丰宁抽水蓄能电站下水库进出水口布置及结构设计

2021-02-22张一鸣王君芳张翠花

河南水利与南水北调 2021年12期

张一鸣，王君芳，张翠花

（1.北京勘测设计研究院，北京朝阳 100024；2.濮阳弘东建设工程有限公司，河南濮阳 457000）

0 引言

国家能源局印发的《2021年能源工作指导意见》标志着中国抽水蓄能电站建设步入“快车道”。《意见》中指出，开展全国新一轮抽水蓄能中长期规划，加快长龙山、荒沟等抽水蓄能电站建成投产，推进泰顺、奉新等抽水蓄能电站核准开工建设。抽水蓄能电站以水为载体，在电网负荷高峰时发电，在系统负荷低谷时，利用系统富余电能抽水，具有火电站和核电站不具备的调峰和填谷双重作用。

1 工程概况

丰宁抽水蓄能电站位于河北省丰宁满族自治县境内，南距北京市180 km，东南距承德市150 km。丰宁抽水蓄能电站总装机容量3 600 MW，分两期开发，一期装机容量1 800 MW，设6 台单机容量为300 MW的立轴、单级、混流可逆式水泵水轮机组，电站采用地下厂房，为中部布置方式，供水方式为引水、尾水均采用一洞两机的布置形式。

丰宁抽水蓄能电站为大（1）型Ⅰ等工程，主要建筑物为1级建筑物。枢纽工程主要建筑物由上水库、下水库、水道系统和地下厂房系统及开关站等部分组成。

2 下水库进/出水口布置

进/出水口作为水道线路的重要组成部分，是水道线路的起点和终点。水道线路的布置宜顺畅，线路短，且在地质条件好的地方。进/出水口亦应满足水力学要求，使边界条件对称，水流进出顺畅，避免产生较大的环流；进/出水口位置选择在河道凹岸，有利于防淤和防污；进/出水口布置尽量使轴线与等高线垂直，尽量使开挖量少，这样能有效减少投资。结合工程的实际地形地质条件，丰宁下水库进/出水口在下水库2 个沟交汇处的沟谷内，地势较缓利于施工布置。在距下水库大坝约2.50 km的河道凹岸，轴线方位角为NE90°。

丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口沿抽水水流方向依次为：防涡梁段、调整段、扩散段，全长为63.15 m，渐变段和闸门井段长度45.80 m。

防涡梁段长10.15 m，调整段长15 m，顶板高程1 037.50 m，底板高程1 026 m，水平布置。每个进/出水口设3 个分流墩，将进/出水口分成4 孔，孔口尺寸为5 m×10 m（宽×高），分流墩宽度为中间1.40 m，两侧1.50 m。防涡梁段分流墩墩头迎水面为圆弧曲线，分流墩另一侧即扩散段分流墩的墩头设置尖头的钢板，保护混凝土，防止水流冲刷造成混凝土墩头缺损。调整段顶板、底板均厚1.50 m。调整段与防涡梁段结合为一体，在二者结合处设置4 扇一字排列的拦污栅，平均过栅流速1.01 m/s。

扩散段长38 m，平面为双向对称扩散，总扩散角25.50°，立面为单向扩散，顶板扩散角4.51°。扩散段起点为4 个孔，每个孔净空尺寸5 m×10 m（宽×高），末端净空尺寸为7 m×7 m（宽×高），边墩、顶板、底板、分流墩尺寸同调整段。每个扩散段内由3 个分流墩分成4 个流道，每个流道的扩散角均＜7°。

渐变段位于洞脸边坡进洞的地下，由于扩散段与尾水检修闸门井较近，到井座边仅23.40 m，因此渐变段设计成7 m×7 m（宽×高）方形渐变为5.50 m×7 m（宽×高）方形。减少了设计成中间圆形隧洞造成方形和圆形断面之间的频繁变换。

进/出水口水头损失主要是局部水头损失，与扩散段水平和竖直扩散角、淹没水深、孔口尺寸、来流的流量、流速和均衡度等因素有关。丰宁下水库进/出水口从防涡梁段、调整段、扩散段、渐变段、隧洞段到闸门井段水头损失系数发电工况为0.44，抽水工况为0.34。拦污栅的局部水头损失为2.42。

