第四讲地下空间开发利用与能源开发及合理利用

第四讲地下空间开发利用与能源开发及合理利用第四讲地下空间开发利用与能源开发及合理利用地下空间开发利用与能源开发地下空间开发利用与能源储备地下空间开发利用与能源合理利用

4.1地下空间开发利用与能源开发 • 地下空间开发利用与水电开发 • 地下空间开发利用与火电开发 • 地下空间开发利用与核电开发

(1)地下空间开发利用与水电开发 水电站几大建筑物： • 拦水建筑物——大坝 • 导流建筑物——导流洞或导流明渠 • 引水发电建筑物——引水管、引水洞、发电厂房 • 泄洪建筑物——泄洪道（孔）、泄洪洞 • 通航建筑物——船闸、升船机

地下水电站 • 一般情况下，水电站都会存在一些水工隧洞，如导流、引水、泄洪等，但只要发电厂房不在地下，就不能称为地下水电站。只有发电厂房位于地面以下的水电站，才能称为地下水电站。 • 地下水电站可以划分为两种主要类型，即利用江河水源的地下水力发电站和循环使用地下水的抽水蓄能水电站。 • 地下水电站可以充分利用地形、地势、尤其在山谷狭窄地带，在地下建站、布置发电机组，十分经济有效。电站建于地下，可获得更大压力水头，并且在枯水季节，水位较低时也能发电。一般水电站的压力隧道，选建于坚硬、完整的岩石中，可简化衬砌结构。地下水电站，在我国的东北和西南地区建设较多。

地下水电站布置示意图 地下水电站包括地上和地下一系列建筑物和构筑物，可概括为大坝和电站两大部分。大坝属于大型水工建筑，电站主要包括主厂房、副厂房、变配电间和开关站等。右图为地下水电站厂房布置图。

我国地下水电站建设现状及前景 截止21世纪初，我国已建成装机100MW以上的地下水电站20余座，规模不断扩大，如 • 80年代我国水电建设史上第一个部分引进外资，对外开放的试点项目：鲁布革水电站，装机600MW，地下主厂房尺寸为：125×17.5×39.4m（长×宽×高）； • 90年代建成的二滩水电站装机3300MW，地下厂房尺寸为：280.29×30.70×65.35m； • 2001年底竣工的小浪底水电站装机装机1800MW，地下厂房尺寸为：251.5×26.2×61.44m； • 2004年7月，龙滩水电站地下厂房建成，装机4200MW，地下厂房尺寸为：388×30.7×76.4m，为世界之最。

三峡地下水电站简介 • 三峡地下电站与三峡垂直升船机并称为“三峡工程的最后两个谜底”。这个相当于1．5个葛洲坝水电站的地下电站隐藏于右岸大坝“白石尖”山体内，主要建筑物分为引水系统、主厂房系统、尾水系统三大部分。 • 三峡地下电站装机6×700MW，建成后三峡电站总装机将达22400MW。地下厂房尺寸311.3×32.6×87.24m，在跨度和高度上再创新高。

黄河小浪底水利枢纽简介 • 小浪底水利枢纽的开发目标是：以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电，工程建成后能发挥巨大的综合效益，可使黄河下游防洪标准由六十年一遇提高到千年一遇，基本解除黄河下游凌汛威胁，采用蓄清排浑运作方式，利用75.5亿立方米的调沙库容拦沙，相当于20年下游河床不淤积抬高，减少两到三次大堤加高费用，每年增加20亿立方米的供水量，大大提高下游4000万亩灌区的用水率，改善下游灌溉供水条件。 • 小浪底水电站装机1800MW，地下厂房251.5×26.2× 61.44m；小浪底洞群进水口，在一块长270m、最高120m的人造绝壁上，开槽凿了最大开挖直径达19.8m，有19个洞口的16条大直径的隧洞。在左岸约1km2的单薄山体中，一共开凿了100多个地下洞室，整个山体几乎被掏空，构筑起世界上最大的地下“迷宫”。

