1.3 水工建筑物设计

1.3.1 上、下水库设计

1.3.1.1 一般规定

抽水蓄能电站上、下水库设计与常规水电站设计存在着明显差别。主要包括上、下水库建筑物组成、防渗要求、往复水流的运动、水库内、外边坡稳定性，寒冷地区的冰情对建筑物的影响及电站与环境工程的整体规划协调等。其中最为关注的问题应是上水库渗漏对坝、岸坡及水道和厂房系统等稳定性的影响。坝工布置及设计与常规水电站相同。

据国内工程建设费用的统计，上、下水库工程费用约占电站静态总投资的15%～24%，当上、下水库地形地质条件优越，不做全面防渗处理时取下限；当上、下水库均需做全面防渗处理时取上限。由此可见，库址地形、地质条件，特别是全库防渗要求对投资影响明显，抽水蓄能电站设计中应注意不要因上水库容积较小而忽视其在整个环节上的重要性。

另外，电站上、下水库通常与环境工程相联系，应与景区整体规划相协调。

1.3.1.2 上、下水库工程布置

1.泥沙治理

在我国北方，河流含沙较多，修建上、下水库时，应因地制宜采取泥沙处理的工程措施，以降低或限制进/出水口前淤积高程和过机含沙量，改善机组的磨损条件的要求。截止到2013年年底国内、外已建成的抽水蓄能电站的机组缺乏在含沙水流中运行的先例。但由于水泵水轮机的相对流速大于常规机组，水泵水轮机对磨损的影响更为敏感。张河湾抽水蓄能电站下水库，多年平均年入库沙量116.3万t，多年平均含沙量达11.1kg/m³，悬移质占82%，其硬矿物质占49%；西龙池抽水蓄能电站，滹沱河多年平均年入库沙量786.5万t，多年平均含沙量17.5kg/m³，悬移质占90%；蒲石河抽水蓄能电站、北京市白河干流板桥峪抽水蓄能电站下水库等都不同程度的存在类似问题。张河湾抽水蓄能电站下水库在距主坝1.8km设拦沙潜坝，在拦沙坝上游利用河岸天然垭口地形布置明渠汛期输水沙至主坝前通过冲沙闸排除，保持进出水口门前清。西龙池抽水蓄能电站绕开滹沱河采用岸边库，距河边约500～600m，与原河道浑水分开。上述工程尽量利用拦排沙措施，限制进/出水口泥沙淤积高程和过机含沙量，通过物理模型试验验证，效果是显著的。当然采用岸边库可以彻底解决下水库泥沙问题。目前国内外尚缺乏这类机组在含沙水流中运行的工程实例，因此其磨损特性及规律尚待进一步研究与探讨。国外个别抽水蓄能电站有按进/出水口水体浑浊度指标控制电站运行的实例。

2.坝型选择

上、下水库坝型选择，应根据水文、气象、地形、地质、当地材料、地震烈度、施工、运行情况等，参照常规水电站各种坝型的有关设计规范做技术经济比较选定。当结合库盆开挖有大量土石方量需要弃置时，设计中应按照土石方挖填平衡原则选择坝型。结合水库地形地质条件，充分利用当地材料筑坝应成为水库的主要坝型，面板堆石坝与混凝土坝比较造价低，能适应不同的地质和地形、布置灵活，尤其是库盆、库岸有防渗要求时能实现表面防渗系统的良好衔接。抽蓄电站上水库一般没有常规电站的防汛压力、泄洪要求，不需要布置规模巨大的溢洪道，因此目前，面板堆石坝成为抽水蓄能电站上水库最主要的选用坝型。

3.坝线布置

结合地形、地质及成库条件，可选直线或折线，必要时亦可采用曲线围坝成库，以便以较小的工程量获得相对较大的库容。

4.水源选择

尽量利用自然条件（有利地形和溪流），增加天然径流量，用以补充蒸发、渗漏损失。修建引水工程将其他溪流的径流集中使用，形成多水源的水库联合布置。在特殊地形条件下，一个抽水蓄能电站可不止一个上水库或下水库。意大利奇奥塔斯和洛维娜两个上水库、两条引水道系统、同一地下厂房、共用尾水系统，一个下水库。奇奥塔斯（上水库）—皮阿斯特拉抽水蓄能（下水库）电站，安装8台单机容量148MW四级可逆式机组，洛维娜抽水蓄能（上水库）—皮阿斯特拉抽水蓄能（下水库）电站安装1台单机容量134MW的三机式机组，9台机组处于同一厂房内，前者较后者水头高400m。既节约投资，又方便运行。该电站9台机组的水泵都用同步启动方式启动，洛维娜—皮阿斯特拉抽水蓄能电站的三机式机组可以解决最后一台机水泵工况启动问题，不必再设置另外的水泵启动装置。

5.泄水建筑物

重点分析天然洪水与电站发电流量遭遇的影响及所需泄水建筑物的类型、布置等。抽水蓄能电站相当多的以开挖和填筑相结合而形成上、下水库，集水面积小，暴雨产生的洪峰不大，一般不专门设泄洪建筑物，仅在库岸顶部设置排泄系统排除顶部以上汇集的洪水；当水库集水面积较大、洪量较大，暴雨形成洪峰流量需要泄洪时，上、下水库都应布置具有及时排泄天然洪水能力的泄水建筑物。表1-1为国内外部分抽水蓄能电站设置泄水建筑物的部分工程实例。

6.放空和回蓄设施

根据检修要求（北方还有泥沙条件），上、下水库可设置排沙放空和回蓄充水的设施。适应初期充水和检修后回蓄的要求，不宜留较大的死库容，必要时，可采取工程措施填高库底。初期充水的水源和充蓄设施宜加以保留。

最后，对有全面防渗要求的水库，库岸应平顺，在转弯段应以一定曲率的扇形面平顺连接，改善防渗护面的受力条件和不同材料分条碾压和分缝的构造要求。防渗护面地基软硬交接带，应加以处理。库顶道路宽度除应满足交通和筑坝构造要求外，还应满足不同护面材料施工机械操作要求，库顶公路应与对外公路衔接。

1.3.1.3 挡水建筑物设计

抽水蓄能电站在上水库的建坝中，常会遇到两个问题：①设法利用库盆的开挖料（包括风化岩、软岩等料）筑坝问题；②在较陡的沟谷纵坡地基上建坝问题。

关于利用风化岩和软岩筑坝技术和常规水电站建坝技术相同，应遵循相应设计规范的规定。我国在抽水蓄能电站上水库斜坡地基上筑坝，十三陵抽水蓄能电站上水库主坝首先实践，坝高（轴线/坝顶与坝趾的高差）75m/118m，建坝于1∶4斜坡强风化安山岩地基上；于1993年9月填筑完成，1995年8月以后分段蓄水，运行正常。溧阳工程上水库面板堆石坝地基在倾角为20°斜坡上，且中间有一道山梁坝基地形呈W形，对沉降和变形不利，值得重点关注研究。

斜坡地基上筑土石坝，对坝体稳定和变形控制均不利，在设计中应对坝体稳定和变形作专门论证，根据已建工程的经验，着重试验和分析以下内容：①进行堆石料沿倾斜地基接触面及地基下存在的软弱结构面的抗剪强度试验；②分段研究施工期和蓄水期运行的稳定性及坝体变形；③必要时，对堆石坝体进行“变形离心模型试验”，复核对坝体整体稳定性和变形的影响。

另外，上、下水库挡水建筑物设计除主、副坝外，还包括库岸。库岸部分应对单薄分水岭、垭口、断裂发育段做重点设计工作。同时，还应关注地震作用效应，结合高山动力参数测定的成果，进行地震核算。

