抽水蓄能电站水利枢纽工程建筑物设计方案

抽水蓄能电站水利枢纽工程建筑物设计方案1．1输水系统布置1．1．1输水系统地形地质概况输水系统的平面布置沿水竹沟山到龙兴亭山脊线布置。输水线路上游段通过地形为丘陵，地形起伏，最低点高程66.0m，下游尾水隧洞则在龙兴亭山的西山麓地形平坦处。上进出水口位于主坝转折处山坡脚，该山坡斜度约15°～25°，属稳定坡，该处强风化带后约4～8m。引水隧洞全线处在弱风化~微风化的第（1）层、第（3）层灰白色熔结凝灰岩和第（2）层肉红色熔结凝灰岩内，中部有两条花岗斑岩脉分布。上进出水口至竖井段属Ⅱ~Ⅲ类围岩，其余段为Ⅱ类围岩。在洞轴线中部有两条陡倾角，宽0.5～1.0m的断层(F1、F3)通过,与洞轴线近正交，对围岩稳定影响不大。厂房至下进出水口的尾水隧洞穿过破碎带宽约5m的F5断层，该段岩性由熔凝结灰岩及部分安山玢岩组成，属Ⅲ类围岩。1．1．2输水系统的线路位置选择为减小上进出水口对主坝的干扰和便于上游事故检修闸门井的布置，对上平段路线应详细考虑。由于主坝在水竹沟山处转折，为改善上进出水口的水流条件，减小对主坝趾板的影响，上进出水口及隧洞上平段于主坝正交。隧洞上平段轴线为NE59°1326。为尽量使隧洞有较厚的上覆岩体厚度，隧洞上平段轴线在上游事故闸门井后19m即采用竖井与下平段连接，并将下平段轴线向北转动42°3′3″，绕过龙兴亭东侧山谷低点，减少了钢衬长度。为与厂房平顺连接，输水系统轴线在平面上于点向南转动，转弯半径90m。钢支管与厂方轴线斜交，使厂房、变电站、尾水渠充分利用现有地形，减少工程量。为使两条尾水隧洞间有足够的岩体厚度，两个尾水管各向外偏转8，扩大至20m时，两轴线改为均向内转动8使两条尾水隧洞的中心线与厂房轴线垂直，并与尾水渠平顺连接。1．1．3输水系统工程布置输水系统建筑物主要由上进出水口、引水隧洞上平段、上游事故检修闸门井、竖井高压隧洞下平段，压力管道、钢岔管、钢支管、尾水隧洞、下游事故检修闸门井，下进出水口等组成。上进出水口宽为22.9m，长为50.0m，由防涡梁、拦污栅、扩散段、渐变段组成。进出水口底板高程为100.0m，顶高程为109.75m，防涡梁顶高程111.75m，上进出水口分为四孔，设四扇拦污栅。上进出水口后接直径6.5的采用钢筋混凝土衬砌的引水隧洞上平段，长70.32m（含事故检修闸门井段）。上游事故检修闸门设在上平段，闸门孔口尺寸5.6m*6.5m（宽高），闸门槽设在内径7.60m的圆形闸门井内，闸门井顶高程141.0m。闸门井与坝体间设交通桥连接。为保证引水隧洞上平段末端不产生负压，上平段底坡采用8%，后接直径6.5m的上弯段（长29.82m，转弯半径R=20.0m，转角为85°25′32″）。竖井段（长61.67m）和下弯段（长31.32m，转弯半径R=20.0m，转角为89°42′49″）。下弯段后的高压隧洞下平段底坡为0.5%，长354.02m（包括钢衬前渐变段），洞径6.5m。压力钢管直径5.0m,壁厚20mm,末端处直径渐缩为2.8m(同蝶阀直径)，进入厂房后与蝶阀相接，其长度分别为30m和34m。从上进出水口至机组中心输水道长度717.9m～721.57m，坡为10%，其底坡大小由机组安装高程、下进出水口地板高程，变电站布置长度、隧洞施工要求等而定。为保证尾水隧洞有一定的上覆岩体厚度，同时考虑下进出水口的水流条件及尾水隧洞顶部地面建筑物的布置要求，在尾水隧洞和下进出水口之间射长15的连接管（埋管）。两个下进出水口相同，总宽为36.4m，单个进出水口宽16.4m，长为51.0m，由防涡梁、拦污珊、扩散段、闸门段和渐变段组成。