荒溝抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張殿雙，鄭 軍，胡順志

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

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省牡丹江市海林縣三道河子鎮(zhèn)，下水庫利用已建成的蓮花水電站水庫，上水庫為牡丹江支流三道河子右岸的山間洼地。站址距牡丹江市1 30 km，距蓮花壩址43 km。電站樞紐建筑物主要由主壩、副壩、輸水系統(tǒng)和地下廠房等組成。電站裝機(jī)容量1 200 MW，上水庫總庫容1 161×104m3。由于荒溝抽水蓄能電站下水庫利用蓮花水庫，因此電站的下水庫進(jìn)/出水口205.00 m高程以下部分在1996年10月蓮花水庫蓄水前已施工完成。

1 輸水系統(tǒng)布置

荒溝抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)包括引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)，采用兩洞四機(jī)的供水方式。引水系統(tǒng)由上水庫進(jìn)/出水口、引水低壓隧洞、引水調(diào)壓井、高壓隧洞、引水洞岔管和引水支洞組成。尾水系統(tǒng)由尾水支洞、尾水洞岔管、尾水調(diào)壓井、尾水隧洞、下水庫進(jìn)/出水口組成。上水庫進(jìn)/出水口為豎井式結(jié)構(gòu)，位于主壩上游右岸，共兩座進(jìn)/出水口。引水隧洞長為660.36 m，內(nèi)徑6.7 m，采用鋼筋混凝土襯砌。引水調(diào)壓井位于引水隧洞末端，對(duì)稱布置在引水隧洞兩側(cè)，為升管阻抗式調(diào)壓井。兩條高壓隧洞中心間距67.50 m，單洞全長831.27 m。引水洞岔管為卜型，分岔角為60°，岔管主管直徑6.7 m，支管直徑4.7 m。從引水洞岔管至廠房蝸殼進(jìn)口為引水支洞，每條引水支洞長288.27 m。從機(jī)組尾水管出口至尾水岔管為尾水支洞，尾水支洞內(nèi)徑4.7 m，該段長176.92 m。尾水岔管型式為正Y型，合岔角為50°。尾水調(diào)壓井距機(jī)組中心線212.62 m，對(duì)稱布置在尾水隧洞兩側(cè)，調(diào)壓井為阻抗式，尾水調(diào)壓井頂部設(shè)置的補(bǔ)氣洞與廠房通風(fēng)洞相接。尾水隧洞全長1 046.82 m，內(nèi)徑6.7 m，采用鋼筋混凝土襯砌。下水庫進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)型式為岸塔式，每個(gè)進(jìn)/出水口設(shè)四扇活動(dòng)式攔污柵和一扇檢修閘門。

2 輸水建筑物設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)

抽水蓄能電站的水流是雙向流動(dòng)的，電站上、下水庫的進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)要充分考慮到雙向水流的特性，進(jìn)水時(shí)，要逐漸收縮，出水時(shí)，應(yīng)逐漸擴(kuò)散，全斷面上流速盡量均勻，不產(chǎn)生回流、脫離和漩渦。

上水庫進(jìn)/出水口共2座，為豎井式進(jìn)水口，由明渠段、防渦梁段、攔污柵段、擴(kuò)散段、標(biāo)準(zhǔn)段、閘門井段和漸變段組成。明渠段分前段、中段和后段3個(gè)部分，在明渠前段四周設(shè)置了擋沙坎，擋沙坎頂高程為632.80 m，并在擋沙坎前經(jīng)10 m平段，然后以1∶3斜坡連接至633.00 m回填高程。進(jìn)/出水口防渦梁段長10.0 m，共設(shè)置4道防渦梁，防渦梁斷面尺寸為1.2 m×1.5 m，防渦梁間距1.0 m。攔污柵段長6.0 m，每個(gè)進(jìn)/出水口設(shè)4扇活動(dòng)攔污柵，孔口尺寸為5.5 m×10.0 m（寬×高）。擴(kuò)散段長40 m，采用雙向擴(kuò)散。閘門井段長8 m，檢修閘門尺寸為6.70 m×6.70 m，檢修閘門底坎高程618.00 m。閘門井為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通氣孔設(shè)于閘門井筒內(nèi)。漸變段位于閘門井后，漸變段長15 m，由6.70 m×6.70 m方形斷面漸變至直徑6.7 m的圓形斷面，漸變段襯砌混凝土厚2.0 m。上水庫進(jìn)/出水口通過閘門井檢修平臺(tái)交通橋與對(duì)外公路連接。

