&

導(dǎo)語：抽水蓄能電站輸水設(shè)計(jì)管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

抽水蓄能電站輸水設(shè)計(jì)管理論文

西龍池抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)最大PD達(dá)到3550m2以上，規(guī)模比較大，位于世界前列。在輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分結(jié)合工程地質(zhì)條件，在借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，從線路選擇、電站開發(fā)方式比較、供水方式、襯砌型式選擇、經(jīng)濟(jì)管徑確定到水力計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等都進(jìn)行了較充分論證。

1.輸水系統(tǒng)布置方案選擇

1.1地形、地質(zhì)條件

輸水系統(tǒng)沿線地形陡緩相間，沖溝較發(fā)育，高差大，基本無全風(fēng)化帶，風(fēng)化裂隙較發(fā)育。輸水系統(tǒng)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(zhǎng)山組（∈3c）、崮山組（∈3g）、中寒武系張夏組（∈2Z）的地層。巖性為灰?guī)r、白云巖、頁巖、砂巖等，平均飽和抗壓強(qiáng)度為92.8～128.2MPa，根據(jù)《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(gòu)造發(fā)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(bǔ)給。∈2Z2、∈3c1、O1L2－1、O2x1、O2s1-1組巖層為區(qū)域性巖溶作用的相對(duì)隔水層，巖溶相對(duì)發(fā)育，其間為相對(duì)含水層，相對(duì)隔水層與相對(duì)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(qū)及輸水系統(tǒng)位于區(qū)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(tǒng)圍巖滲透條件比較好。

輸水系統(tǒng)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(qū)發(fā)育的主要構(gòu)造有F112、F114、F118、F116、fp21、fp27、fp30等斷層和P5張性斷裂帶等，構(gòu)造發(fā)育的主要方向?yàn)镹E30～NE60°。輸水系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育有4組裂隙，產(chǎn)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(fā)育。

1.2輸水線路的選擇

在進(jìn)行輸水系統(tǒng)線路選擇時(shí)應(yīng)盡可能布置成最短的直線，綜合考慮地形、地質(zhì)、樞紐布置等條件選擇了3條線路布置方案進(jìn)行比較，即東線、直線和西線三個(gè)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(shí)，管線走向?yàn)镹E50°左右，與站址區(qū)主要構(gòu)造線走向、區(qū)內(nèi)最為發(fā)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?guī)r層層面與陡傾的構(gòu)造、裂隙和開挖臨空面很容易形成不穩(wěn)定塊體，對(duì)圍巖穩(wěn)定非常不利。所以對(duì)直線方案不做重點(diǎn)比較。

工程區(qū)大小沖溝較發(fā)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(tǒng)線路，對(duì)東線和西線兩個(gè)方案進(jìn)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(tǒng)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?yàn)镹E20°～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(fā)育的第1和第2組主要裂隙基本平行，圍巖穩(wěn)定問題比較突出。

輸水系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)Tw=2.0s左右，在立面布置上，可不設(shè)置調(diào)壓井，但增加了高壓管道長(zhǎng)度，經(jīng)過比較,設(shè)置上游調(diào)壓井方案比不設(shè)調(diào)壓井方案可節(jié)省投資1140.5萬元，所以重點(diǎn)以設(shè)置調(diào)壓井方案與東線方案進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(gòu)造夾角皆大于30°，與工程區(qū)發(fā)育的裂隙夾角較大，圍巖穩(wěn)定條件較好。輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)為1811.15m，Tw=2.0s左右，不需設(shè)置調(diào)壓井。投資與與西線方案相當(dāng)。

經(jīng)棕合比較后，東線方案圍巖穩(wěn)定條件比較好，工程布置簡(jiǎn)單，投資與西線方案相當(dāng)，所以推薦東線方案線路布置。

1.3電站開發(fā)方式選擇

在輸水系統(tǒng)線路確定后，對(duì)電站開發(fā)方式進(jìn)行綜合比較。根據(jù)本電站的特點(diǎn)即上、下水庫距離比較短，電站設(shè)計(jì)水頭較高，輸水系統(tǒng)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?jī)煞N電站開發(fā)方式進(jìn)行了綜合比較。