1.3.1.4 防渗设计

渗流控制是抽水蓄能电站上水库建设的关键技术问题。所产生的渗流不恶化原始水文地质条件，不影响库岸、坝基、水道系统、地下洞室围岩稳定性；其次渗流量将损失电能，应考虑电站技术经济指标的合理性。

依据国内外已建成上水库对无天然径流补给，全库防渗的渗流控制的工程实例，防渗做得好的工程，基本可控制在日渗量不大于0.2‰～0.5‰的总库容范围以内，参见表1-2～表1-4。

水库采用局部防渗（如仅对坝和坝基防渗，或对岸边垭口及断层、裂隙密集带处理），渗流控制根据各自条件（有无天然径流补给）选择，一般变化范围较大。抽水蓄能电站上、下水库采用全面防渗时，应注意防渗层下基础和地基的处理，国内外的工程实例均提供了这方面的经验教训。

对岩基内分布的破碎带、断层、软弱夹层、喀斯特溶洞及变形特性有明显差别的地层应做适当加固。美国西尼卡抽水蓄能电站，上水库围坝成库，沥青混凝土防渗层建于砂岩、砂页岩夹层地基上，由于砂页岩基分布的断层当初未做处理，衬砌曾发生过严重的渗漏，后加以处理和修补。我国天荒坪抽水蓄能电站上水库，在第二次充水过程中，于1998年9月29日发现库底渗漏，检查发现东北侧库盆中部距进水口截水墙约40～60m处，沥青混凝土底板上共有8条裂缝。从沿裂缝开挖槽探的情况看，流纹质角砾熔岩岩基，发育NNW和NNE向的陡倾角裂隙，全风化岩（土）体的渗透性和变模、标贯等指标十分离散。底板贯穿性的3～8号裂缝，其下均与基岩裂缝相连，因此，修复中重点解决了地基的不均匀问题，并修复防渗层。德国建于1963～1964年的格莱姆斯抽水蓄能电站上水库库底存在大面积的喀斯特地层空隙，为了防止衬砌的开裂，对地基深挖2m，岩石经破碎、整平后碾压密实，其上修建防渗衬砌，自1964年建成投运，工作正常，其不透水性和地基处理的有效性得到验证。

沥青混凝土防渗设计目前尚处经验设计阶段，理论方法不成熟。但是，造成沥青混凝土防渗层破坏的影响因素和它们之间关系看法较为一致。一般设计防渗层应考虑应力、变形、温度、变形速率四个因素。

沥青混凝土面板衬砌防渗：西欧各国大致从20世纪30年代开始将沥青混凝土技术用于水工建筑物，近20年来在材料、设备、施工工艺，质量控制等方面得到很大发展，成为一门实用成熟的技术。它的优越性主要表现在黏弹性性质和应力松弛性质，渗透的严格控制，易于修缮补强等，且施工机械配套，得到广泛应用。表1-5为国内外近年部分工程实例。

沥青混凝土防渗衬砌可分为中间设排水层的复式构造和中间不设排水层的简式构造两种。如仅从防止库水外渗考虑，经压实的沥青防渗层孔隙率可达2%～4%，渗透系数小于10^-8cm/s，渗流能得到控制，简式构造能满足防渗要求。西欧各国近年来大量采用该种衬砌型式。1997年我国建成的天荒坪抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板衬砌，采用简式构造。在对防渗衬砌构造有很高安全度要求的情况下，如地基下存在亲水矿物较强的软弱夹层，影响地基或岸坡稳定性，或者工程地处地震多发区，采用复式衬砌构造是必要的。日本水利水电工程中采用复式衬砌型式较多。但是不论采用上述哪一种衬砌型式，对施工接缝和衬砌与其他建筑物接合部的不透水性，在设计和施工方面都必须予以足够的重视。

混凝土面板衬砌防渗：混凝土材料用于抽水蓄能电站上、下水库全面防渗，据现有掌握的资料最早于1955年德国瑞本勒特抽水蓄能电站上水库坡面上采用了7m×7m、厚20cm的素混凝土面板防渗结构。库底面采用三层玻璃纤维沥青油毡组成。运行36年后，由于混凝土裂缝和缝间止水渗流量过大（达37L/s）于1991年改建为沥青混凝土面板。1975年法国拉古施抽水蓄能电站上水库建成总库容200万m³，防渗面积达10万m²的钢筋混凝土面板防渗，面板分块12m×20m，板厚30cm，局部库岸采用了复式防渗结构，下层防渗层采用了浸沥青的油毛毡，实测全库控制渗漏量100～11.7L/s。1995年建成的中国十三陵抽水蓄能电站上水库钢筋混凝土面板全库防渗，总库容445万m³，防渗面积达17.5万m²，分块分缝根据结构部位和地基介质条件变化，分缝总长达2万m。采用30cm厚的钢筋混凝土面板。西坡存在软弱夹层段，采用了复式结构防渗，其底层防渗层采用氯丁胶乳沥青与聚酯纤维无纺布组成防渗膜。实测全库渗流量，1998年冬季12月为14.16L/s，1999年、2000年冬季渗流量为7～6L/s，其他季节为0.02L/s。

混凝土属于刚性材料，适应地层变化能力差，受温度、干缩等影响容易产生裂缝。利用分块分缝柔化，需要设置较多永久缝，缝间止水构造要求工艺高，一般渗漏量较沥青混凝土大，如果设计和施工方案正确，钢筋混凝土面板防渗控制每天渗漏量控制在0.3‰～0.5‰的总库容以下，技术上可行，工程上也是安全的。因此，钢筋混凝土面板防渗的应用条件是：当地区气候条件、地形条件，或者材料、设备、工艺等条件在综合方案对比中具有优势时采用。

钢筋混凝土面板全库盆防渗应注意解决好的问题有：①与常规面板堆石坝既有坝面防渗又有地基垂直防渗的要求不同，而是坝坡和库底均采用混凝土面板防渗，堆石面板坝的趾板，改为坝坡与库底面板的过渡连接板型式，基础均坐落在排水垫层上；②为避免面板渗漏在库水位骤降时在面板后产生反向渗压及冬季冻胀破坏，面板下应设置自由的排水垫层，渗透系数大于1×10^-2cm/s；③在满足防渗要求下，应具有较好的柔性，采用薄混凝土面板，根据温度、干缩和适应地基变形要求合理地设置垂直缝；④采用新材料、新工艺改善永久缝的止水构造，严格控制渗漏量；⑤有特殊防渗要求时，可采用复式防渗构造；⑥优选面板混凝土配合比，满足面板的工作条件；⑦选用先进的面板施工工艺。

黏土铺盖全库防渗：利用高山或台地上沉积的黏性土，采用挖、填方式形成水库，在有这种地形、地质自然条件下是较好的防渗方案。

俄国在莫斯科附近的扎戈尔抽水蓄能电站利用冰碛土挖、填围坝，形成上水库，围坝第一期工程总长约为5km，总库容为2987万m³，死库容770万m³，正常蓄水位266.5m，死水位257.5m，工作深度9m，形成狭长碟形水库。坝基设置砂砾混合料水平排水设备，由于当地符合反滤层级配料为数不多，上游护坡采用钢筋混凝土板，厚度20cm，边坡每隔40m设一温度沉降缝，分块尺寸约为6m×10m，主要起防冲刷作用，缝间设2.5cm厚防腐板，构造简陋，运行期破坏较多。为了防止迎水面护坡板在反向水压作用下浮起，设计采用80～100cm深的整体钢筋混凝土锚固齿墙，稳定护坡。边坡采用1∶3.5，并在护坡内设减压排水设施。美国路丁顿抽水蓄能电站1977年建成上水库，以黏土铺盖防渗。