3 下水库进/出水口体型的确定

3.1 拦污栅孔口尺寸

根据《水电站进水口设计规范》（DL/T 5398）规定，抽水蓄能电站过栅流速控制在0.80～1.00 m/s，不宜＞1.20 m/s。

液相色谱-质谱联用法简称LC-MS，是具有很高的分离能力和定性鉴别能力的技术，在检测时能够实现对复杂样品的快速、高效分离。在LC-MS检测苯并芘的研究方面，刘玉兰等[21]用此方法对食用油中苯并芘的含量进行检测，定量时采用内标法对样品的量进行标定，对样品进行分析得出苯并芘的检测限为0.2～30μg/L，检出限是0.1μg/L。该检测方法主要适用于样品的精确检测，但是由于费时比较长，对检测人员的要求比较高，当需要对大批量的样品进行快速检测时，此方法并不适用。

过栅流速预取值0.80 m/s，单机额定流量由水力机械专业提供，为80.70 m3/s，输水系统为一洞两机，则每个进/出水口对应两台机组的流量，初拟拦污栅孔口面积为201.75 m2。

该侧式进/出水口各有4 个孔，每个拦污栅孔面积S= S进口/4=50.44 m2。根据引水隧洞拟定的直径7 m，孔高取约1.50 倍洞径，孔高h =1.50×7 m=10.50 m，实际取h=10 m。孔宽b=S进口/4 h=5.04 m，实际取b=5 m。拦污栅高宽比h/b=2 在规范要求的1.50～2.00 范围内。至此确定进/出水口孔口尺寸4 个孔，每个孔5 m×10 m。孔口流速V=Q/S=80.7×2/（4×5×10）=0.81 m/s。

实际过栅流速为流量除以扣除拦污栅面积后的净面积。据其他工程类比，拦污栅面积按20% 孔口面积考虑。故V'=Q/S'=V/0.80=1.01 m/s，＜1.20 m/s，满足要求。故选定拦污栅的孔口尺寸为：（4～5）m×10 m。

3.2 最小淹没深度计算

根据《水电站进水口设计规范》DL/T 5398规定，有压式进水口底板高程，考虑防止产生贯通式漏斗漩涡，最小淹没水深一般采用戈登公式确定：

式（1）中：S—进水口淹没水深（m）；C—与进水口几何形状有关的系数，进水口设计良好和水流对称取C=0.55，侧向水流取C=0.73，综合考虑取系数C=0.73；V—闸孔断面流速（m/s）；D1—闸孔的高度（m），一般取管道的直径。

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，满足规范要求。

最小淹没深度应符合条件：ΔD=S－D0＞0.50D1（2）

进/出水口顶板下缘至扩散段窄口处顶板下缘的高度D0=10m-7m=3 m，因此顶板下缘至最低水位的深度ΔD=S-D0=8.10-3=5.10 m＞0.50×7=3.50 m，满足要求。

3.3 最小淹没深度验算

按照进/出水口不产生吸气漩涡的要求，弗鲁德数应满足Fr＜0.23。

式（3）中：V—孔口拦污栅处的平均进水流速（m/s）；g—重力加速度（m/s2）；Sm—孔口拦污栅处中心线以上的设计最小淹没深度（m）；Sm=ΔD+D0+D1/2=5.10+3+7/2=11.60 m

则Fr=V/（g×Sm）0.5= Fr=1.01/（9.81×11.60）0.5=0.10＜0.23，满足要求。故此进/出水口不会产生吸气漩涡。

3.4 底板高程的确定

进/出水口底板高程按规范的要求确定，即

因此，下水库进/出水口底板高程H1=1 042-8.10-7=1 026.90 m，参考类似工程经验，取H1=1 026 m。

3.5 扩散段、调整段、防涡梁尺寸设计

扩散段长度应≥5 倍隧洞直径，因此L≥5D1=5×7 m=35 m，取L=38 m；扩散段起点净空为7 m×7 m（宽×高），末端净空为（4～5）m×10 m（宽×高），则立面扩散角：tanθ=（10-7）/38=0.08，因此立面扩散角θ=4.51°，在3°～5°之间，便于水流的调整。

平面扩散角：取分流墩厚度为1.40 m，边墩厚度为1.50 m。tan（α/2）=（5×2+1.5+1.4×1.5-7/2）/38=0.27，因此平面扩散角α=29.77°，＜45°，满足规范要求。

调整段长度取为：L=0.40 L 扩散段=0.40×38 m =15.20 m，取15 m。

防涡梁段顾名思义应防止水流通过进/出水口时产生有害的吸气漩涡，在防涡梁段结构的顶部共设4 道间距1.20 m 的防涡梁，断面尺寸为1.20 m×2.00 m（宽×高）。并且把防涡梁进口墩柱和底板做成弧形，降低水头损失。使水流平顺通过进/出水口。

