抽水蓄能電站輸水設計管理論文

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西龍池抽水蓄能電站輸水系統最大PD達到3550m2以上，規模比較大，位于世界前列。在輸水系統設計時，充分結合工程地質條件，在借鑒國外成功經驗基礎上，從線路選擇、電站開發方式比較、供水方式、襯砌型式選擇、經濟管徑確定到水力計算、結構設計等都進行了較充分論證。

1.輸水系統布置方案選擇

1.1地形、地質條件

輸水系統沿線地形陡緩相間，沖溝較發育，高差大，基本無全風化帶，風化裂隙較發育。輸水系統自上而下依次通過中奧陶系上馬家溝（O2S）組、下馬家溝（O2X）組、下奧陶系亮甲山（O1L）組、冶里（O1Y）組、上寒武系鳳山組（∈3f）、長山組（∈3c）、崮山組（∈3g）、中寒武系張夏組（∈2Z）的地層。巖性為灰巖、白云巖、頁巖、砂巖等，平均飽和抗壓強度為92.8～128.2MPa，根據《水利水電工程地下洞室圍巖分類》圍巖分類為Ⅱ～Ⅲb類圍巖，構造發育部位為Ⅳ～Ⅴ類。

地下水以基巖裂隙水為主，局部有少量的巖溶裂隙水，主要接受大氣降水的補給。∈2Z2、∈3c1、O1L2－1、O2x1、O2s1-1組巖層為區域性巖溶作用的相對隔水層，巖溶相對發育，其間為相對含水層，相對隔水層與相對含水層呈“互層”狀，并且常在含水層底部形成少量上層滯水。上層滯水共有三層，即①上部為上、下馬家溝上層滯水；②中部為冶里、鳳山上層滯水；③下部為崮山上層滯水。

廠區及輸水系統位于區域地下水分水嶺，不利于地下水的賦存，地下水埋藏較深，且圍巖屬中等透水～弱透水，輸水系統圍巖滲透條件比較好。

輸水系統位于西河～耿家莊寬緩背斜的NW翼，尾水隧洞段位于背斜的SE翼，巖層基本水平，傾角3～10°，工程區發育的主要構造有F112、F114、F118、F116、fp21、fp27、fp30等斷層和P5張性斷裂帶等，構造發育的主要方向為NE30～NE60°。輸水系統區域內主要發育有4組裂隙，產狀為：①NE5～30°SE∠70～80°；②NE30～50°SE∠70～88°；③NE50～60°SE∠70～89°；④NW330～360°SE∠70～85°。以第②組裂隙最為發育。

1.2輸水線路的選擇

在進行輸水系統線路選擇時應盡可能布置成最短的直線，綜合考慮地形、地質、樞紐布置等條件選擇了3條線路布置方案進行比較，即東線、直線和西線三個方案，詳見圖1。

由于上、下水庫在平面上呈NE54°左右方向展布，采用線路最短的直線布置方案時，管線走向為NE50°左右，與站址區主要構造線走向、區內最為發育的第2組主要裂隙及P5破碎帶基本平行或成10～20°的小角度相交，且巖層層面與陡傾的構造、裂隙和開挖臨空面很容易形成不穩定塊體，對圍巖穩定非常不利。所以對直線方案不做重點比較。

工程區大小沖溝較發育，地形比較破碎，適合線路布置的位置并不多。為合理確定輸水系統線路，對東線和西線兩個方案進行了比較。

(1)西線方案

西線方案在平面上沿山脊布置，輸水系統走向從NE85°折向NE26°。高壓管道部分位于由F112、F116、F118、F208、F209、F114等斷層組成的斷層密集帶中，斷層走向為NE20°～NE40°、傾角70°～80°，在滿足地形條件下，高壓管道難于避開這些斷層。在平面和立面上都與高壓管道基本平行或成小角度相交，且高壓管道與工程發育的第1和第2組主要裂隙基本平行，圍巖穩定問題比較突出。

輸水系統的慣性時間常數Tw=2.0s左右，在立面布置上，可不設置調壓井，但增加了高壓管道長度，經過比較,設置上游調壓井方案比不設調壓井方案可節省投資1140.5萬元，所以重點以設置調壓井方案與東線方案進行綜合技術經濟比較。