黏土铺盖设计与常规水电站软基铺盖设计基本相同。结合抽水蓄能电站水库水位骤降的特点，设计中应注意解决以下问题：①黏土防渗层应满足防渗和渗透稳定要求；②防渗黏土层的下游侧设置自由排水反滤层，改善防渗层后的反向压力；③按照实际反向动水压力作用设计稳定边坡；④在黏土防渗层表面设计防冲、防冻、防干裂保护层。

综合性防渗措施：抽水蓄能电站的水库曾经采用的综合性防渗措施有以下几种类型：①日本蛇尾川抽水蓄能电站上水库坝高90.5m的堆石坝，上游面板采用沥青混凝土面板，坝趾廊道内进行岩石地基帷幕灌浆防渗，在库岸渗漏段加设局部帷幕灌浆，形成防渗体系；②德国瑞本勒特抽水蓄能电站上水库，在1991年改建前，库岸和坝坡采用混凝土面板防渗，库底面采用三层玻璃纤维沥青油毡防渗；③我国正在设计和建设的抽水蓄能电站中，主坝采用堆石面板防渗，地基岩石进行帷幕灌浆，库底面采用黏土铺盖防渗，局部库岸采用帷幕灌浆等多种方法组合形成防渗体系。综合性防渗措施，针对具体工程和不同渗漏通道，给予合理地处理，在技术上可行。在选择综合性防渗方案时应进行较全面的分析对比，比如需要增加不同材料的施工设备，施工干扰对工期的影响，在防渗体系中不同材料接合部的防渗可靠性等进行仔细研究，通过分析对比，合理选择衬护防渗方案。

1.3.1.5 排水设计

排水系统的排水能力应计入通过防渗层的渗流和不通过防渗层的地下涌水量。渗流量和涌水量应通过分析计算确定。考虑到地下涌水分析计算的难度，以及资料的可靠程度，开挖施工中应做好现场测试工作，为设计或者补充完善设计提供可靠的资料。

排水设施按各工程的具体条件，可能有坝体和坝基排水、岸坡排水、库底排水及检查排水廊道等。为了便于检查渗漏通道位置，以分区设置排水为好。排水系统各汇流断面的排水能力应按汇流叠加量计算。排水一般应不使防渗面板产生具有反向压力的自由流动，其排水料渗透系数为10^-1～10^-2cm/s，通过计算确定排水纵坡、排水层厚度及透水花管的数量和布置等。对地下涌水引入排水系统的暗沟和管路，应设置透水性大且级配良好的反滤料过渡。排水系统的安全系数，应考虑地形、地质、渗漏量分析的可靠性程度和排水淤堵的影响等确定，一般建议采用2以上。

抽水蓄能电站上、下水库排水系统设计比常规水电显得更为重要、结构也更复杂。水库的水位频繁快速升降，容易形成设计的骤降工况，使防渗层后形成的反向压力，易造成防渗层破坏。因此，国内外抽水蓄能电站上、下水库设计，特别是全面防渗的水库一般都设置了十分完备的排水系统。

1.3.1.6 水库观测设计

抽水蓄能电站上、下水库应布置必要的观测仪器和设施，对工程施工期、初期蓄水和正常运行期进行观测。对有防渗面板的水库应布置的观测项目：防渗面板的垂直和水平缝位移，周边缝位移，面板法向挠曲变形等；防渗面板表面及内部的温度、应力，面板直观检查（裂缝、流淌等）；渗透观测，包括面板后的水位、渗压、渗透流量和水质等；气温、风速、日照、冰情等；其他根据工程特性应做的必要观测。

另外，还应重点关注：地基与填筑坝体之间接触位移的观测，运行期渗流可能引起的山体水文地质条件变化的监测，高山多雷区应注意研究解决传感器避雷问题。

1.3.1.7 水库初期蓄水

纯抽水蓄能电站新建的具有防渗面板的水库，一般库容不大，水位升、降的速率较大，坝体、岸坡受水压作用，防渗面板和地基联合受力并产生变形，为了使这种变形在初期蓄水时逐渐缓慢的完成，需要限制水位上升速度，并使水位停顿一定时间，进行监控测量；也可能初次蓄水与机组调试穿插进行，发生水位升降过程，而对水位初次下降速度也应加以限制规定，并结合进行防渗面板的渗压监测等。因此，水库初期蓄水与防渗面板和地基变形、渗漏量监测、防渗面板下反压监测等有关。国内外对该种水库的初次蓄水均作出必要的限制规定。

日本采用沥青混凝土防渗的水库（如沼原抽水蓄能电站上水库），初期蓄水时水位上升：死水位以下每天2m，水位1198～1222m（有水调试水位）每天1m，1222～1226m每2天1m，1226～1238m（满水位）每4天1m。

我国十三陵抽水蓄能电站上水库采用钢筋混凝土面板防渗，对初期蓄水制定了明确的规定，在死水位以上分四个高程540m、550m、558m、566m水位上升速度不大于1m/d，在每个高程处水位停顿4～6天，进行诸项内容的监测，与机组调试穿插进行，规定库水位下降速度不超过1.5m/d。同时，降落速率应小于0.5m/h，并进行实时监测。初次蓄水完成，从监测资料分析无异常，正常运行期不加限制。

在不设防渗面板的水库，其初次蓄水可不受此项规定的限制。

当上水库初次充水的水源必须由下水库供给时，应根据上水库死库容的大小和发电调试的水位要求，拟定供水方案并经技术经济比较选定。宜优先采用满足机组初期以发电工况完成最基本的调试试验所需的水量，作为上水库的初次充水量。

在寒冷地区沥青混凝土面板的初期蓄水宜避开冬季低温时段进行。

1.3.1.8 水库放空功能的设置

一般认为，现代面板堆石坝不会有放空水库进行处理的可能性，而主张取消放空洞（放空洞使用概率少、维修管理工作量大）。但抽水蓄能电站上下库常大挖大填形成，且水位变化频繁，有时上下水库需要放空进行抢险工作，坝高和总库容设计要考虑放空工况，因此对于抽水蓄能电站面板堆石坝，可以结合抽水蓄能电站机组的特点，在利用抽水蓄能电站输水系统的基础上，结合其他措施放空水库进行抢险。

1.3.2 水道系统设计

1.3.2.1 一般规定

抽水蓄能电站对电网负荷变化的迅速响应能力，主要是通过合理选择水道系统布置和机组控制设备参数来实现的，即调整水道系统的惯性常数T_w和机组加速时间常数T_a。表1-6为日本和我国已建的大型抽水蓄能电站的T_w和T_a参数的统计资料。我国目前建成投产的几座大型抽水蓄能电站都具有很好的负荷变化的迅速响应能力，其T_w=（1.5～1.63）s，T_a=（8～9）s，T_a/T_w=（5.3～5.52），与美国土木工程协会编制的《抽水蓄能和潮汐电站》规定的T_a/T_w之比大于5的要求相符。日本抽水蓄能电站的T_a/T_w之比，有的电站为3.3，放宽了对下限的限制。总的看来，多数抽水蓄能电站T_a/T_w之比，比常规水电站要求高，T_a/T_w的比值是发电机组和水泵水轮机惯性的函数，是控制设计系统调节稳定性和电站响应的准则，应根据水道系统布置及机组过渡过程计算结果分析确定。

另外，水道系统设计包括进/出水口、引水隧洞、高压管道、引水调压室、尾水调压室及尾水隧洞等项内容。根据地形地质条件，水道系统可选择采用埋藏式或混合式（地下与明管结合）。水道系统设计应适应抽水蓄能电站运行工况切换频繁、双向水流运动的特点，过渡过程应满足设计系统调节稳定性和电站快速响应要求。

