荒溝抽水蓄能電站輸水系統設計

張殿雙，鄭 軍，胡順志

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，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，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、輸水系統和地下廠房等組成。電站裝機容量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/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 輸水系統布置

荒溝抽水蓄能電站輸水系統包括引水系統和尾水系統，采用兩洞四機的供水方式。引水系統由上水庫進/出水口、引水低壓隧洞、引水調壓井、高壓隧洞、引水洞岔管和引水支洞組成。尾水系統由尾水支洞、尾水洞岔管、尾水調壓井、尾水隧洞、下水庫進/出水口組成。上水庫進/出水口為豎井式結構，位于主壩上游右岸，共兩座進/出水口。引水隧洞長為660.36 m，內徑6.7 m，采用鋼筋混凝土襯砌。引水調壓井位于引水隧洞末端，對稱布置在引水隧洞兩側，為升管阻抗式調壓井。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口為引水支洞，每條引水支洞長288.27 m。從機組尾水管出口至尾水岔管為尾水支洞，尾水支洞內徑4.7 m，該段長176.92 m。尾水岔管型式為正Y型，合岔角為50°。尾水調壓井距機組中心線212.62 m，對稱布置在尾水隧洞兩側，調壓井為阻抗式，尾水調壓井頂部設置的補氣洞與廠房通風洞相接。尾水隧洞全長1 046.82 m，內徑6.7 m，采用鋼筋混凝土襯砌。下水庫進/出水口結構型式為岸塔式，每個進/出水口設四扇活動式攔污柵和一扇檢修閘門。

2 輸水建筑物設計

2.1 進/出水口設計

抽水蓄能電站的水流是雙向流動的，電站上、下水庫的進/出水口設計要充分考慮到雙向水流的特性，進水時，要逐漸收縮，出水時，應逐漸擴散，全斷面上流速盡量均勻，不產生回流、脫離和漩渦。

上水庫進/出水口共2座，為豎井式進水口，由明渠段、防渦梁段、攔污柵段、擴散段、標準段、閘門井段和漸變段組成。明渠段分前段、中段和后段3個部分，在明渠前段四周設置了擋沙坎，擋沙坎頂高程為632.80 m，并在擋沙坎前經10 m平段，然后以1∶3斜坡連接至633.00 m回填高程。進/出水口防渦梁段長10.0 m，共設置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，每個進/出水口設4扇活動攔污柵，孔口尺寸為5.5 m×10.0 m（寬×高）。擴散段長40 m，采用雙向擴散。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構，通氣孔設于閘門井筒內。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/出水口通過閘門井檢修平臺交通橋與對外公路連接。

下水庫進/出水口結構型式為岸塔式，進/出水口由明渠段、防渦梁段、攔污柵段、擴散段、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，前沿設有擋沙坎。防渦梁段順水流方向長12.0 m，間距1.1 m。攔污柵段順水流方向長6.0 m，每個進/出水口設4扇攔污柵，攔污柵孔口尺寸為5.5 m×10.0 m（寬×高）。擴散段順水流方向長35.5 m，設3個分水墩；擴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，基礎為弱風化白崗花崗巖，設平板檢修門，后止水。閘后漸變段長15.0 m，首端方型斷面7.5 m×7.5 m，末端圓型斷面內徑6.7 m。交通由3座橋連接，即攔污柵平臺與閘門井之間，兩閘門井之間，閘門井與庫岸公路之間。

2.2 隧洞設計

根據圍巖的地質條件和承受的內外水壓力的大小，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驗準則和最小地應力準則，圍巖不會發生水力劈裂，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。鋼筋混凝土襯砌設計按DL/T5195-2004《水工隧洞設計規范》及DL/T5057-1996《水工鋼筋混凝土設計規范》等推薦的計算方法，按限制裂縫開展寬度不超過0.2 mm的原則進行設計。鋼筋混凝土襯砌厚60～80 cm，采用的混凝土強度等級為C20，受力鋼筋為II級鋼筋。經過初步分析計算，除高壓隧洞下平段IV類圍巖以外，其它洞段均為構造配筋。高壓隧洞下平段IV類圍巖采用DL/T5195-2004中計算方法設計，配筋高達390 cm2，施工難以實現，因此，擬采用在襯砌外圍進行預應力灌漿，使襯砌產生預壓應力，以平衡除鋼筋混凝土和圍巖承擔以外的內水壓力。經計算為保證裂縫開展寬度所需要的孔口灌漿壓力為3 MPa，若預應力高壓固結灌漿施工條件難以滿足，考慮局部洞段采用鋼板襯砌。為了保證襯砌結構與圍巖緊密結合，充分利用圍巖承擔內水壓力，對水平隧洞襯砌的頂拱進行回填灌漿，回填灌漿壓力為0.3 MPa。為加固隧洞開挖爆破松動圍巖，提高圍巖的彈性抗力，根據圍巖地質情況和內水壓力大小，對輸水隧洞進行固結灌漿處理；固結灌漿孔每排8孔，排距3 m，灌漿孔深3.5 m和4.0 m，固結灌漿壓力與內水壓力相同，為 1～6 MPa。