下游事故检修闸门槽设在渐变段后的竖井内，闸门孔尺寸为4.2m×4.8m(宽×高)，竖井外轮廓尺寸5.5m×8.0m，顶面高程3.0m，与地面齐平。闸门段后接下进书水口扩散段。下进出水口采用斜底板，底坡与尾水隧洞相同。进出水口前缘底高程0.00m，高度7.20m，防涡梁顶高程为9.20m。洞顶正面边坡（变电站侧）1：1.5，两。两侧边坡1：2。每个进出水口分成三孔，分别设三扇拦污珊。下进出水口后设置底板高程为-2.0m（低于进出水口底板2）得下前池，后以边坡1：5的斜坡段尾水渠相接。上、下进出水口之间输水管道长度为890.34m～893.31m。上、下进出水口之间输水管道线路（水平投影）长度为808.31m。1．1．4上进出水口设计1．1．4．1底板高程确定进出水口高程主要根据最低运行水位，体形布置确定的进出水口高度、最小淹没水深和水利过度过程计算成果，地形、地质条件及水工结构布置等因素而定。最小淹没水深一般按常规电站用戈登经验公式决定（抽水蓄能电站进出水口的工作条件与该公式有所区别），另外国外对抽水蓄能电站进出水口水工模型实验资料分析，不产生吸气旋涡要求佛汝德数小于0.23，同时应保证进出水口顶板以上水深不小于0.5米。本工程上进出水口底板高程100.00m，遂洞高6.50m，竟扩散后其高度增加到9.75m。上水库运行最低水位为116.00m，进出水口顶板淹没水深6.25m。竟技术，进出水口顶板要求最小淹没水深;佛如德数Fr=0.21，亦小于规定值。因此上进出水口布置符合淹没进流、不产生吸气旋涡条件。1．1．4．2上进出水口体形尺寸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，对电站运行的影响也比一般常规水电站大。进出水口型式参照国内外已建和正在设计建设的电站，经比较采用侧式进出水口。经水工模型实验验证，体型尺寸基本可行。上进出水口为箱形钢筋混凝土结构，净宽（含分流墩厚度）19.9m，净高9.75m，其后为直线变化的渐变扩散段，变为净面积6.5m×6.5m的方形孔口，再接方圆渐变段。进出水口总长为50m。进出水口扩散段在平面上为对称扩散，扩散角。垂直向顶板扩散角为，用三个分流墩分成四孔，孔口首端净宽4.0m，分流墩厚1.3m，高9.75m。拦污栅设在首端，过栅最大毛流速为0.75m/s。分流墩墩头为半径0.65m的半圆，敦尾为折线。为使抽水时水流均匀分配，两个中孔的宽度各为0.22倍。在进口前端设三道防涡梁，断面尺寸1.75×2.00（宽×高），净距1.30m。上水库库区较小，污物来源很少,拦物栅检修的概率不大,但为防万一,在进出水口处斜坡上设滑道,另在进出水口扩散端顶板上用块石回填至拦污栅处顶板高程111.75m，以作为拦污栅平台高程以下。1．1．4．3上进出水口与上水库的连接由于上进出水口基本位于上水库库底，为改善水流条件及防止进出水口淤积，在上进出水口前设置上前池，池底高程98.00m（低于进出水口底板2.00m），底面宽21.90m，顺水流向长40.00m，并以1：3的边坡与库底连接，两侧的边坡为1：1.7，池顶高程111.75m。上前池表面用混凝土保护，并在护坡上设置排水孔，以减小扬压力。进出水口周围地形较低，为整理库盆，利用弃石碴将进出水口周围115.00m高程以下的低洼处填平，一方面可少占库外堆碴场地，另一方面亦可减小死库容，缩短水库储期蓄水和检修水库放空时间。1．1．4．4工程处理措施根据工程布置，主坝钢筋混凝土面板与上进出水口扩散段顶板相连。为适应主坝面板变形，在两者连接处设置了一道水平变形。