豐寧抽水蓄能電站下水庫進(jìn)出水口布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張一鳴，王君芳，張翠花

（1.北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 朝陽 100024；2.濮陽弘東建設(shè)工程有限公司，河南 濮陽 457000）

0 引言

國家能源局印發(fā)的《2021年能源工作指導(dǎo)意見》標(biāo)志著中國抽水蓄能電站建設(shè)步入“快車道”?！兑庖姟分兄赋?，開展全國新一輪抽水蓄能中長期規(guī)劃，加快長龍山、荒溝等抽水蓄能電站建成投產(chǎn)，推進(jìn)泰順、奉新等抽水蓄能電站核準(zhǔn)開工建設(shè)。抽水蓄能電站以水為載體，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)發(fā)電，在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)，利用系統(tǒng)富余電能抽水，具有火電站和核電站不具備的調(diào)峰和填谷雙重作用。

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，南距北京市180 km，東南距承德市150 km。豐寧抽水蓄能電站總裝機(jī)容量3 600 MW，分兩期開發(fā)，一期裝機(jī)容量1 800 MW，設(shè)6 臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸、單級(jí)、混流可逆式水泵水輪機(jī)組，電站采用地下廠房，為中部布置方式，供水方式為引水、尾水均采用一洞兩機(jī)的布置形式。

豐寧抽水蓄能電站為大（1）型Ⅰ等工程，主要建筑物為1級(jí)建筑物。樞紐工程主要建筑物由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)及開關(guān)站等部分組成。

2 下水庫進(jìn)/出水口布置

進(jìn)/出水口作為水道線路的重要組成部分，是水道線路的起點(diǎn)和終點(diǎn)。水道線路的布置宜順暢，線路短，且在地質(zhì)條件好的地方。進(jìn)/出水口亦應(yīng)滿足水力學(xué)要求，使邊界條件對(duì)稱，水流進(jìn)出順暢，避免產(chǎn)生較大的環(huán)流；進(jìn)/出水口位置選擇在河道凹岸，有利于防淤和防污；進(jìn)/出水口布置盡量使軸線與等高線垂直，盡量使開挖量少，這樣能有效減少投資。結(jié)合工程的實(shí)際地形地質(zhì)條件，豐寧下水庫進(jìn)/出水口在下水庫2 個(gè)溝交匯處的溝谷內(nèi)，地勢(shì)較緩利于施工布置。在距下水庫大壩約2.50 km的河道凹岸，軸線方位角為NE90°。

豐寧抽水蓄能電站下水庫進(jìn)/出水口沿抽水水流方向依次為：防渦梁段、調(diào)整段、擴(kuò)散段，全長為63.15 m，漸變段和閘門井段長度45.80 m。

防渦梁段長10.15 m，調(diào)整段長15 m，頂板高程1 037.50 m，底板高程1 026 m，水平布置。每個(gè)進(jìn)/出水口設(shè)3 個(gè)分流墩，將進(jìn)/出水口分成4 孔，孔口尺寸為5 m×10 m（寬×高），分流墩寬度為中間1.40 m，兩側(cè)1.50 m。防渦梁段分流墩墩頭迎水面為圓弧曲線，分流墩另一側(cè)即擴(kuò)散段分流墩的墩頭設(shè)置尖頭的鋼板，保護(hù)混凝土，防止水流沖刷造成混凝土墩頭缺損。調(diào)整段頂板、底板均厚1.50 m。調(diào)整段與防渦梁段結(jié)合為一體，在二者結(jié)合處設(shè)置4 扇一字排列的攔污柵，平均過柵流速1.01 m/s。

擴(kuò)散段長38 m，平面為雙向?qū)ΨQ擴(kuò)散，總擴(kuò)散角25.50°，立面為單向擴(kuò)散，頂板擴(kuò)散角4.51°。擴(kuò)散段起點(diǎn)為4 個(gè)孔，每個(gè)孔凈空尺寸5 m×10 m（寬×高），末端凈空尺寸為7 m×7 m（寬×高），邊墩、頂板、底板、分流墩尺寸同調(diào)整段。每個(gè)擴(kuò)散段內(nèi)由3 個(gè)分流墩分成4 個(gè)流道，每個(gè)流道的擴(kuò)散角均＜7°。