(1)工程布置

首部布置方案輸水系統(tǒng)是由上水庫進(jìn)/出水口、高壓管道、尾水調(diào)壓井、尾水隧洞和下水庫進(jìn)/出水口組成。輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)為L(zhǎng)=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(zhǎng)度，需增設(shè)尾水調(diào)壓井。地下廠房可以布置在地質(zhì)條件相對(duì)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(fēng)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(zhǎng)度增加。

尾部方案輸水系統(tǒng)由上水庫進(jìn)/出水口、高壓管道、尾水隧洞、下水庫進(jìn)/出水口等組成。輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)為1859.28m，詳見圖5。高壓管道比較長(zhǎng)，地下廠房布置在地質(zhì)條件相對(duì)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(shè)調(diào)壓井。

(2)工期

首部方案與尾部方案施工組織設(shè)計(jì)基本相同，不會(huì)因廠房位置而改變工程的關(guān)鍵線路,也就是說2個(gè)方案總工期相同。因首部方案增設(shè)尾水調(diào)壓井，導(dǎo)致施工支洞和通風(fēng)洞長(zhǎng)度的增加,使地下廠房施工工期比尾部方案增加3～5個(gè)月,地下廠房系統(tǒng)需提前安排施工。

(3)工程造價(jià)

首部、尾部方案輸水系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)工程靜態(tài)投資分別為：68848.17、61883.86萬元，動(dòng)態(tài)投資為95203.24萬元、85076.23萬元。首部方案與尾部方案相比，靜態(tài)投資增加6964.31萬元,動(dòng)態(tài)投資10127.01萬元。

首部和尾部開發(fā)方式綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1。

表1電站開發(fā)方式比較表

方案

首部方案

尾部方案

工

程

特

性

輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)

2123.77

1859．28

高壓管道長(zhǎng)度

1188.11

1424．62

發(fā)電工況水頭損失

18.045

20.152

是否設(shè)置調(diào)壓井

需設(shè)尾水調(diào)壓井,尾水事故閘門室與尾水調(diào)壓井結(jié)合。

否

輸水及地下廠房系統(tǒng)主要工程量

洞挖

萬m3

77.58

58.29

砼

萬m3

23.22

20.80

鋼筋

11333

10471

鋼襯

9062

10064

廠房預(yù)應(yīng)力錨索

根

918

1182

水道預(yù)應(yīng)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(zhǎng)3-5個(gè)月,總工期相同

靜態(tài)投資

萬元

68848.17

61883.86

動(dòng)態(tài)投資

萬元

95203.24

85076.23

主要優(yōu)缺點(diǎn)

1.廠房圍巖地質(zhì)條件相對(duì)較好。

2.高壓管道較短。

3.需增設(shè)尾水調(diào)壓井和尾水事故閘門。

4.各附屬洞室及高壓出線電纜較長(zhǎng)。

5.總工期相同,但廠房工期增長(zhǎng)。

6.投資較大,靜態(tài)比尾部方案多6964.31萬元，動(dòng)態(tài)多10127.01萬元。

1.廠房圍巖地質(zhì)條件相對(duì)較差。

2.高壓管道較長(zhǎng)。

3.不需設(shè)置調(diào)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(zhì)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(yōu)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(chǔ)上，對(duì)一管四機(jī)、一管二機(jī)、一管一機(jī)3個(gè)方案進(jìn)行比較。

一管四機(jī)方案的投資最少，但管徑大，輸水系統(tǒng)最大PD＝5360m2，鋼管最大厚度達(dá)83mm（HT-80,）。已超過世界最高水平，無論從加工制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝都是很困難的。技術(shù)可行性比較差，另外，電站運(yùn)行靈活性差，也不利于提前發(fā)電；一管一機(jī)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(shè)岔管，運(yùn)行靈活，但工程量大，工程造價(jià)高，較一管兩機(jī)方案投資增加6596.6萬元；一管兩機(jī)方案最大PD＝3800m2左右，鋼襯厚度為40～60mm。類比國(guó)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(dá)到62～64mm。所以無論從制造加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件來說，一管兩機(jī)方案在技術(shù)上是可行的；較一管一機(jī)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(jī)方案。

