1.2 工程选址与总布置
1.2.1 选址概论
在什么地方建抽水蓄能电站首先应根据电网的需要，例如珠三角地区用电量大，负荷变化大，发电厂基本都是燃煤电厂与核电厂，只适宜于基荷运行，调峰非常重要，仅靠燃机电厂调峰非常不够，建抽水蓄能电站非常必要。近年来我国西北地区大力发展风、光电，与之配套建设的抽水蓄能电站正在规划中，因此抽水蓄能电站应根据多个条件进行选址，需要认真论证，选址主要需满足以下几个条件：
（1）抽水蓄能利用的是水的势能，对于一定的蓄能量，上、下水库的高度差（水头）越大，所需的库容越小，输水道截面越小，机组直径越小，厂房也可小些，可大大减小投资。目前许多大型抽水蓄能电站的上、下水库的平均高度差在500m以上，有的已达1000m以上。但过高的高度差不但很难找到合适的地址，而且设备能承受的压力也有限，目前单级的水泵水轮机最大工作水头为600～700m，超过这个高度一般就要采用多级水泵水轮机；若用冲击式水轮机与多级水泵，虽然可运行在更高的水头，但要采用三机串联式机组。上、下水库的平均高度差H是选址时首要条件，目前技术经济条件下，开发400～600m工作水头的抽水蓄能电站相对经济、建设经验成熟。
（2）上水库与下水库之间的水平距离L决定了修筑输水道的长度，输水道太长不但工程量大，投资大，而且输水的阻力大，直接造成了水头损失。所以上水库与下水库之间的水平距离L是选址时次要条件。一般来说L/H（距高比）小于10被认为是经济的，距高比小于5被认为是优良的站址。
（3）所选地址最好有天然的上水库与下水库，可以节省许多投资，这可能性很小，但利用天然高山湖泊只需加筑部分堤坝就可以形成水库或利用高山盆地只需筑一部分堤坝就可以蓄水成水库都是好方案，如江西洪屏上水库有近4km2的天然库盆。抽蓄电站的建设目的常常使电站位于负荷中心（与风、光电配套建设的抽蓄电站除外）、靠近城市及风景名胜区，优良的上库地质、地形、经济的天然距高比选择困难，因此需要采用一定的工程措施来改善。
（4）抽水蓄能电站虽靠自身水循环工作，但水会蒸发与渗漏，还必须有足够的补充水源。抽水蓄能电站周围要有高于下库最高水位的足够大的流域面积来向水库集水，最好有高于上水库最高水位的大面积流域。
（5）黄河流域及北方气候干旱地区，侵蚀模数较大常为多泥沙河流，为了避免泥沙问题带来的工程布置和上下水库长期运行排沙增加投资。可以参照溧阳布置方案，即上下水库基本无外围汇水，下水库通过补水管或临时补水措施从天目湖引水，以满足初期蓄水和运行期补水。也可以通过技术经济比较，填筑抬高上水库天然地形高程，得到经济的库容和工作水头，溧阳电站上库库底回填高度达115m，呼和浩特及正在规划的陕西镇安上水库均采用了挖填结合的布置形式。
1.2.2 抽水蓄能电站调压室与布置型式
抽水蓄能电站的上水库、下水库、厂房、输水管道、交通道路等布置要根据地质、地形等条件设计，尽量降低成本、方便施工。
在上水库与厂房间的输水管道要承受高水压，尤其是较低段，例如600m水头时水压达60个大气压，因压力管道造价成本高，要尽量短；厂房与下水库之间的输水管道（尾水道）水压低，要尽量用造价低的输水管道代替压力管道。
由于抽水蓄能电站的输水管道长，工况切换快而频繁，在输水管道设置调压室是非常重要的。由于管道长，存水量很大，在发电工况时，若停机或切换为抽水工况，上水库流向厂房的水因惯性不能迅速停止流动，使水压升高。管道越长、切换越快，水压上升越剧烈。同样在抽水工况时若停机或切换为发电工况，过长的尾水管同样会产生水压升高现象。解决的方法是在输水管道靠厂房处设置调压室，调压室多为圆筒状，有一定的容量，调压室底部连通输水管道，上部应高于水位线，调压室水位与管道连接的水库基本一致，上部充空气，如果调压室上端离地面不远可直接通向空中。当切换工况时管道中流动的水就流进调压室缓冲，抑制水压的大幅度上升。调压室也称为调压井或调压塔。
