新疆達(dá)坂城抽水蓄能電站取水泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：中國(guó)西北地區(qū)抽水蓄能電站的建設(shè)常面臨水資源短缺等問題，取水泵站的設(shè)置直接影響到主體工程能否順利完成建設(shè)期施工用水、初期蓄水和運(yùn)行期永久補(bǔ)水的任務(wù)，如何取到優(yōu)質(zhì)可靠的原水是取水泵站的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。結(jié)合新疆達(dá)坂城抽水蓄能項(xiàng)目，針對(duì)工程區(qū)水資源匱乏、地下水埋藏較深的特點(diǎn)，從施工難度、取水可靠性、運(yùn)行管理等方面對(duì)地表水取水構(gòu)筑物形式進(jìn)行了比選，最終選擇直接利用攔沙壩擋水的自流管固定式取水泵站，并從永臨結(jié)合角度對(duì)取水泵站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該泵站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資較少。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可供缺水地區(qū)的類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站; 固定式取水泵站; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖法分類號(hào)：TV675

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.006

文章編號(hào)：1006-0081（2024）12-0029-05

0 引 言

中國(guó)西北地區(qū)氣候干旱少雨，降水量小但蒸發(fā)量大，抽水蓄能電站的建設(shè)常面臨水資源短缺、主河道含沙量大等問題［1-2］。目前，西北抽水蓄能工程常采用在主河道新建攔沙壩形成下庫(kù)獨(dú)立庫(kù)作為避沙措施，新建泄洪排沙洞繞過下庫(kù)解決汛期洪水下泄和下游生態(tài)流量問題［3］。對(duì)不滿足水輪機(jī)組過機(jī)泥沙要求的，采用電站供水系統(tǒng)進(jìn)行給水處理或設(shè)置進(jìn)水?dāng)r沙坎等措施控制入庫(kù)泥沙，減少機(jī)組磨損。

取水泵站作為抽水蓄能電站供水系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)置合理與否直接關(guān)系到電站能否順利完成建設(shè)期主體工程施工、建設(shè)期末初期蓄水發(fā)電、運(yùn)行期連續(xù)永久補(bǔ)水的任務(wù)。取水泵站對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)的組成布局、工程投資及運(yùn)行維護(hù)等方面具有重大的影響，直接關(guān)系到工程的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性［4-5］。取水構(gòu)筑物可分為固定式和移動(dòng)式，其中固定式取水構(gòu)筑物具有運(yùn)行安全可靠、檢修管理方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電站供水系統(tǒng)［6］。本文以新疆達(dá)坂城抽水蓄能電站中取水泵站為例，針對(duì)西北地區(qū)抽水蓄能電站水資源匱乏、河道含沙量大等問題，提出了一種利用攔沙壩擋水的自流管固定式取水泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)型式，為電站施工期供水和運(yùn)行期補(bǔ)水提供足量且優(yōu)質(zhì)的原水，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可供類似工程設(shè)計(jì)借鑒。

1 工程概況

1.1 電站概況

新疆達(dá)坂城抽水蓄能電站位于烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)，距達(dá)坂城和烏魯木齊市直線距離分別約40 km和85 km。工程供電范圍為新疆電網(wǎng)，同時(shí)服務(wù)于新能源消納，承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。電站裝機(jī)容量1 400 MW（4×350 MW），屬日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)6 h。

該工程屬于一等大（1）型工程，樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開關(guān)站和永久補(bǔ)水系統(tǒng)等建筑物組成。上水庫(kù)位于高崖子河左岸的哈木斯布拉克薩依溝尾盆狀地帶，采用瀝青混凝土面板堆石壩，最大壩高100 m，總庫(kù)容863萬(wàn)m3；下水庫(kù)位于高崖子河道上，截?cái)嗪拥乐纬蓭?kù)，攔河壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高55 m，攔沙壩采用塑性混凝土心墻堆石壩，最大壩高25 m，下水庫(kù)總庫(kù)容840萬(wàn)m3。

1.2 供水系統(tǒng)概況

該電站設(shè)置1套永久及臨時(shí)供水系統(tǒng)，供水規(guī)模為12 000 m3/d，按永臨結(jié)合設(shè)計(jì)，補(bǔ)水建筑物級(jí)別為3級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)取100 a一遇。

