摘要：

為合理設(shè)計(jì)鐘祥抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了鐘祥抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況，依據(jù)工程樞紐布置，結(jié)合地形地質(zhì)條件，確定了輸水系統(tǒng)布置線路。根據(jù)工程特點(diǎn)，選擇了合適的進(jìn)/出水口型式，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以優(yōu)化水力條件。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，確定了引水隧洞采用豎井布置、洞徑5.5 m的設(shè)計(jì)方案。考慮開(kāi)挖洞徑、沿線地質(zhì)條件不同，對(duì)各洞段的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。運(yùn)用非線性有限元方法，對(duì)各工況下的引水隧洞進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算結(jié)果表明，引水隧洞結(jié)構(gòu)滿足安全要求，配筋結(jié)果合理。研究成果可為類似輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：

輸水系統(tǒng)； 流道布置； 豎井式進(jìn)/出水口； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 鐘祥抽水蓄能電站

中圖法分類號(hào)：TV732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.03.011

文章編號(hào)：1006-0081（2025）03-0065-06

收稿日期：

2024-09-06

作者簡(jiǎn)介：

陳捷平，女，工程師，碩士，主要從事水電站設(shè)計(jì)工作。E-mail：chenjp090102@163.com

引用格式：

陳捷平，張彪，林紫婕，等.鐘祥抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

［J］.水利水電快報(bào)，2025，46（3）：65-70.

0" 引" 言

抽水蓄能電站發(fā)展至今已有100多年歷史，中國(guó)研究開(kāi)發(fā)抽水蓄能電站始于20世紀(jì)60年代［1］。隨著全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，抽水蓄能電站在保障大電網(wǎng)安全、提供系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)和促進(jìn)新能源發(fā)展方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用［2］。由于抽水蓄能電站機(jī)組吸出高度較高、安裝高程較低，同時(shí)考慮地形地質(zhì)條件、對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響和工程投資等因素，目前中國(guó)已建、在建的抽水蓄能電站多為地下廠房，采用地面廠房的工程較少，有羊卓雍湖、潘家口和密云抽水蓄能電站等［3-4］。

鐘祥抽水蓄能電站總裝機(jī)容量為200 MW，安裝2臺(tái)單機(jī)容量為100 MW的可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定流量為111.4 m3/s，額定水頭104 m。工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、電站廠房等組成，其中下水庫(kù)為已建北山水庫(kù)。廠房采用尾部式地面廠房布置方案，引水及尾水系統(tǒng)均采用一機(jī)一洞布置。上、下水庫(kù)電站進(jìn)/出水口的水平距離約305 m，平均毛水頭差約106 m，距高比約2.9。上水庫(kù)進(jìn)/出水口采用豎井式進(jìn)/出水口，下水庫(kù)進(jìn)/出水口結(jié)合廠房尾水布置。

鐘祥抽水蓄能電站上、下水庫(kù)高差小，額定水頭較低，機(jī)組埋深受吸出高度制約，地面廠房埋深較大，尾水水位較高，進(jìn)/出水口型式特殊，上述問(wèn)題是鐘祥抽水蓄能電站輸水建筑物布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需關(guān)注的重點(diǎn)［5-7］。本文基于鐘祥抽水蓄能電站工程實(shí)踐，對(duì)地面抽水蓄能電站的輸水系統(tǒng)布置和典型部位設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，供同類工程參考。

1" 輸水系統(tǒng)線路布置

1.1" 地形地質(zhì)條件

輸水系統(tǒng)沿線山體較寬厚，地面高程170～230 m，除上水庫(kù)進(jìn)/出水口至豎井上段為粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖外，其余均為泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖，為中硬巖夾較軟巖，巖性變化不大，巖層走向N27°～45°，與軸線交角30°～50°，未見(jiàn)大的斷裂構(gòu)造，軟弱夾層不發(fā)育，微風(fēng)化和新鮮巖體中節(jié)理裂隙多閉合，膠結(jié)情況較好，巖體較完整，地下洞室圍巖以Ⅲ類圍巖為主。沿線巖體總體風(fēng)化較淺，未見(jiàn)規(guī)模較大的不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，邊坡穩(wěn)定性較好。

