黃金峽水利樞紐泵站、電站設(shè)計布置

羅承昌，袁桂蘭，曾 蔚

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

1 泵站、電站總體布置方案研究

1.1 概況

黃金峽水利樞紐同時具有供水及發(fā)電建設(shè)任務(wù)，泵站提升庫水至秦嶺輸水隧洞向城鎮(zhèn)供水，下泄水量用來發(fā)電。泵站共安裝7臺1.85萬kW立式水泵機(jī)組，總提水流量70.0m3/s，揚(yáng)程106.45m，總裝機(jī)容量12.6萬kW；電站安裝3臺4.5萬kW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量13.5萬kW。

1.2 方案比選

黃金峽壩址處河谷狹窄，岸坡高陡，樞紐需布置泄水建筑物、泵站、電站、通航建筑物以及魚道[1]。由于壩址區(qū)洪峰流量大，水庫調(diào)蓄能力小，泄水建筑物占據(jù)了大半主河床寬度，泵站、電站難以滿足最佳位置需要，更不具備并行布置河床式泵站和河床式電站的條件。因此，結(jié)合施工導(dǎo)流和樞紐總體布置，可供選擇的方案有河床泵站+壩后電站聯(lián)合布置和河床電站+順河向岸邊泵站布置兩種布置方式。

河床泵站+壩后電站即泵站采用河床式，電站采用壩后式，泵站、電站順流向前后布置，泵站廠房為擋水建筑物，和大壩一線并列布置，電站軸線平行于壩軸線。

河床電站+順河向岸邊泵站即電站采用河床式，和大壩共軸線呈“一”字排列布置于左側(cè)河床，泵站布置于左岸岸邊，位于電站下游，其縱軸線與大壩軸線垂直。

從單個建筑物型式來說，河床式泵站工程量明顯大于岸邊式泵站，河床式電站工程量明顯大于壩后式電站。但電站、泵站作為一個統(tǒng)一體，河床泵站+壩后式電站聯(lián)合方案開挖及混凝土工程量較小，投資較少；并且泵站、電站布置緊湊，運(yùn)行管理方便。因此，結(jié)合樞紐總布置，選定河床式泵站+壩后式電站方案。

1.3 河床泵站+壩后電站聯(lián)合布置方案

選定的樞紐總布置中，主河槽布置泄洪表孔，其左側(cè)布置泄洪沖沙底孔，左岸布置泵站、電站，泄洪表孔右側(cè)邊孔布置升船機(jī)，左岸邊坡布置魚道，其余壩段布置混凝土擋水壩段。整個泵站、電站建筑物包括引水渠、泵站廠房、泵站揚(yáng)水管道和出水池、電站廠房、尾水渠、進(jìn)廠道路等。泵站擋水前緣總長97.00m，分為4個壩段，分別為1個安裝場段和3個機(jī)組段，每個機(jī)組段安裝2臺水泵，在廠壩導(dǎo)墻壩段安裝1臺水泵。泵站揚(yáng)水管道布置于泵站下游側(cè)和左側(cè)山體內(nèi)，揚(yáng)水總管平行壩軸線布置。出水池布置于揚(yáng)水豎井頂部，末端接黃三隧洞。電站廠房長93.00m，分為1個安裝場段和3個機(jī)組段。泵站、電站沿機(jī)組中心剖面圖及平面布置圖如圖1、圖2所示。

2 泵站、電站布置

2.1 設(shè)計條件

引漢濟(jì)渭工程等別為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大

圖1 泵站、電站機(jī)組中心剖面圖

圖2 泵站流道、電站水輪機(jī)層平面布置圖

(一)型。黃金峽水利樞紐為引漢濟(jì)渭工程的主要水源之一，河床式泵站廠房根據(jù)裝機(jī)容量定為1級建筑物，壩后電站廠房為3級建筑物。泵站廠房設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，擋水部分校核洪水標(biāo)準(zhǔn)與大壩一致為1000年一遇，非擋水部分校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇；電站廠房設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。