漸變段位于洞臉邊坡進(jìn)洞的地下，由于擴(kuò)散段與尾水檢修閘門井較近，到井座邊僅23.40 m，因此漸變段設(shè)計(jì)成7 m×7 m（寬×高）方形漸變?yōu)?.50 m×7 m（寬×高）方形。減少了設(shè)計(jì)成中間圓形隧洞造成方形和圓形斷面之間的頻繁變換。

進(jìn)/出水口水頭損失主要是局部水頭損失，與擴(kuò)散段水平和豎直擴(kuò)散角、淹沒水深、孔口尺寸、來流的流量、流速和均衡度等因素有關(guān)。豐寧下水庫進(jìn)/出水口從防渦梁段、調(diào)整段、擴(kuò)散段、漸變段、隧洞段到閘門井段水頭損失系數(shù)發(fā)電工況為0.44，抽水工況為0.34。攔污柵的局部水頭損失為2.42。

3 下水庫進(jìn)/出水口體型的確定

3.1 攔污柵孔口尺寸

根據(jù)《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5398）規(guī)定，抽水蓄能電站過柵流速控制在0.80～1.00 m/s，不宜＞1.20 m/s。

液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法簡(jiǎn)稱LC-MS，是具有很高的分離能力和定性鑒別能力的技術(shù)，在檢測(cè)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜樣品的快速、高效分離。在LC-MS檢測(cè)苯并芘的研究方面，劉玉蘭等[21]用此方法對(duì)食用油中苯并芘的含量進(jìn)行檢測(cè)，定量時(shí)采用內(nèi)標(biāo)法對(duì)樣品的量進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)樣品進(jìn)行分析得出苯并芘的檢測(cè)限為0.2～30μg/L，檢出限是0.1μg/L。該檢測(cè)方法主要適用于樣品的精確檢測(cè)，但是由于費(fèi)時(shí)比較長，對(duì)檢測(cè)人員的要求比較高，當(dāng)需要對(duì)大批量的樣品進(jìn)行快速檢測(cè)時(shí)，此方法并不適用。

過柵流速預(yù)取值0.80 m/s，單機(jī)額定流量由水力機(jī)械專業(yè)提供，為80.70 m3/s，輸水系統(tǒng)為一洞兩機(jī)，則每個(gè)進(jìn)/出水口對(duì)應(yīng)兩臺(tái)機(jī)組的流量，初擬攔污柵孔口面積為201.75 m2。

該側(cè)式進(jìn)/出水口各有4 個(gè)孔，每個(gè)攔污柵孔面積S= S進(jìn)口/4=50.44 m2。根據(jù)引水隧洞擬定的直徑7 m，孔高取約1.50 倍洞徑，孔高h(yuǎn) =1.50×7 m=10.50 m，實(shí)際取h=10 m。孔寬b=S進(jìn)口/4 h=5.04 m，實(shí)際取b=5 m。攔污柵高寬比h/b=2 在規(guī)范要求的1.50～2.00 范圍內(nèi)。至此確定進(jìn)/出水口孔口尺寸4 個(gè)孔，每個(gè)孔5 m×10 m?？卓诹魉賄=Q/S=80.7×2/（4×5×10）=0.81 m/s。

實(shí)際過柵流速為流量除以扣除攔污柵面積后的凈面積。據(jù)其他工程類比，攔污柵面積按20% 孔口面積考慮。故V'=Q/S'=V/0.80=1.01 m/s，＜1.20 m/s，滿足要求。故選定攔污柵的孔口尺寸為：（4～5）m×10 m。

3.2 最小淹沒深度計(jì)算

根據(jù)《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5398規(guī)定，有壓式進(jìn)水口底板高程，考慮防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，最小淹沒水深一般采用戈登公式確定：

式（1）中：S—進(jìn)水口淹沒水深（m）；C—與進(jìn)水口幾何形狀有關(guān)的系數(shù)，進(jìn)水口設(shè)計(jì)良好和水流對(duì)稱取C=0.55，側(cè)向水流取C=0.73，綜合考慮取系數(shù)C=0.73；V—閘孔斷面流速（m/s）；D1—閘孔的高度（m），一般取管道的直徑。

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，滿足規(guī)范要求。

最小淹沒深度應(yīng)符合條件：ΔD=S－D0＞0.50D1（2）

進(jìn)/出水口頂板下緣至擴(kuò)散段窄口處頂板下緣的高度D0=10m-7m=3 m，因此頂板下緣至最低水位的深度ΔD=S-D0=8.10-3=5.10 m＞0.50×7=3.50 m，滿足要求。

