黄金峡水利枢纽泵站、电站设计布置

2019-12-09罗承昌袁桂兰

水利规划与设计 2019年11期

罗承昌，袁桂兰，曾蔚

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010)

1 泵站、电站总体布置方案研究

1.1 概况

黄金峡水利枢纽同时具有供水及发电建设任务，泵站提升库水至秦岭输水隧洞向城镇供水，下泄水量用来发电。泵站共安装7台1.85万kW立式水泵机组，总提水流量70.0m3/s，扬程106.45m，总装机容量12.6万kW；电站安装3台4.5万kW的轴流转桨式水轮机组，总装机容量13.5万kW。

1.2 方案比选

黄金峡坝址处河谷狭窄，岸坡高陡，枢纽需布置泄水建筑物、泵站、电站、通航建筑物以及鱼道[1]。由于坝址区洪峰流量大，水库调蓄能力小，泄水建筑物占据了大半主河床宽度，泵站、电站难以满足最佳位置需要，更不具备并行布置河床式泵站和河床式电站的条件。因此，结合施工导流和枢纽总体布置，可供选择的方案有河床泵站+坝后电站联合布置和河床电站+顺河向岸边泵站布置两种布置方式。

河床泵站+坝后电站即泵站采用河床式，电站采用坝后式，泵站、电站顺流向前后布置，泵站厂房为挡水建筑物，和大坝一线并列布置，电站轴线平行于坝轴线。

河床电站+顺河向岸边泵站即电站采用河床式，和大坝共轴线呈“一”字排列布置于左侧河床，泵站布置于左岸岸边，位于电站下游，其纵轴线与大坝轴线垂直。

从单个建筑物型式来说，河床式泵站工程量明显大于岸边式泵站，河床式电站工程量明显大于坝后式电站。但电站、泵站作为一个统一体，河床泵站+坝后式电站联合方案开挖及混凝土工程量较小，投资较少；并且泵站、电站布置紧凑，运行管理方便。因此，结合枢纽总布置，选定河床式泵站+坝后式电站方案。

1.3 河床泵站+坝后电站联合布置方案

选定的枢纽总布置中，主河槽布置泄洪表孔，其左侧布置泄洪冲沙底孔，左岸布置泵站、电站，泄洪表孔右侧边孔布置升船机，左岸边坡布置鱼道，其余坝段布置混凝土挡水坝段。整个泵站、电站建筑物包括引水渠、泵站厂房、泵站扬水管道和出水池、电站厂房、尾水渠、进厂道路等。泵站挡水前缘总长97.00m，分为4个坝段，分别为1个安装场段和3个机组段，每个机组段安装2台水泵，在厂坝导墙坝段安装1台水泵。泵站扬水管道布置于泵站下游侧和左侧山体内，扬水总管平行坝轴线布置。出水池布置于扬水竖井顶部，末端接黄三隧洞。电站厂房长93.00m，分为1个安装场段和3个机组段。泵站、电站沿机组中心剖面图及平面布置图如图1、图2所示。

2 泵站、电站布置

2.1 设计条件

引汉济渭工程等别为Ⅰ等工程，工程规模为大

图1 泵站、电站机组中心剖面图

图2 泵站流道、电站水轮机层平面布置图

(一)型。黄金峡水利枢纽为引汉济渭工程的主要水源之一，河床式泵站厂房根据装机容量定为1级建筑物，坝后电站厂房为3级建筑物。泵站厂房设计洪水标准为100年一遇，挡水部分校核洪水标准与大坝一致为1000年一遇，非挡水部分校核洪水标准为300年一遇；电站厂房设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为200年一遇。

抗震设计烈度为6度。

2.2 泵站电站主要尺寸

2.2.1主要高程

泵站水泵装机高程421.00m，建基面高程393.50m。进水口顶部高程与坝顶高程相同，为455.00m。主阀层、水泵层、电机层分别是416.20、425.00、429.70m。泵站厂前区高程综合考虑300年一遇洪水对应的下游尾水位425.69m及电机层高程后确定为429.70m。泵站最大高度61.5m。

电站水轮机安装高程396.00m，建基面高程380.50m，水轮机层及发电机层高程分别为400.50、407.70m。电站厂房设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为200年一遇，对应的尾水位分别为422.54、424.98m，按此标准确定的电站厂房尾水平台高程为426.50m，但根据泵站、电站总体布置及对外交通道路设置，将尾水平台抬高至429.70m，与泵站厂前区及进厂道路同高程，在仅增加闸墩高度3.2m、混凝土量增加不多的情况下，可减少一条进厂道路，减少大量开挖量，并能使泵站、电站厂前区统一布置，合理利用面积，减少开挖回填量。