当上水库与下水库之间山坡是逐渐倾斜，上、下库间水位差不太高（例如水头小于400m）时可采用首部式布置，高压的引水管道（压力管道）就很短，用尾水道代替压力管道。由于压力管道短，省去上游调压室，仅建尾水调压室，这些可使工程造价大大降低。
当上水库向下水库方向有一段较高地势，在上水库向下水库方向建一段引水道，引水道是低压管道造价较低，再用一段压力管道通向厂房，厂房到下水库的尾水道采用低压管道，这样可降低工程造价。厂房在上水库与下水库之间，称为中部式布置抽水蓄能电站，中部式布置抽水蓄能电站常需两个调压室，一个上库调压井建在上水库引水道末端；一个尾水调压室建在尾水道靠厂房附近。中部式布置是目前高水头抽水蓄能电站采用较多的布置方式。
当上水库向下水库方向的地势都较高，在上水库向下水库方向建一段引水道，引水道尾部建调压井，由于厂房靠下水库，称为尾部式布置抽水蓄能电站，这种布置方式造价也较低。
1.2.3 工程总布置
1.2.3.1 主要内容
抽水蓄能电站工程总布置应包括上水库、下水库、电站厂房、变电站、水道系统、出线场、交通道路及补水工程等。应根据水文、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，按照工程总布置的要求，通过技术经济综合比较来确定。
1.2.3.2 主要特点
抽水蓄能电站工程在上、下两个较大落差的水库之间进行布置，一般多采用有压引水式开发。根据厂房在水道系统中的位置可采用首部式、中部式和尾部式三种布置型式。首部式、中部式多采用地下式厂房，尾部式开发可采用地下式、半地下式（竖井式）或地面式厂房。布置型式主要取决于地形、地质、施工及建筑物之间协调关系。我国建成的十三陵抽水蓄能电站、广州抽水蓄能电站为典型的中部式布置，天荒坪抽水蓄能电站为尾部式布置，泰安抽水蓄能电站为首部式布置。国外抽水蓄能电站结合特定的自然条件，做出许多有特色的工程布置，但概括起来仍可包含在上述三种布置型式之内。
混合式抽水蓄能电站为上水库有较大天然入库径流的抽水蓄能电站，并以常规机组和抽水蓄能机组相结合的开发方式。引水式开发的混合式抽水蓄能电站的布置型式与纯抽水蓄能电站基本相同。坝后式开发的混合式抽水蓄能电站布置型式与坝后式布置的常规水电站相似。厂房可布置在坝后、坝内或布置在岸边，尾水与下水库衔接。
1.2.3.3 水源条件
抽水蓄能电站的抽水水源是影响电站建设的重要因素，特别是在一些水资源缺乏地区，问题更为突出，应予以重视。特别应重视运行期、初期蓄水期的水量平衡分析，当来水不足时，为保证电站的正常运行，应研究可能的补水措施。水量平衡分析中，关于补水量的设计保证率，在正常运行期一般不应低于95%；在初期蓄水期，可选取保证率为75%的枯水年（或连续枯水年份）与50%的平水年份分别进行调节计算，前者将反映初期蓄水时间可能遭遇到较为不利的水文条件，作为估算较长初期充蓄时间的依据，后者系遭遇到的平均水文条件下，作为估算平均初期充蓄时间的依据；当初期蓄水时间长时，应研究提前蓄水的可能性，并对水源水库的施工工期提出相应要求。
根据水量平衡分析，如出现水源不足情况，应研究补水措施，如从其他水库或相邻流域引水。
1.2.3.4 上、下水库
应根据形成水库的地形、地质条件选择上、下水库库址，宜选择两库间水平距离较短的方案，并能充分合理地利用高差。习惯上一般采用“距高比”作为主要控制指标，但不一定都能确切地反映工程的经济性。一般来说，凡是高水头、短水道布置，可为电力系统提供最佳快速反应能力及机组转速调整的稳定性。
另外，布置上、下水库时，应对水库的渗漏及由于渗漏对相邻建筑的影响进行论证；应分析水文地质结构及岩层和断裂带的透水性，以及形成库坝渗漏的主要途径及其渗漏量。当渗漏对岸坡稳定、地下洞室及相邻建筑物，以及电站安全经济运行存在不利影响时，应采取相应的工程措施。