抗震設(shè)計烈度為6度。

2.2 泵站電站主要尺寸

2.2.1主要高程

泵站水泵裝機(jī)高程421.00m，建基面高程393.50m。進(jìn)水口頂部高程與壩頂高程相同，為455.00m。主閥層、水泵層、電機(jī)層分別是416.20、425.00、429.70m。泵站廠前區(qū)高程綜合考慮300年一遇洪水對應(yīng)的下游尾水位425.69m及電機(jī)層高程后確定為429.70m。泵站最大高度61.5m。

電站水輪機(jī)安裝高程396.00m，建基面高程380.50m，水輪機(jī)層及發(fā)電機(jī)層高程分別為400.50、407.70m。電站廠房設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，對應(yīng)的尾水位分別為422.54、424.98m，按此標(biāo)準(zhǔn)確定的電站廠房尾水平臺高程為426.50m，但根據(jù)泵站、電站總體布置及對外交通道路設(shè)置，將尾水平臺抬高至429.70m，與泵站廠前區(qū)及進(jìn)廠道路同高程，在僅增加閘墩高度3.2m、混凝土量增加不多的情況下，可減少一條進(jìn)廠道路，減少大量開挖量，并能使泵站、電站廠前區(qū)統(tǒng)一布置，合理利用面積，減少開挖回填量。

2.2.2機(jī)組段長度及寬度

水泵機(jī)組間距的確定綜合考慮了揚(yáng)水支管蝶閥吊物孔尺寸、電動機(jī)風(fēng)罩外徑、通道寬度及廠房結(jié)構(gòu)尺寸等因素，采用兩機(jī)一縫，每個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段長24m。

泵站機(jī)組段順?biāo)飨驅(qū)挾扔蛇M(jìn)水口段、主機(jī)室段、揚(yáng)水總管段三部分組成，總寬63.10m，其中進(jìn)水口段寬度26.90m，主機(jī)室段凈寬為22.70m，揚(yáng)水總管段13.50m。

電站標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段長21.00m，邊機(jī)組段長23.00m。

機(jī)組段順?biāo)飨蚩倢捤聻?6.50m，頂部為48.00m，由上游副廠房段、主機(jī)室段、尾水段三部分組成，其中上游副廠房寬10.00m，主機(jī)室段總寬23.00m，尾水段頂部寬15.00m，下部寬13.50m。

2.2.3安裝場長度及寬度

泵站安裝場長度滿足一臺機(jī)組安裝、檢修需要，并考慮進(jìn)廠交通所需，總長為38.30m。分安Ⅰ段和安Ⅱ段，其中長23m、安Ⅱ段長13.3m。安裝場段寬度因比機(jī)組段少了攔污柵支撐結(jié)構(gòu)，總寬度水下為57.20m，頂部為60.20m。

安裝場長度滿足一臺機(jī)組擴(kuò)大性檢修需要，總長28.00m。電站廠房安裝場段寬度同機(jī)組段。

2.3 泵站、電站布置

2.3.1泵站布置

泵站機(jī)組段進(jìn)水口順流向依次布置有攔污柵槽、檢修門槽和事故門槽各一道。頂部上游側(cè)為交通橋，中部布置雙向門機(jī)一臺。

主機(jī)室段凈寬22.70m，屋頂為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，廠內(nèi)布置150t/20t單小車橋式起重機(jī)1臺。電機(jī)層布置電動機(jī)組泵組勵磁控制保護(hù)柜。水泵層布置機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)，檢修蝶閥和緩閉式液控蝶閥。

揚(yáng)水總管段在高程421.00m布置有揚(yáng)水支管和總管，管段埋置于混凝土中，其頂部布置泵站副廠房和主變壓器運(yùn)輸通道。變壓器運(yùn)輸通道寬4.7m，左側(cè)與進(jìn)廠公路相接，右側(cè)接電站尾水平臺，形成環(huán)形通道。不但可作為進(jìn)出泵站下游副廠房及電站上游副廠房的交通通道，也可供消防車通行，使得電站泵站的統(tǒng)一管理更加方便，節(jié)省了廠區(qū)空間。

