规划站址水工枢纽布置方案

7.3.5.1　工程设计标准

根据电站建设规模及DL5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》拟定本电站工程等别、主要建筑物级别及洪水设计标准。

根据工程所在地区地震动参数值及DL5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》拟定地震设防标准。

7.3.5.2　上水库枢纽布置

如本章7.1所述,抽水蓄能电站上水库有几种不同型式,其枢纽布置随具体型式而定。

(1)当利用高山盆地筑坝形成水库时需研究以下问题:

1)主、副坝坝型拟定。根据国内实践经验,混凝土面板堆石坝具有以下特点:①对于地形地质条件适应性强;②对于天气变化适应性强,基本可全年施工;③充分利用进(出)水口和部分输水隧洞开挖出渣筑坝;④在国内外广泛应用技术上较成熟;⑤实际运用证明能够适应抽水蓄能电站水库水位剧烈而频繁的变化。因此,混凝土面板堆石坝被广泛应用于抽水蓄能电站。有时当水库容积有限,为了减少坝体侵占库容,地形、地质条件许可时,也有采用混凝土重力坝或拱坝及其他混凝土坝型的。根据各规划站址上水库的地形、地质及当地建筑材料等条件初步选定主、副坝的坝轴线、坝型及基本尺寸。

2)泄洪设施布置。抽水蓄能电站上水库的集水面积一般很小,常不需布置泄洪设施。当集水面积较大,暴雨形成一定洪水流量时,也要布置相应的泄洪设施。当选用当地材料坝时,宜利用左(或右)坝头的有利地形布置敞开式溢洪道。随着筑坝技术的发展,出现了在混凝土面板堆石坝上设置坝身溢洪道的布置形式。目前国内已建混凝土面板堆石坝坝身溢洪道一般坝高不超过70m,单宽流量不大于20m3/s。

3)防渗体布置。库区局部地段基岩风化破碎严重,或有断层通过时需作局部防渗处理,一般作垂直防渗帷幕或将断层破碎带挖除,回填混凝土,隔断渗漏通道。当库底和库岸基岩风化破碎严重,地下水位低于水库正常蓄水位时,需作大面积防渗处理,采用沥青混凝土防渗体或钢筋混凝土防渗体或黏土铺盖防渗体。为了确保防渗体在水库水位骤降时的稳定性,防渗结构下部必须设置良好的排水系统。

(2)当利用高位台地筑堤坝围建成水库时,常采用当地材料坝,并考虑开挖量与填筑量平衡和所需库容来选择堤坝布置和断面尺寸。此种型式的上水库因无坡面洪水入库,常不设泄洪设施。防渗设施与高山盆地筑坝形成水库相同。

(3)当利用天然湖泊作上水库时,不存在筑坝和防渗问题,只需选择合适位置结合引水隧洞走向布置进(出)水口,并根据地形、地质条件使进洞条件最佳。

(4)当利用已建人工水库作上水库时,需复核已建挡水建筑物对库水位频繁剧烈升降的适应性,如不能满足要求需采取加固措施,同时还要考虑原水库的设计标准与本抽水蓄能电站的设计标准是否一致,如不一致需按抽水蓄能电站的设计标准进行加固。

7.3.5.3　下水库枢纽布置

与上水库一样,下水库也有多种型式,其枢纽布置也随具体型式而定。

1.峡谷中和河谷盆地筑坝形成水库

(1)坝轴线及坝型拟定。坝轴线和坝型选择是首先要考虑的问题。需根据地形、地质和建筑材料条件分析确定。由于堆石坝具有对地形、地质条件要求不高,施工方便、造价相对较低等优点,不失为下水库优先考虑的坝型。如果坝址河谷断面宽高比较小,地质条件好也可选择混凝土拱坝。另外,碾压混凝土重力坝也是可选坝型。

(2)泄洪设施型式拟定。由于要求有足够的水源,下水库集水面积一般较大,泄洪设施是必不可少的。并且考虑到发电流量与洪水流量存在遭遇的问题,对泄洪设施的型式和规模都有一定的要求。一般要求下水库的最大下泄流量不能超过天然洪峰流量,以不人为加大下游防洪负担为原则。为此,泄洪设施需具备预泄能力,以便根据上、下水库蓄水量及洪水情况泄放多余水量,以避免洪峰、最高库水位及最大发电流量三者同时出现的最不利局面。因此,溢洪道堰顶高程及是否设置闸门和泄水底孔等都需认真选择。

