天池抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)設計

雷谷峰（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙410014）

天池抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)設計

雷谷峰（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙410014）

本文介紹天池抽水蓄能電站的輸水系統(tǒng)的工程地形地質條件、輸水系統(tǒng)布置、進/出水口設計、引水隧洞、引水岔管及壓力鋼管設計。

天池抽水蓄能電站；輸水系統(tǒng)；設計

1 輸水系統(tǒng)工程概述

天池抽水蓄能電站裝機4×300MW，額定水頭510.0m，上下水庫進/出水口水平距離約3376m，距高比為6.6。輸水系統(tǒng)布置于黃鴨河左岸天池岈溝與馬蹄河溝之間的山梁下，總體呈北北東向，輸水系統(tǒng)分為引水、尾水系統(tǒng)，引水系統(tǒng)采用一洞兩機，尾水系統(tǒng)采用一洞一機布置，尾部式廠房布置，設引水調壓井。

2 輸水系統(tǒng)工程地形地質條件

輸水系統(tǒng)布置在天池岈溝與馬蹄河之間的雄厚山體內，區(qū)內地形總的趨勢是北高南低，沿線無大的沖溝切割，地形較完整。洞室埋深為47～514m，穿越的地層為中條期混合花崗巖類和下元古界混合花崗片麻巖類，這兩類巖體邊界不規(guī)則，呈漸變過渡，為混合交代接觸關系，巖性主要是花崗巖。

上庫進/出水口、引水主洞上平段、上斜井段穿越的地層為中條期混合花崗巖類，巖性主要是花崗巖，洞室穿越巖體風化程度均為微風化～新鮮，整個洞室圍巖類別以Ⅱ類為主，穩(wěn)定性較好。引水隧洞中平段、下斜井段、下平段和尾水系統(tǒng)穿越的地層主要為下元古界混合花崗片麻巖類，巖性主要為花崗巖，地表多為強風化巖石，洞室穿過巖體風化程度均為新鮮。下元古界混合花崗片麻巖類與中條期混合花崗巖類接觸帶未見蝕變現(xiàn)象，整個洞室圍巖類別以Ⅱ類為主，穩(wěn)定性較好。輸水系統(tǒng)工程區(qū)地下水主要是基巖裂隙水。

3 輸水系統(tǒng)布置

輸水系統(tǒng)主要建筑物包括上水庫進/出水口、引水主洞、上游調壓井、引水鋼岔洞、引水支洞、尾水洞和下水庫進/出水口等。引水系統(tǒng)二洞四機布置兩個相同的水力單元，中心距66m，承受最大靜水頭為628m。為使輸水系統(tǒng)深埋隧洞，洞線沿黃鴨河左岸天池岈溝與馬蹄河溝之間的山脊下布置，輸水系統(tǒng)全長3616m，引水系統(tǒng)長3163m，尾水系統(tǒng)線路長度為453m，其中從中平洞始端187m處至高壓支管采用鋼板襯砌，尾水管出口102m的尾水隧洞下平段采用鋼襯，其余洞段采用鋼筋混凝土襯砌。發(fā)電工況、抽水工況輸水系統(tǒng)最大水頭損失分別為11.16m、10.522m。

引水系統(tǒng)由上平洞、引水調壓井、上斜井、中平洞、下斜井、下平洞、引水岔管和高壓支管組成，兩條引水隧洞在主廠房上游約60m處設卜型月牙肋鋼岔管，分4條引水支洞，在平面上以75°平行進廠，引水隧洞洞徑為6.0～5.4m，高壓支洞洞徑3.8m。引水隧洞鋼襯厚度26～65mm，混凝土襯砌厚度60cm。引水調壓井直徑8.7m，襯砌厚度為0.8m。