3.6 尾水检修闸门井尺寸设计

尾水检修闸门井段由井身、井座及前后渐变段组成。井身为圆形，内径10 m、按闸门井身顶高程考虑高于闸门井中最高涌浪取值且比正常蓄水位高8 m，井身高34.50 m，井壁采用钢筋混凝土衬砌，厚0.80 m，在井身的围岩分界线处设置结构缝，缝间设橡胶止水和铜止水。井身上游侧布置1 孔长3 m、宽1.22 ～1.25 m 的不规则通气孔，实际面积为4.23 m2。尾水检修闸门井闸门高度与尾水隧洞直径相同，H=7 m，按过流面积与隧洞一致设计，则孔口宽度B为B=S/H=π×72/4/7=5.50 m，取B=5.50 m，至此，尾水检修闸门井座尺寸为B×H=5.50 m×7.00 m。井座顺水流方向长12.40 m，衬砌厚1.70 m，底板高程1 026 m。井座上下游侧设各有渐变段，下游侧由方形断面7 m×7 m，渐变到矩形断面5.50 m×7.00 m（宽×高），上游侧由矩形断面5.50 m×7.00 m（宽×高）渐变到圆形断面洞径7 m。渐变段连接前后尾水隧洞，渐变段长度宜为水道直径的1～2 倍，这里取渐变段长10 m，均采用钢筋混凝土衬砌，厚1.50 m。渐变段与井座段之间均设有结构缝，缝宽2 cm，缝内设橡胶止水及2 cm厚闭孔泡沫塑料板填缝。闸门井平台布置下水库进/出水口启闭机楼。

4 进/出水口结构设计

4.1 进/出水口的稳定计算

设计时需要考虑在承载能力极限状态时对进/出水口进行整体抗滑、抗浮和抗倾覆稳定计算，基底法向应力计算，在正常使用极限状态时按材料力学法进行进/出水口建基面上、下游拉应力验算。由于丰宁下水库进/出水口采用侧式进/出水口，进/出水口闸门井布置于山体竖井中，因此不存在抗滑稳定和抗倾覆稳定问题，只考虑防涡梁段、拦污栅排架结构、调整段、扩散段这些地面建筑物的抗浮稳定问题。

根据《水电站进水口设计规范》DL/T5398中进水口抗浮稳定计算公式进行抗浮稳定验算，主要计算的荷载包括结构自重、静水压力、扬压力：

4.2 进/出水口结构计算

抽水蓄能电站侧式进/出水口结构计算采用有限元方法，可以简化为平面应变问题进行计算。丰宁下水库进/出水口结构计算采用有限元软件ANSYS 进行，建立防涡梁段、调整段、扩散段等的平面模型，采用二维solid-plane182 单元模拟衬砌混凝土结构和围岩。对于模型的建立，宜建立完整的垂直水流方向的压力，观察三个水道系统的相互影响。运行工况施加最不利的内水水头，检修工况可考虑两孔冲水一孔放空或考虑没有内水，只施加外水压力和围岩压力的情况。对衬砌结构的单元采用指定衬砌单元路径的方法经过线性化处理后得到线性化应力图形，进行截面内力计算。计算假定围岩为均质连续的弹性材料，不考虑岩石重力作用、温度荷载和地震力及上部拦污栅排架的影响。由于防涡梁段和调整段计算时未考虑上部拦污栅排架影响，最终配筋结果要结合拦污栅排架计算结果最终确定。

根据有限元计算结果可知，运行工况下，防涡梁段应力集中部位为边孔边墩与底板的结合部位，垂直水流向最大拉应力2.09 MPa，最大压应力0.62 MPa；调整段应力集中部位为左右边墩与底板的结合部位，垂直水流向最大拉应力2.12 MPa，最大压应力0.60 MPa；扩散段应力集中部位为左右边墩与底板的结合部位，垂直水流向最大拉应力2.17 MPa，最大压应力0.53 MPa。

丰宁下水库进/出水口混凝土采用C30F200（二级配），混凝土保护层厚5 cm。根据计算截面应力线性化结果，对计算截面按照限值裂缝宽度为0.30 mm 进行验算配筋，实际配筋为：防涡梁段底板内侧732、外侧725，边墩和中墩内外侧均为732，防涡梁上下层均为1125；调整段底板内侧732、外侧725，顶板内外侧均为725，边墩和中墩内外侧均为732；3 段扩散段均为底板内侧532、外侧525，顶板内外侧525、边墩和中墩内外侧均为525。抗剪钢筋除防涡梁处为4Ф16@400外，其余部位均为Ф16@400×400。根据实际配筋验算，防涡梁段、调整段和扩散段混凝土最大裂缝开度0.28 mm，满足设计要求。