120万千瓦、满发利用小时数为6h的抽水蓄能电站，利用水头400m、500m、600m时发电调节库容分别需约800万m3、700万m3、600万m3左右。在此基础上，还需考虑死库容、水损备用库容等因素，最终确定水库总库容。为满足水库库容要求，需结合天然地形通过筑坝或库内扩挖形成。

此外，上水库一般汇水面积较小，工程防洪可通过适当增加坝高解决。因此，上水库库盆出口部位狭窄的沟谷是理想的筑坝之地，可显著减少坝体填筑工程量。

指点六朝形胜地，惟有青山如壁。

——元·萨都剌

地质条件主要包括区域构造稳定性、上、下水库及其枢纽区工程地质条件、输水发电系统工程地质条件和天然建筑材料等。

抽水蓄能电站挡、泄水建筑物应避开活动性断层，水库区不宜有大型滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象，地下厂房洞室群宜避开软弱或破碎岩体，当通过工程布置依然无法规避这些情况时，地质条件就制约了抽水蓄能电站的建设。

即便抽水蓄能电站避开了上述制约因素，地质条件也很大程度上影响着工程成本。通俗来说，就是项目所在区域的地震越少见，岩石越坚硬，越有利于降低抽水蓄能电站建设成本。

根据抽水蓄能电站建筑物的特点和电站运行特性，其主要工程地质问题可以归纳为以下几个方面：

（1）与常规电站相比，抽水蓄能电站站址、库址比选余地较大，可以通过站址普查和站点规划阶段的地质工作筛除地质条件较差或工程处理难度较大的站点，地质勘探工作在这一阶段的作用尤为重要。

（2）地下工程洞室群多、高压隧洞洞段长且内水压力大，埋藏深、规模较大，需充分论证围岩稳定问题，确定隧洞围岩开挖方法、支护和衬砌型式、范围和深度等。

（3）抽水蓄能水库库容一般较小，且运行期抽水成本高，需严格控制上水库渗漏量。而上水库多位于山顶部位，周边普遍存在低邻谷，有相当一部分站点为利用优势地形选于岩溶负地貌地区，水库邻谷渗漏和岩溶渗漏问题较普遍，需要重点关注，并控制好施工质量。

（4）抽水蓄能电站大坝填筑有用料在库盆内的分布状态是决定料源利用率的关键因素，当死水位以上的库盆开挖区有用料储量刚好满足大坝填筑要求且无表层剥离料时，就达到了料源挖填平衡的理想状态。当表层剥离料较厚时，可通过坝料分区解决剥离料上坝利用问题。因此，通过有效勘察手段建立相对精确的上、下水库地质模型对库盆挖填平衡设计至关重要。

（5）水库运行期间水位骤升骤降频繁、变幅大，抽水蓄能电站运行方式对库岸边坡稳定影响大，就对库岸边坡地质条件提出了更高的要求，当不满足稳定安全系数要求时，就要放缓开挖坡比或加大支护强度，造成工程成本增加。

（6）抽水蓄能电站全库盆防渗库盆地基对变形、排水和均一性要求较高，尤其是岩溶地区的全防渗库盆地基，库底岩溶塌陷、地基不均匀变形、岩溶水反向顶托、岩溶负压、岩溶洼地覆盖层塌陷等问题需足够重视。

（7）由于抽水蓄能电站高差较大，可逆式机组对过机泥沙含量的控制要求较高，需注意进出水口部位边坡后缘冲沟固体物源和汛期洪积物入库的防护和排导处理。

（8）抽水蓄能电站不会形成高坝大库，绝大多数站点上、下水库坝高和人工开挖边坡均不超过150m，坝基和高边坡工程地质问题处理难度相对常规电站的高坝大库较小。

上、下水库最好都要有适宜筑坝成库的地形条件。一般来说，400～500m左右的利用落差，按照120万千瓦装机、满发利用小时数6h考虑，即抽水蓄能上、下水库的调节库容需求在600万～800万m3左右。有的抽水蓄能站点天然就有一个“肚子”，通过筑坝很容易形成水库库容，这样的话通过建坝蓄水即可。但是有的抽水蓄能站点库区天然库容小，需要通过开挖才能形成库容，这样会带来两个问题，一是开发成本相对较高，二是库容需要大量开挖，电站的储能量不宜过大。

除库容需求外，抽水蓄能水库工程还要考虑水库防渗、土石方挖填平衡、坝型选择等，经技术经济综合比较确定设计方案。通俗来讲，如果通过筑坝可以形成一个水库，采用局部防渗，成库条件就相对较好（见图2.3-1）；如果通过大量开挖形成一个“盆”，并采用了全库盆防渗型式，则成库条件相对一般（见图2.3-2和2.3-3）。