1.2" 上、下水庫(kù)進(jìn)/出水口位置

進(jìn)/出水口的位置選擇應(yīng)根據(jù)輸水系統(tǒng)的布置，結(jié)合地形、地質(zhì)及施工條件等，布置在來(lái)流平順、均勻?qū)ΨQ，岸邊不易形成有害回流或環(huán)流的地點(diǎn)。進(jìn)/出水口不宜布置在有大量固體徑流的山溝溝口，應(yīng)避開(kāi)容易聚集污物的回流區(qū)，避免流冰的直接撞擊。綜合考慮以上因素，上水庫(kù)進(jìn)/出水口位置最適宜布置于2號(hào)副壩上游側(cè)，以滿足進(jìn)/出水口布置選擇原則，并達(dá)到輸水線路最短的目的。

該工程下水庫(kù)利用已建成的北山水庫(kù)，廠房開(kāi)發(fā)方式為地面廠房。為盡量減小工程施工期對(duì)北山水庫(kù)正常運(yùn)行的影響，將下水庫(kù)進(jìn)/出水口布置于尾部式地面廠房的下游側(cè)，同時(shí)達(dá)到輸水線路最短、流道最平順的目的。

1.3" 輸水系統(tǒng)線路布置

根據(jù)選定的上、下進(jìn)/出水口和地面廠房位置，輸水線路較短，為減小輸水隧洞的結(jié)構(gòu)尺寸，減小開(kāi)挖施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)考慮機(jī)組運(yùn)行管理?xiàng)l件，輸水隧洞采用單機(jī)單洞方案布置。

輸水線路的選擇影響工程的樞紐總體布置、工期、投資、運(yùn)行和管理等，在輸水線路選擇時(shí)遵循的主要原則包括［8-9］：① 根據(jù)上、下水庫(kù)進(jìn)/出水口位置，結(jié)合地質(zhì)條件，考慮廠房位置，按照線路最短原則，合理布置輸水線路；② 輸水線路遠(yuǎn)離較大的地質(zhì)構(gòu)造面，應(yīng)盡可能使隧洞與圍巖的主要構(gòu)造面形成較大交角；③ 滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)要求；④ 利于施工支洞布置。

綜合考慮地形地質(zhì)、工程布置及運(yùn)行條件、施工條件及工期、工程投資等因素，確定的輸水系統(tǒng)平面布置如圖1所示。

2" 進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)

2.1" 上水庫(kù)進(jìn)/出水口型式及布置設(shè)計(jì)

根據(jù)樞紐建筑物布置，為減少2號(hào)副壩的干擾，簡(jiǎn)化引水隧洞的結(jié)構(gòu)布置，降低工程投資，工程上水庫(kù)進(jìn)/出水口采用豎井式進(jìn)/出水口方案，如圖2所示。

兩個(gè)進(jìn)/出水口體型相同，采用分開(kāi)對(duì)稱布置形式，其中心線間距36.5 m，均由攔污柵段、垂直擴(kuò)散段、整流段、彎管段和事故閘門井組成。為滿足最小淹沒(méi)深度及不產(chǎn)生吸氣旋渦的要求，底板高程定為172.00 m，蓋板頂高程為176.80 m，同時(shí)為減弱水流對(duì)庫(kù)底的沖刷，對(duì)進(jìn)/出水口周邊20 m范圍內(nèi)庫(kù)盆進(jìn)行護(hù)坦處理。