施工供水系統(tǒng)為臨時(shí)供水系統(tǒng)，主要承擔(dān)電站建設(shè)期施工供水和建設(shè)期末初期蓄水的任務(wù)。其組成主要包括取水泵站、水廠、水廠至上庫(kù)中間加壓泵站、下庫(kù)蓄水塘及提水泵站、高位水池和輸配水管路等。

永久補(bǔ)水系統(tǒng)直接關(guān)系到電站能否完成連續(xù)滿發(fā)運(yùn)行，運(yùn)行期需向下水庫(kù)補(bǔ)水滿足發(fā)電庫(kù)容，同時(shí)兼顧電站運(yùn)行期公共事業(yè)用水和生活用水。當(dāng)電站施工及初期蓄水完畢后，對(duì)前期取水泵站、水廠、高位水池和下庫(kù)輸配水管路進(jìn)行改造，保留用作永久補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)施，施工供水系統(tǒng)其余設(shè)施及管路將拆除并恢復(fù)原始地貌。

2 取水口水文地質(zhì)條件

2.1 水文條件

新疆達(dá)坂城白楊河高山區(qū)冰川是徑流的主要補(bǔ)給水源，中低山區(qū)是暴雨的高發(fā)區(qū)，每年夏季常發(fā)生局部暴雨。因此白楊河的徑流補(bǔ)給是以冰雪融水為主，夏季降雨及地下水補(bǔ)給為輔。其中，高崖子溝偏于博格達(dá)峰東側(cè)，山體相對(duì)較低，冰川面積較小，冰川融水占比小，而降水補(bǔ)給相對(duì)較大。工程區(qū)有高崖子河流經(jīng)，下水庫(kù)壩址以上的工程區(qū)無(wú)人居住，壩址下游有高崖子渠首工程用于阿克蘇鄉(xiāng)高崖子牧場(chǎng)和東溝鄉(xiāng)灌溉。

高崖子河為本工程唯一可以利用的地表水源，推薦取水口100 a一遇設(shè)計(jì)洪水2 179.54 m，保證率P=90%的最枯月設(shè)計(jì)流量和水位分別為0.065 m3/s，2 166.41 m，多年平均含沙量為0.755 kg/m3。

2.2 地質(zhì)情況

高崖子河河床漂石砂卵礫石層厚度為20～30 m，左側(cè)淺右側(cè)深。漂卵礫石磨圓較差，分選性差，漂石含量約占30%，直徑為0.5～1.0 m，最大達(dá)2～3 m，未見砂層。高崖子河主河道常年有流水，流量具季節(jié)性，河床地下水位埋深一般為0～2.50 m。

取水泵站位于高崖子河左岸臨江階地平臺(tái)上，取水口地貌見圖1。平臺(tái)地面高程為2 169～2 170 m，河床地面高程為2 165～2 166 m，臺(tái)階高度為 3～4 m?；鶐r為中厚層砂巖，地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。泵站場(chǎng)區(qū)無(wú)活動(dòng)性區(qū)域斷裂通過，屬于建筑抗震一般地段，場(chǎng)地穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定。

2.3 氣象條件

新疆達(dá)坂城白楊河流域冬季寒冷，夏季溫?zé)幔呵飪杉緯円箿夭畲?，具有寒熱多變的典型大陸性氣候特征。降水集中在夏季，占年降水量?0%，春季基本不降水，春旱較為嚴(yán)重。流域內(nèi)蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)力強(qiáng)盛。根據(jù)達(dá)坂城氣象站1965～2021年氣象資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫6.8 ℃，7月平均氣溫21.4 ℃，1月平均氣溫-10.2 ℃，氣溫年內(nèi)相差31.6 ℃。最高氣溫34.2 ℃，最低氣溫-23.0 ℃。多年平均降雨量72.0 mm，降雨多集中在汛期6～9月，占年總量的83.5%。多年平均蒸發(fā)量2 265 mm，5月份蒸發(fā)量最大，為357.8 mm，1月份蒸發(fā)量最小，為34.7 mm。多年平均風(fēng)速為5.5 m/s，歷年最大風(fēng)速為33 m/s，相應(yīng)風(fēng)向?yàn)閃NW。最大冰厚為上水庫(kù)83.8 cm，下水庫(kù)83.5 cm；正常運(yùn)行期冰厚上水庫(kù)36 cm，下水庫(kù)35.9 cm。每年9月到次年4月有凍土，深度在22～137 cm。

