荒沟抽水蓄能电站输水系统设计

张殿双，郑 军，胡顺志

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省牡丹江市海林县三道河子镇，下水库利用已建成的莲花水电站水库，上水库为牡丹江支流三道河子右岸的山间洼地。站址距牡丹江市1 30 km，距莲花坝址43 km。电站枢纽建筑物主要由主坝、副坝、输水系统和地下厂房等组成。电站装机容量1 200 MW，上水库总库容1 161×104m3。由于荒沟抽水蓄能电站下水库利用莲花水库，因此电站的下水库进/出水口205.00 m高程以下部分在1996年10月莲花水库蓄水前已施工完成。

1 输水系统布置

荒沟抽水蓄能电站输水系统包括引水系统和尾水系统，采用两洞四机的供水方式。引水系统由上水库进/出水口、引水低压隧洞、引水调压井、高压隧洞、引水洞岔管和引水支洞组成。尾水系统由尾水支洞、尾水洞岔管、尾水调压井、尾水隧洞、下水库进/出水口组成。上水库进/出水口为竖井式结构，位于主坝上游右岸，共两座进/出水口。引水隧洞长为660.36 m，内径6.7 m，采用钢筋混凝土衬砌。引水调压井位于引水隧洞末端，对称布置在引水隧洞两侧，为升管阻抗式调压井。两条高压隧洞中心间距67.50 m，单洞全长831.27 m。引水洞岔管为卜型，分岔角为60°，岔管主管直径6.7 m，支管直径4.7 m。从引水洞岔管至厂房蜗壳进口为引水支洞，每条引水支洞长288.27 m。从机组尾水管出口至尾水岔管为尾水支洞，尾水支洞内径4.7 m，该段长176.92 m。尾水岔管型式为正Y型，合岔角为50°。尾水调压井距机组中心线212.62 m，对称布置在尾水隧洞两侧，调压井为阻抗式，尾水调压井顶部设置的补气洞与厂房通风洞相接。尾水隧洞全长1 046.82 m，内径6.7 m，采用钢筋混凝土衬砌。下水库进/出水口结构型式为岸塔式，每个进/出水口设四扇活动式拦污栅和一扇检修闸门。

2 输水建筑物设计

2.1 进/出水口设计

抽水蓄能电站的水流是双向流动的，电站上、下水库的进/出水口设计要充分考虑到双向水流的特性，进水时，要逐渐收缩，出水时，应逐渐扩散，全断面上流速尽量均匀，不产生回流、脱离和漩涡。

上水库进/出水口共2座，为竖井式进水口，由明渠段、防涡梁段、拦污栅段、扩散段、标准段、闸门井段和渐变段组成。明渠段分前段、中段和后段3个部分，在明渠前段四周设置了挡沙坎，挡沙坎顶高程为632.80 m，并在挡沙坎前经10 m平段，然后以1∶3斜坡连接至633.00 m回填高程。进/出水口防涡梁段长10.0 m，共设置4道防涡梁，防涡梁断面尺寸为1.2 m×1.5 m，防涡梁间距1.0 m。拦污栅段长6.0 m，每个进/出水口设4扇活动拦污栅，孔口尺寸为5.5 m×10.0 m（宽×高）。扩散段长40 m，采用双向扩散。闸门井段长8 m，检修闸门尺寸为6.70 m×6.70 m，检修闸门底坎高程618.00 m。闸门井为矩形钢筋混凝土结构，通气孔设于闸门井筒内。渐变段位于闸门井后，渐变段长15 m，由6.70 m×6.70 m方形断面渐变至直径6.7 m的圆形断面，渐变段衬砌混凝土厚2.0 m。上水库进/出水口通过闸门井检修平台交通桥与对外公路连接。