(2)東線方案

東線方案線路走向從NE15.5°折向NE70°。高壓管道部分走向NE70°與P5張性斷裂帶、F112等構造夾角皆大于30°，與工程區發育的裂隙夾角較大，圍巖穩定條件較好。輸水系統總長為1811.15m，Tw=2.0s左右，不需設置調壓井。投資與與西線方案相當。

經棕合比較后，東線方案圍巖穩定條件比較好，工程布置簡單，投資與西線方案相當，所以推薦東線方案線路布置。

1.3電站開發方式選擇

在輸水系統線路確定后，對電站開發方式進行綜合比較。根據本電站的特點即上、下水庫距離比較短，電站設計水頭較高，輸水系統距高比較小，L/H在2.0左右，地下廠房可布置的范圍不大等，在此僅就首部和尾部兩種電站開發方式進行了綜合比較。

(1)工程布置

首部布置方案輸水系統是由上水庫進/出水口、高壓管道、尾水調壓井、尾水隧洞和下水庫進/出水口組成。輸水系統總長為L=2123.77m。詳見圖2。首部布置方式,高壓管道比較短，尾水隧洞大于臨界長度，需增設尾水調壓井。地下廠房可以布置在地質條件相對好的崮山組∈3g和張夏組∈3z2地層中,由于受地形所限,交通洞、通風兼安全洞、出線兼安全洞等附屬洞室洞口位置與尾部布置基本相同。從而使附屬洞室長度增加。

尾部方案輸水系統由上水庫進/出水口、高壓管道、尾水隧洞、下水庫進/出水口等組成。輸水系統總長為1859.28m，詳見圖5。高壓管道比較長，地下廠房布置在地質條件相對較差∈3z地層中,但是附屬洞室及高壓出線電纜較短，且可不設調壓井。

(2)工期

首部方案與尾部方案施工組織設計基本相同，不會因廠房位置而改變工程的關鍵線路,也就是說2個方案總工期相同。因首部方案增設尾水調壓井，導致施工支洞和通風洞長度的增加,使地下廠房施工工期比尾部方案增加3～5個月,地下廠房系統需提前安排施工。

(3)工程造價

首部、尾部方案輸水系統和地下廠房系統工程靜態投資分別為：68848.17、61883.86萬元，動態投資為95203.24萬元、85076.23萬元。首部方案與尾部方案相比，靜態投資增加6964.31萬元,動態投資10127.01萬元。