1.3.2.2 水道系统布置

水道系统是抽水蓄能电站取得落差的部位，且多在山体内开挖修建，因此，在设计布置水道系统时，选择布置好施工支洞的位置，使之形成良好的施工条件和环境是不容忽视的。广州抽水蓄能电站（简称广蓄）一期施工期曾发生一般难以预计的情况，由于上下水库相对高差达500～600m，气温、气压和湿度差别明显；同时，由于洞室出口多，且分布在不同高程，致使气流走向混乱，短路现象经常发生，靠自然通风，洞内环境很难改善。以斜井为例，在斜井内冷暖气流会合冷凝结雾的情况时有发生，有时甚至连续几天，给测量、施工、设备安装带来困难。因此，水道系统设计时应兼顾施工条件、选择好施工支洞的位置，以利提高施工效率。

水道系统向机组供水采用“一洞一机”或“一洞多机”布置方式，应根据地形地质条件、管径（或洞径）、衬砌型式和材料、电站运行要求等，通过技术经济论证确定。广蓄一期工程装机4×300MW，由于围岩条件好，采用钢筋混凝土衬砌高压隧洞，引水系统布置是采用“一洞四机”还是“二洞四机”，国内外专家和国外厂商均存在不同意见。采用“一洞四机”，施工条件简化，投资相对省15%，问题是一旦引水系统出现事故，需要全厂停机检修，电厂将难以承受。业主单位经认真研究认为，引水系统土建工程事故极为罕见；4台机组的球阀系进口设备，可靠度高；作为主要提供低谷电的大亚湾核电站每年有两个月以上的停机换核原料时间，给本电站检修带来方便；万一要全厂停机检修，届时广东、香港、广西电网已联网，可发挥电网统调能力解决；再则，当时广蓄二期扩建已在酝酿，从电站总体上讲，“二洞八机”布置更为合理。综合比较利弊两个方面，最后决策选择“一洞四机”方案。2005年首台机组发电的日本最大的装机容量2700MW的神流川抽水蓄能电站，装有6×450MW的机组。围岩条件良好，采用钢筋混凝土衬砌型式。对于长近1000m的倾斜高压管道，采用隧洞掘进机（TBM）进行全断面开挖。高压隧洞对机组供水采用“一洞二机”，直径6.1m。从引水隧洞布置看，一条为“一洞四机”，引水隧洞洞径8.2m，经两次分岔后向机组供水；另一条为“一洞二机”，洞径6.1m，这种特殊的布置，可能是考虑隧洞掘进机直径和能力条件而定。我国十三陵抽水蓄能电站装机4×200MW，考虑高压管道地质条件差（上斜段围岩以Ⅳ～V类为主，下斜段围岩以Ⅲ类为主）和钢管制作安装需要，采用“一洞二机”；天荒坪抽水蓄能电站装机6×300MW，考虑高压管道地质条件好和钢筋混凝土衬砌条件，采用“一洞三机”布置；江苏溧阳抽水蓄能电站装机6×250MW，虽然地质条件差，但考虑到空间上布置难度大，仍然采用“一洞三机”布置。

相邻隧洞间岩体的厚度的确定，与《水工隧洞设计规范》DL/T 5195—2004的规定相同，即一般不宜小于2倍的洞径（或洞宽）；岩石较好时可适当减小，但不宜小于1倍洞径（或洞宽）。对于混凝土或钢筋混凝土衬砌的高水头抽水蓄能电站的高压隧洞，还应根据内水压力，按水力劈裂要求进行核算，其最小厚度应满足水力劈裂要求。若因某些条件限制不能满足要求时，则应采取调整供水方式及相应的工程措施加以解决。

1.3.2.3 进/出水口的布置及型式选择应遵循的原则

上、下水库的进/出水口，应适应抽水和发电两种工况下的双向水流运动，以及水位升降变化频繁和由此而产生的边界条件的变化。

1.位置选择

根据水道系统的位置、走线，结合地形、地质及施工条件等，布置在来流平顺、均匀对称，岸边不易于形成有害的回流或环流的地点。

2.型式选择

根据电站布置和水道系统布置特点，地形、地质条件及运行要求等因素，经不同布置方案的技术经济比较，因地制宜选择侧式、竖井式或其他型式。

1.3.2.4 进/出水口水力设计

1.进/出水口的水力设计要求

出流时，水流均匀扩散，水头损失小；进流时，各级运行水位下进/出水口附近不产生有害的漩涡；进/出水口附近库内水流流态良好，无有害的回流或环流出现，水面波动小；防止漂浮物、泥沙等进入进/出水口。

2.侧式进/出水口的水力设计

侧式进/出水口应用较多，其水流属于有压缓流的扩散（或收缩）阻力问题，与一般流体阻力手册中的矩形断面渐扩管相类似，是一个三维流动问题。

国内荒沟、蒲石河等抽水蓄能电站工程的进/出水口试验最终建议采用顶底板双向扩张，每侧为2.5°的布置。但考虑到实际工程布置上的需要，当顶板扩张角θ＞5°时，根据国内的研究成果，宜在扩散段末接一段平顶的调整段，其长度约相当于0.4倍的扩散段长度。十三陵抽水蓄能电站下水库进出水口最终采用的布置为扩散段长L=26.16m，调整段长l=10m，顶板扩张角θ6.54°。加10m长调整段之后，实际上有效的顶板扩张角θ为4.74°，无负流速出现，其发电工况的水头损失系数为0.33～0.36，抽水工况时为0.22～0.20。因此，可优先采用加调整段的布置。

为避免扩散段内水流在平面上产生分离，应采用分流隔墙将扩散段分成几孔流道，其末端与拦污栅断面相接。每孔流道的平面扩张角宜小于10°。分流隔墙的布置，应使各孔流道的过流量基本均匀，相邻边、中孔道的流量不均匀程度以不超过10%为宜。

为防止发生吸气漩涡，应在扩散段末口门外部上方设防涡设施。同时，水库最低水位应保证进口有足够的淹没度。

3.竖井式进/出水口的水力设计

竖井式进/出水口的水力设计包括压力管道与弯管起始断面间的连接扩散段、弯管段、喇叭口段、顶盖、分流隔墩及拦污栅等项内容。为使各孔出流均匀，宜采用渐缩式肘型弯管，弯管之上宜有适当长度的竖直管道，其上接渐扩式喇叭口。喇叭口上方顶盖直径的大小，依据流量、压力管道直径、过栅流速等条件，经综合比较确定。当有防沙要求时，则应使拦污栅底槛高于周边底板适当高度。

1.3.2.5 水道系统水力设计

水道系统水力设计应包括水道过水断面的选择、水道运行工况的确定、各项水头损失的计算及水锤压力计算等内容。当进/出水口与较长明渠相接时，应对不同工况下，有压—无压系统的明渠非恒定流进行分析计算。

根据电站在电网中所担负的任务，水道系统的水力设计应满足不同运行条件下机组工况转换的要求。水道系统设置上、下调压室的情况，调压室的最高、最低涌波水位，应根据抽水和发电动态涌波水位与不利工况组合，满足电网调度的要求来确定。

近年来抽水蓄能电站向着高水头、大单机容量方向发展，要求高压管道（隧洞）的直径大。钢管的应力与内水压力及管道尺寸成正比，钢板厚度加大，特别是岔管体型复杂，尺寸大，要求很厚的钢板，钢板过厚给加工制造带来很多困难，运输和洞内安装十分不便，厚钢板的现场焊接质量难以保证。由于这些原因，在地质条件允许的情况下，采用钢筋混凝土衬砌高压隧洞（包括岔管）颇有意义。

