豐寧抽水蓄能電站下水庫進出水口布置及結(jié)構設計

張一鳴，王君芳，張翠花

（1.北京勘測設計研究院，北京 朝陽 100024；2.濮陽弘東建設工程有限公司，河南 濮陽 457000）

0 引言

國家能源局印發(fā)的《2021年能源工作指導意見》標志著中國抽水蓄能電站建設步入“快車道”。《意見》中指出，開展全國新一輪抽水蓄能中長期規(guī)劃，加快長龍山、荒溝等抽水蓄能電站建成投產(chǎn)，推進泰順、奉新等抽水蓄能電站核準開工建設。抽水蓄能電站以水為載體，在電網(wǎng)負荷高峰時發(fā)電，在系統(tǒng)負荷低谷時，利用系統(tǒng)富余電能抽水，具有火電站和核電站不具備的調(diào)峰和填谷雙重作用。

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，南距北京市180 km，東南距承德市150 km。豐寧抽水蓄能電站總裝機容量3 600 MW，分兩期開發(fā)，一期裝機容量1 800 MW，設6 臺單機容量為300 MW的立軸、單級、混流可逆式水泵水輪機組，電站采用地下廠房，為中部布置方式，供水方式為引水、尾水均采用一洞兩機的布置形式。

豐寧抽水蓄能電站為大（1）型Ⅰ等工程，主要建筑物為1級建筑物。樞紐工程主要建筑物由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)及開關站等部分組成。

2 下水庫進/出水口布置

進/出水口作為水道線路的重要組成部分，是水道線路的起點和終點。水道線路的布置宜順暢，線路短，且在地質(zhì)條件好的地方。進/出水口亦應滿足水力學要求，使邊界條件對稱，水流進出順暢，避免產(chǎn)生較大的環(huán)流；進/出水口位置選擇在河道凹岸，有利于防淤和防污；進/出水口布置盡量使軸線與等高線垂直，盡量使開挖量少，這樣能有效減少投資。結(jié)合工程的實際地形地質(zhì)條件，豐寧下水庫進/出水口在下水庫2 個溝交匯處的溝谷內(nèi)，地勢較緩利于施工布置。在距下水庫大壩約2.50 km的河道凹岸，軸線方位角為NE90°。

豐寧抽水蓄能電站下水庫進/出水口沿抽水水流方向依次為：防渦梁段、調(diào)整段、擴散段，全長為63.15 m，漸變段和閘門井段長度45.80 m。

防渦梁段長10.15 m，調(diào)整段長15 m，頂板高程1 037.50 m，底板高程1 026 m，水平布置。每個進/出水口設3 個分流墩，將進/出水口分成4 孔，孔口尺寸為5 m×10 m（寬×高），分流墩寬度為中間1.40 m，兩側(cè)1.50 m。防渦梁段分流墩墩頭迎水面為圓弧曲線，分流墩另一側(cè)即擴散段分流墩的墩頭設置尖頭的鋼板，保護混凝土，防止水流沖刷造成混凝土墩頭缺損。調(diào)整段頂板、底板均厚1.50 m。調(diào)整段與防渦梁段結(jié)合為一體，在二者結(jié)合處設置4 扇一字排列的攔污柵，平均過柵流速1.01 m/s。

擴散段長38 m，平面為雙向?qū)ΨQ擴散，總擴散角25.50°，立面為單向擴散，頂板擴散角4.51°。擴散段起點為4 個孔，每個孔凈空尺寸5 m×10 m（寬×高），末端凈空尺寸為7 m×7 m（寬×高），邊墩、頂板、底板、分流墩尺寸同調(diào)整段。每個擴散段內(nèi)由3 個分流墩分成4 個流道，每個流道的擴散角均＜7°。

漸變段位于洞臉邊坡進洞的地下，由于擴散段與尾水檢修閘門井較近，到井座邊僅23.40 m，因此漸變段設計成7 m×7 m（寬×高）方形漸變?yōu)?.50 m×7 m（寬×高）方形。減少了設計成中間圓形隧洞造成方形和圓形斷面之間的頻繁變換。