下水库进/出水口结构型式为岸塔式，进/出水口由明渠段、防涡梁段、拦污栅段、扩散段、过渡段、闸门井段和渐变段组成。明渠段长60 m，前沿宽59.4 m，前沿设有挡沙坎。防涡梁段顺水流方向长12.0 m，间距1.1 m。拦污栅段顺水流方向长6.0 m，每个进/出水口设4扇拦污栅，拦污栅孔口尺寸为5.5 m×10.0 m（宽×高）。扩散段顺水流方向长35.5 m，设3个分水墩；扩散段与闸门井段之间有长11.75 m的过渡段，闸门井段长8.25 m，基础为弱风化白岗花岗岩，设平板检修门，后止水。闸后渐变段长15.0 m，首端方型断面7.5 m×7.5 m，末端圆型断面内径6.7 m。交通由3座桥连接，即拦污栅平台与闸门井之间，两闸门井之间，闸门井与库岸公路之间。

2.2 隧洞设计

根据围岩的地质条件和承受的内外水压力的大小，输水隧洞采用钢筋混凝土衬砌或钢板衬砌。输水隧洞围岩多为较完整的白岗花岗岩，隧洞全线埋深较大，隧洞最小覆盖厚度满足挪威经验准则和最小地应力准则，围岩不会发生水力劈裂，具备采用钢筋混凝土衬砌的条件。为此，除靠近厂房两侧的高压引水及尾水支洞采用钢板衬砌以防止高压水渗入厂房外，其它输水隧洞全部采用钢筋混凝土衬砌。

钢筋混凝土衬砌洞段包括低压引水隧洞、高压隧洞、引水/尾水支洞、尾水隧洞等。钢筋混凝土衬砌设计按DL/T5195-2004《水工隧洞设计规范》及DL/T5057-1996《水工钢筋混凝土设计规范》等推荐的计算方法，按限制裂缝开展宽度不超过0.2 mm的原则进行设计。钢筋混凝土衬砌厚60～80 cm，采用的混凝土强度等级为C20，受力钢筋为II级钢筋。经过初步分析计算，除高压隧洞下平段IV类围岩以外，其它洞段均为构造配筋。高压隧洞下平段IV类围岩采用DL/T5195-2004中计算方法设计，配筋高达390 cm2，施工难以实现，因此，拟采用在衬砌外围进行预应力灌浆，使衬砌产生预压应力，以平衡除钢筋混凝土和围岩承担以外的内水压力。经计算为保证裂缝开展宽度所需要的孔口灌浆压力为3 MPa，若预应力高压固结灌浆施工条件难以满足，考虑局部洞段采用钢板衬砌。为了保证衬砌结构与围岩紧密结合，充分利用围岩承担内水压力，对水平隧洞衬砌的顶拱进行回填灌浆，回填灌浆压力为0.3 MPa。为加固隧洞开挖爆破松动围岩，提高围岩的弹性抗力，根据围岩地质情况和内水压力大小，对输水隧洞进行固结灌浆处理；固结灌浆孔每排8孔，排距3 m，灌浆孔深3.5 m和4.0 m，固结灌浆压力与内水压力相同，为 1～6 MPa。

引水支洞钢板衬砌段长度255 m，为设计水头的0.62倍。钢衬段内径4.7 m，承受最大内水压力为6.7 MPa。设计中靠近厂房上游墙30 m范围内，由于岩石将受到大跨度的地下厂房开挖爆破影响，按明管进行设计，其余225 m高压管道按埋藏管设计。钢管内径4.7 m，外包素混凝土厚0.8 m，钢衬段首部设3道孔深10 m的阻水帷幕。为降低钢衬段和钢筋混凝土岔管的外水压力，在4条压力管道上部设3个排水廊道，排水廊道下游侧与厂房4周排水廊道相连，上游延伸至引水岔管上游7 m。高压引水支洞承受5.7～6.7 MPa内水压力，经结构计算，埋藏段管壁厚为26～48 mm，加劲环厚36 mm，高20 cm，加劲环间距60 cm，埋管钢管材料采用Q345R钢；明管段管壁厚58 mm，加劲环厚20 mm，高20 cm，加劲环间距1.00 cm，明管钢材采用800 MPa级高强钢。