20世纪70年代末80年代初英国迪诺维克抽水蓄能电站主洞径9.5m，设计水头542m，采用钢筋混凝土衬砌取得成功。自那以后，美国一批抽水蓄能电站如赫尔姆斯（D=8.23m，H=531m）、布海姆吉尔博（D=8.5m，H=365m）、巴斯康蒂（D=8.6m，H=390m）、巴德溪（D=9.0m，H=365m）、腊孔山（D=10.7m，H=310m）采用钢筋混凝土衬砌的隧洞和岔管。由于问题非常复杂，缺乏系统的研究，国外设计咨询均以现场试验为依据，目前设计理论尚待实践中加以完善。表1-7和表1-8为国内外工程的有关资料。

依据国内外新的工程实践，对于在地下洞室群内，当分析确定高压隧洞与排水洞之间的最小间距时，应掌握其间围岩的构造产状及充填物的物理力学特征，控制允许的水力劈裂梯度。广蓄一期高压岔管与上部排水洞之间距离98m，核算最大水力梯度5.22；广蓄二期高压岔管与上部排水洞之间距离35m，核算最大水力梯度16.43，初次充水后，前者安全，后者在排水洞南支洞0+125m桩号和东支洞0+66m桩号的洞壁上，出现喷射渗水，压力很高，部分射水已汽化带有声响，渗水点不断增加，渗量加大，这个排水探洞系统的总渗量达到31.78L/s，充水结束后，进行加固处理。天荒坪抽水蓄能电站高岔与其排水洞距离也是35m，核算水力梯度为18.4，围岩为流纹质熔凝灰岩，岩体致密完整，目前渗水量只有15.7L/s，因此，设计中应根据不同围岩构造特征，对允许水力劈裂梯度慎重研究加以选取。

在应用高压隧洞设计中的“最小主应力”准则时，对围岩中存在的一些构造，在渗水压力冲蚀作用下充填物质可能被冲淘，导致排泄通道加大，围岩和围岩中某些构造两者之间应具体分析，区别对待。渗水压力小于围岩最小主应力，不一定能够满足同类围岩的构造处允许水力劈裂的要求。

同是采用“限裂设计理论”设计，围岩条件相同或接近的工程，充水后实践证明，衬砌开裂的规模和位置有所不同。因此，高压隧洞要求围岩或经加固后的围岩应具有很好阻水能力。

1.3.2.6 高压管道（或隧洞）的衬砌设计

高压管道（或隧洞）衬砌型式可选择钢筋混凝土衬砌、预应力混凝土衬砌和钢板衬砌等。根据地形、地质条件，内、外水压力，管道（隧洞）尺寸，施工工艺等，经技术经济比较选择适宜的衬砌型式。

地质条件良好，围岩透水性较小，围岩以Ⅰ、Ⅱ类为主，围岩最小地应力大于该处洞内设计静水压力，布置上满足围岩水力劈裂要求的高压隧洞，宜采用钢筋混凝土衬砌方案。

当地质条件较差，或水道布置上不能满足钢筋混凝土衬砌型式要求，预应力混凝土衬砌的高压隧洞方案值得参与方案比选。由于200～300m水头或其以下的抽水蓄能电站还有一定数量，在该种情况下钢衬不是唯一方案。

当高压管道（或隧洞）处于地质条件较差，内水外渗将危及岩体稳定和附近建筑物的安全，山岩覆盖厚度较薄时，靠近地下厂房的高压水道段，应采用钢管衬砌。十三陵抽水蓄能电站高压管道沿线自上而下依次交错分布有安山岩和砾岩，不同岩性之间为断层破碎带接触。Ⅲa类围岩占19.4%，Ⅲb类占22.8%，Ⅳ占40%，Ⅴ类占17.8%，管道HD值的范围为420～2600m²，故分别使用了抗拉强度为490N/mm²、570N/mm²、790N/mm²级三种钢材衬砌，最大板厚不超过50mm。围岩分担率上限为0.45，且根据钢管围岩地质情况，对Ⅴ类围岩地带，以及处于厂房爆破松动区和施工支洞影响范围内的管段，均按钢管承担全部内水压力设计。整个管道考虑围岩分担内水压力的管段长度约占管道总长的50%。采用微膨胀混凝土充填钢管外部空间。采用790N/mm²级高强钢材，取得了制造与安装方面的成功经验。

采用钢管衬砌应充分利用围岩分担内水压力，正确选择基本参数（如围岩力学指标等）；选用强度高、厚度大的钢板时应严格按照钢材特性制定工艺规程；采用高强钢材时应根据其施工工艺要求，采取相应工程措施，力求减少钢管与混凝土、混凝土与围岩之间的空隙。

1.3.2.7 灌浆、防渗和排水设计

高压隧洞采用钢筋混凝土衬砌型式时，应做好回填灌浆和固结灌浆，灌浆参数应根据高压隧道内水压力的变化分区选定。应进行高压灌浆试验、压水试验，合理确定高压灌浆参数，确定灌浆材料和配比，论证灌浆在细微裂隙中形成有足够强度的结石的可行性，必要时需用扩散性好强度高的灌浆材料；确定整个高压隧洞的合理灌浆程序。

钢筋混凝土高压隧洞与地下厂房之间，常布置钢管段以满足防渗及结构等要求，其长度应根据地质条件和工程需要而定，一般从防渗角度不宜小于最大作用水头的1/4～1/5。在钢管首部应加设阻水环和环向高压帷幕灌浆。美国《土木工程导则》水道篇指出“厂房位于地下，紧靠厂房上游侧的高压管道应使用钢衬，以防止渗流进入厂房洞室。钢衬段长度应根据厂房洞室三维渗流分析确定，分析时要考虑裂隙岩体的渗透性”。表1-9为广州、天荒坪抽水蓄能电站钢筋混凝土岔管后下平段钢管段的有关资料。

坡度较缓的斜管或水平管道衬砌顶部必须回填灌浆。对采用高强钢的管道，其回填灌浆和围岩固结灌浆设计，应视高强钢的性能确定适用的灌浆方式。在高强衬砌钢板上开灌浆孔（可采用裸岩固结灌浆和预埋引线等方式，尽量避免开孔），应避免削弱钢衬强度和带来封孔焊接上的困难。广蓄一期的水道曾因灌浆孔封孔焊接质量而做放空检修。英国迪诺威克抽水蓄能电站的灌浆孔采用黏结剂封堵。我国黄河小浪底水电站钢管灌浆孔采用环氧胶黏结。十三陵抽水蓄能电站全部采用微膨胀混凝土回填钢管外部空间，目的是利用其膨胀压力，减小乃至消除外侧初始间隙，这样即可简化施工工序，又可避免在高强钢衬上开孔所带来的封堵困难问题。

高压管道（或隧洞）衬砌外的排水设施，可采用排水洞、深钻孔、管外岩壁等排水方式，视具体情况论证确定。对于采用钢筋混凝土衬砌的高压隧道，应依据围岩的结构特性布置排水系统，但应防止产生水力劈裂。

1.3.2.8 水道系统初期充水和放空设计

高水头大型抽水蓄能电站水道系统的充水和放水，是电站运行管理不可缺少的一项操作，工程设计阶段必须为此设置一套完善可靠的充、排水设备。水道的初期充、排水试验是加载、卸载、检查、监测、发现问题和处理的过程，是对水道系统安全运行的第一次检验，涉及土建、机电、监测、施工和监理等专业和单位协调一致的工作。因此，在实施该项工作之前，应制定切实可行的设计方案。

当上水库有天然来水时（或上水库能提前蓄水），高压管道（或隧洞）可利用进水口闸门充水阀充水；当上水库不具备充水条件时，则可在厂房内设置专用多级水泵充水。尾水管道一般可利用下水库进/出水口闸门充水阀充水。根据厂房布置条件，放空排水设备，可在球阀前设专用放水设备排向尾水管。利用机组空转排水时，应按水道内水位下降速率要求加以控制，或经球阀前放水设备排向自流排水洞等，依据具体情况而定。