1.4.2尾水隧洞數(shù)量比較

電站采用尾部開發(fā)方式，尾水隧洞較短，不需設(shè)尾水調(diào)壓井。尾水隧洞比較了一機(jī)一洞、兩機(jī)一洞、四機(jī)一洞三個(gè)方案。一機(jī)一洞方案不需另設(shè)尾水事故閘門，及尾水岔管，工程量小和投資最少，布置簡(jiǎn)單，運(yùn)行靈活。故選用一機(jī)一洞布置方式。

1.5豎井、斜井方案比較

相應(yīng)于選定的尾部開發(fā)方式，輸水系統(tǒng)在立面布置上受P5和F112等不利地質(zhì)構(gòu)造的控制，為將P5和F112等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)輸水系統(tǒng)圍巖穩(wěn)定的影響減少至最小，對(duì)上豎井下斜井、上斜井下豎井、斜井、豎井4個(gè)布置方案進(jìn)行了綜合比較。比較結(jié)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(tǒng)總長(zhǎng)(m)

2023.68

1952.21

1859.28

2121.07

高壓管道長(zhǎng)度(m)

1589.02

1517.55

1424.62

1686.41

慣性時(shí)間常數(shù)Tw(s)

2.30

2.15

2.07

2.40

3#機(jī)組引水系統(tǒng)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(yōu)

缺

點(diǎn)

比

較

地

質(zhì)

條

件

P5和F112在下平段與高壓管道相交，圍巖穩(wěn)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(wěn)定條件較差.

P5可能與中下平段相交，圍巖穩(wěn)定條件較好，F(xiàn)112與下斜井大角度相交，對(duì)圍巖穩(wěn)定影響不大。

P5和F112在下平段與高壓管道相交，圍巖穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(fèi)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(zhì)和施工條件都比較好，但工程量與投資比較大。慣性時(shí)間常數(shù)也較大。

雖然工程量比較小，但下豎井難于避開F112。圍巖穩(wěn)定條件較

差。

工程量與投資最少，P5與中平段相交，圍巖穩(wěn)定條件較好。慣性時(shí)間常數(shù)最小。

，但工程量與投資最大。慣性時(shí)雖然圍巖穩(wěn)定條件較好間常數(shù)也最大。

斜井方案明顯優(yōu)于其它3個(gè)方案。P5、F112等構(gòu)造對(duì)輸水系統(tǒng)圍巖穩(wěn)定的影響相對(duì)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(shí)間常數(shù)最小，電站運(yùn)行穩(wěn)定性較好,所以設(shè)計(jì)推薦斜井方案。

2輸水系統(tǒng)襯砌型式選擇

通過供水方式綜合比較，確定引水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)的供水方式，高壓管道最大PD值高達(dá)3500m2以上。輸水系統(tǒng)襯砌型式的確定對(duì)其造價(jià)有著舉足輕重的影響。對(duì)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(yù)應(yīng)力砼襯砌、鋼板襯砌等。

2.1砼襯砌方案的布置與設(shè)計(jì)

從經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)的，但是砼襯砌對(duì)圍巖的地質(zhì)條件要求比較高，要想使砼襯砌可行，必須同時(shí)滿足應(yīng)力條件和滲透條件。砼襯砌方案的布置詳見圖3。

2.1.1應(yīng)力條件

應(yīng)力條件是指沿管線各點(diǎn)的最大靜水壓力要小于圍巖的最小主壓應(yīng)力。為便于確定管線的布置，首先根據(jù)挪威準(zhǔn)則初步驗(yàn)算覆蓋層的厚度，再根據(jù)地應(yīng)力資料最終確定輸水系統(tǒng)管線布置。

對(duì)輸水系統(tǒng)各控制點(diǎn)覆蓋層厚度分別進(jìn)行計(jì)算，除部分高壓支管外，其它部位均能夠滿足挪威準(zhǔn)則的要求。

為了解輸水系統(tǒng)壓力管道范圍內(nèi)的地應(yīng)力情況，對(duì)輸水系統(tǒng)上平段ZK97-27、中平段位置ZK97-26、下平段附近的ZK97-21等鉆孔進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試。高壓管道埋藏較深的部分，最小主壓應(yīng)力皆大于內(nèi)水壓力靜水頭，是能夠滿足應(yīng)力條件的。通過三維地應(yīng)力場(chǎng)回歸結(jié)果可知，岔管部位的最小主壓應(yīng)力為9.0MPa左右，大于內(nèi)水壓力靜水頭，也能滿足應(yīng)力條件。從地形、地質(zhì)條件來講，具備了采用鋼筋砼襯砌條件，而高壓支管部分，經(jīng)過P5張性斷裂帶、F112、fp38等地質(zhì)構(gòu)造，且不能滿足應(yīng)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(tǒng)滲漏量應(yīng)在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。本工程上、下水庫皆為人工庫，無天然徑流補(bǔ)給，且下水庫為懸?guī)欤哂阡镢哟?80m左右，補(bǔ)水費(fèi)用比較高。鑒于本工程特點(diǎn)，對(duì)滲漏條件要求比較高。

