山西垣曲抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 楊，蘇奕康，張子奇，王 哲，張 騰

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

1 概述

山西垣曲抽水蓄能電站位于山西省運(yùn)城市垣曲縣境內(nèi)，距太原公路里程420 km，距運(yùn)城公路里程150 km。電站樞紐建筑物主要由上下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及地面開關(guān)站等建筑物組成。

抽水蓄能電站裝機(jī)4×300 MW，額定水頭457 m，上下水庫進(jìn)/出水口水平距離約3 060 m，距高比為6.71。輸水系統(tǒng)布置在下水庫左岸麻溝和嶺溝之間的山體內(nèi)，總體走向?yàn)镹W252°～NW194°～NW219°～NW236°。樞紐布置2 套獨(dú)立的輸水系統(tǒng)，每套輸水系統(tǒng)由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)兩部分組成，引水、尾水系統(tǒng)均采用1 洞2 機(jī)的布置形式，地下廠房采用中部布置方式，設(shè)引水調(diào)壓室和尾水調(diào)壓室。

2 輸水系統(tǒng)地形地質(zhì)條件

輸水系統(tǒng)布置沿線為中低山地貌，山體寬厚，地形較完整。洞室埋深為20～370 m，穿越的地層復(fù)雜，巖性為云夢山組二段（Z2y2）石英砂巖、長石砂巖、粉砂巖、粘土巖、云夢山組一段（Z2y1）石英砂巖、長石砂巖，以及馬家河組（Z1m）安山巖夾凝灰熔巖等，主要構(gòu)造形跡以斷層、節(jié)理和接觸擠壓破碎帶為主，揭示的斷層約90 條。地下水埋深較大，一般76～170 m。

3 輸水系統(tǒng)布置

輸水系統(tǒng)總長3 434.74 m，其中引水系統(tǒng)長2 324.93 m，尾水系統(tǒng)長1 109.81 m。引水系統(tǒng)由上水庫進(jìn)/出水口、引水隧洞、引水調(diào)壓室、壓力管道、高壓引水岔管及高壓引水支管等建筑物構(gòu)成；尾水系統(tǒng)由尾水支管、尾水事故閘門室、尾水岔管、尾水隧洞、尾水調(diào)壓室、下水庫進(jìn)/出水口等建筑物組成。

上、下水庫進(jìn)/出水口均采用側(cè)式進(jìn)/出水口的布置型式，引水、尾水系統(tǒng)均布置為2 洞4 機(jī)，壓力管道立面布置為上斜井下豎井。

引水隧洞低壓段采用鋼筋混凝土襯砌；壓力管道上平洞、上斜井（含其上、下彎段）、中平洞、下豎井（含其上、下彎段）及下平洞均采用鋼板襯砌；尾水支洞采用鋼板襯砌和鋼筋混凝土襯砌；尾水主洞采用鋼筋混凝土襯砌。

4 輸水系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.1 上、下水庫進(jìn)/出水口體型及水力學(xué)研究

上水庫進(jìn)/出水口由庫底局部向下開挖形成，共2 座，2 個(gè)進(jìn)/出水口體型相同，并排布置。沿發(fā)電流向依次布置為：引水明渠、防渦梁段、攔污柵段、調(diào)整段、擴(kuò)散（收縮）段及標(biāo)準(zhǔn)段。

引水明渠布置在攔污柵段前側(cè)，長84.0 m，斷面為開口矩形，底寬60.6 m，引渠底板采用1∶4 坡比與20.0 m 長水平段（集渣坑）及攔污柵段連接。單個(gè)進(jìn)/出水口寬度為30.3 m。設(shè)置4 孔攔污柵及防渦梁，調(diào)整段長11.0 m；擴(kuò)散（收縮）段長35.0 m，段內(nèi)由3 個(gè)分流墩分成4 個(gè)流道，平面采用雙向擴(kuò)散，擴(kuò)散角為31°7′48″，縱斷面采用頂板單側(cè)擴(kuò)散，擴(kuò)散角為3°45′35″，斷面為矩形；標(biāo)準(zhǔn)段由標(biāo)準(zhǔn)洞段及其上、下游漸變段組成，標(biāo)準(zhǔn)洞段為圓形斷面，上游漸變段由矩形斷面漸變?yōu)閳A形斷面，下游漸變段由圓形斷面漸變?yōu)榫匦螖嗝妗?/p>

下水庫進(jìn)/出水口平行并排布置2 個(gè)相同的進(jìn)/出水口，每個(gè)進(jìn)/出水口由攔沙坎、引水明渠、防渦梁段、攔污柵段、調(diào)整段、擴(kuò)散（收縮）段及標(biāo)準(zhǔn)段組成，與上水庫進(jìn)/出水口型式相似。

抽水蓄能電站運(yùn)行是雙向水流，進(jìn)/出水口的水力條件比較復(fù)雜。為了分析各種工作水位下發(fā)電和抽水時(shí)的水流情況和水頭損失，經(jīng)過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證、改進(jìn)，在各種工作水位和流量組合下進(jìn)/出水口上方都不會產(chǎn)生貫通吸氣漩渦、負(fù)壓，進(jìn)/出水口分流墩使出流各流道分流均勻良好。

4.2 引水調(diào)壓室

在引水隧洞末端設(shè)置水擊波反射快、可有效抑制波幅的阻抗式調(diào)壓室，共2 座，升管代替阻抗孔。升管、大井均為圓形斷面，升管內(nèi)徑4.5 m，高81.60 m，大井內(nèi)徑18.0 m，高67.0 m，采用鋼筋混凝土襯砌，升管襯砌厚0.6 m，大井襯砌厚1.2 m。調(diào)壓室頂部平臺高程為980.00 m，通過對外交通路與上、下水庫聯(lián)系路連接。

