抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)設計重難點探討

周培勇

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海200335）

0 引言

2021年3月15日，習近平總書記在中央財經(jīng)委員會上提出2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標，這是黨中央、國務院統(tǒng)籌國際國內(nèi)兩個大局做出的戰(zhàn)略決策，對加快促進生態(tài)文明建設、保障能源安全高效、推動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

實現(xiàn)碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標必然伴隨著構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，由此引發(fā)如何提高新型電力系統(tǒng)的靈活性以應對瞬時電力巨大需求的問題。抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用和黑啟動等“六大功能”和超大容量、系統(tǒng)友好、經(jīng)濟可靠、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢，可提高以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的靈活性，有效保障新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和提升新能源利用水平，是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是新能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的關鍵支撐。

1 關鍵水工建筑物平面位置與高程確定

抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)線路布置由上庫進/出水口、發(fā)電廠房、下庫進/出水口位置與高程、沿線地形地質(zhì)條件決定。

1.1 上下庫進/出水口

抽水蓄能電站進/出水口有井式進/出水口與側(cè)式進/出水口兩大類，井式進/出水口適用于上水庫，側(cè)式進/出水口適用于上下水庫[1]，側(cè)式進出水口應用較為廣泛。

上下庫側(cè)式進/出水口的寬度由輸水隧洞凈間距與攔污柵段寬度較大值決定。為保證隧洞開挖后有足夠范圍的巖體作為巖體應力重分布后的承載圈，相鄰隧洞間巖體的厚度不宜小于2倍洞徑。隧洞洞徑D由式（1）依據(jù)各隧洞經(jīng)濟流速擬定[2]，擬定引水隧洞與尾水隧洞洞徑后，便可確定輸水隧洞洞間距。攔污柵段最大過流寬度B，按過柵平均流速為0.8～1.0m/s由式（2）確定，B加上閘墩寬度即可得到進/出水口寬度，進而可求得由攔污柵寬度決定的隧洞間距。最終取上述兩者中大值進行進/出水口平面布置，布置過程中還要復核進/出水口擴散段平面擴散角是否在25°～45°范圍內(nèi)，每孔流道平面擴散角是否小于10°，頂板擴散角是否在3°～5°范圍內(nèi)[3]。

式中：Qmax——輸水道最大引用流量，m3/s；v——輸水道經(jīng)濟流速，m/s；H——攔污柵段過流高度，m，取H=1.5D。

上下庫進/出水口的底板高程由水力條件要求的最小淹沒深度，地質(zhì)條件要求的洞頂最小覆蓋層厚度與泥沙淤積情況決定。最小淹沒深度S由式（3）計算[4]，底板高程H1由式（4）確定。為保證進洞安全，洞頂最小覆蓋層厚度（不含覆土與全風化巖層厚度）為0.5～1倍洞徑或洞寬。最后復核上下庫進/出水口底板高程H1是否高于泥沙淤積高程，如H1低于泥沙淤積高程，則需要防沙、排沙設施，以防止推移質(zhì)進入水道。

式中：c——與進水口幾何形狀有關的系數(shù)，進水口設計良好和水流對稱時取0.55，邊界復雜和側(cè)向水流時取0.73；v——閘孔斷面流速，m/s；d——閘孔高度，m，一般取d=D；H0——上下水庫死水位，m。

1.2 地下廠房

抽水蓄能電站廠房可分為地下式、地面式和半地下式[2]。由于抽水蓄能電站吸出高度常在-20～-90m，甚至更低，導致水泵水輪機安裝高程低。地下廠房結(jié)構(gòu)由于其不直接承受下游水壓力作用，可避免因廠房結(jié)構(gòu)淹沒深度大帶來的整體穩(wěn)定性差、擋水結(jié)構(gòu)承受荷載大、進廠交通布置困難等問題，在抽水蓄能電站中采用較廣泛，在地形地質(zhì)條件允許的情況下應優(yōu)先考慮采用。

抽水蓄能電站地下廠房位置按在輸水系統(tǒng)中的位置分為首部式、中部式和尾部式3種布置[5]。當引水系統(tǒng)采用鋼筋混凝土襯砌型式時，由于尾水隧洞直徑一般比引水隧洞大，首、中、尾3個方案的地下廠房布置中，尾部方案輸水發(fā)電系統(tǒng)的工程投資一般最小，尾部開發(fā)優(yōu)勢明顯。當引水系統(tǒng)采用鋼襯方案時，引水鋼襯段投資最大，地下廠房采用何種布置方式，還需結(jié)合地形地質(zhì)條件、調(diào)壓室數(shù)量、交通洞和施工支洞布置難度、長度等因素綜合分析確定。