輸水系統(tǒng)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(duì)比較發(fā)育，屬中等透水～弱透水，占高壓管道砼襯砌段長(zhǎng)度的77%左右，滲透系數(shù)為0.8×10-5～1.2×10-5cm/s。尾水隧洞及高壓管道下平段，發(fā)育有P5、F112、fp38、fp28、fp30、F207、fp11、fp13、F118、F114、F116、F209等地質(zhì)構(gòu)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(bǔ)給。工程區(qū)O2S1-1、O2X1、O1L2—1、∈3C1、∈2Z2為相對(duì)隔水層，其間為相對(duì)含水層，在含水層底部存在少量上層滯水。由于輸水系統(tǒng)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(nèi)各鉆孔水位長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)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(tǒng)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(tǒng)鋼筋砼襯砌采用限裂設(shè)計(jì)，最大裂縫開展寬度為0.2mm。

(1)鋼筋砼襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼筋、砼、圍巖的變形協(xié)調(diào)條件，計(jì)算圍巖、鋼筋砼承擔(dān)內(nèi)水壓力的比例，其中鋼筋砼承擔(dān)的內(nèi)水壓力按限裂設(shè)計(jì)，不足部分通過高壓灌漿使襯砌產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力來承擔(dān)。鋼筋砼襯砌計(jì)算結(jié)果見表3。輸水系統(tǒng)鋼筋砼襯砌采用限裂設(shè)計(jì)，最大灌漿壓力為9.8MPa。目前我國(guó)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(yù)應(yīng)力砼管，最大灌漿壓力為8.0MPa,因此從結(jié)構(gòu)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(jì)算結(jié)果

部位

(m)

P(MPa)

E(MPa)

(MPa)

Pg(MPa)

(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(tǒng)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(jìn)行估算。輸水系統(tǒng)沿線各段滲漏量估算結(jié)果見表4。從計(jì)算結(jié)果來看，整個(gè)輸水系統(tǒng)滲漏量為6.064m3/s,單位管道長(zhǎng)度平均滲漏流量為4.04×10-3m3/s.m。與站址選擇補(bǔ)充報(bào)告中羊老蹄—李家莊方案輸水系統(tǒng)三維有限元滲流計(jì)算結(jié)果（整個(gè)輸水系統(tǒng)滲漏流量為10.484m3/s,單位管道長(zhǎng)度平均滲漏流量為4.5×10-3m3/s.m）相當(dāng)，說明滲漏量估算結(jié)果是基本可信的。

表4輸水系統(tǒng)滲漏量估算結(jié)果

部位

圍巖

滲透系數(shù)KR

10-6m/s

內(nèi)徑D

砼襯砌

厚度

各管段

長(zhǎng)度L

單位管長(zhǎng)

滲流量QC

m3/s.m

各段滲

漏流量

m3/s

上平段

4.7

0.6

318.12

0.000745

0.237×2

上豎井O2S1O2X2

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

4.7

0.6

165.07

0.00297

0.490×2

中平段

4.7

0.6

92.98

0.00331

0.308×2

下斜井

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(jì)

6.064

整個(gè)輸水系統(tǒng)的滲漏流量是很大的，既使內(nèi)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(gè)輸水系統(tǒng)每天滲漏量可達(dá)52萬m3，占調(diào)節(jié)庫容的12%,鋼筋砼襯砌難以滿足滲漏條件，應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力砼或鋼板等無滲漏襯砌型式。

2.2預(yù)應(yīng)力砼襯砌

根據(jù)預(yù)應(yīng)力的施加方法，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力的高壓灌漿法預(yù)應(yīng)力砼襯砌；二是通過張拉預(yù)應(yīng)力筋來實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的后張法預(yù)應(yīng)力砼襯砌，也稱環(huán)形錨索預(yù)應(yīng)力砼襯砌。