3 取水泵站方案比選

該工程設(shè)計(jì)供水規(guī)模12 000 m3/d，針對(duì)電站工程區(qū)水資源匱乏、地下水埋藏較深的特點(diǎn)，對(duì)從高崖子河取水進(jìn)行了底欄柵式取水構(gòu)筑物和自流管固定式取水構(gòu)筑物兩種地表水取水方式的分析比較。

3.1 底欄柵式取水構(gòu)筑物

底欄柵取水構(gòu)筑物除設(shè)置進(jìn)水口的底欄柵壩外，一般還包括溢流壩、泄洪沖沙閘、導(dǎo)沙坎及上下游導(dǎo)流建筑物等。通過在河床修建壅水堰將水位壅高，然后在壅水堰內(nèi)設(shè)置取水廊道，并利用廊道頂部

欄柵的篩析作用防止大粒徑砂石進(jìn)入取水系統(tǒng)。底欄柵式取水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，其引水廊道垂直于河流取水，適用于河床較窄、水深較淺，河底縱向坡較大，大顆粒推移質(zhì)特別多的山溪河流，不宜設(shè)置在河床寬闊、河道散亂的沖積扇上［7］。

高崖子河取水?dāng)嗝嫣幒拥缹挾燃s90～120 m，地形為河流階地，如采用底欄柵式取水，需在河道斷面設(shè)置較長(zhǎng)的溢流壩，工程量較大，且對(duì)水生態(tài)和河岸管理有一定影響?？紤]到工程區(qū)域汛期高崖子河原水含沙量較大，易造成壩前泥沙淤積、底欄柵間隙堵塞及取水廊道淤積等問題，需定期進(jìn)行人工清淤，經(jīng)濟(jì)性較差，運(yùn)行維護(hù)較繁瑣。

3.2 自流管固定式取水構(gòu)筑物

該電站樞紐工程在下水庫(kù)庫(kù)尾設(shè)置有攔沙壩，攔截上游洪水與泥沙。攔沙壩采用塑性混凝土心墻堆石壩，最大壩高25 m，位于攔河壩上游1 250 m處，壩頂長(zhǎng)度165 m，壩頂寬10 m，壩頂高程2 185 m。攔沙壩全年敞泄排沙運(yùn)行，攔沙壩泄洪排沙洞底板高程2 167 m，與天然河道高程基本一致。

攔沙壩和泄洪排沙洞建成后，高崖子河來(lái)水通過攔沙壩壅高后，再經(jīng)泄洪排沙洞引至下游。在攔沙壩前設(shè)置取水泵站，無(wú)需再建設(shè)擋水構(gòu)筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100 a一遇，設(shè)計(jì)洪水位為2 179.54 m。

在岸邊修建固定式取水泵站，在攔沙壩和泄洪排沙洞前河道地勢(shì)最低處修建集水池，設(shè)置引水管伸入集水池進(jìn)行自流引水。自流管固定式取水構(gòu)筑物取水工藝簡(jiǎn)單、系統(tǒng)占地面積小、安全可靠、水質(zhì)較好［8］，可以滿足施工供水及永久補(bǔ)水的水量需求，集水池汛期淤積容易清除。

3.3 方案比選

根據(jù)新疆達(dá)坂城高崖子河取水點(diǎn)基本情況、水文特性、地質(zhì)情況，底欄柵式取水構(gòu)筑物需在河床修建較長(zhǎng)的溢流壩，投資造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)性差，且淤積問題嚴(yán)重，運(yùn)行維護(hù)困難。采用自流管固定式取水構(gòu)筑物方案可以充分利用攔沙壩擋水，工藝形式簡(jiǎn)單，取水安全可靠。

通過對(duì)以上兩種取水方式的分析，從施工難度、取水安全可靠性、運(yùn)行管理便利性等方面綜合比較，選擇自流管固定式取水泵站。

4 取水泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮電站永久及臨時(shí)供水系統(tǒng)取水保證率，結(jié)合工程區(qū)內(nèi)穩(wěn)定水源的情況，取水水源來(lái)自高崖子河，取水口位于下水庫(kù)攔沙壩軸中心線上游約100 m，從攔沙壩前高崖子河道左岸直接取水，按100 a一遇洪水永久構(gòu)筑物設(shè)計(jì)。取水構(gòu)筑物由集水池、喇叭管取水頭、引水管、固定取水泵站、棧橋組成，取水泵站剖面布置見圖2。