泵站安裝場段進(jìn)水口主要布置有水泵檢修閘門及攔污柵門庫。主機(jī)室段分為3層，上層為設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)及機(jī)組檢修場地，中間層布置壓縮空氣系統(tǒng)，底層布置有油罐室和油處理室及水泵室，水泵室下布置有檢修集水井和滲漏集水井。

2.3.2電站布置

電站機(jī)組段主機(jī)室段寬度23.00m，屋頂為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，廠內(nèi)布置125t/20t+125t/20t雙小車橋式起重機(jī)1臺。發(fā)電機(jī)主引出線由上游側(cè)從水輪機(jī)層引入上游副廠房，穿副廠房各層與布置在高程429.70m層上的主變壓器相接。尾水段寬15.00m，尾水平臺上游側(cè)布置交通通道，下游側(cè)布置一臺尾水門機(jī)。上游副廠房段寬10.00m，共7層，為電站機(jī)電設(shè)備主要布置場地。

中控室布置在電站廠房安裝場段上游副廠房頂層407.70m高程處，為泵站、電站聯(lián)合共用，可以實現(xiàn)對泵站、電站的集中控制，為運(yùn)行管理提供便利。中控室旁布置有一臺通往地面和電站副廠房各層的電梯和樓梯，便于運(yùn)行人員對整個泵站和電站的管理。

電站廠房右側(cè)布置為廠壩導(dǎo)墻，其斷面為梯形，在電站廠房右端圍成了一個長31.00m，寬11.20m的“天井”，利用這部分空間，布置了4層副廠房，各層樓面高程與電站上游副廠房對應(yīng)層同高，并在高程422.50層布置了風(fēng)機(jī)室，屋頂布置空調(diào)散熱器。

安裝場段主機(jī)室分2層，上層為設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)、機(jī)組安裝、檢修場地，下層布置有油處理室、油罐室、水泵室，水泵室下布置滲漏集水井和檢修集

圖3 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)

水井。

2.3.3對外交通

泵站對外交通布置于高程429.70m層，廠房在安裝場下游側(cè)設(shè)置了進(jìn)廠大門，大門直通廠前區(qū)，連接進(jìn)廠道路。

電站廠房尾水位較高，水位變幅達(dá)20.46m，按0.5%洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的尾水平臺和進(jìn)廠道路高程應(yīng)為426.50m。若車輛直接進(jìn)廠，利用廠內(nèi)橋機(jī)卸貨，則需將安裝場地面高程抬高到429.70m，橋機(jī)軌頂高程抬高到441.70m，整個廠房需加高約17m，顯然會大量增加投資。若不增加廠房高度而要車輛直接駛進(jìn)安裝場，利用橋機(jī)卸貨，則安裝場地面和進(jìn)廠道路高程不能高于413.00m，尾水位413.00m對應(yīng)的洪水頻率約為70%，進(jìn)廠大門及道路經(jīng)常會被淹沒，大門需要采用密封閘門封堵，此時需要另外的進(jìn)廠交通通道解決進(jìn)廠問題，顯然也是不經(jīng)濟(jì)的。

結(jié)合黃金峽尾水位特點，進(jìn)廠交通采用垂直進(jìn)廠方式：在安裝場段尾水平臺設(shè)置吊物豎井，機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸?shù)轿菜脚_后，利用尾水門機(jī)起吊，通過進(jìn)廠吊物豎井運(yùn)至運(yùn)行層高程407.70m，然后利用平臺車水平運(yùn)輸?shù)桨惭b場內(nèi)，再利用橋機(jī)起吊運(yùn)輸。布置于上游副廠房內(nèi)的機(jī)電設(shè)備，可通過廠前區(qū)運(yùn)至副廠房429.70m層，利用GIS室橋機(jī)起吊，通過吊物孔吊運(yùn)到副廠房各層。主變壓器則直接運(yùn)輸?shù)綇S前區(qū)，通過主變運(yùn)輸通道上的軌道，推移到主變布置位置。