3.3 最小淹沒深度驗(yàn)算

按照進(jìn)/出水口不產(chǎn)生吸氣漩渦的要求，弗魯?shù)聰?shù)應(yīng)滿足Fr＜0.23。

式（3）中：V—孔口攔污柵處的平均進(jìn)水流速（m/s）；g—重力加速度（m/s2）；Sm—孔口攔污柵處中心線以上的設(shè)計(jì)最小淹沒深度（m）；Sm=ΔD+D0+D1/2=5.10+3+7/2=11.60 m

則Fr=V/（g×Sm）0.5= Fr=1.01/（9.81×11.60）0.5=0.10＜0.23，滿足要求。故此進(jìn)/出水口不會(huì)產(chǎn)生吸氣漩渦。

3.4 底板高程的確定

進(jìn)/出水口底板高程按規(guī)范的要求確定，即

因此，下水庫進(jìn)/出水口底板高程H1=1 042-8.10-7=1 026.90 m，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，取H1=1 026 m。

3.5 擴(kuò)散段、調(diào)整段、防渦梁尺寸設(shè)計(jì)

擴(kuò)散段長度應(yīng)≥5 倍隧洞直徑，因此L≥5D1=5×7 m=35 m，取L=38 m；擴(kuò)散段起點(diǎn)凈空為7 m×7 m（寬×高），末端凈空為（4～5）m×10 m（寬×高），則立面擴(kuò)散角：tanθ=（10-7）/38=0.08，因此立面擴(kuò)散角θ=4.51°，在3°～5°之間，便于水流的調(diào)整。

平面擴(kuò)散角：取分流墩厚度為1.40 m，邊墩厚度為1.50 m。tan（α/2）=（5×2+1.5+1.4×1.5-7/2）/38=0.27，因此平面擴(kuò)散角α=29.77°，＜45°，滿足規(guī)范要求。

調(diào)整段長度取為：L=0.40 L 擴(kuò)散段=0.40×38 m =15.20 m，取15 m。

防渦梁段顧名思義應(yīng)防止水流通過進(jìn)/出水口時(shí)產(chǎn)生有害的吸氣漩渦，在防渦梁段結(jié)構(gòu)的頂部共設(shè)4 道間距1.20 m 的防渦梁，斷面尺寸為1.20 m×2.00 m（寬×高）。并且把防渦梁進(jìn)口墩柱和底板做成弧形，降低水頭損失。使水流平順通過進(jìn)/出水口。

3.6 尾水檢修閘門井尺寸設(shè)計(jì)

尾水檢修閘門井段由井身、井座及前后漸變段組成。井身為圓形，內(nèi)徑10 m、按閘門井身頂高程考慮高于閘門井中最高涌浪取值且比正常蓄水位高8 m，井身高34.50 m，井壁采用鋼筋混凝土襯砌，厚0.80 m，在井身的圍巖分界線處設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，縫間設(shè)橡膠止水和銅止水。井身上游側(cè)布置1 孔長3 m、寬1.22 ～1.25 m 的不規(guī)則通氣孔，實(shí)際面積為4.23 m2。尾水檢修閘門井閘門高度與尾水隧洞直徑相同，H=7 m，按過流面積與隧洞一致設(shè)計(jì)，則孔口寬度B為B=S/H=π×72/4/7=5.50 m，取B=5.50 m，至此，尾水檢修閘門井座尺寸為B×H=5.50 m×7.00 m。井座順?biāo)鞣较蜷L12.40 m，襯砌厚1.70 m，底板高程1 026 m。井座上下游側(cè)設(shè)各有漸變段，下游側(cè)由方形斷面7 m×7 m，漸變到矩形斷面5.50 m×7.00 m（寬×高），上游側(cè)由矩形斷面5.50 m×7.00 m（寬×高）漸變到圓形斷面洞徑7 m。漸變段連接前后尾水隧洞，漸變段長度宜為水道直徑的1～2 倍，這里取漸變段長10 m，均采用鋼筋混凝土襯砌，厚1.50 m。漸變段與井座段之間均設(shè)有結(jié)構(gòu)縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水及2 cm厚閉孔泡沫塑料板填縫。閘門井平臺(tái)布置下水庫進(jìn)/出水口啟閉機(jī)樓。