首部和尾部開發方式綜合技術經濟比較見表1。

表1電站開發方式比較表

方案

首部方案

尾部方案

工

程

特

性

輸水系統總長

m

2123.77

1859．28

高壓管道長度

m

1188.11

1424．62

發電工況水頭損失

m

18.045

20.152

是否設置調壓井

需設尾水調壓井,尾水事故閘門室與尾水調壓井結合。

否

輸水及地下廠房系統主要工程量

洞挖

萬m3

77.58

58.29

砼

萬m3

23.22

20.80

鋼筋

t

11333

10471

鋼襯

t

9062

10064

廠房預應力錨索

根

918

1182

水道預應力錨索

根

6562

4477

地下廠房位置

崮山組∈3g和張夏組∈3z2地層，埋深450m左右

張夏組∈3z2地層,埋深230m左右

工期

年

首部方案廠房工期比尾部方案長3-5個月,總工期相同

靜態投資

萬元

68848.17

61883.86

動態投資

萬元

95203.24

85076.23

主要優缺點

1.廠房圍巖地質條件相對較好。

2.高壓管道較短。

3.需增設尾水調壓井和尾水事故閘門。

4.各附屬洞室及高壓出線電纜較長。

5.總工期相同,但廠房工期增長。

6.投資較大,靜態比尾部方案多6964.31萬元，動態多10127.01萬元。

1.廠房圍巖地質條件相對較差。

2.高壓管道較長。

3.不需設置調壓井和尾水事故閘門室。

4.各附屬洞室及高壓出線電纜較短，比首部方案減少465m。

5.工程投資小。

從地形條件、地質條件、工程布置、工期、工程投資等方面綜合比較可以看出，尾部方案明顯優于首部方案，所以推薦尾部布置方案。

1.4供水方式比較

1.4.1引水道供水方式比較

在保證電能損失基本相等基礎上，對一管四機、一管二機、一管一機3個方案進行比較。

一管四機方案的投資最少，但管徑大，輸水系統最大PD＝5360m2，鋼管最大厚度達83mm（HT-80,）。已超過世界最高水平，無論從加工制造和現場安裝都是很困難的。技術可行性比較差，另外，電站運行靈活性差，也不利于提前發電；一管一機方案管徑小，鋼管最大厚度為44mm，比較薄，制造、安裝容易，且不設岔管，運行靈活，但工程量大，工程造價高，較一管兩機方案投資增加6596.6萬元；一管兩機方案最大PD＝3800m2左右，鋼襯厚度為40～60mm。類比國外工程，如日本的今市和蛇尾川電站的最大鋼襯厚度都已達到62～64mm。所以無論從制造加工、現場安裝條件來說，一管兩機方案在技術上是可行的；較一管一機方案工程量少，投資省，因此本階段引水道供水方式推薦一管兩機方案。

1.4.2尾水隧洞數量比較

電站采用尾部開發方式，尾水隧洞較短，不需設尾水調壓井。尾水隧洞比較了一機一洞、兩機一洞、四機一洞三個方案。一機一洞方案不需另設尾水事故閘門，及尾水岔管，工程量小和投資最少，布置簡單，運行靈活。故選用一機一洞布置方式。

1.5豎井、斜井方案比較

相應于選定的尾部開發方式，輸水系統在立面布置上受P5和F112等不利地質構造的控制，為將P5和F112等地質構造對輸水系統圍巖穩定的影響減少至最小，對上豎井下斜井、上斜井下豎井、斜井、豎井4個布置方案進行了綜合比較。比較結果見表2。

表2豎斜井綜合比較表

方案

上豎井下斜井

上斜井下豎井

斜井

豎井

輸水系統總長(m)

2023.68

1952.21

1859.28

2121.07

高壓管道長度(m)

1589.02

1517.55

1424.62

1686.41

慣性時間常數Tw(s)

2.30

2.15

2.07

2.40

3#機組引水系統主要工程量

洞挖(萬m3)

6.44

6.06

5.46

7.24

砼(萬m3)

2.84

2.62

2.36

3.14

鋼襯（t）

10137.0

8550.4

8009.8

11320.6

投資（萬元）

25704.4

21725.1

20433.9

28812.3

優

缺

點

比

較

地

質

條

件

P5和F112在下平段與高壓管道相交，圍巖穩定條件較好，

P5可能與高壓管道中平段相交，但F112與下豎井以小角度相交，圍巖穩定條件較差.

P5可能與中下平段相交，圍巖穩定條件較好，F112與下斜井大角度相交，對圍巖穩定影響不大。

P5和F112在下平段與高壓管道相交，圍巖穩定條件較好，

施工

條件

高壓管道成洞條件較好，但鋼襯厚度較大，最大為62mm

下豎井圍巖穩定條件較差，施工難度較大。鋼襯厚度較薄，為57mm

下斜井上段圍巖穩定條件較差，施工難度較大,鋼襯厚度較薄，為57mm

高壓管道成洞條件較好，但鋼襯厚度較大，為59mm

工程量及費用

工程量較大。投資比3方案高5270.2萬元

工程量較小。投資比3方案高1291.2萬元

工程量最小。投資為20433.9萬元

工程量最大。投資比3方案高8378.4萬元

綜合比較

地質和施工條件都比較好，但工程量與投資比較大。慣性時間常數也較大。

雖然工程量比較小，但下豎井難于避開F112。圍巖穩定條件較

差。

工程量與投資最少，P5與中平段相交，圍巖穩定條件較好。慣性時間常數最小。

，但工程量與投資最大。慣性時雖然圍巖穩定條件較好間常數也最大。

斜井方案明顯優于其它3個方案。P5、F112等構造對輸水系統圍巖穩定的影響相對其它方案是比較小的，且工程量和工程投資也是最小的，慣性時間常數最小，電站運行穩定性較好,所以設計推薦斜井方案。