尾水隧洞平行布置4條，洞徑4.88m，中心間距為22.0m，尾水隧洞由下平段、下彎段、斜井段和上彎段組成，上彎段后直接和下水庫進/出水口的漸變段相接。

輸水系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 輸水系統(tǒng)縱剖面示意圖

4 輸水系統(tǒng)主要設計特點

4.1 上、下水庫進/出水口體型及水力學研究

上水庫側式進/出水口由整流段、漸縮段、矩形埋管段、閘門豎井段和閘門后漸變段組成，單個進/出水口寬度為24.00m。攔沙坎設置于反坡坡度為1：7的整流段上游70m處，整流段和漸縮段均置于上水庫庫內，整流段內設置4道防渦梁，三向矩形漸縮段長40.0m，平面雙向收縮角為23.033°，頂板單側收縮角為4.7162°，漸縮段后接長度為51.00m的矩形埋管段和8.0m長的閘門豎井段，豎井內設一道事故檢修閘門，閘門由啟閉機室內的固定式卷揚機啟閉，啟閉機室平臺通過④公路和①公路相接。閘門井段后接長度為12.50m長的方圓漸變段，斷面尺寸由4.7m×6.5m的矩形漸變?yōu)橹睆綖?.0m的圓形。

下水庫進/出水口平行并排布置4個相同的進/出水口，由漸變段、閘門豎井段、矩形埋管段、漸擴段和整流段組成，與上水庫進/出水口型式相似。

抽水蓄能電站運行是雙向水流，進/出水口的水力條件比較復雜。為了觀測各種工作水位下發(fā)電和抽水時的水流情況和水頭損失，經過整體水工模型試驗驗證、改進，在各種工作水位和流量組合下進/出水口上方都不會產生貫通吸氣漩渦、負壓，進/出水口分流墩使出流各流道分流均勻良好。

4.2 引水洞襯砌型式選擇

根據(jù)目前國內抽水蓄能電站的設計經驗，在隧洞滿足最小覆蓋厚度、洞間滲透穩(wěn)定的情況下，隧洞內水壓力主要由圍巖和混凝土聯(lián)合承擔，其中大部分由圍巖承擔。本工程引水主洞布置區(qū)地形地質條件較好，水頭相對較高，2條引水主洞間的巖柱厚度為58.8m，下平段最大靜水壓力為6.28MPa，則滲透水力梯度為9.4，隧洞沿線垂直和側向埋深均滿足要求，但中平洞、下斜井及下平洞部分洞段的最小側向埋深安全裕度偏低；同時根據(jù)在地質探洞岔管區(qū)進行的高壓壓水試驗成果看，在試驗壓力為8MPa時，巖體最大透水率為2.63Lu，因此，參照目前國內抽水蓄能電站引水隧洞的設計經驗，引水隧洞除上平洞、上斜井及中平洞上游段187.244m采用鋼筋混凝土襯砌外，其余洞段均采用鋼板襯砌型式。

尾水隧洞下平段頂部有母線洞和主變洞等大的洞室穿越，為保證廠房下游側邊墻、母線洞和主變室的穩(wěn)定及防滲要求，尾水管出口102m的尾水隧洞下平段采用鋼襯，其余洞段全部采用鋼筋混凝土襯砌。

4.3 鋼筋混凝土襯砌段結構設計

引水上平段、調壓井、上斜井、部分中平段和尾水隧洞等均采用鋼筋混凝土襯砌，此部位均為Ⅱ類或Ⅱ～Ⅲ類圍巖，其上覆巖體均滿足內水壓力作用下的挪威準則要求，圍巖最小主應力應大于內水壓力，保證在運行水頭下不產生水力劈裂，且圍巖為弱～微透水巖石，設計中充分利用圍巖的承載、抗?jié)B能力。隧洞采用0.5～0.6m鋼筋混凝土襯砌，為限裂透水結構，其主要作用是平整圍巖表面、降低糙率，利于圍巖灌漿，提高圍巖的防滲能力。結構計算采用圓形有壓隧洞襯砌公式法進行計算，配筋計算結果見表1。