攔污柵段設(shè)有蓋板、分流墩和攔污柵，蓋板平面體型為半徑10.0 m圓的內(nèi)接正八邊形，厚度1.0 m，同時(shí)為優(yōu)化流態(tài)，在蓋板中心設(shè)一分流錐體。為使水流均勻分散至各孔口，設(shè)長(zhǎng)14 m的垂直擴(kuò)散段，邊界曲線為橢圓曲線，長(zhǎng)半軸為14.0 m，短半軸為3.5 m。整流段的作用是調(diào)整抽水工況彎管出流的流態(tài)，使進(jìn)/出水口水流分布均勻。為保證調(diào)整段流態(tài)改善效果，應(yīng)盡可能增加整流段長(zhǎng)度，同時(shí)考慮閘門啟閉的要求，將整流段高度定為33.5 m。整流段末端接彎管段，直徑由5.5 m變?yōu)?.3 m，彎管段經(jīng)過(guò)長(zhǎng)11.6 m的漸變段后，接直徑5.5 m的隧洞段。事故閘門井結(jié)合2號(hào)副壩布置，頂部高程為199.00 m，由井身、井座、啟閉機(jī)排架等組成，均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2" 下水庫(kù)進(jìn)/出水口型式及布置設(shè)計(jì)

下水庫(kù)進(jìn)/出水口位于北山水庫(kù)，由于裝機(jī)高程、地形條件和下游水位的限制，若采用豎井式進(jìn)/出水口，垂直擴(kuò)散段和整流段長(zhǎng)度無(wú)法滿足規(guī)范要求，易使水流出現(xiàn)不利流態(tài)，不利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合現(xiàn)階段輸水系統(tǒng)線路、廠房開(kāi)發(fā)方式以及地形地質(zhì)條件判斷，無(wú)布置側(cè)向豎井式進(jìn)/出水口的條件，因此，工程下水庫(kù)進(jìn)/出水口采用側(cè)式閘門塔式進(jìn)/出水口，由攔污柵段、擴(kuò)散段和閘室段組成，均布置于邊坡外。由于該工程地面廠房距下水庫(kù)較近，未設(shè)置尾水隧洞，尾水管直接與下水庫(kù)進(jìn)/出水口相接，為適應(yīng)結(jié)構(gòu)布置與水力條件，進(jìn)/出水口流道底板坡度設(shè)為28.79%，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵段長(zhǎng)12.0 m，擴(kuò)散段長(zhǎng)22.6 m，閘門段長(zhǎng)26.5 m，總長(zhǎng)61.1 m。攔污柵段設(shè)有3個(gè)孔口，尺寸為4.8 m×10.0 m（寬×高）；下游接擴(kuò)散段，擴(kuò)散段末端斷面漸變?yōu)?.9 m×7.5 m（寬×高）的矩形，擴(kuò)散段平面擴(kuò)散角為12.60°，垂直向擴(kuò)散角為5.73°。

下水庫(kù)閘門塔緊鄰發(fā)電廠房副廠房下游側(cè)布置，

順?biāo)鞣较蛞来尾贾猛饪?、事故閘門、檢修閘門，兩道閘門中心線距離為8.0 m，最大塔高46.6 m。閘門檢修平臺(tái)高程為92.50 m。閘門塔頂部布置啟閉機(jī)房及其排架。閘門上游設(shè)有墻體擋水，根據(jù)結(jié)構(gòu)擋水高度不同，墻體沿豎直方向呈階梯截面布置，以達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)較優(yōu)的條件。此外，在閘門上游墻體間回填石渣，增強(qiáng)閘門塔段的整體穩(wěn)定性。

3" 引水隧洞設(shè)計(jì)

3.1" 立面型式選擇

引水上平洞中心高程與機(jī)組安裝高程高差為54.5 m，立面上具備采用斜井或豎井連接的條件。斜井方案引水隧洞長(zhǎng)約275 m，由于斜井上覆巖體厚度不滿足要求，需在上彎段后采用鋼管襯砌，鋼襯長(zhǎng)約189 m。豎井方案引水隧洞長(zhǎng)約289 m，較斜井方案長(zhǎng)14 m，但僅需在距離廠房上游邊墻110 m范圍內(nèi)采用鋼管襯砌，鋼襯長(zhǎng)度較斜井方案縮短79 m?？紤]到豎井方案壓力鋼管長(zhǎng)度較短，工程投資較少，且施工安全性與機(jī)械化程度較優(yōu)，引水系統(tǒng)立面型式采用豎井方案。