4.1 集水池

為滿足取水深度并防止取水頭淤積，通過開挖河灘形成集水池，池底高程2 163.7 m，深度約3.3 m，容積約2 000 m3。根據(jù)泄洪排沙洞底板高程，集水池內(nèi)設(shè)計(jì)最低取水位為2 167 m。集水池底板及邊坡均采用鋼筋混凝土板。

4.2 取水頭和自流管

取水頭采用側(cè)向進(jìn)水鋼制喇叭口，并設(shè)置格柵防止漂浮物及漂石落入。考慮到高崖子河天然河道最大冰厚83.5 cm，為保證取水安全可靠并防止取水頭部淤堵，取水口頂端淹沒深度按1 m、取水口底部距河床高度按不小于0.5 m控制。

為提高取水可靠性，自流管設(shè)置長(zhǎng)、短兩根，長(zhǎng)管伸入主河道地勢(shì)最低高程2 163.7 m處，長(zhǎng)度21.1 m，短管長(zhǎng)度2.6 m，兩管平行布置，設(shè)計(jì)管中心高程2 065.62 m，管徑均為DN450。

4.3 取水泵房

4.3.1 泵房結(jié)構(gòu)

取水泵站的形式為岸邊式固定取水泵站，下部井筒采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，井筒內(nèi)徑10 m，深16.13 m，壁厚1.2 m，底板厚度1.5 m，底板頂高程為2 164.87 m，考慮50 cm浪高及50 cm超高，地面層平臺(tái)高程2 181 m，采用自重抗浮。上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高度6.5 m。取水泵房外設(shè)3 m寬鋼棧橋連接外部道路，棧橋長(zhǎng)度約35 m。

4.3.2 水泵選型和布置

取水泵站內(nèi)水泵的選型和布置充分考慮永臨結(jié)合。施工期向水廠和蓄水塘供水，運(yùn)行期向水廠和下水庫(kù)供水。

4.3.2.1 工程建設(shè)期施工供水

工程區(qū)屬于缺水地區(qū)，施工期2～4月可利用水量不足，最大連續(xù)缺水量約33萬(wàn)m3，供水系統(tǒng)通過在下水庫(kù)庫(kù)盆內(nèi)修建蓄水塘滿足施工期供水，容積約35萬(wàn)m3，利用水量富裕月份向蓄水塘蓄水。

施工期需滿足水廠和蓄水塘供水需求。原方案取水泵站需設(shè)置去往水廠和蓄水塘方向水泵各2臺(tái)，泵房共布置水泵4臺(tái)（2用2備），占地面積較大。

為減少水泵數(shù)量和泵房占地，本次設(shè)計(jì)充分考慮水泵運(yùn)行工況，并優(yōu)化水泵泵型。考慮到蓄水過程最不利點(diǎn)為翻攔沙壩壩頂2 185 m，水廠場(chǎng)平高程

2 184 m，去往水廠和蓄水塘水泵揚(yáng)程相近。蓄水塘蓄水時(shí)間只需滿足在水量富余月份充滿水塘即可，考慮28 d充滿時(shí)的設(shè)計(jì)流量520 m3/h和去往水廠流量550 m3/h相近。通過優(yōu)化選型，施工期取水泵站內(nèi)只需設(shè)置3臺(tái)泵位，安裝臥式變頻離心泵3臺(tái)（2用1備），單泵參數(shù)Q=550 m3/h，H=30 m，P=90 kW，施工期泵站內(nèi)水泵布置見圖3。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可節(jié)省1臺(tái)水泵，同時(shí)便于運(yùn)行管理，減少工程投資。

4.3.2.2 工程運(yùn)行期永久補(bǔ)水

運(yùn)行期補(bǔ)水直接關(guān)系到電站能否完成連續(xù)滿發(fā)運(yùn)行，供水對(duì)象重要性高。取水泵站在運(yùn)行期需滿足下水庫(kù)補(bǔ)水和業(yè)主營(yíng)地等原水需求。