尾水支洞从尾水管出口至尾闸室前渐变段采用钢板衬砌，钢板衬砌段长71.75 m。该洞段围岩为Ⅱ类围岩，岩体较完整，该段内通过断层f31，f32，宽度均较小，且倾角较陡，对围岩稳定无大影响。尾水支洞承受最大内水压力为1.25 MPa，钢管内径4.7 m，外侧回填0.8 m素混凝土。钢板衬砌段靠近厂房下游墙30 m范围内，按明管进行设计，其余按埋藏管设计。经结构计算，尾水支洞钢管材料采用Q345R钢材，钢板厚度为16 mm，加劲环厚20 mm，高20 cm，间距60 cm。

2.3 岔管设计

引水洞岔管围岩为新鲜白岗花岗岩，岔管埋深420 m，岩质坚硬完整，节理不发育，为Ⅱ类围岩。引水洞岔管为卜型，分岔角60°，岔管主管直径6.7 m，支管直径4.7 m，锥管段长度9.32 m。引水洞岔管承受最大内水压力为5.80 MPa，由于岔管处在较好的地质条件下，通过三维非线性有限元计算，并参考目前国内高压钢筋混凝土岔管实际经验，采用钢筋混凝土岔管，衬砌厚0.8 m，采用双层配筋。

4条尾水支洞经尾水岔管合并为2条尾水隧洞。尾水岔管型式为正Y型，合岔角50°。岔管支管直径4.7 m，主管直径6.7 m，锥管段长度9.32 m。尾水岔管位于新鲜的白岗花岗岩内，无较大断层通过，为Ⅱ类围岩。尾水岔管承受最大内水压力1.0 MPa，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.8 m，双层配筋。

2.4 调压井设计

引水调压井位于引水隧洞末端，对称布置在引水隧洞两侧，为升管阻抗式调压井。引水调压井大部分位于微、弱风化白岗花岗岩内，未发现有较大断层及不利地质构造，岩体稳定性较好，属Ⅱ类围岩。调压井升管直径为4.5 m，其面积为引水隧洞面积的45%。调压井大井直径为18.0 m，大井高53.50 m，为保证大井开挖稳定，大井设有系统锚杆，锚杆φ22，深入围岩4 m，间排距2.0 m。引水调压井大井内层设防渗涂料以防止内水外渗。

尾水调压井距机组中心线212.62 m，对称布置在尾水隧洞两侧，调压井为阻抗式，升管面积为尾水隧洞面积的45%。尾水调压井位于新鲜白岗花岗岩中，围岩为Ⅱ类围岩，井壁有断层f29，f30穿过，且倾角较缓，但断层规模不大，对尾水调压井结构稳定不会产生较大影响。尾水调压井为全部埋置于地下的钢筋混凝土结构，升管高49.40 m，直径为4.5 m，大井高54.70 m，直径为20.0 m。尾水调压井顶拱采用喷锚支护作为永久衬砌，锚杆φ22，深入围岩 4 m，间排距2 m，喷混凝土厚15 cm，局部挂钢筋网。尾水调压井顶部设置的补气洞与厂房通风洞相接，补气洞断面尺寸为5.0 m×4.7 m，补气洞与厂房通风洞相接段长度为600.54 m，两尾水调压井间补气洞长25.0 m。

引水、尾水调压井的型式均为阻抗式，采用结构力学的方法进行结构计算。计算结果：引水、尾水调压井衬砌为双层配筋。引水调压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，升管衬砌厚0.3 m。尾水调压井大井壁厚1.2 m，底板厚1.2 m，升管衬砌厚0.3 m，顶拱采用喷锚支护。

3 结语

荒沟抽水蓄能电站输水系统布置和结构型式设计在可研阶段进行了多方案比较分析，做到了所选方案安全可靠、技术可行及经济合理。下阶段随着设计的进一步深入，根据实际地质条件和开挖状况，对输水系统结构设计，尤其是岔管设计，还可进行进一步优化。