同时，在进出水口底板下亦布置了一道灌浆帷幕，与两侧主坝趾板下的帷幕连成一体。为减少扬压力，保证上进出水口的稳定，上进出水口底板设置直径100mm，间距150cm的冒水孔，另在底板下布置φ25@150，L=4的锚筋1．1．5上游事故检修闸门井设计1．1．5．1闸门井布置上游事故检修闸门井设置在主坝下游地势较高的水竹狗山上，位于引水隧洞上平段范围，与主坝轴线相距17.5米。事故检修闸门井孔口尺寸5.60m×6.50m(宽×高)，采用平板闸门。闸门井围堰属3类，岩石节理裂隙发育，为改善结构受力条件，闸门井采用原形断面，内径7.60m。闸门井顶部及穿越强风化岩石段的井壁厚为1.0m，期下部衬砌厚为0.7m。闸门槽设置在井的中部，其后布有通风孔，并兼作隧洞进人孔。由于闸门井离上进出水口前缘有97.5m，在电站运行过程中有调压井的水力现象，经水力过渡过程计算，闸门井内最高涌浪水位为138.9m，取闸门井顶高程为141.00m。闸门工作平台设在152.00m高程，由启闭机操作。另外，为便于操作运行，在闸门井与主坝坝顶公路间设置了交通桥。1．1．5．2工程处理措施为加强闸门井围岩的整体性，提高其变形模量，对井周岩体进行每圈８孔、排距３m、孔深４m、压力为0.5MPa的固结灌浆，并加设φ22@150,L=4m的锚杆。1．1．6下进出水口设计1．1．6．1下进出水口位置选择下进出水口位置由尾水渠布置、变电站尺寸、尾水管高程、尾水隧洞底板以及地形地质条件等因素而定。在保证尾水隧洞顶部地面布置变电站和交通道路、方便隧洞施工的前提下，为缩短为水隧洞长度，隧洞地板采用10%坡度。下进出水口已采用相应地破的斜坡板，除口前缘底板高程0.00m，离厂房机组中心的水平距离为169m，为水隧洞处于弱风化岩体中，近洞点上覆岩体厚度尚有5m以上。由于位水隧洞顶部地面布置变电站和交通道路，因此下进出水口扩散顶板及部分为水洞上回填块石，相当于埋管。下进出水口净宽7.20m，实际最小淹没水深为5.80m，符合淹没进流条件。1．1．6．2地面高程确定本电站厂房下游地面高程按一百年一遇洪水（水位22.25m）设计、二百年一遇洪水（水位21.59m）校核，设计风速22.5m/s。经计算，尾水渠波高0.6m，波长7m，地面高程采用23.00m。1．1．6．3下进出水口体型尺寸下进出水口采用香型钢筋混凝土结构，每个进出水口前缘净宽13.4m。（含分流敦厚度），净高7.20m，其后卫直线变化的渐变扩散段，其断面渐变成净宽4.20m、高4.80m的方形孔口。喉结下游事故检修闸门井及方圆渐变段。进出水口扩散段平面扩散角22°37′12″，垂直向扩散角为55726，由两个分流墩分成三孔，出口处孔口净宽3.60m、高7.2m、墩厚1.30m。拦污栅设在首端，过栅最大毛流速0.77m/s。墩头为半径0.65m的半圆，墩尾为圆弧曲线。为使发电时水流能均匀分配，两个边孔宽度各位孔口宽的0.35倍，中孔宽度为0.3倍。防涡梁布置在拦污栅外侧，共三道，断面尺寸为1.60×2.00m（宽×高），净距1.2m。拦污栅由拦污栅工作桥上的门机吊放。拦污栅工作桥顶高程23.0m，同地面高程齐平。上水库库区较小，污染来源很少，拦污栅检修的概率不大，但为防万一，在进水口处斜坡上设置滑道，另在进水口扩散段顶板上用块石回填至拦污栅处顶板高程111.75米，以作为拦污栅安装检修平台。一旦需要检修拦污栅，须将上水库水位降低至拦污栅平台高程以下。1．1．6．4上进出水口与上水库的连接由于上进出水口基本位于上水库库底，为改善水流条件及防止进出水口淤积，在上进出水口前设置上前池，池底高程98.00m（低于进出水口底板2.00m），底面宽21.90m，顺水流向长40.00m，并以1：4的边坡与库底连接，两侧的边坡为1：1.7，池顶高程111.75m。