引水支洞鋼板襯砌段長度255 m，為設計水頭的0.62倍。鋼襯段內徑4.7 m，承受最大內水壓力為6.7 MPa。設計中靠近廠房上游墻30 m范圍內，由于巖石將受到大跨度的地下廠房開挖爆破影響，按明管進行設計，其余225 m高壓管道按埋藏管設計。鋼管內徑4.7 m，外包素混凝土厚0.8 m，鋼襯段首部設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3個排水廊道，排水廊道下游側與廠房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內水壓力，經結構計算，埋藏段管壁厚為26～48 mm，加勁環厚36 mm，高20 cm，加勁環間距60 cm，埋管鋼管材料采用Q345R鋼；明管段管壁厚58 mm，加勁環厚20 mm，高20 cm，加勁環間距1.00 cm，明管鋼材采用800 MPa級高強鋼。

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，該段內通過斷層f31，f32，寬度均較小，且傾角較陡，對圍巖穩定無大影響。尾水支洞承受最大內水壓力為1.25 MPa，鋼管內徑4.7 m，外側回填0.8 m素混凝土。鋼板襯砌段靠近廠房下游墻30 m范圍內，按明管進行設計，其余按埋藏管設計。經結構計算，尾水支洞鋼管材料采用Q345R鋼材，鋼板厚度為16 mm，加勁環厚20 mm，高20 cm，間距60 cm。

2.3 岔管設計

引水洞岔管圍巖為新鮮白崗花崗巖，岔管埋深420 m，巖質堅硬完整，節理不發育，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水壓力為5.80 MPa，由于岔管處在較好的地質條件下，通過三維非線性有限元計算，并參考目前國內高壓鋼筋混凝土岔管實際經驗，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，無較大斷層通過，為Ⅱ類圍巖。尾水岔管承受最大內水壓力1.0 MPa，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.8 m，雙層配筋。

2.4 調壓井設計

引水調壓井位于引水隧洞末端，對稱布置在引水隧洞兩側，為升管阻抗式調壓井。引水調壓井大部分位于微、弱風化白崗花崗巖內，未發現有較大斷層及不利地質構造，巖體穩定性較好，屬Ⅱ類圍巖。調壓井升管直徑為4.5 m，其面積為引水隧洞面積的45%。調壓井大井直徑為18.0 m，大井高53.50 m，為保證大井開挖穩定，大井設有系統錨桿，錨桿φ22，深入圍巖4 m，間排距2.0 m。引水調壓井大井內層設防滲涂料以防止內水外滲。

尾水調壓井距機組中心線212.62 m，對稱布置在尾水隧洞兩側，調壓井為阻抗式，升管面積為尾水隧洞面積的45%。尾水調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，但斷層規模不大，對尾水調壓井結構穩定不會產生較大影響。尾水調壓井為全部埋置于地下的鋼筋混凝土結構，升管高49.40 m，直徑為4.5 m，大井高54.70 m，直徑為20.0 m。尾水調壓井頂拱采用噴錨支護作為永久襯砌，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。尾水調壓井頂部設置的補氣洞與廠房通風洞相接，補氣洞斷面尺寸為5.0 m×4.7 m，補氣洞與廠房通風洞相接段長度為600.54 m，兩尾水調壓井間補氣洞長25.0 m。

引水、尾水調壓井的型式均為阻抗式，采用結構力學的方法進行結構計算。計算結果：引水、尾水調壓井襯砌為雙層配筋。引水調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。

3 結語

荒溝抽水蓄能電站輸水系統布置和結構型式設計在可研階段進行了多方案比較分析，做到了所選方案安全可靠、技術可行及經濟合理。下階段隨著設計的進一步深入，根據實際地質條件和開挖狀況，對輸水系統結構設計，尤其是岔管設計，還可進行進一步優化。