(3)防渗体布置。由于下水库位于峡谷之中,一般两岸山体雄厚,库周向外渗漏的可能性不大,而当坝基覆盖层较厚、基岩破碎、两岸岩体风化严重时,坝基防渗及绕坝防渗常成为重点考虑的问题。

2.利用低洼湖田筑堤坝围建成水库

与上水库利用高位台地筑堤坝围建成水库相似,只是库盆防渗问题不如后者突出和严重。

3.利用人工水库作为下水库

与同类型上水库相似。但应注意其原有泄洪设施及挡水建筑物能否满足蓄能电站运行要求。

4.利用天湖泊作为下水库

与利用人工水库作为下水库相似。

5.利用海洋作为下水库

此类型国内尚无成熟的实践经验。

7.3.5.4　厂房型式

抽水蓄能电站的发电厂房有以下几种型式。

1.地下式厂房

对于水头较高的抽水蓄能电站,机组吸出高度负值较大,机组装置高程较低,常采用地下厂房。引水式地下厂房的布置形式随其在输水隧洞中的位置分为以下3种。

(1)首部式布置。厂房位于输水道上游侧,距上水库较近,如图7.5所示。首部式布置有以下优缺点。

1)高压引水管道短,低压尾水管道长,对于地质条件较差的情况较有利。

2)厂房对外交通洞、出线洞、通风洞等线路较长,工程投资大。如采用竖井则厂房施工和运行不便。

3)厂房位于上水库下方,防渗和防潮负担问题多。

图7.5　首部式布置示意图

首部式布置多用于水头较低的抽水蓄能电站。

(2)中部式布置。厂房位于输水道的中部(见图7.6),当输水系统侧向沟谷发育,便于从侧向布置交通、出线及通风洞的情况下,采用中部式布置较为有利。这种布置形式的优缺点介于首部式和尾部式之间。我国广州、十三陵两抽水蓄能电站的地下厂房是中部式布置。

图7.6　中部式布置示意图

(3)尾部式布置。厂房位于输水道尾部(见图7.7),这种布置形式的优缺点与首部式布置正好相反。

我国天荒坪抽水蓄能电站机组的吸出高度为-70m,机组安装高程为225m,而下水库进(出)水口处河床高程为270m,必须采用地下厂房。其厂房位置在可行性研究和初步设计阶段均结合输水道的立面布置作了详细比较。拟定以下比较方案:①竖井一洞三机首部厂房;②竖井一洞三机中部厂房;③斜井一洞三机尾部厂房等11个方案。最终选定斜井一洞三机尾部厂房方案,其理由是:①地质条件首部厂房方案最好,但尾部厂房方案地质条件也不差,二者只有量的区别而无质的差别;②尾部厂房方案输水系统最短,工程量小,水头损失小;③尾部厂房方案出线洞、交通洞、自流排水洞、通风兼安全洞等辅助洞室最短,工程量和投资最小,高压电缆投资最小,运行管理方便;④尾部厂房方案施工支洞短,可提前进行厂房开挖,缩短工期。

图7.7　尾部式布置示意图

地下厂房的内部布置主要涉及主厂房与副厂房、机组段与安装场的相对位置,为减小主厂房的跨度,一般采用副厂房、机组段及安装场呈“一”字形布置。

厂房长轴方位的选择也很有讲究,要避免与构造层面、节理等薄弱面平行,二者交角越接近正交越好,与最大地应力方向的交角越小越好。传统上厂房长轴方向与压力管道正交,但在地质条件许可时,为缩小厂房宽度,也可斜交,例如天荒坪抽水蓄能电站的厂房长轴与压力钢管的交角采用64°,使厂房宽度减小1m 多。

2.半地下式厂房

当输水道末端地势平坦且高程较低,又与下水库有一定距离,若布置地下式厂房尾水与下水库连接不便,若布置地面式厂房因装机高程较低厂房顶仍位于地下,或开挖量很大,在此情况下采用半地下厂房较为有利。使厂房部分置于地下,部分露出地面。为了减少开挖量,改善厂房边墙的受力条件,常采用圆筒形竖井式布置。我国浙江溪口和江苏沙河两抽水蓄能电站就是采用半地下式厂房,图7.8为溪口抽水蓄能电站的厂房横剖面示意图。