3 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計

由于泵站、電站前后布置，兩者進(jìn)水口均位于泵站壩段前緣，電站進(jìn)水口及泵站進(jìn)水口交錯布置，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需通過精細(xì)設(shè)計，協(xié)調(diào)電站進(jìn)水口及流道與泵站之間的關(guān)系。與獨立進(jìn)水口相比，聯(lián)合布置進(jìn)水口結(jié)構(gòu)有如下特點：①在一個泵站機(jī)組段內(nèi)，需布置2個泵站機(jī)組流道與一個電站機(jī)組流道，機(jī)組運(yùn)行時水流會相互影響，因此在空間上應(yīng)合理布置，滿足進(jìn)水口水力學(xué)要求及結(jié)構(gòu)要求；②進(jìn)水口斷面破壞了擋水結(jié)構(gòu)的整體性，削弱墩墻的結(jié)構(gòu)承載能力，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取措施并通過計算保證擋水結(jié)構(gòu)安全性。

3.1 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃金峽泵站和電站均采用單機(jī)單管取水方式，共7個水泵進(jìn)水口和3個水輪機(jī)進(jìn)水口。進(jìn)水口設(shè)計中，根據(jù)泵站、電站的布置特點，進(jìn)水口采用擋水墩墻結(jié)構(gòu)，每個泵站機(jī)組段布置2個泵站進(jìn)水口和一個電站進(jìn)水口，電站進(jìn)水口位于中間，泵站進(jìn)水口分列于左右兩側(cè)，3個進(jìn)水口平面上錯開，立面上分上下兩層。每個水泵進(jìn)水口寬3.00m，每個水輪機(jī)進(jìn)水口寬7.40m，中墩厚2.80m，邊墩厚2.50m，2個水泵進(jìn)水口、1個水輪機(jī)進(jìn)水口寬度加上2個中墩、2個邊墩厚度，總長24.00m。進(jìn)水口前部布置攔污柵，攔污柵采用通倉布置，并且泵站、電站統(tǒng)一考慮，可增加各進(jìn)水口攔污柵面積，降低過柵流速，減小水頭損失。進(jìn)水口結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 流道軸線設(shè)計

水泵進(jìn)水流道軸線在立面上分為上平段、上彎段、斜直段和下彎段。在平面上由上游直線段、中間圓弧段、下游直線段組成。

由于電站機(jī)組間距與進(jìn)水口間距不相等，且電站廠房位置受電站縱向?qū)Φ讓挼南拗疲c泵站廠房在平面上有錯位，所有3個電站進(jìn)水口軸線與蝸殼進(jìn)口軸線距離各不相等，由此造成電站引水流道軸線在平面上不是一條直線，且每臺機(jī)組的引水流道軸線不同。3臺機(jī)組的流道軸線在平面上均由3個直線段和2個圓弧段組成。

3.3 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)計算

泵站進(jìn)水口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且關(guān)系到整個建筑物的安全，在對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，采用三維有限元分析方法，選取一個泵站機(jī)組段，包括一定范圍的基巖，建立三維有限元計算模型結(jié)構(gòu)分析。

計算結(jié)果表明，泵站擋水結(jié)構(gòu)整體剛度較大，墩墻在適當(dāng)?shù)呐浣钕?，可滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

4 水力學(xué)數(shù)值模擬及模型試驗

電站泵站進(jìn)水口分層布置，間距較小，泵站開啟過程或?qū)﹄娬拘纬刹焕乃髁鲬B(tài)，影響電站的正常運(yùn)行[2]。為研究其相互影響程度，論證進(jìn)水口分層布置的合理性，建立數(shù)學(xué)模型及物理模型對進(jìn)水口水力特性進(jìn)行研究。