水道系统充水，尤其钢筋混凝土衬砌隧洞的初期充水，必须严格控制充水速率，并划分水头段分级进行。每级充水达到预定水位后，应稳定一定时间，待监测系统确认后，方可进行下一水头段的充水。广蓄一期水道系统充水程序为，下游水道一次充水至下水库水位275.55m，平压后稳定72h以上。上游水道按5级间断与连续相结合的充水方式，间断充水（约3h左右）上升60～80m，连续充水在斜井充水速率1～1.5m/h，每级稳压48h以上，最后一级平上水库水位稳定72h以上。天荒坪抽水蓄能电站上游水道充水分7级进行，第1～5级充水速率为10m/h，第6、7级因水头已很高，充水速率降为5m/h，分级段长减半。充水试验稳定时间：第1～3级稳定48h，第4～7级稳定72h。十三陵抽水蓄能电站高压管道采用钢板衬砌，具有较高的可靠性，充水速率为13m/h，主要利用在厂房内的专用水泵充水。

对于钢筋混凝土衬砌水道系统的放空，应控制最大外水压力与水道内水压力之差，小于高压隧洞设计外水压力。放空时应分水头段进行，放空速率一般为2.0～4.0m/h，根据外水位的变化情况选定。对钢衬高压管道，其放空条件应控制在钢管设计外水压力范围之内。广蓄二期根据工程特点，分五个阶段进行，所确定的排水原则为：①斜井排水速率控制在5m/h以内；②最大外水压力与水道内水压力之差不得大于200m水头，小于外压设计水头。第一阶段，排水范围为上平洞及调压室，水道内水位为810～736m，平均排水速率为10m/h以内；第二阶段，排水范围为斜井和中平洞，水道内水位为736～450m，平均排水速率约5m/h；第三阶段，排水范围为450m高程至下斜井285.0m高程，平均排水速率约4m/h；第四阶段，排水范围为下斜井285.0m高程以下段水道，平均排水速率约4m/h；第五阶段，排水范围为下平洞及引水支管（204m高程/212m高程），经5^＃机钢管排水管（拆除消能片）直接进入肘管，再经集水井排至下水库。天荒坪抽水蓄能电站，上游水道确定分三段进行排水，第1阶段，水道水位在859.45～840m高程打开1^＃机组针阀排水；第2阶段，水道内水位在840～734.5m高程，依靠水道内水量自然外渗排水，水位下降速率变化为1.75～1.0m/h；第3阶段，水道内水位在734.5～224m高程采用每50m一台阶，分五次进行排水，水位下降速率2m/h，每50m台阶排水完成后稳压24h。

在实施充水之前和放空之后，应对水道系统做全面检查，如洞身结构、外观状况、交叉封堵堵头、排水设施、金属结构启闭状况及监测系统等方面。在实施过程中，应进行实时监测，以确保工程安全。

1.3.2.9 水道系统的观测设计

混凝土衬砌的高压隧洞，应谨慎地对初期充、放水过程，运行期放空过程作认真的观测，其主要观测项目如下：

（1）水道内水压力观测。一般在球阀前设置压力表和压力变送器。及时掌握水道内水位及压力变化，为充、放水过程提供准确的信息。

（2）渗漏观测。水道内水外渗应通过充水稳定后观测其水道内水位变化，核算渗流量，并分析渗入山体水量。水道外水压力利用埋设测压管、渗压计进行观测（如高压隧洞下平段、高压岔管等）。

（3）水道外排水系统观测。利用洞室群的排水洞、高压隧洞排水系统、测压管等观测排水效果、排水量及压力等。

（4）水道系统特殊部位的应力、变形观测。如高压混凝土岔管钢筋应力、初期裂隙的测缝观测等。

1.3.3 厂房系统设计

1.3.3.1 一般规定

抽水蓄能电站厂房的布置及结构等方面与常规水电站厂房设计相似，厂房和厂区布置的选择，应根据工程总布置、水文、气象、地形、地质条件和机组型式、运行要求及环境保护等因素，通过技术经济综合比较确定。

抽水蓄能机组有多种型式，目前用得较多的是立轴可逆式机组，其次是立轴三机式机组。横轴三机式机组，近代已较少采用。

立轴可逆式机组厂房布置较紧凑，洞室尺寸取决于设备布置。与常规水电站厂房较显著的差别是机组安装高程较低，防水防渗要求高，集水井及水泵容量较大，电气辅助设备较多等。国内外部分高水头大容量单级可逆式抽水蓄能电站厂房的有关资料统计见表1-10。我国20世纪90年代建成投产的抽水蓄能电站多为地下式厂房、单级可逆式机组。广蓄抽水蓄能电站一、二期分别于1994年、2000年投产运行，装机容量为2×1200MW，机组台数2×4，吸出高度-70m，主厂房尺寸（长×宽×高）分别为196.5m×21m×44.5m、196.5m×21m×47.6m，一期采用下拆方案，二期采用中拆方案。十三陵抽水蓄能电站于1997年全部投产，装机容量800MW，机组台数4台，吸出高度-56m，主厂房尺寸（长×宽×高）146.6m×23m×46.6m，采用上拆方案。天荒坪抽水蓄能电站投产于2000年，装机容量1800MW，机组台数6台，吸出高度-70m，主厂房尺寸（长×宽×高）200.7m×21m×48m，采用中拆方案。

立轴多级可逆式机组厂房布置与常规水电站厂房布置差别较大，截止到2013年年底，我国尚没有该种厂房布置的工程实例。

法国上比索特抽水蓄能电站，安装4台多级可逆式机组，发电水头为1072～1194m，抽水扬程为1120～1217m，上、下游布置了独立闸阀室，发电机层尺寸（宽×高）15.5m×12.2m，水泵水轮机室跨度减小，机组采用下拆方案。法国大屋抽水蓄能电站安装8台多级可逆式机组，发电水头为821.5～955m，抽水扬程821.5～955m，其布置与上比索特抽水蓄能电站厂房类似，上、下游分别布置了闸阀室，发电机层尺寸（长×宽×高）161.4m×14.8m×17.5m，水泵水轮机室跨度减小，总高度为21.17m，机组采用下拆方案。

立轴三机式机组厂房布置，上层为发电机兼电动机，中间为冲击式水轮机，其安装高程高于最高尾水位，水轮机之下用联轴等与一个多级水泵相连，抽水时上下连接，发电时上下解列。我国羊卓雍湖抽水蓄能电站采用了三机一体式机组，地面厂房，主厂房尺寸（长×宽×高）69.8m×14.9m×38m，装设一台抽水蓄能机组，一台常规机装机组，装机容量共计2×22.5MW，水轮机工况水头816m，水泵工况设计扬程850m。引水道、闸阀室、厂房布置均比可逆式机组复杂得多。

1.3.3.2 抽水蓄能电站地下厂房

在地形、地质条件允许的情况下，高水头、大容量、高比转速的抽水蓄能电站，为了较好地适应由于机组安装高程低，而不使厂房承受较大浮托力，采用地下式厂房布置成为主要的发展趋势。地下厂房系统包括主厂房、主变压器室与开关室、尾水闸门室及辅助洞室和工作通道，形成大小各异，纵横交错、上下分层的洞室群体。设计时应充分利用围岩条件优化结构；采用先进设备、减小洞室尺寸；合理选择洞室群间距，紧凑洞室布置；结合布置调整上、下游侧水道，兼顾水道系统的水力特性等进行优化布置。