上前池表面用混凝土保护，并在护坡上设置排水孔，以减小扬压力。进出水口周围地形较低，为整理库盆，利用弃石碴将进出水口周围115.00m高程以下的低洼处填平，一方面可少占库外堆碴场地，另一方面亦可减小死库容，缩短水库储期蓄水和检修水库放空时间。1．1．6．5工程处理措施根据工程布置，主坝钢筋混凝土面板与上进出水口扩散段顶板相连。为适应主坝面板变形，在两者连接处设置了一道水平变形。同时，在进出水口底板下亦布置了一道灌浆帷幕，与两侧主坝趾板下的帷幕连成一体。为减少扬压力，保证上进出水口的稳定，上进出水口底板设置直径100mm，间距150cm的冒水孔，另在底板下布置φ25@150，L=4的锚筋。1．1．7下游事故检修闸门井设计1．1．1．1闸门井布置下进出水口事故检修闸门设在钢筋混凝土竖井内，为平板钢闸门，闸门孔口尺寸为4.20m×4.80m(宽×高)，共2扇，由设在高程31.0m上的卷扬机操作。闸门段长8.0m，上游为渐变段，下游为进出水口扩散段。闸门井与岸边交通采用回填方案。竖井外轮廓尺寸为8.0m×8.0m，闸门槽上游侧设通风孔兼作进人孔，其尺寸为1.0m×1.0m。竖井顶高程23.0m，与地面齐平。每个闸门井上部有启闭设备，分开布置。1．1．1．2闸门井结构设计下游事故检修闸门井直接浇筑在基岩上，四周回填石渣，井身结构按钢筋混凝土构件设计，建筑物等级为三级。墙厚填料指标考虑荣容重γ＝２１ＫＮ／m３，内摩擦角=40°。完建期建启闭机室前，主要承受土压力及结构自重荷载，建启闭机室后还承受风荷载和启闭设备及上部结构物重量。运行期考虑关闸、开闸两种工况，闸门井车功承受的荷载除上述完建期（已建启闭机室）的荷载外，还承受扬压力、水压力。闸门井底板与岩基摩插系数取0.60，地面活荷载考虑10KN/m2。经对拟定的闸门井进行抗滑、抗倾、基底压力计算，结果均满足要求。1．2尾水渠及排水沟1．2．1尾水渠及排水沟布置本工程利用沙河水库作为下水库，下进出水口与下水库之间由尾水渠连接。根据地形特点，尾水渠沿开阔的龙界沟布置，沟宽80～120m，沟内覆盖层厚8～10m，为冲洪积砂砾石夹粘性土，基岩顶板高程9.0～0.0m，向下游微倾。两岸边坡较缓，基岩多已裸露，地质条件简单。尾水渠采用梯形断面。设计底高程10.0m，底宽50m，两侧边坡坡度为1：2，渠底坐落在冲洪覆盖层上。为使龙岕沟、北小沟暴雨形成的洪水在施工期不进入尾水渠基坑、运行期也不直接进入尾水渠，在尾水渠的两侧布置了排水沟，用于排泄两沟洪水。结合总体布置需要，排水沟上游段采用暗管式，下游段为明沟式。龙岕沟排水沟和北小沟断面尺寸分别为2.202.30m和1.5×1.5m，排水纵坡0.5%。1．2．2尾水渠设计1．2．2．1尾水渠布置尾水渠基本顺原河湾布置，一端与下进出水口前池以1：5的斜坡相连，另一端接到下水库（沙河水库），总长45899m，其中与下进出水口连接的直线段长110.00m，弯道段长143.99(转弯半径250m，中心角33。)，然后再接205m长的直线段。为防止沙河水库养殖的鱼类进入电站，在距下进出水口拦污栅180.0m处的尾水渠设置了拦鱼设施。1．2．2．2尾水渠断面设计本电站最大发电、抽水流量分别为120.2m3/s和110.8m3/s，下水库死水位13.00m。根据地形地质、水流条件及工程布置需要，确定尾水渠底高程10.0m，底宽采用50m，边坡1：2，坡顶高程为22.50m。