2輸水系統襯砌型式選擇

通過供水方式綜合比較，確定引水系統采用一管兩機的供水方式，高壓管道最大PD值高達3500m2以上。輸水系統襯砌型式的確定對其造價有著舉足輕重的影響。對于高PD值高壓管道，襯砌型式的選擇尤為重要。目前大PD高壓管道常采用的襯砌型式有：鋼筋砼襯砌、預應力砼襯砌、鋼板襯砌等。

2.1砼襯砌方案的布置與設計

從經濟角度來講，充分利用圍巖的彈性抗力，不襯或采用砼襯砌是比較經濟的，但是砼襯砌對圍巖的地質條件要求比較高，要想使砼襯砌可行，必須同時滿足應力條件和滲透條件。砼襯砌方案的布置詳見圖3。

2.1.1應力條件

應力條件是指沿管線各點的最大靜水壓力要小于圍巖的最小主壓應力。為便于確定管線的布置，首先根據挪威準則初步驗算覆蓋層的厚度，再根據地應力資料最終確定輸水系統管線布置。

對輸水系統各控制點覆蓋層厚度分別進行計算，除部分高壓支管外，其它部位均能夠滿足挪威準則的要求。

為了解輸水系統壓力管道范圍內的地應力情況，對輸水系統上平段ZK97-27、中平段位置ZK97-26、下平段附近的ZK97-21等鉆孔進行了地應力測試。高壓管道埋藏較深的部分，最小主壓應力皆大于內水壓力靜水頭，是能夠滿足應力條件的。通過三維地應力場回歸結果可知，岔管部位的最小主壓應力為9.0MPa左右，大于內水壓力靜水頭，也能滿足應力條件。從地形、地質條件來講，具備了采用鋼筋砼襯砌條件，而高壓支管部分，經過P5張性斷裂帶、F112、fp38等地質構造，且不能滿足應力條件，所以岔管后的高壓支管采用鋼板襯砌。

2.1.2滲漏條件

滲漏條件是指輸水系統滲漏量應在設計允許范圍之內。本工程上、下水庫皆為人工庫，無天然徑流補給，且下水庫為懸庫，高于滹沱河床180m左右，補水費用比較高。鑒于本工程特點，對滲漏條件要求比較高。

輸水系統沿線上馬家溝組（O2S2）、下馬家溝組（O2X1）、冶里組（O2Y）、鳳山組（∈3f）、崮山組（∈3g）地層巖溶相對比較發育，屬中等透水～弱透水，占高壓管道砼襯砌段長度的77%左右，滲透系數為0.8×10-5～1.2×10-5cm/s。尾水隧洞及高壓管道下平段，發育有P5、F112、fp38、fp28、fp30、F207、fp11、fp13、F118、F114、F116、F209等地質構造，容易形成集中滲流通道。

地下水類型以基巖裂隙水為主，局部有少量巖溶裂隙水，主要接受大氣降水補給。工程區O2S1-1、O2X1、O1L2—1、∈3C1、∈2Z2為相對隔水層，其間為相對含水層，在含水層底部存在少量上層滯水。由于輸水系統位于西河—耿家莊寬緩背斜的軸部附近，地下水位很低，通過廠房平洞PD95-1內各鉆孔水位長期觀測結果，張夏組巖層的地下水位為716.0～719.0m,崮山組巖層地下水位為768.0～769.0m。

輸水系統沿線大部分巖層屬中等透水～弱透水，且地下水位比較低，為減少滲漏量，輸水系統鋼筋砼襯砌采用限裂設計，最大裂縫開展寬度為0.2mm。

(1)鋼筋砼襯砌結構設計

根據鋼筋、砼、圍巖的變形協調條件，計算圍巖、鋼筋砼承擔內水壓力的比例，其中鋼筋砼承擔的內水壓力按限裂設計，不足部分通過高壓灌漿使襯砌產生預壓應力來承擔。鋼筋砼襯砌計算結果見表3。輸水系統鋼筋砼襯砌采用限裂設計，最大灌漿壓力為9.8MPa。目前我國采用灌漿壓力最高的為天荒坪抽水蓄能電站，最高值為9.0MPa。南非的德拉肯斯保抽水蓄能電站預應力砼管，最大灌漿壓力為8.0MPa,因此從結構方面來說除下斜井下部灌漿壓力比較大外，鋼筋砼襯砌基本是可行的。