4 進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 進(jìn)/出水口的穩(wěn)定計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮在承載能力極限狀態(tài)時(shí)對(duì)進(jìn)/出水口進(jìn)行整體抗滑、抗浮和抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算，基底法向應(yīng)力計(jì)算，在正常使用極限狀態(tài)時(shí)按材料力學(xué)法進(jìn)行進(jìn)/出水口建基面上、下游拉應(yīng)力驗(yàn)算。由于豐寧下水庫進(jìn)/出水口采用側(cè)式進(jìn)/出水口，進(jìn)/出水口閘門井布置于山體豎井中，因此不存在抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定問題，只考慮防渦梁段、攔污柵排架結(jié)構(gòu)、調(diào)整段、擴(kuò)散段這些地面建筑物的抗浮穩(wěn)定問題。

根據(jù)《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5398中進(jìn)水口抗浮穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算，主要計(jì)算的荷載包括結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力：

4.2 進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)計(jì)算

抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)計(jì)算采用有限元方法，可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行計(jì)算。豐寧下水庫進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)計(jì)算采用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行，建立防渦梁段、調(diào)整段、擴(kuò)散段等的平面模型，采用二維solid-plane182 單元模擬襯砌混凝土結(jié)構(gòu)和圍巖。對(duì)于模型的建立，宜建立完整的垂直水流方向的壓力，觀察三個(gè)水道系統(tǒng)的相互影響。運(yùn)行工況施加最不利的內(nèi)水水頭，檢修工況可考慮兩孔沖水一孔放空或考慮沒有內(nèi)水，只施加外水壓力和圍巖壓力的情況。對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的單元采用指定襯砌單元路徑的方法經(jīng)過線性化處理后得到線性化應(yīng)力圖形，進(jìn)行截面內(nèi)力計(jì)算。計(jì)算假定圍巖為均質(zhì)連續(xù)的彈性材料，不考慮巖石重力作用、溫度荷載和地震力及上部攔污柵排架的影響。由于防渦梁段和調(diào)整段計(jì)算時(shí)未考慮上部攔污柵排架影響，最終配筋結(jié)果要結(jié)合攔污柵排架計(jì)算結(jié)果最終確定。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，運(yùn)行工況下，防渦梁段應(yīng)力集中部位為邊孔邊墩與底板的結(jié)合部位，垂直水流向最大拉應(yīng)力2.09 MPa，最大壓應(yīng)力0.62 MPa；調(diào)整段應(yīng)力集中部位為左右邊墩與底板的結(jié)合部位，垂直水流向最大拉應(yīng)力2.12 MPa，最大壓應(yīng)力0.60 MPa；擴(kuò)散段應(yīng)力集中部位為左右邊墩與底板的結(jié)合部位，垂直水流向最大拉應(yīng)力2.17 MPa，最大壓應(yīng)力0.53 MPa。

豐寧下水庫進(jìn)/出水口混凝土采用C30F200（二級(jí)配），混凝土保護(hù)層厚5 cm。根據(jù)計(jì)算截面應(yīng)力線性化結(jié)果，對(duì)計(jì)算截面按照限值裂縫寬度為0.30 mm 進(jìn)行驗(yàn)算配筋，實(shí)際配筋為：防渦梁段底板內(nèi)側(cè)732、外側(cè)725，邊墩和中墩內(nèi)外側(cè)均為732，防渦梁上下層均為1125；調(diào)整段底板內(nèi)側(cè)732、外側(cè)725，頂板內(nèi)外側(cè)均為725，邊墩和中墩內(nèi)外側(cè)均為732；3 段擴(kuò)散段均為底板內(nèi)側(cè)532、外側(cè)525，頂板內(nèi)外側(cè)525、邊墩和中墩內(nèi)外側(cè)均為525。抗剪鋼筋除防渦梁處為4Ф16@400外，其余部位均為Ф16@400×400。根據(jù)實(shí)際配筋驗(yàn)算，防渦梁段、調(diào)整段和擴(kuò)散段混凝土最大裂縫開度0.28 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

豐寧抽水蓄能電站作為目前全球裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站，體量之大，宏偉壯麗。它是舉世矚目的工程項(xiàng)目，是人類智慧的結(jié)晶，必將載入史冊(cè)。它的建成，為后續(xù)中國乃至全球的抽水蓄能電站建設(shè)起到了標(biāo)桿作用。豐寧下水庫側(cè)式進(jìn)/出水口體型參數(shù)合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，設(shè)計(jì)過程可以借鑒到后續(xù)抽水蓄能電站建設(shè)中。