根據(jù)DL/T5057-2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中需遵循近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則。根據(jù)DL/T5195-2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，襯砌結(jié)構(gòu)采用承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)配筋形式，驗(yàn)算裂縫寬度。

4.3 壓力管道鋼襯段

壓力鋼管壁厚計(jì)算按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的公式進(jìn)行計(jì)算。廠內(nèi)明管按明管設(shè)計(jì)，γd值按增大20%設(shè)計(jì)，內(nèi)水壓力由鋼管承受；廠房上游邊墻14.0 m范圍內(nèi)的鋼管按明管設(shè)計(jì)，內(nèi)水壓力由鋼管承受；廠房上游14.0～30.0 m 范圍內(nèi)的鋼管按埋管設(shè)計(jì)，但不計(jì)圍巖彈抗，即K0=0，鋼板允許應(yīng)力按埋管允許應(yīng)力；其余部分按地下埋藏式鋼管設(shè)計(jì)，考慮鋼板、混凝土、圍巖三者之間的聯(lián)合受力作用和三者之間存在縫隙的影響；與施工支洞相交的壓力鋼管段，按埋管設(shè)計(jì)，但不計(jì)圍巖彈抗，即K0=0，鋼板抗力限值取地下埋管抗力限值；根據(jù)水力過渡過程計(jì)算，蝸殼進(jìn)口處最大動水壓力為719.46 m?？紤]機(jī)組甩負(fù)荷壓力脈動影響，模型試驗(yàn)機(jī)與原型機(jī)特性差別，以及機(jī)組關(guān)閉過程的變化影響，壓力鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，壓力管道末端內(nèi)水壓力考慮壓力脈動、計(jì)算誤差及一定裕度，取795.00 m，各管段的設(shè)計(jì)水頭按長度直線變化計(jì)算；不計(jì)鋼管自重、管內(nèi)水重及地震力；鋼襯抗外壓穩(wěn)定采用加勁環(huán)式鋼管。

壓力鋼管鋼襯厚度計(jì)算成果見表1，加勁環(huán)厚22 m，高220 m，間距750 mm。

表1 壓力鋼管鋼襯厚度計(jì)算成果表

4.4 壓力管道排水

壓力管道鋼襯洞段地下水位較高，天然地下水水頭高50.0～250.0 m。地下水主要以基巖裂隙水為主，工程壓力管道設(shè)置有2 套排水系統(tǒng)，即直接排水系統(tǒng)和間接排水系統(tǒng)。

4.4.1 直接排水系統(tǒng)

在壓力管道鋼襯洞段布置巖壁排水系統(tǒng)和管壁排水系統(tǒng)。兩層排水系統(tǒng)均由排水管網(wǎng)組成，排水管采用鍍鋅花鋼管，內(nèi)插軟式排水管，環(huán)向排水管分別固定在巖壁及管壁上，沿縱向間距15 m設(shè)置1 道，縱向排水管固定在巖壁上，共布置6 道，將環(huán)向排水管中的集水匯集到縱向排水管中，然后排出。上斜井、中平洞鋼襯段集水排至中平洞施工支洞排水溝，下豎井、下平洞及引水支管段集水排入廠房排水溝。

4.4.2 間接排水系統(tǒng)

為降低壓力管道外水壓力，增加鋼管抗外壓穩(wěn)定安全度，在中平洞610.00 m 高程和419.00 m高程布置兩層排水廊道，排水廊道尺寸為3.0 m×3.0 m（寬×高）。排水廊道兩側(cè)各布置一排排水孔，? 100，孔深25.0 m，排距3.0 m。610.00 m高程處排水廊道集水通過中平洞施工支洞排出，419.00 m 高程處排水廊道集水由廠房上左側(cè)頂層排水廊道排出。

4.5 尾水調(diào)壓室

尾水調(diào)壓室位于尾水岔管分岔點(diǎn)下游（發(fā)電流向）25.0 m處，布置為阻抗式調(diào)壓室，底部升管代替阻抗孔。升管高68.5 m，圓形斷面，內(nèi)徑4.5 m，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.6 m；大井高75.0 m（含穹頂），圓形斷面，內(nèi)徑20.0 m，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚1.2 m；穹頂采用掛鋼筋網(wǎng)的錨噴支護(hù)型式，錨桿? 22，深入圍巖4.5 m，間排距2.0 m，噴混凝土厚15 cm，掛? 8@200 mm 鋼筋網(wǎng)。

尾水調(diào)壓室頂部拱腳處設(shè)置通風(fēng)洞與廠房通風(fēng)洞相接，通風(fēng)洞斷面尺寸為4.8 m×4.5 m，長613.0 m，底坡為4.2%。

5 結(jié)論

垣曲抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)較長，廠房為中部式開發(fā)方式，需設(shè)置引水調(diào)壓室和尾水調(diào)壓室。管道壓力較低、巖體較完整的上平段，采用鋼筋混凝土襯砌易于施工，結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)較低，同時(shí)布置較長的上平段減少高壓段的長度。高壓管道根據(jù)地形地質(zhì)條件，采用上斜井下豎井的布置型式，不僅縮短了高壓管道的長度，同時(shí)使引水岔管及廠房避開地質(zhì)條件較差的斷層破碎帶。設(shè)計(jì)中充分考慮了地形地質(zhì)特點(diǎn)，輸水系統(tǒng)布置合理，隧洞結(jié)構(gòu)形式安全、經(jīng)濟(jì)，節(jié)省了大量的投資并方便了施工，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。