進/出水口水頭損失主要是局部水頭損失，與擴散段水平和豎直擴散角、淹沒水深、孔口尺寸、來流的流量、流速和均衡度等因素有關。豐寧下水庫進/出水口從防渦梁段、調(diào)整段、擴散段、漸變段、隧洞段到閘門井段水頭損失系數(shù)發(fā)電工況為0.44，抽水工況為0.34。攔污柵的局部水頭損失為2.42。

3 下水庫進/出水口體型的確定

3.1 攔污柵孔口尺寸

根據(jù)《水電站進水口設計規(guī)范》（DL/T 5398）規(guī)定，抽水蓄能電站過柵流速控制在0.80～1.00 m/s，不宜＞1.20 m/s。

液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法簡稱LC-MS，是具有很高的分離能力和定性鑒別能力的技術，在檢測時能夠?qū)崿F(xiàn)對復雜樣品的快速、高效分離。在LC-MS檢測苯并芘的研究方面，劉玉蘭等[21]用此方法對食用油中苯并芘的含量進行檢測，定量時采用內(nèi)標法對樣品的量進行標定，對樣品進行分析得出苯并芘的檢測限為0.2～30μg/L，檢出限是0.1μg/L。該檢測方法主要適用于樣品的精確檢測，但是由于費時比較長，對檢測人員的要求比較高，當需要對大批量的樣品進行快速檢測時，此方法并不適用。

過柵流速預取值0.80 m/s，單機額定流量由水力機械專業(yè)提供，為80.70 m3/s，輸水系統(tǒng)為一洞兩機，則每個進/出水口對應兩臺機組的流量，初擬攔污柵孔口面積為201.75 m2。

該側(cè)式進/出水口各有4 個孔，每個攔污柵孔面積S= S進口/4=50.44 m2。根據(jù)引水隧洞擬定的直徑7 m，孔高取約1.50 倍洞徑，孔高h =1.50×7 m=10.50 m，實際取h=10 m。孔寬b=S進口/4 h=5.04 m，實際取b=5 m。攔污柵高寬比h/b=2 在規(guī)范要求的1.50～2.00 范圍內(nèi)。至此確定進/出水口孔口尺寸4 個孔，每個孔5 m×10 m。孔口流速V=Q/S=80.7×2/（4×5×10）=0.81 m/s。

實際過柵流速為流量除以扣除攔污柵面積后的凈面積。據(jù)其他工程類比，攔污柵面積按20% 孔口面積考慮。故V'=Q/S'=V/0.80=1.01 m/s，＜1.20 m/s，滿足要求。故選定攔污柵的孔口尺寸為：（4～5）m×10 m。

3.2 最小淹沒深度計算

根據(jù)《水電站進水口設計規(guī)范》DL/T 5398規(guī)定，有壓式進水口底板高程，考慮防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，最小淹沒水深一般采用戈登公式確定：

式（1）中：S—進水口淹沒水深（m）；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取C=0.55，側(cè)向水流取C=0.73，綜合考慮取系數(shù)C=0.73；V—閘孔斷面流速（m/s）；D1—閘孔的高度（m），一般取管道的直徑。

因此V=Q/S'=80.70×2/（π×7×7/4）=4.19 m/s，所以S=0.73×4.19×71/2=8.10 m＞1.50 m，滿足規(guī)范要求。

最小淹沒深度應符合條件：ΔD=S－D0＞0.50D1（2）

進/出水口頂板下緣至擴散段窄口處頂板下緣的高度D0=10m-7m=3 m，因此頂板下緣至最低水位的深度ΔD=S-D0=8.10-3=5.10 m＞0.50×7=3.50 m，滿足要求。