2.2.1高壓灌漿法預(yù)應(yīng)力砼襯砌

高壓灌漿法預(yù)應(yīng)力砼襯砌，能夠利用圍巖約束，充分發(fā)揮圍巖的彈性抗力，利用高壓灌漿在砼襯砌上產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力來抵消由內(nèi)水壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使襯砌結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)或拉應(yīng)力不大于砼抗拉強(qiáng)度的狀態(tài)。是一種比較經(jīng)濟(jì)的襯砌型式，但對(duì)圍巖條件要求比較高。

高壓灌漿法預(yù)應(yīng)力砼襯砌計(jì)算結(jié)果見表5，通過計(jì)算可知，既使壓力不太高的中平段，所需灌漿壓力達(dá)11.72MPa，灌漿壓力作用下，砼襯砌的壓應(yīng)力為51.3MPa，既使C60砼也不能滿足強(qiáng)度要求。

表5高壓灌漿法預(yù)應(yīng)力砼襯砌灌漿壓力計(jì)算成果

項(xiàng)目

單位

計(jì)算位置

引水隧洞

中平段

尾水隧洞

圍巖單位彈性抗力系數(shù)K0

kN/cm3

2.5

2.8

1.0

設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力P

MPa

1.18

6.45

1.16

洞徑D

4.7

4.3

襯砌厚度

0.6

灌漿壓力q0/設(shè)計(jì)內(nèi)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(yīng)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(guī)模灌漿所實(shí)現(xiàn)的壓力為8～9MPa，11.72MPa以上的灌漿壓力實(shí)現(xiàn)難度比較大，所以整個(gè)輸水系統(tǒng)采用高壓灌漿法預(yù)應(yīng)力砼襯砌實(shí)現(xiàn)難度比較大，只有根據(jù)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(shè)計(jì)內(nèi)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(fā)育，高壓灌漿難度比較大；尾水隧洞位于張夏組地層中，構(gòu)造比較發(fā)育，圍巖分類為Ⅲb類，構(gòu)造發(fā)育部位為Ⅳ～Ⅴ類，圍巖條件較差，且洞間距不大，所以對(duì)于上平段及尾水隧洞，也不推薦高壓灌漿法預(yù)應(yīng)力砼襯砌型式。

2.2.2環(huán)錨預(yù)應(yīng)力砼襯砌

環(huán)錨預(yù)應(yīng)力砼襯砌由于受錨具布置所限，能實(shí)現(xiàn)PD值不高，一般在1600m2以下，而本工程最大PD=3500m2以上，整個(gè)輸水系統(tǒng)采用環(huán)錨預(yù)應(yīng)力砼襯砌是難以實(shí)現(xiàn)的，只有PD值不高的部位可考慮。

環(huán)錨預(yù)應(yīng)力砼襯砌是通過張拉預(yù)應(yīng)力錨索來實(shí)現(xiàn)，內(nèi)水壓力基本由預(yù)應(yīng)力錨索承擔(dān)，對(duì)圍巖條件要求比較低。上平段和尾水隧洞PD=510m2左右，據(jù)國(guó)內(nèi)小浪底無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌及隔河巖有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌工程經(jīng)驗(yàn),預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌投資比鋼板襯砌方案可節(jié)約30%左右。國(guó)外高壓管道工程實(shí)踐也證明了預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌比鋼板襯砌方案可節(jié)省10%～30%的造價(jià)；經(jīng)工程類比認(rèn)為在此內(nèi)水壓力條件下進(jìn)行后張預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌是可行的。從我國(guó)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(guó)在設(shè)計(jì)、施工與材料方面均具備采用環(huán)錨預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土襯砌的條件。技施階段，考慮環(huán)錨襯砌施工工藝較復(fù)雜，而且需進(jìn)行必要的試驗(yàn)，通過補(bǔ)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(duì)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(jié)構(gòu)是按鋼襯—外圍砼—圍巖聯(lián)合作用，共同承擔(dān)內(nèi)水壓力來設(shè)計(jì)。