4.1 水力學(xué)數(shù)值模擬

水力學(xué)數(shù)學(xué)模型采用帶自由表面的三維k—ε水氣液兩相紊流模型，模擬在泵站取水水位440.55m和大壩正常蓄水位450.00m下，1臺電站與2臺(或1臺)泵站不同開啟方式下的恒定與非恒定流場，分析水流流態(tài)、流速分布、壓力分布等水力特性。

通過數(shù)值模擬分析，恒定流場模擬了泵站或電站在小區(qū)域極端運(yùn)行方式下單獨運(yùn)行與同時運(yùn)行時的水力特性，結(jié)果表面：進(jìn)水口入流平順，引水管道壓力分布正常，壓力梯度較??；非恒定流場模擬了1臺電站機(jī)組正常運(yùn)行，1臺泵站開啟條件下的壓力波幅變動情況：在泵站閥門瞬開過程中，進(jìn)水口水面波幅較大，隨上游水位變化，進(jìn)水口水面最大波幅為0.76～1.37m，電站流道最大壓力波幅0.72～1.13m；在泵站閥門漸開時，相應(yīng)的進(jìn)水口水面最大壓力波幅為0.35～0.55m，電站流道最大壓力波幅0.33～0.53m。結(jié)果表明，泵站閥門開啟過程對電站機(jī)組運(yùn)行有一定影響。

4.2 水工模型試驗

在水工模型試驗中，通過波高儀，監(jiān)測到泵站閥門逐漸開啟時，在泵站取水水位440.55m和大壩正常蓄水位450.00m下，進(jìn)水口水面最大壓力波幅為0.26～0.29m。

4.3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬及水工模型試驗，結(jié)果表明，泵站、電站單獨運(yùn)行與同時運(yùn)行時，水流流態(tài)較好；泵站閥門的開啟方式對機(jī)組運(yùn)行有一定影響，在實際運(yùn)行中應(yīng)避免對泵站閥門瞬開。

5 泵站廠房的穩(wěn)定及地基應(yīng)力分析

5.1 基巖地質(zhì)條件

黃金峽泵站布置于左岸及河床部位?；鶐r以微新閃長巖為主，局部分布弱風(fēng)化下帶巖體，工程地質(zhì)分類分別屬于AⅡ類和BⅢ1類巖體，承載力基本值分別為4.0MPa和6.0MPa。

5.2 分析內(nèi)容與方法

泵站、電站廠房穩(wěn)定包括抗浮穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定，由于基巖內(nèi)無影響穩(wěn)定的斷層或軟弱夾層，不存在深層抗滑穩(wěn)定問題，故僅分析沿建基面的抗滑穩(wěn)定性。地基應(yīng)力分析指廠房基礎(chǔ)面法向應(yīng)力計算。

泵站廠房為擋水建筑物，抗滑穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算方法及安全要求和大壩相同。

穩(wěn)定應(yīng)力分析中，分別取泵站機(jī)組段和安裝場段作為獨立的計算單元進(jìn)行分析。

5.3 計算結(jié)論

計算分析表明，在各種工況荷載組合下，泵站各段沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的數(shù)值。地基面上最小法向應(yīng)力均大于0，最大法向應(yīng)力均小于地基允許承載力。因此，泵站廠房的整體穩(wěn)定是安全的，地基面法向應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

黃金峽水利樞紐具有泄洪規(guī)模大、建筑物種類多、構(gòu)成復(fù)雜等特點，且壩址處河谷狹窄，岸坡高陡。針對具體情況，通過方案比較采用“河床泵站+壩后電站”這種獨特的前后布置方案，解決了泵站、電站交錯布置帶來的結(jié)構(gòu)型式和水流條件復(fù)雜等難題。模型試驗及水力學(xué)分析也表明，此種布置方式是可行的。