引水道和尾水道进出厂房的方向与主厂房长轴夹角根据工程总布置的要求而定，在采用斜向进厂时，夹角不宜小于60°。

抽水蓄能电站地下厂房埋深大，多数电站的主变压器布置在地下，开关站则视地形及出线情况而异，可布置在地下，如广州和十三陵抽水蓄能电站开关站（六氟化硫成套装置）放在主变压器洞室的上部；也可布置在地面上。

抽水蓄能电站地下厂房主变压器室的布置形式较多，从国内外工程实例来看，一般以尽量靠近主厂房减小低压母线长度为原则，较常见的布置方式有以下几种：

（1）主变压器室布置在主厂房的下游侧，形成主厂房、主变压器室、尾水闸门室（或尾水调压室）几洞并列布置。主要优点是：每台机组的低压母线均较短，电缆联系方便，主变压器与主厂房截然分开，对防火防爆较有利。其缺点是几大洞室并列，又有多个母线洞连接，当岩体较差时，对岩体稳定不利，如果再设置尾水事故闸门室、尾水调压室，洞群范围大，有时会遇到较棘手的地质问题。我国已建成投运的广州、十三陵、天荒坪抽水蓄能电站均采用该种布置方式，并使主厂房、主变室（有时包括尾调室）包围在厂区排水系统以内。

（2）当电站机组台数不多，为避开洞群范围内某些不利的地质条件，主变压器布置在主厂房的一端或两端。其优点是：省去与厂房平行的主变压器洞室，也可能避开了不利的地质构造，对围岩稳定有利。母线道容易布置，开挖方量较少。考虑防火防爆的安全要求，在主变压器周围及顶板应设置坚固的防火防爆结构。

（3）其他布置形式。由于国外设备制造能力及一些特殊因素，主变压器室的布置多样化，如主变压器室放在主厂房上游侧、放在主厂房水轮机层、放在发电机层主机间的变压器坑内，或放在尾水调压井上部等，这些布置型式并不多见，见表1-11。

上述布置均存在有利因素和不利因素，有的是抽水蓄能电站的厂房早期个别的工程布置实例，有的布置按照我国的有关规程和规范是不允许的。

主厂房内安装间多位于厂房的一端，副厂房和安装间一般分设在厂房两端，中控室及其相关设施也可布置在地面。地质条件差，需要改善围岩稳定条件，可以把安装间布置在厂房中间，以利于对高边墙的支撑作用。

由于抽水蓄能电站厂房深埋地下，洞室群开挖后，改变了水文地质条件，因此，充分估计地下厂房在施工期和电站投运后的地下水状况，合理布置排水设施。厂房的排水设施布置，常见的做法有：

（1）环绕主厂房和主变压器室布置排水廊道，拦截流向厂房的渗水，在廊道内布置深排水孔以形成排水幕，渗水汇入排水沟内，有条件时，排水可通过自流排水洞直接排出。中国天荒坪抽水蓄能电站设有1618m长自流排水洞，日本沼原抽水蓄能电站自流排水洞长1450m；或通过落水井埋管等引至厂房集水井，对于集水井容积和排水泵容量，应按最大渗流的排除能力设计。

（2）充分利用地质探洞或施工支洞作为排水洞，既可节省工程量，降低造价，又可加快施工进度。广州（一、二期）、十三陵抽水蓄能电站都是利用各种探洞来排水的。

（3）在厂房四周边墙打排水孔，通过排水管将渗水集中至集水井中排出。如日本的奥吉野抽水蓄能电站，因厂房距下水库较近，为控制渗流对边墙的压力，在边墙每10m²打一个深3m的排水孔。法国大屋抽水蓄能电站地下厂房边墙排水孔的渗水，利用悬挂的缓降管引入排水沟，汇集到集水井。

地下厂房的辅助洞室的布置，应满足交通、通风、排水、出线、防火及安全疏散、施工要求等，按照“一洞多用”尽可能减少洞室数量的原则做好统一规划设计。另外，地下厂房的设计应妥善解决通风、防潮、防火、防淹问题。必要时应按相应的规范做专题论证，确保地下厂房的安全。

1.3.3.3 抽水蓄能电站半地下式（竖井式）厂房

竖井式厂房包括四周回填的筒式结构和在岩石中开挖的竖井结构，或开挖结合回填的型式。竖井式厂房型式在淹没较深的状况下，可利用围岩或填土重量获得较好稳定性和经济性，能较好地解决抗浮稳定，改善厂房结构受力条件。

竖井上游侧与压力水道相连，其下游侧与尾水道相连，球阀（或蝶阀）和尾水管宜布置在竖井内。竖井顶部以上布置起吊设备和主变压器及电气设备等，可按地面厂房进行结构布置，为减小井筒尺寸，安装间宜布置在井上。

安装多台机组的厂房，机组中心线宜呈直线布置。当有特殊要求时，经论证可布置为其他形式。单个井内设置机组的台数，宜为一台或两台，应根据地质条件、衬砌结构、运行要求等情况，经技术经济比较确定。

为减少外水对井壁的压力和渗透，在井壁外宜布置防渗、排水等措施。

1.3.3.4 抽水蓄能电站地面厂房

抽水蓄能电站机组安装高程较低，厂房淹没深度较大，下水库的水位变幅大。受地形、地质条件限制，经论证不宜建设地下式、半地下式厂房时，可布置地面厂房。常、蓄机组混合的厂房常采用地面式。当选择地面厂房布置时，应做好周围高边坡的处理。

厂房布置受下水库水位变幅制约，厂房结构应能平衡基础范围内的扬压力以确保稳定性。厂房高度结合厂房起吊设施、安装间和对外交通的布置确定；厂房下游侧的挡水高程应高于下水库的最高水位。

与厂房周围水体接触的混凝土边墙、底板，必须具有防渗措施。要控制其变形和裂缝宽度，在迎水面墙内侧应设排水设施。

1.3.3.5 转轮拆卸对厂房设计的要求

转轮拆卸方式的研究是水泵水轮机机组特有的问题。随着水泵水轮机转轮拆卸方式的不同，厂房结构布置、埋件的安装顺序与混凝土浇筑步骤也有不同。下拆方式要求底环与部分尾水锥管是可拆卸的，并不埋入混凝土。安装时先在机坑内将座环、蜗壳组件组装焊接，耐压试验后保持一定压力浇筑混凝土，在混凝土达到一定强度后，在机坑内对座环上下法兰面进行磨削加工至设计要求，然后再安装底环、尾水锥管等，在厂房尾水锥管下应布设下拆廊道。是否需设置吊转轮的吊物孔，取决于各电站的具体布置，广蓄一期电站每两台机间设一个4m×4m的吊物孔，转轮可吊至安装场检修。从广蓄一期运行情况看，转轮下拆检修方式带来较强的振动和噪声。转轮中拆方式要求尾水管和底环均埋入混凝土，因此，其座环、蜗壳组件可在安装间内焊接，待焊接应力消除后，就地对座环法兰面进行机加工至设计要求，然后将底环、蜗壳、座环组件和下机坑里衬按顺序吊入机坑，安装调整。蜗壳经压水试验后，浇筑混凝土。中拆方式机组设有一段中间轴可以拆卸，厂房布置中在水轮机层机墩侧向开孔，其尺寸根据水轮机顶盖整体平移要求而定，一般是将转轮沿滑轨平移至球阀吊物孔处，起吊至安装场检修。广蓄二期厂房机墩侧向开孔为6.0m×2.3m，天荒坪抽水蓄能电站机墩侧向开孔为5.9m×2.4m，水泵水轮机转轮拆卸可不与发电电动机拆卸同步，较为方便。上拆方式与常规水电站相同，应用也较普遍。十三陵、潘家口、响洪甸抽水蓄能电站厂房采用上拆方式。上述三种拆卸方式各个国家的机组制造厂家各有所长，其选择在某种程度上取决于中标厂家的供货条件和技术所长。厂房应按机组拆卸方式做出相应布置。