2.2.2机组段长度及宽度

水泵机组间距的确定综合考虑了扬水支管蝶阀吊物孔尺寸、电动机风罩外径、通道宽度及厂房结构尺寸等因素，采用两机一缝，每个标准机组段长24m。

泵站机组段顺水流向宽度由进水口段、主机室段、扬水总管段三部分组成，总宽63.10m，其中进水口段宽度26.90m，主机室段净宽为22.70m，扬水总管段13.50m。

电站标准机组段长21.00m，边机组段长23.00m。

机组段顺水流向总宽水下为46.50m，顶部为48.00m，由上游副厂房段、主机室段、尾水段三部分组成，其中上游副厂房宽10.00m，主机室段总宽23.00m，尾水段顶部宽15.00m，下部宽13.50m。

2.2.3安装场长度及宽度

泵站安装场长度满足一台机组安装、检修需要，并考虑进厂交通所需，总长为38.30m。分安Ⅰ段和安Ⅱ段，其中长23m、安Ⅱ段长13.3m。安装场段宽度因比机组段少了拦污栅支撑结构，总宽度水下为57.20m，顶部为60.20m。

安装场长度满足一台机组扩大性检修需要，总长28.00m。电站厂房安装场段宽度同机组段。

2.3 泵站、电站布置

2.3.1泵站布置

泵站机组段进水口顺流向依次布置有拦污栅槽、检修门槽和事故门槽各一道。顶部上游侧为交通桥，中部布置双向门机一台。

主机室段净宽22.70m，屋顶为网架结构，厂内布置150t/20t单小车桥式起重机1台。电机层布置电动机组泵组励磁控制保护柜。水泵层布置机组技术供水系统，检修蝶阀和缓闭式液控蝶阀。

扬水总管段在高程421.00m布置有扬水支管和总管，管段埋置于混凝土中，其顶部布置泵站副厂房和主变压器运输通道。变压器运输通道宽4.7m，左侧与进厂公路相接，右侧接电站尾水平台，形成环形通道。不但可作为进出泵站下游副厂房及电站上游副厂房的交通通道，也可供消防车通行，使得电站泵站的统一管理更加方便，节省了厂区空间。

泵站安装场段进水口主要布置有水泵检修闸门及拦污栅门库。主机室段分为3层，上层为设备转运及机组检修场地，中间层布置压缩空气系统，底层布置有油罐室和油处理室及水泵室，水泵室下布置有检修集水井和渗漏集水井。

2.3.2电站布置

电站机组段主机室段宽度23.00m，屋顶为网架结构，厂内布置125t/20t+125t/20t双小车桥式起重机1台。发电机主引出线由上游侧从水轮机层引入上游副厂房，穿副厂房各层与布置在高程429.70m层上的主变压器相接。尾水段宽15.00m，尾水平台上游侧布置交通通道，下游侧布置一台尾水门机。上游副厂房段宽10.00m，共7层，为电站机电设备主要布置场地。

中控室布置在电站厂房安装场段上游副厂房顶层407.70m高程处，为泵站、电站联合共用，可以实现对泵站、电站的集中控制，为运行管理提供便利。中控室旁布置有一台通往地面和电站副厂房各层的电梯和楼梯，便于运行人员对整个泵站和电站的管理。

电站厂房右侧布置为厂坝导墙，其断面为梯形，在电站厂房右端围成了一个长31.00m，宽11.20m的“天井”，利用这部分空间，布置了4层副厂房，各层楼面高程与电站上游副厂房对应层同高，并在高程422.50层布置了风机室，屋顶布置空调散热器。

安装场段主机室分2层，上层为设备转运、机组安装、检修场地，下层布置有油处理室、油罐室、水泵室，水泵室下布置渗漏集水井和检修集

图3 进水口结构

水井。

2.3.3对外交通

泵站对外交通布置于高程429.70m层，厂房在安装场下游侧设置了进厂大门，大门直通厂前区，连接进厂道路。

电站厂房尾水位较高，水位变幅达20.46m，按0.5%洪水标准设计的尾水平台和进厂道路高程应为426.50m。若车辆直接进厂，利用厂内桥机卸货，则需将安装场地面高程抬高到429.70m，桥机轨顶高程抬高到441.70m，整个厂房需加高约17m，显然会大量增加投资。若不增加厂房高度而要车辆直接驶进安装场，利用桥机卸货，则安装场地面和进厂道路高程不能高于413.00m，尾水位413.00m对应的洪水频率约为70%，进厂大门及道路经常会被淹没，大门需要采用密封闸门封堵，此时需要另外的进厂交通通道解决进厂问题，显然也是不经济的。