表1 鋼筋混凝土襯砌配筋計算成果表

為了充填襯砌與圍巖間的縫隙，改善襯砌的傳力條件和減少滲漏，除斜井外均進行回填灌漿處理，其灌漿范圍為頂拱120°，灌漿壓力0.3～0.5MPa。隧洞全斷面固結灌漿，灌漿孔間排距3m，入巖4～5m，灌漿壓力隨隧洞的埋深和內水壓力的增大而逐漸升高，壓力值1～6MPa。

4.4 高壓鋼襯段結構設計

4.4.1 壓力鋼管

壓力鋼管壁厚計算按照《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》中推薦的公式進行計算，廠房上游邊墻15m范圍內管壁厚度按明管設計，15～30m范圍圍巖單位抗力系數(shù)K0=0的地下埋管設計，內水壓力全部由鋼管承擔；其余部分按地下埋管設計，內水壓力由鋼管、混凝土和圍巖聯(lián)合受力。鋼管內水壓力近似按蝸殼進口斷面處的壓力進行計算，外水壓力考慮引水支洞段排水系統(tǒng)的作用，排水廊道高程底至引水鋼管段取全水頭，排水廊道底高程至地面高程段取0.4倍地下水水頭。

鋼管壁厚計算成果見表2。

表2 壓力鋼管鋼襯厚度計算成果表

4.4.2 高壓鋼岔管

天池抽水蓄能電站岔管段承受水頭高，荷載設計值8.4MPa，PD值較大，最大達4320m2，鋼岔管按明管和聯(lián)合承載結構進行了三維有限元計算分析，采用月牙肋卜形鋼岔管型式，由于天池抽水蓄能電站岔管周圍為Ⅱ類巖體，考慮由圍巖承擔一部分內水壓力，以減小管壁厚度和肋板尺寸。為此，根據(jù)地下埋藏式鋼岔管聯(lián)合承載設計準則，確定相應的鋼岔管體形、管壁厚度和肋板尺寸，并滿足明管校核條件（即鋼岔管中最大應力低于屈服強度）的管壁厚度和肋板尺寸，管壁最大厚度58mm，肋板厚度120mm。

埋藏式鋼岔管光面管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)小于2.0，因此需要采用加勁環(huán)才能滿足抗外壓穩(wěn)定要求，所需的加勁環(huán)間距為2.5m、高度0.2m、厚度為54mm。埋藏式鋼岔管由于考慮了圍巖聯(lián)合承載，不能按最大內水應力進行水壓試驗，水壓試驗時最大內水壓力值不宜超過6.53MPa。

4.5 高壓鋼管排水設計

引水系統(tǒng)布置區(qū)的山體雄厚，地下水位較高，由于鋼襯段長度較長，外壓失穩(wěn)的穩(wěn)定問題應重視。為降低鋼襯段的外水壓力，保持地下洞室的干燥，設置兩套排水設施。①在壓力鋼管上方設置排水廊道，排水廊道平面平行于壓力鋼管布置，中平洞排水廊道布置兩條，位于中平洞壓力鋼管上方約43m處，下平洞排水廊道布置三條，位于下平洞壓力鋼管上方71～51m處。中平洞排水廊道下游端底板打三條D90排水孔，將中平洞排水廊道的水排到下平洞排水廊道。下平洞排水廊道與廠房排水廊道結合，廊道內排水方式采用自流排水。②鋼管管壁及巖壁排水，由環(huán)向集水管和縱向排水管組成，于廠房上游墻出露，并引至廠房集水井。鋼管管壁及巖壁排水力求施工工藝簡單、安全可靠、排水效果好。

5 結論

天池抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)較長，廠房為尾部式開發(fā)方式，需設置引水調壓井。高壓管道壓力較低的上平段及上斜井段巖體較完整，采用鋼筋混凝土襯砌易于施工，結構安全風險較低。高壓管道根據(jù)地形地質條件，采用雙斜井布置，不僅縮短了高壓管道的長度，同時布置較長的中平段減少高壓段的長度，也是比較經濟的。

[1]邱彬如，劉連希.抽水蓄能電站工程技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

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2095-2066（2016）34-0101-02

2016-11-1

雷谷峰（1971-），女，高級工程師，本科，主要從事水電工程設計工作。