图7.8　半地下式厂房示意图

3.地面厂房

地面厂房可避免主副厂房、主变洞、尾闸洞、交通洞、出线洞、通风及安全洞等洞室群的开挖和支护,厂房布置比地下式厂房和半地下式厂房简单。但只适用于水头较低吸出高度负值较小的抽水蓄能电站。有时在特殊的地形条件下,例如下水库坝后有陡坡,厂房可以放在陡坡下,用尾水管反向连接下水库,在此种情况下也可布置地面厂房。我国岗南、密云、潘家口、羊卓雍湖、天堂、马山等抽水蓄能电站均采用地面式厂房。其布置与常规水电站地面式厂房相似。

7.3.5.5　输水系统型式拟定(www.xing528.com)

1.上水库进(出)水口

上水库进(出)水口随引水道与水库连接方式不同而定,有以下两种主要型式。

(1)岸坡式。此种型式适用于引水隧洞与上水库的连接可以采用平洞或接近水平洞的情况。这种型式进(出)水口布置在上水库的岸边,要求布置进(出)水口部位的岸坡具有较好的进洞地形、地质条件。为了达到进、出水流条件好,防止出现涡流、进气及过大的水头损失,进水口渐变段需有足够的长度,因而岸坡开挖量较大,并要避免出现高边坡。

(2)竖井式。此种型式适用于引水隧洞与上水库的连接采用竖井的情况。这种型式进(出)水口布置在上水库中,在引水隧洞上端设塔架,塔架四周布置孔口。为使进、出水流均匀平顺,竖井和塔架与岸边应有一定的距离,以工作桥与库岸相连。

2.下水库进(出)水口

下水库进(出)水口随厂房型式而定,地下式厂房因尾水道较长,便于采用岸坡式进(出)水口。地面式和半地面式厂房的下水库进(出)水口即为尾水管出口。半地下式厂房的下水库进(出)水口常与尾水管结合起来布置,实际上是延长了的尾水管出口。

3.压力管道

如前所述,抽水蓄能电站水头高时较有利,相应机组安装高程低,常采用地下式厂房和埋藏式压力管道。且因多数抽水蓄能电站选在地质条件较好的地区,常可采用钢筋混凝土衬砌或预应力混凝土衬砌。但当覆盖厚度不够时应采用钢板衬砌,另外在厂房前的高压段也需采用钢板衬砌。

压力管道的平面布置需考虑运行需要,通过经济比较来确定,例如天荒坪抽水蓄能电站的引水管采用一管三机,尾水管采用一机一管,广州抽水蓄能电站的引水管和尾水管均采用一管四机,十三陵抽水蓄能电站的引水管和尾水管均采用一管二机。立面布置取决于上、下水库之间的地形条件。引水管道有以下两种布置形式。

(1)斜井式。此种型式的引水管一般由上平段、斜井段和下平段组成,为便于开挖出渣,斜井与水平面的夹角不小于50°为宜。尾水段一般为缓倾角倒斜管或一段平管接缓倾角倒斜管。此种型式适用于上、下水库水平距离不大的情况。当上、下水库水平距离较大时,可能要布置两个上平段和两个斜井段。

(2)竖井式。此种型式的引水管一般由上平段、竖井段和下平段或竖井段和下平段组成,尾水管的布置形式与斜井式相似。此种型式适用于上、下水库之间的水平距离较短,不宜布置斜井的情况;或者上、下水库之间的水平距离较长,需要设置调压室,而又无合适地点布置调压室的情况。

4.调压室

(1)设置调压室的判别准则。

1)设置上游调压室的判别准则按规范规定为:

式中 TW——压力水道中水流惯性时间常数,s;

〔TW〕——TW 的允许值,一般取2～4s;

L ——压力水道及蜗壳和尾水管(无下游调压室时应包括压力尾水道)各分段长度,m;

V ——压力水道中各分段的流速,m/s;

g——重力加速度,9.81m/s2;

H——电站设计水头,m。

2)设置下游调压室的判别准则为:

式中 LW——压力尾水道的长度,m;

TS——水轮机导叶的关闭时间,s;

VW0——稳定运行时压力尾水管中的流速,m/s;

VWj——水轮机转轮后尾水管入口处的流速,m/s;

HS——吸出高度,m;

▽——机组安装高程,m。

(2)调压室的基本布置形式。调压室的布置形式主要有以下三种。

1)引水调压室。调压室位于厂房上游的引水道上,通常出现在厂房为尾部布置或中部布置的形式,如图7.9(a)所示。非气垫式调压室的顶部要求高于最高涌浪水位,此种布置形式要求引水道沿线具有高出上水库正常蓄水位足够高度的合适地形条件,当不具备这个地形条件时,则不宜采用引水调压室。