表3鋼筋砼襯砌計算結果

部位

R

(m)

Rr

(m)

Rs

(m)

P(MPa)

E(MPa)

Pr

(MPa)

Ps

(MPa)

Pg(MPa)

P0

(MPa)

中平段

2.35

2.95

2.29

6.45

8500

4.77

0.24

1.44

4.81

下斜井中下部

2.1

2.7

2.04

9.0

8000

6.30

0.28

2.42

8.00

下平段

2.1

2.7

2.04

10.1

6000

6.87

0.28

2.98

9.8

(2)輸水系統滲漏量估算

采用鋼筋砼襯砌還必須滿足滲漏條件，按圍巖與砼襯砌厚壁組合圓筒進行估算。輸水系統沿線各段滲漏量估算結果見表4。從計算結果來看，整個輸水系統滲漏量為6.064m3/s,單位管道長度平均滲漏流量為4.04×10-3m3/s.m。與站址選擇補充報告中羊老蹄—李家莊方案輸水系統三維有限元滲流計算結果（整個輸水系統滲漏流量為10.484m3/s,單位管道長度平均滲漏流量為4.5×10-3m3/s.m）相當，說明滲漏量估算結果是基本可信的。

表4輸水系統滲漏量估算結果

部位

圍巖

滲透系數KR

10-6m/s

內徑D

m

砼襯砌

厚度

m

各管段

長度L

m

單位管長

滲流量QC

m3/s.m

各段滲

漏流量

m3/s

上平段

10

4.7

0.6

318.12

0.000745

0.237×2

上豎井O2S1O2X2

10

4.7

0.6

140

0.00129

0.181×2

上豎井O2X1

0.004

4.7

0.6

120

0.0000169

0.002×2

上豎井O1L2

10

4.7

0.6

165.07

0.00297

0.490×2

中平段

10

4.7

0.6

92.98

0.00331

0.308×2

下斜井

8

4.2

0.6

349.63

0.00424

1.482×2

尾水隧洞

0.4

4.3

0.6

424.66

0.00039

0.166×4

合計

6.064

整個輸水系統的滲漏流量是很大的，既使內水壓力較低的上平段及尾水隧洞滲漏流量分別為0.474m3/s和0.664m3/s也是比較大的，整個輸水系統每天滲漏量可達52萬m3，占調節庫容的12%,鋼筋砼襯砌難以滿足滲漏條件，應采用預應力砼或鋼板等無滲漏襯砌型式。

2.2預應力砼襯砌

根據預應力的施加方法，預應砼襯砌可分為二種類型，一是依靠圍巖約束，通過高壓灌漿來施加預應力的高壓灌漿法預應力砼襯砌；二是通過張拉預應力筋來實現預應力的后張法預應力砼襯砌，也稱環形錨索預應力砼襯砌。

2.2.1高壓灌漿法預應力砼襯砌

高壓灌漿法預應力砼襯砌，能夠利用圍巖約束，充分發揮圍巖的彈性抗力，利用高壓灌漿在砼襯砌上產生的預壓應力來抵消由內水壓力產生的拉應力，使襯砌結構處于受壓狀態或拉應力不大于砼抗拉強度的狀態。是一種比較經濟的襯砌型式，但對圍巖條件要求比較高。

高壓灌漿法預應力砼襯砌計算結果見表5，通過計算可知，既使壓力不太高的中平段，所需灌漿壓力達11.72MPa，灌漿壓力作用下，砼襯砌的壓應力為51.3MPa，既使C60砼也不能滿足強度要求。

表5高壓灌漿法預應力砼襯砌灌漿壓力計算成果

項目

單位

計算位置

引水隧洞

中平段

尾水隧洞

圍巖單位彈性抗力系數K0

kN/cm3

2.5

2.8

1.0

設計內水壓力P

MPa

1.18

6.45

1.16

洞徑D

m

4.7

4.7

4.3

襯砌厚度

m

0.6

0.6

0.6

灌漿壓力q0/設計內水壓力p

1.88

1.82

2.23

灌漿壓力q0

MPa

2.22

11.72

2.60

q0作用下砼襯砌的壓應力σθ

MPa

15.31

51.3

10.7

備注

C30砼即可滿足要求

既使C60砼也不能滿足要求

C25砼即可滿足要求

目前大規模灌漿所實現的壓力為8～9MPa，11.72MPa以上的灌漿壓力實現難度比較大，所以整個輸水系統采用高壓灌漿法預應力砼襯砌實現難度比較大，只有根據各段不同條件，采用不同的襯砌型式。