地下廠房軸線需結(jié)合圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、巖石強度應力比、地應力方位等綜合分析確定。依據(jù)下水庫水位與水泵水輪機吸出高度要求，確定機組安裝高程后，地下廠房相關高程便可逐一確定，進而可進一步確定引水道末端與尾水道起點高程。

2 輸水道平縱布置

上下庫進/出水口、地下廠房的平面位置與相關高程確定后，便可基本確定輸水系統(tǒng)的平面布置與縱斷面布置。

2.1 輸水道布置

鋼筋混凝土襯砌，當內(nèi)水壓力超過100m后，襯砌裂縫便已產(chǎn)生，襯砌只起平整水流減少糙率的作用，鋼筋混凝土襯砌高內(nèi)水壓力作用下的抗?jié)B、防滲和滲透穩(wěn)定問題關鍵在于圍巖，圍巖要滿足最小地應力準則、最小覆蓋層厚度準則和滲透穩(wěn)定準則[6]。

1）三大準則：最小地應力準則是圍巖承載的核心，是對圍巖承載能力的定量判斷；最小覆蓋層厚度準則是對最小地應力準則的經(jīng)驗判斷；圍巖滲透穩(wěn)定準則是對最小地應力準則的補充完善，Ⅰ～Ⅱ類硬質(zhì)圍巖長期穩(wěn)定滲透水力梯度不大于10～15。

2）混凝土襯砌水道與鋼襯水道布置要點：輸水道平縱布置與隧洞采用鋼筋混凝土襯砌還是鋼襯方案有關。鋼筋混凝土襯砌隧洞圍巖是主要承載體，為滿足上述三大準則要求，鋼筋混凝土襯砌隧洞在洞線布置時盡量將輸水線路埋深，洞線走向基本沿山脊布置。依據(jù)三大準則確定圍巖能安全承載的極限位置，確定為鋼筋混凝土襯砌末端后，以此作為鋼襯起點。鋼襯方案是靠鋼襯防滲，布置時可不考慮三大準則要求，洞線布置在兼顧地下廠房位置的基礎上需盡量順直，以縮短洞線長度。

為解決控制地下廠房滲流量與壓力鋼管造價這一安全經(jīng)濟矛盾問題，地下廠房前鋼襯長度滿足不小于0.25倍最大靜水頭要求下，應盡量縮短承擔高內(nèi)水壓力下平段的長度，以減少工程投資。尾水支管上方一般是主副廠房、母線洞與主變洞等地下洞室群，對于下水庫高水位工況，支管承擔近百米水頭，為防止尾水支管內(nèi)水外滲影響地下廠房內(nèi)部機電設備運行，一般尾水支管采用低強度鋼襯，鋼襯末端超過尾水閘洞中心線15～20m。

對于豎井方案或斜井方案，從減少輸水道長度和水損角度來說，斜井方案較優(yōu)，但當L/H較小或覆蓋層厚度不夠，采用鋼襯又不經(jīng)濟時，可考慮采用豎井方案加大輸水道埋深，保證覆蓋層厚度。輸水道布置時需注意斜井段不能設平面拐彎，斜井角度通常在45°～60°范圍，以利于自重溜渣和襯砌施工臺車穩(wěn)定。

3）輸水道與地下廠房交接處布置難點：從隧洞圍巖穩(wěn)定的角度來說，低地應力區(qū)洞線與巖層層面、主要構(gòu)造斷裂面及軟弱帶走向夾角不宜小于30°，地下廠房前后高地應力地區(qū)輸水道洞線與最大水平主應力方向宜一致或呈較小交角，而輸水道洞線與廠房長軸線斜交夾角最小為60°，這與地下廠房長軸線與巖體最大主應力方位夾角不宜大于30°相矛盾。因此，巖石強度應力比小于4的高地應力地區(qū)，很難同時滿足地下廠房軸線、引水道下平段軸線、尾水支管軸線與最大主應力夾角均較小的要求，這時應先保證跨度較大的地下廠房長軸線與最大主應力的夾角要求，再采用輸水道洞線斜交地下廠房的方式，盡量滿足輸水道洞線與最大應力方向呈較小交角。非高地應力地區(qū)，洞線與軟弱結(jié)構(gòu)面為大角度要求，輸水道布置與地下廠房布置這種矛盾問題不突出。