通過過渡過程計(jì)算，壓力管道末端的最大水擊壓力為944.47m水頭。最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為10.15MPa高壓管道最大PD=3553m2。經(jīng)過計(jì)算，高壓管道最大鋼襯厚度為57mm（HT-80）。從國(guó)外工程實(shí)例可以看出，鋼襯厚度大于57mm的工程實(shí)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(guó)已建的十三陵抽水蓄能電站高壓管道，已有較大規(guī)模采用80級(jí)鋼材的經(jīng)驗(yàn)，因此高壓管道采用鋼襯方案技術(shù)上是可行的。

2.4襯砌型式比較結(jié)論

(1)由于輸水系統(tǒng)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(jié)構(gòu)上是基本可行的，但滲漏比較嚴(yán)重。因此無論是從電能損失還是從運(yùn)行期水量補(bǔ)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(tǒng)全部采用高壓灌漿法預(yù)應(yīng)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(dá)11.72MPa，目前大規(guī)模灌漿所實(shí)現(xiàn)的壓力一般最大為8～9MPa，整個(gè)輸水系統(tǒng)采用高壓灌漿法預(yù)應(yīng)力砼襯砌實(shí)現(xiàn)難度比較大；且在灌漿壓力作用下，砼襯砌的強(qiáng)度也難以滿足要求。上平段及尾水隧洞設(shè)計(jì)內(nèi)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(fā)育，高壓灌漿難度比較大；同時(shí)尾水隧洞圍巖構(gòu)造比較發(fā)育，圍巖條件較差，且洞間距不大，所以對(duì)于上平段及尾水隧洞，也不推薦高壓灌漿法預(yù)應(yīng)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(guó)外工程實(shí)例和我國(guó)設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)來看，這種規(guī)模的高壓鋼管技術(shù)上是可行的。

3經(jīng)濟(jì)管徑比較

根據(jù)輸水系統(tǒng)的具體情況，整個(gè)輸水系統(tǒng)大至分為三段，即上斜井、下斜井和尾水隧洞。對(duì)上述各管段分別擬定三個(gè)管徑方案，共組合成27個(gè)方案，采用費(fèi)用現(xiàn)值最小法進(jìn)行比較。從能量損失和電站運(yùn)行穩(wěn)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(yōu)方案。

由于高壓管道的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、制造難度，在上述確定的輸水系統(tǒng)管徑方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)下斜井的洞徑又作了進(jìn)一步優(yōu)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(jīng)對(duì)此方案經(jīng)濟(jì)分析與方案6相比，其費(fèi)用現(xiàn)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(yōu)。

最終確定輸水系統(tǒng)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(jì)算

輸水系統(tǒng)水力計(jì)算主要包括水頭損失和水力過渡過程分析兩部分。計(jì)算的主要目的是預(yù)測(cè)整個(gè)輸水系統(tǒng)發(fā)電、抽水工況的能量損失，過渡工況機(jī)組轉(zhuǎn)速變化和輸水系統(tǒng)壓力變化及其極值，選定導(dǎo)水機(jī)構(gòu)合理調(diào)節(jié)時(shí)間和啟閉規(guī)律，使輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)組參數(shù)的確定做到經(jīng)濟(jì)合理。

4.1水頭損失計(jì)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(jì)算結(jié)果見表6。

表6輸水系統(tǒng)水頭損失計(jì)算結(jié)果

工況

1#輸水系統(tǒng)

2#輸水系統(tǒng)

雙機(jī)發(fā)電

雙機(jī)抽水

雙機(jī)發(fā)電

雙機(jī)抽水

水頭損失計(jì)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(tái)機(jī)組的相應(yīng)引用流量。

4.2水力過渡過程計(jì)算

由于抽水蓄能電站具有一機(jī)多用，工況轉(zhuǎn)換頻繁的特點(diǎn)，復(fù)雜多變的工況轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的瞬變水力過程，因水體慣性的存在及系統(tǒng)中的能量不平衡，將造成輸水系統(tǒng)內(nèi)水壓力急劇上升或下降和機(jī)組轉(zhuǎn)速的急劇上升。為使輸水系統(tǒng)的壓力上升和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升保持在經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)，選定導(dǎo)水機(jī)構(gòu)合理調(diào)節(jié)時(shí)間和啟閉規(guī)律，因此本階段委托清華大學(xué)進(jìn)行各工況的水力過渡過程計(jì)算。計(jì)算成果如下:

（1）輸水系統(tǒng)最大水擊壓力為944.47m水頭，發(fā)生在機(jī)組蝸殼進(jìn)口管道中心線處。壓力升高值為201.11m水頭，相對(duì)升高為27.1%。高壓管道上彎點(diǎn)中心線最小壓力為11.81m水頭，上彎點(diǎn)頂部的最小水頭為9.46m，大于規(guī)范規(guī)定的不小于2.0m正壓的要求。輸水系統(tǒng)的最小水擊壓力為6.86m水頭，發(fā)生在下水庫進(jìn)/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(guī)范規(guī)定的不小于2.0m正壓的要求。

(3)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速為706.5rpm，最大轉(zhuǎn)速上升率為41.3%。

(4)通過小波動(dòng)穩(wěn)定分析可知，在小負(fù)荷變化情況下，輸水系統(tǒng)的過渡過程也是穩(wěn)定的。

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

5進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)

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(wěn)定條件，結(jié)合總體布置，上水庫進(jìn)/出水口采用井式。

為了對(duì)上水庫進(jìn)/出水口的設(shè)計(jì)體形的合理性進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，委托天津大學(xué)水利工程科學(xué)研究所對(duì)上水庫進(jìn)/出水口進(jìn)行1:39.17的水工模型試驗(yàn)，試驗(yàn)成果表明：上水庫進(jìn)/出水口在發(fā)電和抽水工況下，進(jìn)/出水時(shí)的庫水位均較平穩(wěn)，未出現(xiàn)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(jìn)/出水口水力學(xué)的要求。但是，經(jīng)多次修改模型試驗(yàn)，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(jìn)一步試驗(yàn)研究。

下水庫對(duì)側(cè)式和塔式進(jìn)/出水口進(jìn)行綜合比較后，推薦側(cè)式進(jìn)/出水口。

6岔管設(shè)計(jì)

本階段比較了鋼筋混凝土岔管和鋼岔管兩種結(jié)構(gòu)型式，詳見專題報(bào)告之八《高壓岔管型式研究報(bào)告》。推薦采用內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管。從輸水系統(tǒng)總體布置（見圖4）來看,岔管采用非對(duì)稱Y型是比較順暢的。在岔管體形設(shè)計(jì)時(shí)，初步選用不對(duì)稱Y形岔管。岔管主管兩支管軸線夾角為50°，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為10.15Mpa，為減少岔管不對(duì)稱性，在主錐前通過兩節(jié)園錐過渡，將分岔角增大到72°。通過采用三維有限元進(jìn)行優(yōu)化，岔管主體最大壁厚為82mm，肋板最大厚度為180mm。在鈍角區(qū)和肋板存在明顯側(cè)向彎曲。為改善受力狀態(tài)，減少鋼板厚度，對(duì)岔管布置進(jìn)行調(diào)整，采用對(duì)稱Y形布置形式，經(jīng)多方案優(yōu)化后，確定岔管主體最大壁厚為68mm，肋板最大厚度為150mm，兩個(gè)岔管布置方案應(yīng)力水平相當(dāng)，而鋼板厚度卻大大減薄。減少了制造安裝難度。

7輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

7.1高壓管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(lián)合受力設(shè)計(jì)，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(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SDJ144-85）和參考已建抽水蓄能電站經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行壓力鋼管設(shè)計(jì)。

8推薦方案輸水系統(tǒng)布置

輸水系統(tǒng)由上水庫進(jìn)/出水口、上游閘門井、高壓管道、尾水隧洞和下水庫進(jìn)/出水口等組成。詳見圖4、圖5。輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)為1811.15m～1859.28m。上水庫采用井式進(jìn)/出水口，下水庫為岸邊式進(jìn)/出水口。壓力管道為2條，平行布置，斜向進(jìn)廠，與廠房縱軸線夾角為65°。上平段井式進(jìn)/出口彎段下游側(cè)至閘門井上游漸變段范圍，采用后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。襯砌段長(zhǎng)度為197.3m，內(nèi)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(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管,岔管突破傳統(tǒng)的明管設(shè)計(jì)方法，采用圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)，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(nèi)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。

抽水蓄能電站輸水設(shè)計(jì)管理論文

熱門標(biāo)簽

相關(guān)文章