3.2" 洞徑選擇

工程引水系統(tǒng)采用一洞一機(jī)的布置型式，由上水庫(kù)進(jìn)/出水口、引水上平洞、豎井、引水下平洞組成。參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速、樞紐布置和水力過(guò)渡過(guò)程等要求，擬定了3個(gè)洞徑組合方案，見(jiàn)表1。

引水隧洞洞徑越小，工程量越少，工程投資隨之減少，但從發(fā)電效益考慮，洞徑減小將導(dǎo)致流速增大，水頭損失加大，電能損失增加。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，引水方案2在樞紐布置、施工條件、水力條件以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上均較優(yōu)，故采用上平洞、豎井、下平洞洞徑為5.5 m的洞徑組合方案。

3.3" 支護(hù)設(shè)計(jì)

引水隧洞沿線巖性除上水庫(kù)進(jìn)/出水口豎井上段為粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖外，其余均為泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖，圍巖類別以Ⅲ、Ⅳ類為主。根據(jù)沿線地質(zhì)條件，初步選取系統(tǒng)錨桿和噴混凝土相結(jié)合的柔性支護(hù)型式。各洞段支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

為使混凝土襯砌或回填混凝土與圍巖形成整體聯(lián)合受力，對(duì)引水隧洞下平洞頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。引水隧洞全線進(jìn)行圍巖固結(jié)灌漿，綜合考慮襯砌型式、作用水頭、巖體條件等因素，豎井段灌漿孔環(huán)距2.5 m，每環(huán)布置14孔，入巖孔深8 m，其余洞段灌漿孔環(huán)距2.5 m，每環(huán)布置12孔，入巖孔深5 m。對(duì)下平洞鋼襯段底部120°范圍內(nèi)進(jìn)行接觸灌漿，以使鋼管與回填混凝土結(jié)合密實(shí)。

3.4" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1" 結(jié)構(gòu)布置

引水隧洞立面上依次由上平洞、豎井、下平洞（含壓力鋼管）組成。上平洞軸線進(jìn)口中心線高程為112.50 m，全長(zhǎng)約58 m；豎井高差54.5 m；下平洞全長(zhǎng)146.4 m，出口中心線高程58.00 m，各洞段洞徑均為5.5 m。依據(jù)挪威準(zhǔn)則、圍巖滲透準(zhǔn)則以及NB/T 10072-2018《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》、NB/T 10858-2021《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》等，將鋼襯始端設(shè)置于距離廠房上游邊墻110 m處。除下平段鋼管段外，引水隧洞其余洞段均采用50 cm厚C30鋼筋混凝土襯砌。

3.4.2" 鋼筋混凝土襯砌段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土襯砌計(jì)算工況及荷載組合見(jiàn)表3～4，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表5。根據(jù)鐘祥抽水蓄能電站隧洞布置，并綜合考慮沿線地質(zhì)條件，選擇2個(gè)鋼筋混凝土襯砌斷面進(jìn)行有限元計(jì)算，斷面1為豎井的上彎段進(jìn)口，斷面2為豎井的下彎段出口，見(jiàn)圖4。

壓力管道上平洞、豎井采用鋼筋混凝土襯砌段，按NB/T 10391-2020《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，采用非線性有限元方法考慮圍巖的彈性抗力。

承載能力極限狀態(tài)根據(jù)NBT 10391-2020《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，可計(jì)算得到正常運(yùn)行工況下鋼筋受拉應(yīng)力限值為300 MPa，檢修工況和施工期工況下為333 MPa，校核洪水工況下為320 MPa。由于校核洪水位比正常蓄水位上庫(kù)水位僅高出0.56 m，但鋼筋的受拉應(yīng)力限值顯著提高，因此校核洪水工況不作為結(jié)構(gòu)承載能力的控制工況。