雖然上平段及尾水隧洞設計內水壓力比較低，所需最大灌漿壓力也不大，考慮到上平段位于上馬家溝組地層，圍巖分類屬Ⅲb類，巖溶比較發育，高壓灌漿難度比較大；尾水隧洞位于張夏組地層中，構造比較發育，圍巖分類為Ⅲb類，構造發育部位為Ⅳ～Ⅴ類，圍巖條件較差，且洞間距不大，所以對于上平段及尾水隧洞，也不推薦高壓灌漿法預應力砼襯砌型式。

2.2.2環錨預應力砼襯砌

環錨預應力砼襯砌由于受錨具布置所限，能實現PD值不高，一般在1600m2以下，而本工程最大PD=3500m2以上，整個輸水系統采用環錨預應力砼襯砌是難以實現的，只有PD值不高的部位可考慮。

環錨預應力砼襯砌是通過張拉預應力錨索來實現，內水壓力基本由預應力錨索承擔，對圍巖條件要求比較低。上平段和尾水隧洞PD=510m2左右，據國內小浪底無粘結預應力混凝土襯砌及隔河巖有粘結預應力混凝土襯砌工程經驗,預應力混凝土襯砌投資比鋼板襯砌方案可節約30%左右。國外高壓管道工程實踐也證明了預應力混凝土襯砌比鋼板襯砌方案可節省10%～30%的造價；經工程類比認為在此內水壓力條件下進行后張預應力混凝土襯砌是可行的。從我國已完成的清江隔河巖、天生橋及正在施工的黃河小浪底排沙洞情況看，目前我國在設計、施工與材料方面均具備采用環錨預應力混凝土襯砌的條件，上平段及尾水隧洞PD值不高具各采用后張預應力混凝土襯砌的條件。技施階段，考慮環錨襯砌施工工藝較復雜，而且需進行必要的試驗，通過補充分析研究，上平段和尾水隧洞采用鋼板襯砌。

2.3鋼板襯砌

鋼板襯砌也就是地下埋管，對圍巖條件要求比砼襯砌方案低的多，鋼襯方案布置見圖5。地下埋管結構是按鋼襯—外圍砼—圍巖聯合作用，共同承擔內水壓力來設計。

通過過渡過程計算，壓力管道末端的最大水擊壓力為944.47m水頭。最大設計內水壓力為10.15MPa高壓管道最大PD=3553m2。經過計算，高壓管道最大鋼襯厚度為57mm（HT-80）。從國外工程實例可以看出，鋼襯厚度大于57mm的工程實例比較多，最大的是日本的今市抽水蓄能電站鋼襯厚度為77mm，且我國已建的十三陵抽水蓄能電站高壓管道，已有較大規模采用80級鋼材的經驗，因此高壓管道采用鋼襯方案技術上是可行的。

2.4襯砌型式比較結論

(1)由于輸水系統沿線圍巖屬中等透水～弱透水，且地下水位比較低，雖然采用鋼筋砼襯砌在結構上是基本可行的，但滲漏比較嚴重。因此無論是從電能損失還是從運行期水量補給角度上看，鋼筋砼襯襯都是不能滿足要求的。

(2)為減少滲漏量，若輸水系統全部采用高壓灌漿法預應力砼襯砌，由于高壓管道PD值比較大，即使壓力不太高的中平段所需灌漿壓力已將達11.72MPa，目前大規模灌漿所實現的壓力一般最大為8～9MPa，整個輸水系統采用高壓灌漿法預應力砼襯砌實現難度比較大；且在灌漿壓力作用下，砼襯砌的強度也難以滿足要求。上平段及尾水隧洞設計內水壓力比較低，所需最大灌漿壓力也不大，但考慮到上平段巖溶比較發育，高壓灌漿難度比較大；同時尾水隧洞圍巖構造比較發育，圍巖條件較差，且洞間距不大，所以對于上平段及尾水隧洞，也不推薦高壓灌漿法預應力砼襯砌型式。