以成库条件较好的广州抽水蓄能电站为例，上、下成库条件均相对较好，可以通过筑坝成库，上水库库容2408万m3、下水库库容2342万m3。

另以天荒坪抽水蓄能电站为例，上水库位于大溪左岸支沟的沟源洼地，由主坝、四座副坝、进/出水口及库周山体围绕而成，水库南端洼地布置主坝，东、北、西、西南四个垭口布置副坝。成库条件中等，总库容912万m3。

抽水蓄能电站和常规水电站不一样，就是一“盆”清水在上、下库之间来回倒腾，抽水的时候把水从下库倒到上库，发电的时候把水从上库放下来回到下库。所以抽水蓄能电站的水源问题，主要是为了满足初期蓄水，即先把水库的水蓄起来，以及补充日常运行时因为蒸发、渗漏等减少的水量。抽水蓄能库容一般在1000万m3量级，对于水量的要求不高。水源条件在降雨量大、河网密集的区域一般并不会成为抽水蓄能电站建设的限制条件。但是对于西北等相对干旱的区域，水源条件成为了重要的制约因素。有些地方具备建设抽水蓄能的地形地质条件，但是方圆几十公里可能都没有可以用于蓄水的水源。

抽水蓄能电站建设征地处理范围包括上、下水库淹没影响区和枢纽工程建设区。抽水蓄能电站虽有两个水库，但由于水库相对较小，有的是利用天然湖泊或已有水库，故建设征地处理范围往往远小于常规水电站用地范围；由于大部分库盆是挖出来的，枢纽工程建设区往往包含水库淹没区，所以枢纽工程建设区占工程建设征地范围的比重远大于常规水电站。

水库淹没区主要包括水库正常蓄水位以下的淹没区域，以及洪水回水区域和水库影响区。

枢纽工程建设区主要包括枢纽工程建筑物及工程永久管理区。枢纽工程建设区根据各地块用途确定临时用地区和永久占地区。临时用地使用后可以恢复原用途。

确定了建设征地处理范围，重要的后续工作是开展建设征地实物指标调查，做到“知己知彼”。主要是调查建设征地处理范围内的人口、土地、建筑物、构筑物、文物古迹、矿产压覆等的数量、质量、权属和其他属性等。

对于决策来说，主要关心建设征地是否涉及到重大的敏感因素，比如说是否涉及永久基本农田、一级公益林、重要村镇、重大文物古迹和矿产压覆等的规模和数量。

抽水蓄能电站建设须坚持“生态优先、绿色发展”原则。

避让环境敏感区是项目可行的重要前提。环境敏感区是指依法设立的各级各类保护区域和对建设项目产生的环境影响特别敏感的区域，选择站点时应首先筛选并避让环境敏感区，主要包括生态保护红线、国家公园、自然保护区、风景名胜区、世界文化和自然遗产地、饮用水水源保护区、森林公园、地质公园、湿地公园、水产种质资源保护区等。此外，还需分析站点与国土空间、城乡建设、“三线一单”等相关规划的符合性与协调性。

环保措施是减少环境影响的重要举措。工程如果不涉及环境敏感区，从环保角度基本就可行了，但是工程建设必然会对水、气、声、生态环境产生一定的影响，需要采取一系列的针对性措施消除或者缓解不利影响，如生产废水和生活污水处理、下泄生态流量等。

景观打造是实现抽蓄高质量发展的重要途径。抽蓄电站一般位于生态环境较好的山地丘陵区，工程建成后形成上下两个水库，经过生态修复及景观打造，可纳入风景名胜区或者旅游景区，实现电站与环境的和谐发展，践行绿水青山就是金山银山理念。如浙江长龙山抽水蓄能电站已纳入天荒坪省级风景名胜区核心景区―江南天池内，衢江抽水蓄能电站已纳入烂柯山-乌溪江省级风景名胜区三级保护区内。

抽水蓄能电站的工程规模主要包括装机容量、连续满发小时数，水库的主要特征水位等参数。

抽水蓄能电站的装机容量、连续满发小时数选择，要综合考虑需要和可能两方面的因素。需要指的是电力系统的需求，可能指的是电站自己的建设条件。一般的方法，是在分析不同电力系统对于抽水蓄能电站的功能定位，以及电力系统对于连续满发小时数的要求基础上，合理的拟定装机容量方案和连续满发小时数，并通过电力生产模拟，经技术经济综合比较选定装机容量和连续满发小时数。