为防止渠道冲刷，渠底和两侧边坡均采用浆砌块石保护；弯道段后因地形开阔渠道不再作衬砌保护。1．2．3排水沟设计1．2．3．1龙岕沟排水沟设计龙岕沟位于尾水渠南侧，基本根据地形布置线路，总长约577.50m，进出底高程20.00m，出口底高程17.15m，纵向坡度0.5%。进口堤顶高程为22.50m。1．2．3．2北小沟排水沟设计北小沟排水沟布置在尾水渠北侧，总长约502.5m，进口底高程20.50m，出口底高程18.025m，纵向坡度0.5%。进口堤底高程为22.50m。1．3厂房设计1．3．1厂区布置概述厂区布置主要包括三个部分，即厂房部分、变电站部分及对外交通。厂房部分由东侧主厂房和西侧副厂房组成，共占地为51m×33.52m,其位置位于厂房西侧。厂区交通布置充分考虑运输车辆的便利及厂区消防的要求，与厂区北端进厂公路相连。在主厂房装配场外设置以回车场便于运输车辆的回转。变电站内主要交通道设于主变压器与开关区之间，并直接与进厂公路相连，有利于主变压器的运输和装卸，同时环开关区设回车道，兼做消防通道，亦直接通向进厂公路。厂房南、东两侧隔4.0m消防通道为高达30多米的边坡，根据地质条件采用2：1边坡，并于38.20和53.20高程处分别设2.0米宽马道，在马道和坡脚射排水沟，坡面采用1.5m×1.5m间距锚杆加钢筋网混凝土保护方式，以确保边坡局部稳定和防止岩体进一步风化。1．3．2主厂房主厂房主要布置在内径为29m的竖井中，靠竖井东侧，占竖井约3/4的面积，安装有2台50MW发电动电机组，机组间距13m，机组吸出高度-21m，机组安装高程-8m。主厂房地下分为4层，分别为蜗壳层、水轮机层、中间母线层和发电机层，各层高程分别为-11.50m、-5.50m、-1.50m和2.50m，厂房最底开挖高程为-18.50m，尾水管底板高程为-15.70m。装配场布置高程为23.50m，与室外地平高差为0.3m，其平面尺寸考虑一台机组扩大检修的需要，长度为19m，布置于厂房北侧，直接与外部公路相连。主厂房设置跨度21m、最大起吊重量160t单小车桥吊一台，其轨顶高程为35.00m。装配场净高17m。发电机层除布置两台机组外，还布置有励磁盘、机旁盘和公用动力盘。发电机组中心距井壁最小间距为7.5m。中间母线层主要布置有中性点设备，母线在本层从发电机引出通至主变压器。除此之外，另外设置有调速器油压装置和调速器机器柜。水轮机层布置有技术供水泵、滤水器和渗漏排水泵，另外每台机组都设置有主阀油压装置和主阀操作柜。受进水钢管进水方向的影响，本层主阀吊物孔均斜向布置，其长向与机组纵轴夹角为16°。蜗壳层布置有检修排水泵、真空泵，受输水系统布置的影响，进水钢管以与厂房纵轴线成74°夹角进入竖井，且各以厂房横向轴线向外侧偏8°的方向布置尾水管。为排除机组检修时的尾水管内积水及渗透水，在-17.00m高程设有渗漏集水井,渗漏水、厂内消防排水等均通过各层排水沟排入集水井，由设在水轮机层的渗漏排水泵排出。另外，自上而下布置有通风竖井和吊物孔，满足通风、排风和吊物装配、检修需要。1．3．3副厂房副厂房在主厂房西侧（下游侧），坐于尾水管及尾水隧洞上方，分地面、地下两部分。地下部分共七层，占据竖井内约1/4面积，各层高程分别为-5.50m、-1.50m、2.50m、6.70m、10.90m、15.10m和19.30m，小层分别于主厂房水轮机层、中间母线层和发电机层相通。地下部分副厂房在各层分别布置有高压空压机室、制动压气机室、电气制动柜、变压柜、检修空压机室、专用工具室、仪表检验室等，并自上而下布置有多个通风井及电缆井、母线道，满足电缆、母线、及副厂房地下部分通风、排烟的需要。地上部