(3)高壓管道采用鋼板襯砌，所需最大鋼襯厚度為57mm（HT-80），類比國外工程實例和我國設計、施工經驗來看，這種規模的高壓鋼管技術上是可行的。

3經濟管徑比較

根據輸水系統的具體情況，整個輸水系統大至分為三段，即上斜井、下斜井和尾水隧洞。對上述各管段分別擬定三個管徑方案，共組合成27個方案，采用費用現值最小法進行比較。從能量損失和電站運行穩定性考慮，6方案(上平段及上斜井為4.7m、中平段及下斜井為3.8m、高壓支管為2.8m、尾水隧洞為4.3m)為較優方案。

由于高壓管道的設計水頭比較高，鋼板襯砌厚度較大。為了降低PD值，減少鋼板襯砌和鋼岔管的設計、制造難度，在上述確定的輸水系統管徑方案的基礎上，針對下斜井的洞徑又作了進一步優化，將3.8m直徑的下斜井分為2段，上段直徑為4.2m，下段直徑為3.5m，高壓支管直徑為2.5m。經對此方案經濟分析與方案6相比，其費用現值減少了52萬元；水頭損失為20.15m，減少了2.28m；電站綜合效率提高到0.75，明顯較優。

最終確定輸水系統管徑為：上平段及上斜井為4.7m、中平段及下斜井上段為4.2m、下斜井下段及下平段為3.5m、高壓支管為2.5m、尾水隧洞為4.3m。

4水力計算

輸水系統水力計算主要包括水頭損失和水力過渡過程分析兩部分。計算的主要目的是預測整個輸水系統發電、抽水工況的能量損失，過渡工況機組轉速變化和輸水系統壓力變化及其極值，選定導水機構合理調節時間和啟閉規律，使輸水系統結構設計和機組參數的確定做到經濟合理。

4.1水頭損失計算

水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失，水頭損失計算結果見表6。

表6輸水系統水頭損失計算結果

工況

1#輸水系統

2#輸水系統

雙機發電

雙機抽水

雙機發電

雙機抽水

水頭損失計算公式

1.6481×10-3Q2

1.7698×10-3Q2

1.6134×10-3Q2

1.7366×10-3Q2

流量(m3/s)

111.76

93.28

111.76

93.28

水頭損失值(m)

20.585

15.400

20.152

15.110

注：Q為2臺機組的相應引用流量。

4.2水力過渡過程計算

由于抽水蓄能電站具有一機多用，工況轉換頻繁的特點，復雜多變的工況轉換產生的瞬變水力過程，因水體慣性的存在及系統中的能量不平衡，將造成輸水系統內水壓力急劇上升或下降和機組轉速的急劇上升。為使輸水系統的壓力上升和機組轉速上升保持在經濟合理的范圍內，選定導水機構合理調節時間和啟閉規律，因此本階段委托清華大學進行各工況的水力過渡過程計算。計算成果如下:

（1）輸水系統最大水擊壓力為944.47m水頭，發生在機組蝸殼進口管道中心線處。壓力升高值為201.11m水頭，相對升高為27.1%。高壓管道上彎點中心線最小壓力為11.81m水頭，上彎點頂部的最小水頭為9.46m，大于規范規定的不小于2.0m正壓的要求。輸水系統的最小水擊壓力為6.86m水頭，發生在下水庫進/出水口處。

（2）上游閘門井最高涌浪水位為1496.91m，低于閘門井頂高程（1499.5m）2.59m。下游閘門井最高涌浪水位為843.73m，低于閘門井頂高程(844.5m)0.77m；上游閘門井的最低涌浪水位為1438.65m，閘門井處隧洞頂最小正壓力為25.3m。下游閘門井的最低涌浪水位為788.84m，閘門井處隧洞頂最小正壓力為5.79m。上、下游閘門井的最低水位均滿足規范規定的不小于2.0m正壓的要求。