1.3.3.6 抽水运行所需的附属电气和机械设备对厂房设计的要求

抽水蓄能电站增加了抽水运行所需的附属电气和机械设备，厂房布置尺寸应满足其要求。

1.3.3.7 常、蓄机组混合的厂房设计

根据抽水蓄能机组与常规水电机组安装高程不同，机组在同一厂房内布置时，厂房下部结构不在同一高程。其上部结构应根据运行条件和结构布置确定相应的布置型式，应保持采用共同的安装场和同一起吊设备。

1.3.3.8 厂房内部构造

在进行高水头、大容量、高转速可逆式机组厂房设计中，应对厂房支撑结构的抗震性能、机墩基础切向和径向刚度给予足够的重视。支撑结构承受机组、楼板等传来的巨大荷载（包括水流、机械及电气等方面产生的振动荷载），同时，机墩又与各楼层、风罩、蜗壳及尾水管等相互连接成整体，成为复杂的空间组合结构，在机组运行的各种工况下，结构应满足规定的安全要求。国内几个已建成的大型抽水蓄能电站，在设计地下厂房时，对机墩组合结构进行动力设计初步研究，有的工程在运行期进行了初步原型监测，有以下几点意见可供参考。

（1）机墩组合结构的边界约束条件非常重要，比如机墩组合结构上、下游楼层与边墙连接并与岩体构成传力构造，楼层左、右侧约束条件对提高组合结构的自振频率、提高组合结构的刚度有明显的作用。

（2）采用厚板结构或梁、柱、中板结构，防止共振，提高整体刚度有利。

（3）楼板上的大孔对组合结构的整体刚度和抗震有不利影响，因此，可在楼板开孔部位的周边做加强布置以改善孔周边的刚度。风罩壁的厚度不宜太单薄。副厂房距主厂房较近时，除应以永久缝填隔震材料外，副厂房隔墙不宜采用轻质材料。

（4）在可能的情况下，应提高混凝土标号，对改善机墩组合结构的动力特性具有重要的作用。

（5）机墩组合结构的限振标准，参照《水电站厂房设计规范》SL 266—2001执行，并验算设备制造厂商对结构刚度的要求。对人体保健要求，可根据《水利水电工程劳动安全与工业卫生设计规范》GB 50706—2011执行。

日本抽水蓄能电站厂房设计，在抗震措施方面积累一套经验，一批抽水蓄能电站厂房机墩以实体与厂房下游侧岩体连接，其上游以厚板与上游边墙岩体连接。如蛇尾川、大河内、奥美浓、天山、俟野川、沼原厂房等，均采用上述布置。另外一些厂房采用厚板或梁、柱、中板与上、下边墙岩体连接，具有很好的抗震性能。从玉原、奥吉野两电站原型振动观测成果看，厂房结构与围岩的连接状况，以及楼板开大孔对结构削弱部位，对振动具有明显的影响。

地下厂房桥机支撑结构，在地质条件允许的情况下，应优先采用岩壁吊车梁。岩壁吊车梁，多用于Ⅲ类以上较好围岩，一般其变模E＞8000MPa，饱和抗压强度R_a＞30MPa，摩擦系数tanφ≥1。在布置上可以减少厂房跨度1～3m，加快施工进度，桥机早投入为厂房1、2期混凝土浇筑、金属结构安装提供起吊设备，因此岩壁吊车梁被广泛应用于地下厂房中，如鲁布革、东风、太平驿、广蓄、天荒坪、小浪底、大朝山等水电站厂房。已建工程岩壁吊车梁特性见表1-12。

基于岩壁吊车梁的结构特点，桥机结构自重及行车轮压荷载等，主要由其悬吊锚杆和梁底岩台传送到墙壁深层围岩。锚固设计主要是确定悬吊锚杆受力条件的设计参数。已建的各工程曾采用不同设计方法如刚体平衡法、力矢多边形法、有限元法、格栅梁法等进行计算方面的探索，并以承载能力试验或模型试验成果验证。通过计算和试验验证初步表明：

（1）悬吊钢筋应力大小不仅仅与轮压荷载有关，且与本身的刚度和基岩的弹性抗力系数等有关。岩台开挖控制爆破做好了，是降低钢筋应力的有效措施。一般根据开挖爆破松动圈的检测结果（常考虑2m自由段），受拉锚杆仅对松动圈深度以外进行注浆，使深部围岩承担荷载。

（2）锚杆本身在厂房下部开挖时起到对岩壁的支护作用，在吊车投入使用前就已有应力，这种限制围岩变形的锚杆主应力沿锚杆深部分布，而吊车荷载在锚杆上产生的主应力在锚杆较浅层部位，两者应力峰值在锚杆截面上并不完全叠加。

（3）岩壁吊车梁是否能正常工作与施工质量关系极大，特别是开挖和锚杆钻孔定位的要求很高。应按已有的成功经验建立一套较系统的施工方法。从总体上讲，岩锚吊车梁的设计，尚处于经验设计阶段。

另外，厂房内主厂房、副厂房、安装场之间，机组段之间，与其他相邻建筑物之间应设永久缝，缝间应设隔振层；沿厂房高度各层，主副厂房之间、吊物孔盖板，应按隔音的要求设置，通道门应采用防火隔音门，电缆孔应封堵，使噪声控制在《水利水电工程设计防火规范》SDJ 278—90和GB 50706—2011规定的标准以内。

1.3.3.9 厂房结构设计

大型水轮机金属蜗壳埋置方式有三种：①设置弹性垫层；②不设弹性垫层，充水保压蜗壳外包混凝土；③不设弹性垫层，不加保压蜗壳外包混凝土。

充水保压是在蜗壳内加一定保压水头下浇筑蜗壳外围混凝土，其优点在于，机组运行时，钢蜗壳能贴紧外围混凝土，使座环、蜗壳与大体积混凝土结合较好，增加了机组的刚性，也增加了其抗疲劳性能，并可依靠外围混凝土减少蜗壳及座环的扭转变形，抑制或减小机组的振动，有利于机组稳定运行。表1-13为几个工程的实例。

采用弹性垫层施工方便，蜗壳没有堵头安拆、工期短，三峡、向家坝、黄河拉西瓦这些巨型电站、锦屏一级300级水头相继采用。但抽水蓄能电站一般水头高、变化频繁，弹性垫层其工作条件、抗疲劳性、耐久性不如常规水电站，宜采用蜗壳内一定保压值下浇筑蜗壳外包混凝土。充压后蜗壳自由变形，此时浇筑混凝土当水压撤去后，蜗壳与混凝土间形成设计预期的间隙，就保证了给定的荷载分配比例，即：充水压力以下的内水压力全部由蜗壳承担，充水压力以上部分压力由钢蜗壳和外包混凝土联合承担，该保压值通过计算并参照已建工程经验确定。

1.3.3.10 厂房观测设计

厂房的观测设计，特别是地下厂房的观测设计应包括施工期和运行期在内统一规划考虑，按工程进度分段埋设，连续观测，并经分析整理，指导施工和管理。

地下厂房的围岩观测以变形观测为主，按照工程需要，一般配合有周边收敛、顶拱下沉、围岩位移和松弛范围、锚杆和锚索应力、岩体内部温度及地下水渗流量测等。围岩变形量测设备宜在主洞开挖前埋设，可利用在主洞旁排水洞、勘探洞中埋好多点位移计，力求测出整个开挖过程洞室的真实变形情况。

根据需要可对抽水蓄能电站主厂房机组支撑结构、楼板及副厂房等做振动监测，有条件时可进行通风效果的观测。