总之，在总布置中应根据地形、地质条件，必要时包括采用工程措施，力求为抽水蓄能电站提供最佳的快速反应能力。
1.2.3.5 厂房
在确定机型、装机容量和机组台数的基础上，再考虑地形、地质条件，上、下水库衔接的水力条件，出线场位置，施工及运行管理等要求的情况下，综合考虑确定厂房合理的布置型式。
为了防止空化，水泵水轮机机组要安装在下水库水面以下的地方。抽水蓄能机组的吸出高度大于普通水轮机组，例如广州抽水蓄能的吸出高度为70m，正在建设的吉林敦化吸出高度达94m，所以抽水蓄能电站多采用地下式厂房，其次为半地下式（竖井式）厂房、地面式厂房。地面式厂房、半地下式厂房多布置在水道系统的尾部，地下厂房可布置在水道的首部、中部或尾部。
当抽水蓄能电站厂房布置在水道系统尾部时，为适应机组吸出高度要求大、厂房机组下卧深等条件，应重点考虑下水库水的反渗和扬压力增大及施工条件、机电安装等问题。厂房布置在首部时，应考虑地下水和上水库渗流对地下厂房的影响。
抽水蓄能电站地面式厂房与常规水电站地面式厂房设计不同之处：①机组安装高程较低，高水头抽水蓄能电站机组中心距下水库死水位高差达70～80m，这是抽水运行所必需的；②下水库水位一般变幅大，淹没深度较大，厂房基础承受很大的浮托力；③因上述条件限制，施工较为复杂。
美国巴斯康蒂抽水蓄能电站在水道尾部布置地面厂房，其最大淹没深度60.65m，抗浮安全系数是控制稳定的条件，需要增加大量的混凝土重量维持稳定。厂房的墙壁及支承柱、板等以增加重量决定其尺寸，厂房建筑共浇筑了290548m3混凝土。对于淹没深度不很大的混合式抽水蓄能电站地面式厂房布置还较普遍。如我国的岗南、密云、潘家口抽水蓄能电站以及2001年建成湖北天堂抽水蓄能电站均采用地面式布置。
主厂房一般并列几台抽水蓄能机组，进水主阀一般采用球阀，球阀可用于高水压工作环境，球阀除了应对故障与检修要关闭外，在启停时关闭主阀可缩短启动时间，在运行时调节主阀开度可辅助机组的变功率运行。
除了水轮机工况时需要的调速系统外，大型电动发电机的启动系统是抽水蓄能电站不可少的。目前变频启动方式在大型机组得到广泛应用，不但能平稳地启动电机旋转，还可调节转速，使水泵根据需要运行在最佳状态。
厂房的压缩空气系统由空气压缩装置、管道系统和测量控制三部分组成，压缩空气主要用于液压系统油罐充气与转轮室压水用气。转轮室压水使转轮露出水面，减小电机启动时的阻力。厂房的液压系统提供球阀、接力器等驱动机构所需的动力。厂房还要安装润滑油路系统、辅助供排水系统、厂房供电力设备等。
1.2.3.6 输水系统
水道系统布置应综合考虑地形、地质、水力学、施工、运行及沿线建筑物等各种因素，在满足工程总布置要求的前提下，水道线路宜选在地质构造简单、岩体完整稳定，岩层覆盖厚度满足设计要求、水文地质条件有利的地区。
我国几个已投运的抽水蓄能电站工程总布置，都比较好地协调了建筑物之间关系，达到总体优化布置。天荒坪抽水蓄能电站枢纽主要建筑物均位于大溪河左岸，山顶与大溪河谷底地形高差约700m，站址的自然条件实际上已确定了上、下水库的位置，水道的走向与大溪河道垂直。经方案比较厂房布置在水道尾部，厂房轴线选在N30°W，其围岩质量指标、地质构造、地应力等方面都能满足厂房洞室的布置要求，主要辅助洞较短，较为经济。厂房轴线方向与水道方向的交角约64°，尾水系统轴线与厂房轴线成78.8°交角。高压管道倾角为58°的斜井。广州抽水蓄能电站一期、十三陵抽水蓄能电站地下厂房在施工过程中均考虑了新发现的地质问题，对厂房位置及轴线方向做了调整，两个工程的水道引水支管分别以65°、90°进入厂房，尾水支管以90°、60°引出厂房，两个工程的尾水隧洞轴线方向均做了调整与下水库进/出水口衔接。