2)尾水调压室。调压室位于厂房下游的尾水道上,此种布置形式常出现在厂房为首部布置或中部布置的,如图7.9(b)所示。

3)双调压室。在厂房上、下游均布置调压室,此种布置形式常出现在输水距离较长,仅在厂房一端布置调压室不能满足要求的情况下,如图7.9(c)所示。

图7.9　调压室布置形式示意图

1— 压力引水道;2—上游调压室;3—压力管道4—下游调压室;5—压力尾水道

(3)调压室的基本类型。

1)简单式调压室。如图7.10(a)所示,整个调压室上、下断面不变,结构简单。这种形式调压室的优缺点是:室内水位变化缓慢、均匀,但水位波动衰减慢、振幅大,影响水轮机工作时间较长,调压室容量较大,工程投资较大。

2)阻抗式调压室。如图7.10(b)、(c)所示,用较细的连接管及带孔的隔板将调压室与引水道连接起来,增加了过流阻力,减小了调压室内水位波动,从而降低调压室的高度。

图7.10　调压井类型示意图

3)双室式调压室。如图7.10(d)所示,这种类型的调压室设有上、下两个调压室,用竖井连接,上室供弃负荷时储水用,其底板应设在最高静水位之上。下室供增负荷时补给水量用,其顶板应设在最低静水位之下。

4)溢流式调压室。如图7.10(e)所示,调压室顶部设有溢流堰,当弃负荷时,调压室内水位迅速上升,达到溢流堰顶时即开始溢流,限制了水位继续上升。

5)差动式调压室。如图7.10(f)所示,在调压室中设有一个圆形管,其上端为溢流口,下部有阻力孔与调压室相通,底部与引水道相连。另一种形式的差动式调压室,是把阻力孔设在底板上,如图7.10(g)所示。这种调压室所需容量最小,水位波动衰减较快,但结构较复杂。

6)气垫式调压室。如图7.10(h)所示,当压力水道的地形条件不具备布置上述几类调压室时,可在压力水道上部开凿封闭空洞,洞内充以压缩空气,下部与压力水道相连,形成气垫式调压室。利用室内的压缩空气来调节水击压力,限制水位上升,因此可以有效减小调压室的高度,适应不利的地形条件。此类型要求调压室密闭性好,对地质条件有一定要求。

规划阶段输水系统布置不作详细比较,只作初步拟定。

7.3.5.6　辅助洞室群的布置

当采用地下式厂房时,除了主厂房外,还有副厂房、主变洞、母线洞、尾水闸门洞、电缆出线洞、进厂交通洞、通风兼安全洞、排水洞以及施工支洞等,在规划阶段也要根据地形、地质条件作出初步安排,以体现各站址布置地下洞室群地形、地质条件的差异。

(1)主变洞和尾水闸门洞一般位于主厂房下游,与主厂房平行布置,相互之间的距离应满足洞室围岩稳定要求。母线洞为厂房与主变洞之间的连接廊道,垂直于厂房和主变洞。

(2)出线洞常采用竖井或坡度较大的斜井,以减小高压电缆的长度,但高差不宜太大,一般不宜大于100m。出线洞常与排风洞相结合,因其抽风能力较大,二者结合优势明显。

(3)交通洞因抽水蓄能电站厂房高程较低,且要求洞底坡度不大于7%～8%,一般洞身较长,通常在下水库下游地势较低的地方寻找合适的进口位置。与厂房的连接多采用沿纵向从厂房端部进入,以避免与其他洞室交叉,对围岩稳定不利。交通洞常采用与通风洞(进风洞、排风洞)相结合,也常与安全洞相结合,作到一洞多用,节省工程投资。

(4)排水洞由厂房集水井向下水库坝下拉出,出口高程应满足排水要求,其具体位置由下水库坝下游河道比降决定。当下水库坝下游河道比降较小,有可能不具备自流排水条件,此时需考虑机械排除厂房集水。

(5)施工支洞的布置需按输水道及地下厂房的具体位置及沿线地形条件而定,其目的是为了增加施工工作面。并尽可能与永久性洞室相结合,有条件时常与进厂交通洞相连,以便尽可能利用一部分进厂交通洞,例如从进厂交通洞分出支洞到各引水支洞。也可与尾水洞、出线洞及其他永久性洞室结合布置施工支洞。