山西垣曲抽水蓄能电站输水系统设计

王 杨，苏奕康，张子奇，王 哲，张 腾

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 概述

山西垣曲抽水蓄能电站位于山西省运城市垣曲县境内，距太原公路里程420 km，距运城公路里程150 km。电站枢纽建筑物主要由上下水库、输水系统、地下厂房系统及地面开关站等建筑物组成。

抽水蓄能电站装机4×300 MW，额定水头457 m，上下水库进/出水口水平距离约3 060 m，距高比为6.71。输水系统布置在下水库左岸麻沟和岭沟之间的山体内，总体走向为NW252°～NW194°～NW219°～NW236°。枢纽布置2 套独立的输水系统，每套输水系统由引水系统和尾水系统两部分组成，引水、尾水系统均采用1 洞2 机的布置形式，地下厂房采用中部布置方式，设引水调压室和尾水调压室。

2 输水系统地形地质条件

输水系统布置沿线为中低山地貌，山体宽厚，地形较完整。洞室埋深为20～370 m，穿越的地层复杂，岩性为云梦山组二段（Z2y2）石英砂岩、长石砂岩、粉砂岩、粘土岩、云梦山组一段（Z2y1）石英砂岩、长石砂岩，以及马家河组（Z1m）安山岩夹凝灰熔岩等，主要构造形迹以断层、节理和接触挤压破碎带为主，揭示的断层约90 条。地下水埋深较大，一般76～170 m。

3 输水系统布置

输水系统总长3 434.74 m，其中引水系统长2 324.93 m，尾水系统长1 109.81 m。引水系统由上水库进/出水口、引水隧洞、引水调压室、压力管道、高压引水岔管及高压引水支管等建筑物构成；尾水系统由尾水支管、尾水事故闸门室、尾水岔管、尾水隧洞、尾水调压室、下水库进/出水口等建筑物组成。

上、下水库进/出水口均采用侧式进/出水口的布置型式，引水、尾水系统均布置为2 洞4 机，压力管道立面布置为上斜井下竖井。

引水隧洞低压段采用钢筋混凝土衬砌；压力管道上平洞、上斜井（含其上、下弯段）、中平洞、下竖井（含其上、下弯段）及下平洞均采用钢板衬砌；尾水支洞采用钢板衬砌和钢筋混凝土衬砌；尾水主洞采用钢筋混凝土衬砌。

4 输水系统主要设计特点

4.1 上、下水库进/出水口体型及水力学研究

上水库进/出水口由库底局部向下开挖形成，共2 座，2 个进/出水口体型相同，并排布置。沿发电流向依次布置为：引水明渠、防涡梁段、拦污栅段、调整段、扩散（收缩）段及标准段。

引水明渠布置在拦污栅段前侧，长84.0 m，断面为开口矩形，底宽60.6 m，引渠底板采用1∶4 坡比与20.0 m 长水平段（集渣坑）及拦污栅段连接。单个进/出水口宽度为30.3 m。设置4 孔拦污栅及防涡梁，调整段长11.0 m；扩散（收缩）段长35.0 m，段内由3 个分流墩分成4 个流道，平面采用双向扩散，扩散角为31°7′48″，纵断面采用顶板单侧扩散，扩散角为3°45′35″，断面为矩形；标准段由标准洞段及其上、下游渐变段组成，标准洞段为圆形断面，上游渐变段由矩形断面渐变为圆形断面，下游渐变段由圆形断面渐变为矩形断面。

下水库进/出水口平行并排布置2 个相同的进/出水口，每个进/出水口由拦沙坎、引水明渠、防涡梁段、拦污栅段、调整段、扩散（收缩）段及标准段组成，与上水库进/出水口型式相似。

抽水蓄能电站运行是双向水流，进/出水口的水力条件比较复杂。为了分析各种工作水位下发电和抽水时的水流情况和水头损失，经过水工模型试验验证、改进，在各种工作水位和流量组合下进/出水口上方都不会产生贯通吸气漩涡、负压，进/出水口分流墩使出流各流道分流均匀良好。

4.2 引水调压室

在引水隧洞末端设置水击波反射快、可有效抑制波幅的阻抗式调压室，共2 座，升管代替阻抗孔。升管、大井均为圆形断面，升管内径4.5 m，高81.60 m，大井内径18.0 m，高67.0 m，采用钢筋混凝土衬砌，升管衬砌厚0.6 m，大井衬砌厚1.2 m。调压室顶部平台高程为980.00 m，通过对外交通路与上、下水库联系路连接。