3.3 最小淹沒深度驗算

按照進/出水口不產(chǎn)生吸氣漩渦的要求，弗魯?shù)聰?shù)應滿足Fr＜0.23。

式（3）中：V—孔口攔污柵處的平均進水流速（m/s）；g—重力加速度（m/s2）；Sm—孔口攔污柵處中心線以上的設計最小淹沒深度（m）；Sm=ΔD+D0+D1/2=5.10+3+7/2=11.60 m

則Fr=V/（g×Sm）0.5= Fr=1.01/（9.81×11.60）0.5=0.10＜0.23，滿足要求。故此進/出水口不會產(chǎn)生吸氣漩渦。

3.4 底板高程的確定

進/出水口底板高程按規(guī)范的要求確定，即

因此，下水庫進/出水口底板高程H1=1 042-8.10-7=1 026.90 m，參考類似工程經(jīng)驗，取H1=1 026 m。

3.5 擴散段、調(diào)整段、防渦梁尺寸設計

擴散段長度應≥5 倍隧洞直徑，因此L≥5D1=5×7 m=35 m，取L=38 m；擴散段起點凈空為7 m×7 m（寬×高），末端凈空為（4～5）m×10 m（寬×高），則立面擴散角：tanθ=（10-7）/38=0.08，因此立面擴散角θ=4.51°，在3°～5°之間，便于水流的調(diào)整。

平面擴散角：取分流墩厚度為1.40 m，邊墩厚度為1.50 m。tan（α/2）=（5×2+1.5+1.4×1.5-7/2）/38=0.27，因此平面擴散角α=29.77°，＜45°，滿足規(guī)范要求。

調(diào)整段長度取為：L=0.40 L 擴散段=0.40×38 m =15.20 m，取15 m。

防渦梁段顧名思義應防止水流通過進/出水口時產(chǎn)生有害的吸氣漩渦，在防渦梁段結(jié)構的頂部共設4 道間距1.20 m 的防渦梁，斷面尺寸為1.20 m×2.00 m（寬×高）。并且把防渦梁進口墩柱和底板做成弧形，降低水頭損失。使水流平順通過進/出水口。

3.6 尾水檢修閘門井尺寸設計

尾水檢修閘門井段由井身、井座及前后漸變段組成。井身為圓形，內(nèi)徑10 m、按閘門井身頂高程考慮高于閘門井中最高涌浪取值且比正常蓄水位高8 m，井身高34.50 m，井壁采用鋼筋混凝土襯砌，厚0.80 m，在井身的圍巖分界線處設置結(jié)構縫，縫間設橡膠止水和銅止水。井身上游側(cè)布置1 孔長3 m、寬1.22 ～1.25 m 的不規(guī)則通氣孔，實際面積為4.23 m2。尾水檢修閘門井閘門高度與尾水隧洞直徑相同，H=7 m，按過流面積與隧洞一致設計，則孔口寬度B為B=S/H=π×72/4/7=5.50 m，取B=5.50 m，至此，尾水檢修閘門井座尺寸為B×H=5.50 m×7.00 m。井座順水流方向長12.40 m，襯砌厚1.70 m，底板高程1 026 m。井座上下游側(cè)設各有漸變段，下游側(cè)由方形斷面7 m×7 m，漸變到矩形斷面5.50 m×7.00 m（寬×高），上游側(cè)由矩形斷面5.50 m×7.00 m（寬×高）漸變到圓形斷面洞徑7 m。漸變段連接前后尾水隧洞，漸變段長度宜為水道直徑的1～2 倍，這里取漸變段長10 m，均采用鋼筋混凝土襯砌，厚1.50 m。漸變段與井座段之間均設有結(jié)構縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)設橡膠止水及2 cm厚閉孔泡沫塑料板填縫。閘門井平臺布置下水庫進/出水口啟閉機樓。

4 進/出水口結(jié)構設計

4.1 進/出水口的穩(wěn)定計算

設計時需要考慮在承載能力極限狀態(tài)時對進/出水口進行整體抗滑、抗浮和抗傾覆穩(wěn)定計算，基底法向應力計算，在正常使用極限狀態(tài)時按材料力學法進行進/出水口建基面上、下游拉應力驗算。由于豐寧下水庫進/出水口采用側(cè)式進/出水口，進/出水口閘門井布置于山體豎井中，因此不存在抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定問題，只考慮防渦梁段、攔污柵排架結(jié)構、調(diào)整段、擴散段這些地面建筑物的抗浮穩(wěn)定問題。