(3)機組最大轉速為706.5rpm，最大轉速上升率為41.3%。

(4)通過小波動穩定分析可知，在小負荷變化情況下，輸水系統的過渡過程也是穩定的。

因此證明輸水系統的布置是合理的。待下階段取得水泵水輪機可靠的特性曲線后，將進一步核算水力過渡過程。

5進/出水口設計

上水庫位于上馬家組第2段O2s2地層中,由于O2s地層中O2s2-2、O2s2-4、O2s2-6為巖性較軟的白云巖，而且存在軟弱夾層，為使高壓管道的上平段避開O2s2-4組地層，改善上平段圍巖穩定條件，結合總體布置，上水庫進/出水口采用井式。

為了對上水庫進/出水口的設計體形的合理性進行驗證和優化，委托天津大學水利工程科學研究所對上水庫進/出水口進行1:39.17的水工模型試驗，試驗成果表明：上水庫進/出水口在發電和抽水工況下，進/出水時的庫水位均較平穩，未出現有害的吸氣漩渦，各孔口的流量分配均勻，水頭損失也較小，流速分布較均勻，均能滿足抽水蓄能電站進/出水口水力學的要求。但是，經多次修改模型試驗，均未能完全消除出水口底部的反向流速問題，雖然反向流速不大，仍有待下階段進一步試驗研究。

下水庫對側式和塔式進/出水口進行綜合比較后，推薦側式進/出水口。

6岔管設計

本階段比較了鋼筋混凝土岔管和鋼岔管兩種結構型式，詳見專題報告之八《高壓岔管型式研究報告》。推薦采用內加強月牙肋鋼岔管。從輸水系統總體布置（見圖4）來看,岔管采用非對稱Y型是比較順暢的。在岔管體形設計時，初步選用不對稱Y形岔管。岔管主管兩支管軸線夾角為50°，設計內水壓力為10.15Mpa，為減少岔管不對稱性，在主錐前通過兩節園錐過渡，將分岔角增大到72°。通過采用三維有限元進行優化，岔管主體最大壁厚為82mm，肋板最大厚度為180mm。在鈍角區和肋板存在明顯側向彎曲。為改善受力狀態，減少鋼板厚度，對岔管布置進行調整，采用對稱Y形布置形式，經多方案優化后，確定岔管主體最大壁厚為68mm，肋板最大厚度為150mm，兩個岔管布置方案應力水平相當，而鋼板厚度卻大大減薄。減少了制造安裝難度。

7輸水系統結構設計

7.1高壓管道結構設計

壓力管道為地下埋藏式，最大PD=3500m2以上。按鋼襯、砼、圍巖三者聯合受力設計，考慮三者之間存在初始縫隙，并假定外圍砼只傳遞徑向荷載，砼厚度均為57cm。根據《水電站壓力鋼管設計規范》（SDJ144-85）和參考已建抽水蓄能電站經驗進行壓力鋼管設計。

8推薦方案輸水系統布置

輸水系統由上水庫進/出水口、上游閘門井、高壓管道、尾水隧洞和下水庫進/出水口等組成。詳見圖4、圖5。輸水系統總長為1811.15m～1859.28m。上水庫采用井式進/出水口，下水庫為岸邊式進/出水口。壓力管道為2條，平行布置，斜向進廠，與廠房縱軸線夾角為65°。上平段井式進/出口彎段下游側至閘門井上游漸變段范圍，采用后張法無粘結預應力混凝土襯砌。襯砌段長度為197.3m，內徑為4.7m。高壓管道采用斜井布置，上斜井傾角56°,下斜井傾角60°，主管直徑為4.7m～3.5m，最大斷面平均流速為11.62m/s。高壓管道采用鋼板襯砌，鋼襯最大厚度為57mm（HT-80），外圍混凝土厚度為60cm。在距廠房中心線54m左右，布置高壓岔管,岔管采用內加強月牙肋岔管,岔管突破傳統的明管設計方法，采用圍巖分擔內水壓力設計，鋼岔管主體最大鋼板厚度為56mm，肋板厚度120mm。岔管將2條高壓管道分成4條高壓支管，高壓支管內徑為2.5m,采用鋼板襯砌，鋼襯最大厚度為45mm,鋼襯外圍混凝土厚度為60cm。