在实践中，一种简便初拟装机容量和满发利用小时数的方法，是首先根据水头范围确定单机容量，然后根据抽水蓄能天然储能量确定总装机和满发利用小时数。目前，在300m~500m水位落差范围，以额定容量30万千瓦的机组设计制造技术成熟、稳定运行条件好，工程实践经验最为丰富（这是为什么大部分已在建的抽水蓄能电站的装机容量一般是30万千瓦的偶数倍，兼顾考虑到分散布局的要求，最后以120万千瓦居多的原因）。在初步选定单机容量后，通过上、下水库的地形地质条件，并考虑到发电工况和抽水工况的水头损失，分析抽水蓄能电站的天然储能量。比如通过初步分析，某抽水蓄能电站上、下库平均水位落差450m左右，则单机容量选择30万千瓦较为适宜；上、下水库的天然储能量约660万千瓦时， 那么可以考虑选择4台机组，即总装机容量120万千瓦；结合电力系统需求，在天然情况基础上对水库进行一些扩挖后，使总的储能量达到720万千瓦时，相应即为6h时的连续满发小时数。

水库的特征水位主要包括正常蓄水位、死水位和洪水位等，一般是在连续满发小时数、装机容量选定后，进行这些水库特征水位的选择。

抽水蓄能的水工建筑物一般包括上水库、下水库，输水系统，地下厂房及开关站等。上、下水库的设计要点是要通过最小的工程代价来获得较大的库容。上水库大多采用开挖与筑坝相结合的方式，以面板堆石坝居多。抽水蓄能电站的水库渗漏问题，可以根据地质情况，采用全库防渗、库周帷幕防渗等多种方式，防渗材料可采用沥青混凝土面板、土工膜、黏土铺盖等。

抽水蓄能电站水库必须采用全库盆防渗时，大坝防渗形式应与库盆防渗形式统筹考虑，尽量避免或减少不同防渗结构间的接缝处理，提高可靠性。库底采用高回填的全库盆防渗，库底防渗结构应注意适应高回填产生的大变形或不均匀变形。

抽水蓄能电站的水头高，输水道结构所承担的压力大，根据水头、围岩地质条件、岔管尺寸等的不同，可以采用钢衬、钢筋混凝土衬砌等多种方式。

此外，为了保障电站的防洪安全，抽水蓄能电站还需要布置泄洪建筑物等，不在此详述。

3．施工组织设计

抽水蓄能电站的施工组织设计的主要任务包括：研究工程施工条件、施工导流、料源规划、主体工程施工、施工交通运输、施工工厂设施、施工总布置、施工总进度（施工工期）等方面的内容。

在设计工作中要充分利用站址地形地质条件，结合施工条件和工程设计方案，以集约节约用地的原则，初拟工程施工方案、土石方平衡及施工总布置方案等，尽量不占、少占耕地，降低工程造价。

作为建设大国，我国的建设管理与施工水平世界闻名。近年来，我国抽水蓄能在在绿色施工、关键装备研发应用、智能建造方面进行了许多有益的探索，部分施工技术已达到或领先国际水平。主要体现在筑坝施工技术日趋成熟、高压岔管施工技术取得新进展、复杂地质条件下的地下厂房洞室群开挖支护技术已有大量成功实践、斜井竖井施工技术与装备不断创新、机械化智能化建设成绩斐然，TBM在隧洞施工方面取得突破等方面。

4．机电及金属结构

抽水蓄能电站一般采用立轴单级混流可逆式蓄能机组。在水泵水轮机水力开发方面，我国已经具备700m水头段、单机容量40万千瓦的水泵水轮机设计制造能力，以及100m～700m水头段、单机容量40万千瓦及以下诸多蓄能机组的设计、制造、安装、调试及投产。从电站水头方面来看，在建的吉林敦化、广东阳江、浙江长龙山抽水蓄能电站额定水头均超过650m，处于世界前列；已经核准的浙江天台抽水蓄能电站额定水头724m，是世界额定水头最高的抽水蓄能电站，机组总体设计制造难度处于世界领先水平。在发电电动机开发方面，我国已建和在建抽水蓄能电站大型发电电动机均为立轴、三相、全空冷、可逆式同步电机。浙江长龙山抽水蓄能电站有2台机组额定转速达到600r/min、额定容量35万千瓦，部分机组已经投产的广东阳江抽水蓄能电站发电电动机额定转速500r/min、额定容量达到40万千瓦，发电电动机总体制造能力达到处于世界先进水平。此外，机电及金属结构还包括水力机械、电气工程、控制保护、金属结构等方面的大量内容，在此不再赘述。

我国抽水蓄能电站装备制造正在朝着高水头、大容量、高可靠性、宽变幅、可变速以及自主化、国产化等方向快速发展。

参考书目：