小浪底之最 • 世界上最大的地下“迷宫” ： • 世界上最雄伟的进水塔群：进水口10座进水塔连成一座宽276.4m，高113m，最大长度70m的钢筋混凝土塔群，混凝土浇筑量达80多万m3。其工程规模，结构复杂和施工难度堪称世界之最。 • 3条世界最大的孔板隧洞：依照设计，在完成导流任务后的3条直径为14.5m的导流洞中，增设内径为10m和10.5m的环形突坎—孔板，使高速水流通过孔板环的一缩一扩，在洞中消减大量能量，从而降低流速，减少水流对建筑物的冲蚀和破坏。每条导流洞增设3级孔板，改建成永久泄洪洞，是世界上最大的孔板消能泄洪洞。

小浪底之最 • 世界最大的消力池：泄洪系统出口的3个一级消力池总长210m、宽356m、深28m。由9条隧洞和1条溢洪道下泄的高速水流在其中进行两级消能，是世界上最大、最集中的消力池 • 中国规模最大的堆石坝：小浪底拦河大坝坝顶长1667m、坝高154m，总填筑量5185m3，属中国规模最大的堆石坝。 • 国内最深的混凝土防渗墙：大坝防渗墙，最大深度81.9m墙厚1.2m，总防渗面积为21800m2，属国内最深的混凝土防渗墙。 • 钢索架起的工业城堡：为把破碎的岩层和“千层饼”一样的地质结构，像“纳鞋底”一样加固起来，小浪底一共安装25m至50m长的预应力锚索1290根，创下锚索使用量国内工程之最。

溪洛渡水电站 • 溪洛渡电站位于金沙江下游云南省永善县与四川省雷波县相接壤的溪洛渡峡谷，是金沙江下游梯级4座大型电站中的第三个梯级，设计装机容量1260万千瓦，装机容量仅次于三峡水电站，目前在世界上排第三位。 • 溪落渡电站厂房采用地下式，由于装机较多（18台700MW机组），所以在大坝左右岸各建一座地下厂房，单个厂房尺寸：333×30×74.7m，这在国内是第一个，国际上也极为少见。

二滩水电站 • 二滩水电站位于雅砻江下游河段二滩峡谷区内，是二十世纪建成的中国最大的水电站。总装机容量330万kW，单机容量55万kW，这在21世纪初三峡电站建成之前，均列全国第一，单机容量排世界前10位。二滩拱坝坝高240m为中国第一高坝。在双曲拱坝排行中，高度居亚洲第一、世界第三；承受总荷载980万t，列世界第一。总泄水量22480m3／s，在高坝中为世界第一。 • 亚洲最大的地下厂房洞室群。由厂房、主变压器室、尾水调压室三大洞室及压力管道、尾水管、尾水洞、母线洞、交通洞、通风洞、排水洞（廊道）、进风竖井、排风竖井、电梯竖井、电缆斜井等组成庞大洞室群。地下洞室开挖量370万m3。其中，厂房长280m、宽25.5m、高65m。

鲁布革水电站地下厂房 • 鲁布革发电厂是云南电力集团公司的全资直属发电厂，位于云贵两省交界的黄泥河上，是国家“七五”、“八五”期间重点工程，总装机容量60万kW，设计多年平均发电量 27.5亿kWh。是我国水电建设史上第一个部分引进外资，对外开放的试点项目。 • 地下主厂房尺寸为：125×17.5×39.4m（长×宽×高）；

广州抽水蓄能电站地下厂房 • 广州抽水蓄能电站(下称广蓄电站)位于广东省从化市吕田镇,总装机2400MW,是目前世界上最大的抽水蓄能电站。该工程分二期完成,每期工程均为4×300MW。分别于1994年3月和2000年6月建成投产。 • 广蓄电站的土建工程主要是地下建筑,其中地下厂房深埋于地面以下450m,开挖尺寸:长146.5m,宽21m,高44.54m。地下厂房等洞室群中,凡不过水洞室均采用喷锚支护作为永久支护,过水隧洞的临时支护同样采用喷锚支护。

棉花滩水电站地下厂房 • 棉花滩水电站位于福建省永定县汀江干流棉花滩峡谷中部福至亭处,地下厂房位于左岸山体内。 • 棉花滩水电站装机为4×150MW＝600MW。 • 棉花滩水电站除了开关站出线场和控制楼布置于地面外,主厂房、主变室、尾水调压室及其他洞室均布置于地下,形成了一个错综复杂的大型地下洞室群。 • 主厂房洞室开挖尺寸为129.50m×21.90m× 52.08m (长×宽×高)。