正常使用極限狀態(tài)主要校核襯砌裂縫寬度。該工程最大裂縫寬度允許值為0.2 mm。

根據(jù)引水隧洞布置，并考慮沿線地質(zhì)條件，選擇典型斷面進(jìn)行有限元建模計(jì)算分析，計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

壓力管道上平洞、豎井筋混凝土襯砌段圍巖以Ⅲ類為主，斷層破碎帶為Ⅳ類。襯砌按限裂設(shè)計(jì)，考慮襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、水擊壓力、灌漿壓力等荷載，按NB/T 10391-2020《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6～7所示。

計(jì)算結(jié)果表明正常運(yùn)行工況為控制工況，在內(nèi)水壓力作用下，2號(hào)斷面襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)19條貫穿性裂縫，裂縫位置鋼筋應(yīng)力較大，最大值為140.3 MPa。通過(guò)選擇配筋方案，引水隧洞上平洞與豎井襯砌配筋為單層25@20 cm，計(jì)算得到襯砌最大裂縫寬度為0.17 mm，小于0.2 mm，滿足規(guī)范的限裂設(shè)計(jì)要求。

4" 結(jié)" 語(yǔ)

鐘祥抽水蓄能電站引水隧洞采用單機(jī)單洞布置方案，隧洞內(nèi)徑5.5 m，單洞長(zhǎng)約289 m，不設(shè)尾水隧洞。根據(jù)工程樞紐布置和地形地質(zhì)條件，以及采用地面廠房的特殊性，選取了合適的進(jìn)/出水口位置，將上水庫(kù)進(jìn)/出水口位置布置于2號(hào)副壩上游側(cè)，從而確定輸水系統(tǒng)布置線路，以達(dá)到流道最短的目的；開(kāi)展了豎井式和側(cè)式進(jìn)/出水口型式比選、引水隧洞立面豎井和斜井型式比選以及洞徑比選的工作，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定了豎井式上庫(kù)進(jìn)/出水口、閘門塔式下庫(kù)進(jìn)/出水口、豎井式引水隧洞立面方案以及最優(yōu)的洞徑組合成果。根據(jù)沿線的地質(zhì)、水力等條件，提出了有針對(duì)性的支護(hù)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果表明：各計(jì)算斷面下正常運(yùn)行工況為控制工況，裂縫位置鋼筋應(yīng)力較大，最大值為140.3 MPa。通過(guò)選擇配筋方案，引水隧洞上平洞與豎井襯砌配筋為單層25@20 cm，計(jì)算得到襯砌最大裂縫寬度為0.17 mm（小于0.2 mm），滿足規(guī)范的限裂設(shè)計(jì)要求?？傮w來(lái)看，引水隧洞洞室穩(wěn)定，支護(hù)系統(tǒng)的安全性可以得到保證。

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編輯：張" 爽

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Design of water conveyance system for Zhongxiang Pumped Storage Power Station

CHEN Jieping，ZHANG Biao，LIN Zijie，LI Shuang

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： For the rational design of Zhongxiang Pumped Storage Power Station water transmission system，we provided a detailed introduction to the design of the water conveyance system for the station.Based on the layout of the engineering hub and the terrain and geological conditions，the layout route of the water conveyance system was determined.According to the characteristics of the project，suitable inlet/outlet types were selected and structural design was carried out to optimize hydraulic conditions.Through technical and economic comparison，the design scheme of using vertical shafts with a diameter of 5.5 m for the diversion tunnel had been determined.Considering the different excavation diameters and geological conditions along the route，the support parameters for each tunnel section had been designed to achieve the goals of safety and economy.The non-linear finite element method was used to perform structural calculations on the water diversion tunnel under various working conditions，and the results showed that the structure of the water diversion tunnel could meet safety requirements and the reinforcement results were reasonable.The research results can provide a reference for the design of similar water conveyance systems.

Key words：

water conveyance system； channel layout； vertical shaft inlet/outlet； structural design； Zhongxiang Pumped Storage Power Station