2.2 水力計算與輸水道布置復核

按上述原則進行輸水系統(tǒng)平面與立面布置后，依據(jù)規(guī)范進行發(fā)電工況、水泵工況輸水系統(tǒng)沿程水頭損失與局部水頭損失計算，控制發(fā)電工況總水頭損失百分率小于3%較為合理，計算水泵水輪機最大揚程與最小水頭變幅比Hpmax/Htmin，依據(jù)圖1進行水頭變幅比復核。

圖1 日立公司水泵水輪機Hpmax/Htmin使用限制曲線

1）水力計算對樞紐布置的影響。結(jié)合水泵水輪機比轉(zhuǎn)速、最大發(fā)電水頭或最大揚程分析變幅比Hpmax/Htmin是否在合理范圍內(nèi)，如Hpmax/Htmin不在合理范圍內(nèi)，則需調(diào)整上下庫特征水位或調(diào)整輸水系統(tǒng)布置。調(diào)整上下庫特性水位對Hpmax/Htmin變化比較明顯，比較容易保證變幅比Hpmax/Htmin在合理范圍內(nèi)，但調(diào)整特征水位涉及到上下水庫大壩的設計調(diào)整，工作量較大。因此，規(guī)劃提出上下庫特征水位后，引水專業(yè)結(jié)合壩工廠房的初步布置，需盡快完成輸水系統(tǒng)布置與水損計算，待引水確定變幅比Hpmax/Htmin在合理范圍后，壩工再進一步依據(jù)特征水位進行上下水庫大壩設計，這樣可避免因Hpmax/Htmin不在合理范圍內(nèi)調(diào)整特征水位導致的上下庫大壩設計調(diào)整。

另一方面，可通過調(diào)整輸水系統(tǒng)布置，改變輸水道管徑來調(diào)整水頭損失，但上下庫進/出水口、地下廠房位置固定后，輸水道長度也基本固定，通過調(diào)整輸水系統(tǒng)布置對水損影響不大，變幅比Hpmax/Htmin變化不是很明顯。輸水道管徑依據(jù)經(jīng)濟流速擬定，經(jīng)濟流速變化范圍小，因此，通過改變輸水道管徑對水損與Hpmax/Htmin的變化也不是很明顯。綜合分析認為，當變幅比Hpmax/Htmin與合理范圍相差較大時，調(diào)整上下庫特征水位比較合理，反之，調(diào)整輸水系統(tǒng)布置或輸水道洞徑比較合理。

2）調(diào)保計算與輸水道布置復核。依據(jù)水損計算成果與規(guī)范進行調(diào)保計算[7]，確定上游調(diào)壓室最高最低涌浪，以保證調(diào)壓室下部輸水道洞頂高程低于最低涌浪水位不小于4m（安全高度3m，安全水深1m），輸水道全線頂高程至少有2m水壓，初步復核輸水道縱斷面布置的合理性，以防止隧洞出現(xiàn)負壓。尾水調(diào)壓室計算基本原理與計算公式均與上游調(diào)壓室相同，但需注意規(guī)范中Zmax符號含義不同：對上游調(diào)壓室，涌浪向下為正，向上為負；對尾水調(diào)壓室，涌浪向下為負，向上為正。

當有條件得到水泵水輪機特性曲線資料或類似水泵水輪機特性曲線時，應結(jié)合水損計算結(jié)果進行水力機械過渡過程計算，輸水道最小水壓力應重點關注引水道上彎點、尾水道上彎點的最小壓力不小于2m，如不滿足要求，可通過加大引水道上平段或尾水道上平段底坡（最大不超過10%），縮短上平段長度，降低上彎點高程，使上彎點最小壓力大于2m。

3 結(jié)論

1）高地應力地區(qū)，輸水道與地下廠房交接處，隧洞軸線與地下廠房長軸線難以同時滿足與最大水平主應力成小角度（小于30°）的要求，應先保證地下廠房長軸線的要求。

2）鋼筋混凝土襯砌隧洞圍巖是主要承載體，洞線布置時盡量將輸水線路埋深滿足“三大準則”要求；鋼襯方案是靠鋼襯防滲，考慮地下廠房防滲后應盡量短順直。

3）輸水系統(tǒng)水力學計算涉及到判斷水泵水輪機變幅比Hpmax/Htmin是否合理、上下庫特征水位選取是否合理、輸水系統(tǒng)布置及洞徑選擇是否合理，也是后續(xù)調(diào)保計算與水力機械過渡過程計算的基礎，設計過程中應重點關注。