结合黄金峡尾水位特点，进厂交通采用垂直进厂方式：在安装场段尾水平台设置吊物竖井，机电设备运输到尾水平台后，利用尾水门机起吊，通过进厂吊物竖井运至运行层高程407.70m，然后利用平台车水平运输到安装场内，再利用桥机起吊运输。布置于上游副厂房内的机电设备，可通过厂前区运至副厂房429.70m层，利用GIS室桥机起吊，通过吊物孔吊运到副厂房各层。主变压器则直接运输到厂前区，通过主变运输通道上的轨道，推移到主变布置位置。

3 进水口结构详细设计

由于泵站、电站前后布置，两者进水口均位于泵站坝段前缘，电站进水口及泵站进水口交错布置，空间结构复杂，需通过精细设计，协调电站进水口及流道与泵站之间的关系。与独立进水口相比，联合布置进水口结构有如下特点：①在一个泵站机组段内，需布置2个泵站机组流道与一个电站机组流道，机组运行时水流会相互影响，因此在空间上应合理布置，满足进水口水力学要求及结构要求；②进水口断面破坏了挡水结构的整体性，削弱墩墙的结构承载能力，需在结构设计上采取措施并通过计算保证挡水结构安全性。

3.1 进水口结构设计

黄金峡泵站和电站均采用单机单管取水方式，共7个水泵进水口和3个水轮机进水口。进水口设计中，根据泵站、电站的布置特点，进水口采用挡水墩墙结构，每个泵站机组段布置2个泵站进水口和一个电站进水口，电站进水口位于中间，泵站进水口分列于左右两侧，3个进水口平面上错开，立面上分上下两层。每个水泵进水口宽3.00m，每个水轮机进水口宽7.40m，中墩厚2.80m，边墩厚2.50m，2个水泵进水口、1个水轮机进水口宽度加上2个中墩、2个边墩厚度，总长24.00m。进水口前部布置拦污栅，拦污栅采用通仓布置，并且泵站、电站统一考虑，可增加各进水口拦污栅面积，降低过栅流速，减小水头损失。进水口结构如图3所示。

3.2 流道轴线设计

水泵进水流道轴线在立面上分为上平段、上弯段、斜直段和下弯段。在平面上由上游直线段、中间圆弧段、下游直线段组成。

由于电站机组间距与进水口间距不相等，且电站厂房位置受电站纵向导墙底宽的限制，与泵站厂房在平面上有错位，所有3个电站进水口轴线与蜗壳进口轴线距离各不相等，由此造成电站引水流道轴线在平面上不是一条直线，且每台机组的引水流道轴线不同。3台机组的流道轴线在平面上均由3个直线段和2个圆弧段组成。

3.3 进水口结构计算

泵站进水口结构复杂，且关系到整个建筑物的安全，在对其进行结构分析时，采用三维有限元分析方法，选取一个泵站机组段，包括一定范围的基岩，建立三维有限元计算模型结构分析。

计算结果表明，泵站挡水结构整体刚度较大，墩墙在适当的配筋下，可满足结构安全要求。

4 水力学数值模拟及模型试验

电站泵站进水口分层布置，间距较小，泵站开启过程或对电站形成不利的水流流态，影响电站的正常运行[2]。为研究其相互影响程度，论证进水口分层布置的合理性，建立数学模型及物理模型对进水口水力特性进行研究。

4.1 水力学数值模拟

水力学数学模型采用带自由表面的三维k—ε水气液两相紊流模型，模拟在泵站取水水位440.55m和大坝正常蓄水位450.00m下，1台电站与2台(或1台)泵站不同开启方式下的恒定与非恒定流场，分析水流流态、流速分布、压力分布等水力特性。

通过数值模拟分析，恒定流场模拟了泵站或电站在小区域极端运行方式下单独运行与同时运行时的水力特性，结果表面：进水口入流平顺，引水管道压力分布正常，压力梯度较小；非恒定流场模拟了1台电站机组正常运行，1台泵站开启条件下的压力波幅变动情况：在泵站阀门瞬开过程中，进水口水面波幅较大，随上游水位变化，进水口水面最大波幅为0.76～1.37m，电站流道最大压力波幅0.72～1.13m；在泵站阀门渐开时，相应的进水口水面最大压力波幅为0.35～0.55m，电站流道最大压力波幅0.33～0.53m。结果表明，泵站阀门开启过程对电站机组运行有一定影响。