下水庫進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)型式為岸塔式，進(jìn)/出水口由明渠段、防渦梁段、攔污柵段、擴(kuò)散段、過渡段、閘門井段和漸變段組成。明渠段長60 m，前沿寬59.4 m，前沿設(shè)有擋沙坎。防渦梁段順?biāo)鞣较蜷L12.0 m，間距1.1 m。攔污柵段順?biāo)鞣较蜷L6.0 m，每個(gè)進(jìn)/出水口設(shè)4扇攔污柵，攔污柵孔口尺寸為5.5 m×10.0 m（寬×高）。擴(kuò)散段順?biāo)鞣较蜷L35.5 m，設(shè)3個(gè)分水墩；擴(kuò)散段與閘門井段之間有長11.75 m的過渡段，閘門井段長8.25 m，基礎(chǔ)為弱風(fēng)化白崗花崗巖，設(shè)平板檢修門，后止水。閘后漸變段長15.0 m，首端方型斷面7.5 m×7.5 m，末端圓型斷面內(nèi)徑6.7 m。交通由3座橋連接，即攔污柵平臺(tái)與閘門井之間，兩閘門井之間，閘門井與庫岸公路之間。

2.2 隧洞設(shè)計(jì)

根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件和承受的內(nèi)外水壓力的大小，輸水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌或鋼板襯砌。輸水隧洞圍巖多為較完整的白崗花崗巖，隧洞全線埋深較大，隧洞最小覆蓋厚度滿足挪威經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則和最小地應(yīng)力準(zhǔn)則，圍巖不會(huì)發(fā)生水力劈裂，具備采用鋼筋混凝土襯砌的條件。為此，除靠近廠房兩側(cè)的高壓引水及尾水支洞采用鋼板襯砌以防止高壓水滲入廠房外，其它輸水隧洞全部采用鋼筋混凝土襯砌。

鋼筋混凝土襯砌洞段包括低壓引水隧洞、高壓隧洞、引水/尾水支洞、尾水隧洞等。鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)按DL/T5195-2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》及DL/T5057-1996《水工鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》等推薦的計(jì)算方法，按限制裂縫開展寬度不超過0.2 mm的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋼筋混凝土襯砌厚60～80 cm，采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，受力鋼筋為II級(jí)鋼筋。經(jīng)過初步分析計(jì)算，除高壓隧洞下平段IV類圍巖以外，其它洞段均為構(gòu)造配筋。高壓隧洞下平段IV類圍巖采用DL/T5195-2004中計(jì)算方法設(shè)計(jì)，配筋高達(dá)390 cm2，施工難以實(shí)現(xiàn)，因此，擬采用在襯砌外圍進(jìn)行預(yù)應(yīng)力灌漿，使襯砌產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，以平衡除鋼筋混凝土和圍巖承擔(dān)以外的內(nèi)水壓力。經(jīng)計(jì)算為保證裂縫開展寬度所需要的孔口灌漿壓力為3 MPa，若預(yù)應(yīng)力高壓固結(jié)灌漿施工條件難以滿足，考慮局部洞段采用鋼板襯砌。為了保證襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖緊密結(jié)合，充分利用圍巖承擔(dān)內(nèi)水壓力，對(duì)水平隧洞襯砌的頂拱進(jìn)行回填灌漿，回填灌漿壓力為0.3 MPa。為加固隧洞開挖爆破松動(dòng)圍巖，提高圍巖的彈性抗力，根據(jù)圍巖地質(zhì)情況和內(nèi)水壓力大小，對(duì)輸水隧洞進(jìn)行固結(jié)灌漿處理；固結(jié)灌漿孔每排8孔，排距3 m，灌漿孔深3.5 m和4.0 m，固結(jié)灌漿壓力與內(nèi)水壓力相同，為 1～6 MPa。

引水支洞鋼板襯砌段長度255 m，為設(shè)計(jì)水頭的0.62倍。鋼襯段內(nèi)徑4.7 m，承受最大內(nèi)水壓力為6.7 MPa。設(shè)計(jì)中靠近廠房上游墻30 m范圍內(nèi)，由于巖石將受到大跨度的地下廠房開挖爆破影響，按明管進(jìn)行設(shè)計(jì)，其余225 m高壓管道按埋藏管設(shè)計(jì)。鋼管內(nèi)徑4.7 m，外包素混凝土厚0.8 m，鋼襯段首部設(shè)3道孔深10 m的阻水帷幕。為降低鋼襯段和鋼筋混凝土岔管的外水壓力，在4條壓力管道上部設(shè)3個(gè)排水廊道，排水廊道下游側(cè)與廠房4周排水廊道相連，上游延伸至引水岔管上游7 m。高壓引水支洞承受5.7～6.7 MPa內(nèi)水壓力，經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，埋藏段管壁厚為26～48 mm，加勁環(huán)厚36 mm，高20 cm，加勁環(huán)間距60 cm，埋管鋼管材料采用Q345R鋼；明管段管壁厚58 mm，加勁環(huán)厚20 mm，高20 cm，加勁環(huán)間距1.00 cm，明管鋼材采用800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼。