小湾水电站 • 小湾水电站位于云南凤庆县与南润县境内澜沧江中下游河段，装机6台，总容量4200MW，总库容151.32亿m³立方米。 • 小湾水电站地下厂房枢纽是一个超大型地下洞室群,其主厂房高65.5m、宽29.5m、长325m;主变室高32m!宽22m,长257m,双圆筒调压井高91.02m,开挖直径38m,衬砌后直径35m,两条尾水隧洞长度分别为975.993m,和733.114m,而其高、跨均为20m。三大洞室,六条压力管道、六条母线洞、两条尾水隧洞、交通洞、运输洞、出线洞和通风洞组成一个庞大的地下洞室群。

龙滩水电站 • 龙滩水电站是红水河梯级开发的骨干工程、巨型电站和大型水库，设计装机9台，装机总容量为6,300MW,属于我国已建和在建的第三大水电站。坝址在广西壮族自治区天峨县境内，龙滩坝址控制流域面积98,500平方公里，占红水河总流域面积的71.2%，多年平均流量1640m³/s，年径流总量517亿m³立方米。 • 地下电站主厂房： 388×30.7×76.4m，为世界之最。

天生桥I级水电站 • 天生桥Ⅰ级水电站位于红水河上游的南盘江，是红水河梯级开发的"龙头"电站。电站安装4台单机容量300MW的混流式水轮发电机组，总装机容量达1200MW。

大朝山水电站 • 大朝山水电站位于云南省云县澜沧江上，装机容量1350MW。工程主要由碾压混凝土重力坝和右岸地下发电厂房系统组成。 • 地下厂房系统包括右岸及进水口坝段、压力(钢)管道、主副厂房、安装场、主变开关室、尾水调压室及两条长尾水隧洞等建筑物。

糯扎渡电站 • 糯扎渡水电站位于澜沧江下游河段，坝址位于云南省思茅地区澜沧县与思茅市的界河上，为澜沧江中下游河段两库八级水电规划中的第五个梯级，其上游与大朝山电站衔接，下游与景洪电站衔接。 • 电站装机容量650x9=5850MW，地下厂房洞室群包括主、副厂房、主变室、尾水调压室、母线洞、尾水支洞、尾水隧洞、出线洞、交通洞等。山体盖厚度约为180～220m,水平埋深大于330m。

白山水电站 • 白山发电厂位于吉林省桦甸市境内，第二松花江上游，是国家电力公司东北公司直辖大型梯级水力发电厂。 • 白山水电站装机150万千瓦（5×30），大坝为三圆心混凝土重力拱坝，最大坝高149.5米，坝顶弧长676.5米，库容64.31亿立方米，地下式厂房：121.5×25× 54.25m。

湖北水布垭水利枢纽工程 • 清江水布垭水利柩纽是清江流域梯级滚动开发的最上一级龙头工程，位于湖北省恩施州巴东县境内。工程由大坝、发电厂房、左岸溢洪道和右岸放空隧洞等组成，大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高233m（世界第一），电站共安装4台400MW水轮发电机组，总装机容量1600MW。 • 水布垭电站地下厂房位于右岸马崖高陡边坡坡内，主厂房尺寸为：141×23×68m。地下厂房围岩具有下部软岩含量大、软硬相间、多层间剪切带发育、多构造裂隙的特点。

(2)地下空间开发利用与火电开发 • 火电厂一般由主厂房、主变配电室及其他辅助设施组成。所谓地下火电厂就是将火电厂的部分或全部置于地下。 • 一般地下火电厂主要出于战备考虑，其造价比地面火电厂要高得多。 • 我国在上世纪六、七十年代曾修建过少数地下火电厂。

五通桥地下电厂 • 位于四川省，装机2×50MW，为我国规模最大的地下火电工程； • 该工程主厂房两条长172.1米×15.4米×20.7米的平行洞室组成，最大开挖跨度达20米，两洞室净距33米，工程于1966年9月正式开工。1号机组1979年10月并网发电，1986年1月2号机组并网发电。