高压管道（或高压隧洞）在立面的布置，采用斜井还是竖井，主要应考虑岩层和断裂产状与水道轴线的夹角关系及工程总布置的要求选取方案。斜井和竖井布置的施工难易之争，往往与施工习惯和经验的积累有关，至今，我国已积累了丰富的斜井施工经验。
1.2.3.7 高压钢管、岔管
抽水蓄能电站通常采用压力钢管或混凝土管道。混凝土及钢筋混凝土岔管在围岩条件好、最小地应力满足要求、岩体覆盖足够厚的情况下常被采用，钢岔管在岩体覆盖厚度不够或围岩条件较差的情况下常被采用。
一方面，抽水蓄能电站的地下厂房一般埋深大，岔管处岩体覆盖往往很厚，有条件采用混凝土或钢筋混凝土岔管。而且从抽水蓄能电站的发展看，高水头、大单机容量、大流量导致大直径管道，岔管体型复杂，如果采用钢管，钢板厚，加工、运输、现场焊接工艺等难度很大、投资也较大。因此，只要条件具备，应对混凝土或钢筋混凝土岔管方案加以研究。混凝土或钢筋混凝土岔管衬砌本身只起到平整作用，内水压力基本上是由围岩承担，当岔管放空时，外水压力借助排水措施和放空速度的控制减少内外水压差，保持混凝土衬砌的安全。另一方面，虽然钢岔管体型复杂、加工、运输、现场焊接等难度很大、投资也较大，但能适应不良的地质条件，且对运行期的安全更有保障。
高水头钢筋混凝土压力管道设计技术是20世纪80年代我国开始第一批抽水蓄能电站建设时引进的，国外钢筋混凝土高压管道最大静水头一般在600m以下，美国的赫尔姆斯593m、英国迪诺威克590m，巴斯康蒂410m、法国蒙特奇克430m都出现过事故，在我国抽蓄电站投运的4个600m级钢筋混凝土压力管道相继出现事故，因此国网新源公司的抽水蓄能项目一般都推荐优先采用压力钢管；但是，美国巴斯康蒂、赫尔姆斯、巴德溪、腊孔山等抽水蓄能电站在工程的特定条件下，也有采用钢筋混凝土岔管的成功案例。
我国广州抽水蓄能电站一期钢筋混凝土岔管处于粗粒（斑状）黑云母花岗岩体中，岩体完整，岔管上覆围岩厚度440～480m，内水最大动压水头704.5m，静压水头611m，围岩地应力场σ1=13MPa±1MPa、σ2=10MPa±1MPa、σ3=7.5MPa±1MPa，岔管直径8.0m/3.5m，HD值5636m2，采用卜型四分岔布置。浙江天荒坪抽水蓄能电站钢筋混凝土岔管处于含砾流纹质熔凝灰岩，围岩新鲜、完整、坚硬，岔管上覆围岩最小厚度360m，内水静压水头683.5m，内水最大动压水头800m，最小主应力大于内水压力，从区域地应力回归看，岔管位置最小地应力可达8.2MPa以上，HD值5600m2，岔管直径7.0m/3.6m，采用卜型三分岔布置。英国迪诺威克抽水蓄能电站钢筋混凝土岔管处于板岩，岔管处围岩垂直覆盖厚度约为500m，静内水压力水头为542m，分岔段由9.5m直径的主洞分为6条内径3.3m直径的支管，HD值约为5700m2。
上述各工程在布置钢筋混凝土岔管时，最小地应力与内水压力之比的判别标准上有不相同处，例如挪威准则要求大于1，有些国家要求大于1.5等，但实质上是应要求岔管围岩在内水压力作用下不出现拉应力，即应计入岩体不均质的影响，也应考虑到岔管非圆形断面的影响，一般需进行三维有限元分析。
总之，高压岔管在水道系统中的布置，应根据地形、地质条件，厂房布置及水力条件等因素确定。当采用钢筋混凝土岔管时，围岩应满足以下条件：
（1）所处位置地质条件良好，围岩以Ⅰ、Ⅱ类为主，并处于地下厂房围岩开挖爆破影响范围以外。
（2）应确认岔管位置处围岩初始最小地应力大于该处管内设计静水压力，并对围岩构造做加固处理。
（3）岔管上部、侧部具有足够能承受内水压力的岩石覆盖，其与相邻洞室的间距应按水力劈裂要求确定。
1.2.3.8 出线场
出线场位置宜靠近主变压器和开关站，厂区地面各种建筑物和设施应选择地基及边坡稳定地段，且避开冲沟口等不利地形，否则应对山洪、泥石流等采取预防措施。