尾水支洞從尾水管出口至尾閘室前漸變段采用鋼板襯砌，鋼板襯砌段長71.75 m。該洞段圍巖為Ⅱ類圍巖，巖體較完整，該段內(nèi)通過斷層f31，f32，寬度均較小，且傾角較陡，對(duì)圍巖穩(wěn)定無大影響。尾水支洞承受最大內(nèi)水壓力為1.25 MPa，鋼管內(nèi)徑4.7 m，外側(cè)回填0.8 m素混凝土。鋼板襯砌段靠近廠房下游墻30 m范圍內(nèi)，按明管進(jìn)行設(shè)計(jì)，其余按埋藏管設(shè)計(jì)。經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，尾水支洞鋼管材料采用Q345R鋼材，鋼板厚度為16 mm，加勁環(huán)厚20 mm，高20 cm，間距60 cm。

2.3 岔管設(shè)計(jì)

引水洞岔管圍巖為新鮮白崗花崗巖，岔管埋深420 m，巖質(zhì)堅(jiān)硬完整，節(jié)理不發(fā)育，為Ⅱ類圍巖。引水洞岔管為卜型，分岔角60°，岔管主管直徑6.7 m，支管直徑4.7 m，錐管段長度9.32 m。引水洞岔管承受最大內(nèi)水壓力為5.80 MPa，由于岔管處在較好的地質(zhì)條件下，通過三維非線性有限元計(jì)算，并參考目前國內(nèi)高壓鋼筋混凝土岔管實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用鋼筋混凝土岔管，襯砌厚0.8 m，采用雙層配筋。

4條尾水支洞經(jīng)尾水岔管合并為2條尾水隧洞。尾水岔管型式為正Y型，合岔角50°。岔管支管直徑4.7 m，主管直徑6.7 m，錐管段長度9.32 m。尾水岔管位于新鮮的白崗花崗巖內(nèi)，無較大斷層通過，為Ⅱ類圍巖。尾水岔管承受最大內(nèi)水壓力1.0 MPa，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.8 m，雙層配筋。

2.4 調(diào)壓井設(shè)計(jì)

引水調(diào)壓井位于引水隧洞末端，對(duì)稱布置在引水隧洞兩側(cè)，為升管阻抗式調(diào)壓井。引水調(diào)壓井大部分位于微、弱風(fēng)化白崗花崗巖內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)有較大斷層及不利地質(zhì)構(gòu)造，巖體穩(wěn)定性較好，屬Ⅱ類圍巖。調(diào)壓井升管直徑為4.5 m，其面積為引水隧洞面積的45%。調(diào)壓井大井直徑為18.0 m，大井高53.50 m，為保證大井開挖穩(wěn)定，大井設(shè)有系統(tǒng)錨桿，錨桿φ22，深入圍巖4 m，間排距2.0 m。引水調(diào)壓井大井內(nèi)層設(shè)防滲涂料以防止內(nèi)水外滲。

尾水調(diào)壓井距機(jī)組中心線212.62 m，對(duì)稱布置在尾水隧洞兩側(cè)，調(diào)壓井為阻抗式，升管面積為尾水隧洞面積的45%。尾水調(diào)壓井位于新鮮白崗花崗巖中，圍巖為Ⅱ類圍巖，井壁有斷層f29，f30穿過，且傾角較緩，但斷層規(guī)模不大，對(duì)尾水調(diào)壓井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不會(huì)產(chǎn)生較大影響。尾水調(diào)壓井為全部埋置于地下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，升管高49.40 m，直徑為4.5 m，大井高54.70 m，直徑為20.0 m。尾水調(diào)壓井頂拱采用噴錨支護(hù)作為永久襯砌，錨桿φ22，深入圍巖 4 m，間排距2 m，噴混凝土厚15 cm，局部掛鋼筋網(wǎng)。尾水調(diào)壓井頂部設(shè)置的補(bǔ)氣洞與廠房通風(fēng)洞相接，補(bǔ)氣洞斷面尺寸為5.0 m×4.7 m，補(bǔ)氣洞與廠房通風(fēng)洞相接段長度為600.54 m，兩尾水調(diào)壓井間補(bǔ)氣洞長25.0 m。

引水、尾水調(diào)壓井的型式均為阻抗式，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果：引水、尾水調(diào)壓井襯砌為雙層配筋。引水調(diào)壓井大井埋藏部分壁厚1.0 m，外露部分壁厚1.2 m，底板厚1.2 m，升管襯砌厚0.3 m。尾水調(diào)壓井大井壁厚1.2 m，底板厚1.2 m，升管襯砌厚0.3 m，頂拱采用噴錨支護(hù)。

3 結(jié)語

荒溝抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)布置和結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)在可研階段進(jìn)行了多方案比較分析，做到了所選方案安全可靠、技術(shù)可行及經(jīng)濟(jì)合理。下階段隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)一步深入，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件和開挖狀況，對(duì)輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是岔管設(shè)計(jì)，還可進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。