上海高桥石化公司电厂 • 位于地面以下28.5m，直径64m的圆形结构，主体设备包括125MW发电机组、3台锅炉、变压器、控制室等，安装有10台风机与外界持续通风。

(2)地下空间开发利用与核电开发 • 1986年，前苏联切尔诺贝利核电站发生事故以后，核电站设计专家们为提高核电站的安全系数，进行了深入的调查研究。其中有一个研究方向是探讨地下核电站的可行性。结果表明，地下核电站比地上核电站更为安全，并且经济和技术上都是可行的。 • 据分析，这种地下核电站至少可保证运营中不危害周围环境，不发生切尔诺贝利核电站那种浩劫式的事故后果，而且便于封存寿终正寝的反应堆，减轻地震对核电站的影响。此外，把核电站转入地下还可以使核电站的建设得以在现有技术水平上得到发展，而无须等到“绝对安全”的核电站设计问世之后再发展核电事业。

地下核电站分类及其特点 • 地下核发电站有半地下式和完全地下式两类，半地下式核发电站，是指关键设备进入地下。 • 地下原子能发电站的优点表现在：不需要宽阔平坦的场地，在海岸和山区均可修建，选址容易；岩体对地下放射物质有良好的遮蔽效果；耐震、并具有良好的防护性。 • 通常，地下核电站，除了需开凿发电大厅以装备发电机和原子炉之外，尚须开发一系列隧道，以作人员通行、物质运输等用。

4.2地下空间开发利用与能源储备 • 主要指国家战略石油储备。目前世界上主要消耗的能源有：煤炭、石油、天然气。最近几年，国际上石油价格迅猛增长，而我国随着经济的快速发展，已经从石油出口国成为石油净进口国，每年用于石油进口的资金以百亿美元计，每年因为石油涨价而多支付的费用就达百亿美元。 • 一方面石油资源越来越枯竭，另一方面石油消耗越来越依赖进口，一旦进口渠道不畅、或石油供应成问题，那么必须要有足够的石油储备，不至于造成大的动乱。 • 美国已经具有相当大能力的战略石油储备能力，我国目前才刚刚提上议事日程。

石油储备方式 • 石油的储备方式分地上和地下两类，地上主要采用钢制油罐，而地下主要采用地下油罐或地下水封油库。 • 地下油库中，目前仍以开挖法形成地下空间进行贮藏者为多。可用钢、混凝土、合成树脂等作衬砌，也有不衬砌、利用地下水防止贮藏物漏泄的水封油库。下一页图所示为采用变动水位法的地下水封油库，洞罐内的油面位置固定，充满洞罐顶部，而底部水垫层的厚度则随贮油量的多少而变化。贮油时，边打油边排水；发油时，边抽油边进水。罐内无油时，洞罐整个被水充满。这样既可以利用水位的高低调节洞罐内的压力，又可避免油面较低时，洞罐上部空间加大，油品挥发使充满油气的空间存在的爆炸危险。

水封油库示意图

4.3地下空间开发利用与能源合理利用 • 地下煤炭资源的合理利用 • 地下石油、天然气资源的合理利用 • 地下工程与能源合理利用

地下煤炭资源的合理利用 • 地下煤炭开采，如何做到最大化，又能保证安全（开采人员、地面设施等），同时又不会大量增加成本，是一个值得仔细研究的课题

地下石油、天然气资源的合理利用 • 一方面要尽可能多采取石油、天然气，另一方面又要减少地面沉降等危害，因此需采取相应的措施解决这个问题。

地下工程与能源合理利用 • 随着人民生活水平的提高，建筑能耗已经是第一耗能大户。据美国统计资料，20世纪90年代建筑能耗已占总能耗的30％。 • 若将建筑物置于地下，室内气温基本上保持常年恒温，可大大减少建筑能耗。据美国分析对比的资料表明，可节约能耗33％－90％。 • 我国已经开始大力提倡建筑节能，包括的措施很多，如采用节能材料、限制空调温度等。在很多情况下，地下工程是一个不错的选择。

视频资料 黄河小浪底水利枢纽工程

本讲完 The End

第四讲 地下空间开发利用 与能源开发及合理利用