本次設(shè)計(jì)運(yùn)行期保留水泵1和2作為補(bǔ)水泵（單泵參數(shù)Q=550 m3/h，H=30 m，P=90 kW），拆除水泵3，將泵位3改造為泵位4和5，新增水泵4和5作為去往水廠的生活水泵（單泵參數(shù)Q=30 m3/h，H=30 m，P=15 kW），運(yùn)行期泵站內(nèi)水泵布置見圖4。

運(yùn)行期進(jìn)行泵站改造后可實(shí)現(xiàn)滿足不同時(shí)段用水需求：補(bǔ)水時(shí)段原水水質(zhì)較好、含沙量較低時(shí)，啟用補(bǔ)水泵直接向下庫(kù)補(bǔ)水，啟用生活水泵至水廠凈化滿足業(yè)主營(yíng)地等用水需求；補(bǔ)水時(shí)段原水水質(zhì)較差、含沙量較高時(shí)，啟用補(bǔ)水泵至水廠凈化，同時(shí)滿足下水庫(kù)補(bǔ)水和業(yè)主營(yíng)地等用水需求；非補(bǔ)水時(shí)段僅啟用生活水泵取水至水廠，滿足項(xiàng)目公共事業(yè)用水和生活用水。

取水泵站內(nèi)水泵的參數(shù)及功能見表1。通過以上優(yōu)化設(shè)計(jì)順利實(shí)現(xiàn)泵站的永臨改造，且運(yùn)行調(diào)度順暢，有益于電站供水系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

4.3.3 出水管道

出水管為兩根DN350鋼管，中間設(shè)聯(lián)通管及閥門。工程建設(shè)施工期，取水泵站出水管分兩路：一路輸向水廠凈化處理；一路輸向蓄水塘，逢水量富余月份向蓄水塘蓄水。電站補(bǔ)水運(yùn)行期，取水泵站出水管分兩路：一路輸向水廠凈化處理；一路輸向下水庫(kù)補(bǔ)水，當(dāng)原水水質(zhì)較好時(shí)直接向下水庫(kù)補(bǔ)水。

4.4 防冰凍及清淤措施

（1） 取水頭。為防止冰凍，間歇運(yùn)行期間通過設(shè)置小型循環(huán)水泵保證取水頭附近水域連續(xù)的水流動(dòng)力，并在取水頭上方設(shè)置遮雪防凍罩。

（2） 管道。管道結(jié)合道路施工提前預(yù)埋在冰凍層以下，局部明敷時(shí)需采用加熱及保溫措施，管道保溫選用稀土保溫材料。

（3） 清淤。視集水池內(nèi)泥沙淤積情況，定期進(jìn)行人工清淤。

5 結(jié) 語(yǔ)

取水泵站作為抽水蓄能電站供水系統(tǒng)原水工程，對(duì)供水安全可靠性提出更高的要求。西北地區(qū)抽水蓄能電站常在主河道新建攔沙壩和泄洪排沙洞形成下庫(kù)獨(dú)立庫(kù)來(lái)解決泥沙和下游用水問題，本文提供了一種直接利用攔沙壩擋水的固定式取水泵站設(shè)計(jì)思路，工藝簡(jiǎn)單，減小占地和投資。自流管固定式取水泵站的設(shè)計(jì)充分考慮了永臨結(jié)合，節(jié)約項(xiàng)目前期投入和后期運(yùn)營(yíng)的成本，同時(shí)便于運(yùn)行管理。該工程經(jīng)驗(yàn)可供西北缺水地區(qū)的類似工程設(shè)計(jì)借鑒。

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Optimization design of water intake pumping station of Xinjiang Dabancheng Pumped Storage Power Station

Abstract：

The construction of pumping storage power stations in northwest China often encounters problems such as water scarcity.The design of the water pump station directly affects whether the main project can successfully satisfy the construction water，initial water storage and operating permanent hydration during the construction period.High-quality and reliable raw water is the focus of the design of the water pump station.Combining the characteristics of Xinjiang Dabancheng pumping water storage project，which was based on the scarcity of water resources in the engineering area and depth of groundwater.The form of water collection structure was compared from the aspects of construction difficulty，reliable water removal，and operation management.Ultimately，we selected a self-flow pipe fixed water intake pump station that usedthe sand blocking water to block water.The design approach has been refined to balance the permanent and temporary needs，the pump station structure was simple and had less investment in its area.The research results can provide a reference for similar projects in other regions facing water scarcity.

Key words：

pumped storage power station； fixed water intake pump station； optimal design