山西垣曲抽水蓄能電站輸水系統設計

王 楊，蘇奕康，張子奇，王 哲，張 騰

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

1 概述

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

抽水蓄能電站裝機4×300 MW，額定水頭457 m，上下水庫進/出水口水平距離約3 060 m，距高比為6.71。輸水系統布置在下水庫左岸麻溝和嶺溝之間的山體內，總體走向為NW252°～NW194°～NW219°～NW236°。樞紐布置2 套獨立的輸水系統，每套輸水系統由引水系統和尾水系統兩部分組成，引水、尾水系統均采用1 洞2 機的布置形式，地下廠房采用中部布置方式，設引水調壓室和尾水調壓室。

2 輸水系統地形地質條件

輸水系統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，主要構造形跡以斷層、節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 輸水系統布置

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

上、下水庫進/出水口均采用側式進/出水口的布置型式，引水、尾水系統均布置為2 洞4 機，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 輸水系統主要設計特點

4.1 上、下水庫進/出水口體型及水力學研究

上水庫進/出水口由庫底局部向下開挖形成，共2 座，2 個進/出水口體型相同，并排布置。沿發電流向依次布置為：引水明渠、防渦梁段、攔污柵段、調整段、擴散（收縮）段及標準段。

引水明渠布置在攔污柵段前側，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。單個進/出水口寬度為30.3 m。設置4 孔攔污柵及防渦梁，調整段長11.0 m；擴散（收縮）段長35.0 m，段內由3 個分流墩分成4 個流道，平面采用雙向擴散，擴散角為31°7′48″，縱斷面采用頂板單側擴散，擴散角為3°45′35″，斷面為矩形；標準段由標準洞段及其上、下游漸變段組成，標準洞段為圓形斷面，上游漸變段由矩形斷面漸變為圓形斷面，下游漸變段由圓形斷面漸變為矩形斷面。

下水庫進/出水口平行并排布置2 個相同的進/出水口，每個進/出水口由攔沙坎、引水明渠、防渦梁段、攔污柵段、調整段、擴散（收縮）段及標準段組成，與上水庫進/出水口型式相似。

抽水蓄能電站運行是雙向水流，進/出水口的水力條件比較復雜。為了分析各種工作水位下發電和抽水時的水流情況和水頭損失，經過水工模型試驗驗證、改進，在各種工作水位和流量組合下進/出水口上方都不會產生貫通吸氣漩渦、負壓，進/出水口分流墩使出流各流道分流均勻良好。

4.2 引水調壓室

在引水隧洞末端設置水擊波反射快、可有效抑制波幅的阻抗式調壓室，共2 座，升管代替阻抗孔。升管、大井均為圓形斷面，升管內徑4.5 m，高81.60 m，大井內徑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、下水庫聯系路連接。

根據DL/T5057-2009《水工混凝土結構設計規范》，鋼筋混凝土襯砌結構在設計中需遵循近似概率極限狀態設計原則。根據DL/T5195-2004《水工隧洞設計規范》，襯砌結構采用承載能力極限狀態進行設計，并根據配筋形式，驗算裂縫寬度。

4.3 壓力管道鋼襯段

壓力鋼管壁厚計算按照《水電站壓力鋼管設計規范》中推薦的公式進行計算。廠內明管按明管設計，γd值按增大20%設計，內水壓力由鋼管承受；廠房上游邊墻14.0 m范圍內的鋼管按明管設計，內水壓力由鋼管承受；廠房上游14.0～30.0 m 范圍內的鋼管按埋管設計，但不計圍巖彈抗，即K0=0，鋼板允許應力按埋管允許應力；其余部分按地下埋藏式鋼管設計，考慮鋼板、混凝土、圍巖三者之間的聯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，按埋管設計，但不計圍巖彈抗，即K0=0，鋼板抗力限值取地下埋管抗力限值；根據水力過渡過程計算，蝸殼進口處最大動水壓力為719.46 m?？紤]機組甩負荷壓力脈動影響，模型試驗機與原型機特性差別，以及機組關閉過程的變化影響，壓力鋼管結構計算時，壓力管道末端內水壓力考慮壓力脈動、計算誤差及一定裕度，取795.00 m，各管段的設計水頭按長度直線變化計算；不計鋼管自重、管內水重及地震力；鋼襯抗外壓穩定采用加勁環式鋼管。

壓力鋼管鋼襯厚度計算成果見表1，加勁環厚22 m，高220 m，間距750 mm。

表1 壓力鋼管鋼襯厚度計算成果表

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，工程壓力管道設置有2 套排水系統，即直接排水系統和間接排水系統。

4.4.1 直接排水系統

在壓力管道鋼襯洞段布置巖壁排水系統和管壁排水系統。兩層排水系統均由排水管網組成，排水管采用鍍鋅花鋼管，內插軟式排水管，環向排水管分別固定在巖壁及管壁上，沿縱向間距15 m設置1 道，縱向排水管固定在巖壁上，共布置6 道，將環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

為降低壓力管道外水壓力，增加鋼管抗外壓穩定安全度，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頂層排水廊道排出。

4.5 尾水調壓室

尾水調壓室位于尾水岔管分岔點下游（發電流向）25.0 m處，布置為阻抗式調壓室，底部升管代替阻抗孔。升管高68.5 m，圓形斷面，內徑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；穹頂采用掛鋼筋網的錨噴支護型式，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。

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

5 結論

垣曲抽水蓄能電站輸水系統較長，廠房為中部式開發方式，需設置引水調壓室和尾水調壓室。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，結構安全風險較低，同時布置較長的上平段減少高壓段的長度。高壓管道根據地形地質條件，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，同時使引水岔管及廠房避開地質條件較差的斷層破碎帶。設計中充分考慮了地形地質特點，輸水系統布置合理，隧洞結構形式安全、經濟，節省了大量的投資并方便了施工，可為類似工程設計提供參考。