根據(jù)《水電站進水口設計規(guī)范》DL/T5398中進水口抗浮穩(wěn)定計算公式進行抗浮穩(wěn)定驗算，主要計算的荷載包括結(jié)構自重、靜水壓力、揚壓力：

4.2 進/出水口結(jié)構計算

抽水蓄能電站側(cè)式進/出水口結(jié)構計算采用有限元方法，可以簡化為平面應變問題進行計算。豐寧下水庫進/出水口結(jié)構計算采用有限元軟件ANSYS 進行，建立防渦梁段、調(diào)整段、擴散段等的平面模型，采用二維solid-plane182 單元模擬襯砌混凝土結(jié)構和圍巖。對于模型的建立，宜建立完整的垂直水流方向的壓力，觀察三個水道系統(tǒng)的相互影響。運行工況施加最不利的內(nèi)水水頭，檢修工況可考慮兩孔沖水一孔放空或考慮沒有內(nèi)水，只施加外水壓力和圍巖壓力的情況。對襯砌結(jié)構的單元采用指定襯砌單元路徑的方法經(jīng)過線性化處理后得到線性化應力圖形，進行截面內(nèi)力計算。計算假定圍巖為均質(zhì)連續(xù)的彈性材料，不考慮巖石重力作用、溫度荷載和地震力及上部攔污柵排架的影響。由于防渦梁段和調(diào)整段計算時未考慮上部攔污柵排架影響，最終配筋結(jié)果要結(jié)合攔污柵排架計算結(jié)果最終確定。

根據(jù)有限元計算結(jié)果可知，運行工況下，防渦梁段應力集中部位為邊孔邊墩與底板的結(jié)合部位，垂直水流向最大拉應力2.09 MPa，最大壓應力0.62 MPa；調(diào)整段應力集中部位為左右邊墩與底板的結(jié)合部位，垂直水流向最大拉應力2.12 MPa，最大壓應力0.60 MPa；擴散段應力集中部位為左右邊墩與底板的結(jié)合部位，垂直水流向最大拉應力2.17 MPa，最大壓應力0.53 MPa。

豐寧下水庫進/出水口混凝土采用C30F200（二級配），混凝土保護層厚5 cm。根據(jù)計算截面應力線性化結(jié)果，對計算截面按照限值裂縫寬度為0.30 mm 進行驗算配筋，實際配筋為：防渦梁段底板內(nèi)側(cè)732、外側(cè)725，邊墩和中墩內(nèi)外側(cè)均為732，防渦梁上下層均為1125；調(diào)整段底板內(nèi)側(cè)732、外側(cè)725，頂板內(nèi)外側(cè)均為725，邊墩和中墩內(nèi)外側(cè)均為732；3 段擴散段均為底板內(nèi)側(cè)532、外側(cè)525，頂板內(nèi)外側(cè)525、邊墩和中墩內(nèi)外側(cè)均為525。抗剪鋼筋除防渦梁處為4Ф16@400外，其余部位均為Ф16@400×400。根據(jù)實際配筋驗算，防渦梁段、調(diào)整段和擴散段混凝土最大裂縫開度0.28 mm，滿足設計要求。

5 結(jié)語

豐寧抽水蓄能電站作為目前全球裝機容量最大的抽水蓄能電站，體量之大，宏偉壯麗。它是舉世矚目的工程項目，是人類智慧的結(jié)晶，必將載入史冊。它的建成，為后續(xù)中國乃至全球的抽水蓄能電站建設起到了標桿作用。豐寧下水庫側(cè)式進/出水口體型參數(shù)合理，結(jié)構穩(wěn)定，設計過程可以借鑒到后續(xù)抽水蓄能電站建設中。