根据DL/T5057-2009《水工混凝土结构设计规范》，钢筋混凝土衬砌结构在设计中需遵循近似概率极限状态设计原则。根据DL/T5195-2004《水工隧洞设计规范》，衬砌结构采用承载能力极限状态进行设计，并根据配筋形式，验算裂缝宽度。

4.3 压力管道钢衬段

压力钢管壁厚计算按照《水电站压力钢管设计规范》中推荐的公式进行计算。厂内明管按明管设计，γd值按增大20%设计，内水压力由钢管承受；厂房上游边墙14.0 m范围内的钢管按明管设计，内水压力由钢管承受；厂房上游14.0～30.0 m 范围内的钢管按埋管设计，但不计围岩弹抗，即K0=0，钢板允许应力按埋管允许应力；其余部分按地下埋藏式钢管设计，考虑钢板、混凝土、围岩三者之间的联合受力作用和三者之间存在缝隙的影响；与施工支洞相交的压力钢管段，按埋管设计，但不计围岩弹抗，即K0=0，钢板抗力限值取地下埋管抗力限值；根据水力过渡过程计算，蜗壳进口处最大动水压力为719.46 m。考虑机组甩负荷压力脉动影响，模型试验机与原型机特性差别，以及机组关闭过程的变化影响，压力钢管结构计算时，压力管道末端内水压力考虑压力脉动、计算误差及一定裕度，取795.00 m，各管段的设计水头按长度直线变化计算；不计钢管自重、管内水重及地震力；钢衬抗外压稳定采用加劲环式钢管。

压力钢管钢衬厚度计算成果见表1，加劲环厚22 m，高220 m，间距750 mm。

表1 压力钢管钢衬厚度计算成果表

4.4 压力管道排水

压力管道钢衬洞段地下水位较高，天然地下水水头高50.0～250.0 m。地下水主要以基岩裂隙水为主，工程压力管道设置有2 套排水系统，即直接排水系统和间接排水系统。

4.4.1 直接排水系统

在压力管道钢衬洞段布置岩壁排水系统和管壁排水系统。两层排水系统均由排水管网组成，排水管采用镀锌花钢管，内插软式排水管，环向排水管分别固定在岩壁及管壁上，沿纵向间距15 m设置1 道，纵向排水管固定在岩壁上，共布置6 道，将环向排水管中的集水汇集到纵向排水管中，然后排出。上斜井、中平洞钢衬段集水排至中平洞施工支洞排水沟，下竖井、下平洞及引水支管段集水排入厂房排水沟。

4.4.2 间接排水系统

为降低压力管道外水压力，增加钢管抗外压稳定安全度，在中平洞610.00 m 高程和419.00 m高程布置两层排水廊道，排水廊道尺寸为3.0 m×3.0 m（宽×高）。排水廊道两侧各布置一排排水孔，ϕ 100，孔深25.0 m，排距3.0 m。610.00 m高程处排水廊道集水通过中平洞施工支洞排出，419.00 m 高程处排水廊道集水由厂房上左侧顶层排水廊道排出。

4.5 尾水调压室

尾水调压室位于尾水岔管分岔点下游（发电流向）25.0 m处，布置为阻抗式调压室，底部升管代替阻抗孔。升管高68.5 m，圆形断面，内径4.5 m，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.6 m；大井高75.0 m（含穹顶），圆形断面，内径20.0 m，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚1.2 m；穹顶采用挂钢筋网的锚喷支护型式，锚杆ϕ 22，深入围岩4.5 m，间排距2.0 m，喷混凝土厚15 cm，挂ϕ 8@200 mm 钢筋网。

尾水调压室顶部拱脚处设置通风洞与厂房通风洞相接，通风洞断面尺寸为4.8 m×4.5 m，长613.0 m，底坡为4.2%。

5 结论

垣曲抽水蓄能电站输水系统较长，厂房为中部式开发方式，需设置引水调压室和尾水调压室。管道压力较低、岩体较完整的上平段，采用钢筋混凝土衬砌易于施工，结构安全风险较低，同时布置较长的上平段减少高压段的长度。高压管道根据地形地质条件，采用上斜井下竖井的布置型式，不仅缩短了高压管道的长度，同时使引水岔管及厂房避开地质条件较差的断层破碎带。设计中充分考虑了地形地质特点，输水系统布置合理，隧洞结构形式安全、经济，节省了大量的投资并方便了施工，可为类似工程设计提供参考。