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天池抽水蓄能電站輸水系統設計

文檔作者：雷谷峰文檔來源：中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司		更新日期： 2026年06月16日	點擊數：
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LoW CARBON Wf)RI．D 201 6，l2 低碳技術
天池抽水蓄能電站輸水系統設計
雷谷峰(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙410014)
【摘要】本文介紹天池抽水蓄能電站的輸水系統的工程地形地質條件、輸水系統布置、進，出水口設計、引水隧洞、引水岔管及壓力鋼管設計。
【關鍵詞】天池抽水蓄能電站：輸水系統：設計
【中圖分類號】TV743 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095—2066(2016)34—0101—02
1輸水系統工程概述
天池抽水蓄能電站裝機4x300MW．額定水頭5i0．Om。上
下水庫進／出水口水平距離約3376m 距高比為6．6。輸水系統
布置于黃鴨河左岸天池岈溝與馬蹄河溝之間的山梁下．總體
呈北北東向，輸水系統分為引水、尾水系統．引水系統采用一
洞兩機，尾水系統采用一洞一機布置．尾部式廠房布置，設引
水調壓井。
2輸水系統工程地形地質條件
輸水系統布置在天池岈溝與馬蹄河之間的雄厚山體內．
區內地形總的趨勢是北高南低．沿線無大的 中溝切割．地形較
完整 洞室埋深為47—514m，穿越的地層為中條期混合花崗巖
類和下元古界混合花崗片麻巖類，這兩類巖體邊界不規則．呈
漸變過渡。為混合交代接觸關系，巖性主要是花崗巖。
上庫進／出水口、引水主洞上平段、上斜井段穿越的地層
為中奈期混合花崗巖類．巖性主要是花崗巖。洞室穿越巖體風
化程度均為微風化～新鮮， 整個洞室圍巖類別以Ⅱ類為主，穩
定性較好。引水隧洞中平段、下斜井段、下平段和尾水系統穿
越的地層主要為下元古界混合花崗片麻巖類．巖性主要為花
崗巖。地表多為強風化巖石， 洞室穿過巖體風化程度均為新
鮮 下元古界混合花崗片麻巖類與中條期混合花崗巖類接觸
帶未見蝕變現象。整個洞室圍巖類別以Ⅱ類為主，穩定性較
好．．榆水系統工程區地下水主要是基巖裂隙水 ．
3 輸水系統布置
輸水系統主要建筑物包括上水庫進／出水口、引水主洞、
上游調壓井、引水鋼岔洞、引水支洞、尾水洞和下水庫進／出水
口等，引水系統二洞四機布置兩個相同的水力單元， 中心距
66m，承受最大靜水頭為628m。為使輸水系統深埋隧洞，洞線
沿黃鴨河左岸天池岈溝與馬蹄河溝之間的山脊下布置，輸水
系統全長3616m． 引水系統長3l63m，尾水系統線路長度為
453m。其中從中平洞始端187m處至高壓支管采用鋼板襯砌。
尾水管出口102m 的尾水隧洞下平段采用銅襯，其余洞段采
用銅筋混凝土襯砌 發電工況、抽水工況輸水系統最大水頭損
失分別為l1．16m、l0．522m．．
引水系統由上平洞、引水調壓井、上斜井、中平洞、下斜
井、下平洞、引水岔管和高壓支管組成，兩條引水隧洞在主廠
房上游約60m 處設1、型月牙肋鋼岔管，分4條引水支洞，在
平面上以75。平行進廠．引水隧洞洞徑為6．0～5．4m，高壓支洞
洞徑3．8m 引水隧洞鋼襯厚度26～65mm． 混凝土襯砌厚度
60em 、引水調壓井直徑8．7m，襯砌厚度為0．8m。
尾水隧洞平行布置4條，洞徑4．88m，中心間距為22．Om，
尾水隧洞由下平段、下彎段、斜井段和上彎段組成，上彎段后
直接和下水庫進，出水口的漸變段相接。
輸水系統布置如圖l所示。
圖1輸水系統縱剖面示意圖
4 輸水系統主要設計特點
4．1上、下水庫進／出水口體型及水力學研究
上水庫側式進，出水口由整流段、漸縮段、矩形埋管段、閘
門豎井段和閘門后漸變段組成． 單個進／出水口寬度為
24．OOm。攔沙坎設置于反坡坡度為l：7的整流段上游70m 處．
整流段和漸縮段均置于上水庫庫內． 整流段內設置4道防渦
梁，三向矩形漸縮段長40．Om，平面雙向收縮角為23。033。，頂
板單側收縮角為4．7162。． 漸縮段后接長度為51．00m 的矩形
埋管段和8．0m長的閘門豎井段。豎井內設一道事故檢修閘
門．閘門由啟閉機室內的固定式卷揚機啟閉．啟閉機室平臺通
過④公路和① 公路相接。閘門井段后接長度為l2．50m長的方
圓漸變段．斷面尺寸由4．7rex6．5m的矩形漸變為直徑為6．0m
的圓形
下水庫進／出水口平行并排布置4個相同的進／出水口．由
漸變段、閘門豎并段、矩形埋管段、漸擴段和整流段組成，與上
水庫進／出水口型式相似
抽水蓄能電站運行是雙向水流．進／出水口的水力條件比
較復雜．．為了觀測各種工作水位下發電和抽水時的水流情況
和水頭損失，經過整體水工模型試驗驗證、改進，在各種工作
水位和流量組合下進／出水口上方都不會產生貫通吸氣漩渦、
負壓．進／出水口分流墩使出流各流道分流均勻良好。
4．2 引水洞襯砌型式選擇
根據目前國內抽水蓄能電站的設計經驗．在隧洞滿足最
小覆蓋厚度、洞問滲透穩定的情況下。隧洞內水壓力主要由圍
巖和混凝土聯合承擔．其中大部分由圍巖承擔。本工程引水主
洞布置區地形地質條件較好，水頭相對較高．2條引水主洞間
的巖柱厚度為58．8m，下平段最大靜水壓力為6．28MPa．則滲
透水力梯度為9．4．隧洞沿線垂直和側向埋深均滿足要求，但
中平洞、下斜井及下平洞部分洞段的最小側向埋深安全裕度
偏低：同時根據在地質探洞岔菅區進行的高壓壓水試驗成果
看，在試驗壓力為8MPa時，巖體最大透水率為2．63Lu，因此，
參照目前國內抽水蓄能電站引水隧洞的設計經驗， 引水隧洞
除上平洞、上斜井及中平洞上游段l87．244m采用鋼筋混凝土
襯砌外．其余洞段均采用鋼板襯砌型式。
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低碳技術 LoW CARBoN WoRLD 2016，l2
尾水隧洞下平段頂部有母線洞和主變洞等大的洞室穿
越，為保證廠房下游側邊墻、母線洞和主變室的穩定及防滲要
求．尾水管出口102m的尾水隧洞下平段采用鋼襯．其余洞段
全部采用鋼筋混凝土襯砌
4．3鋼筋混凝土襯砌段結構設計
引水上平段、調壓井、上斜井、部分中平段和尾水隧洞等
均采用鋼筋混凝土襯砌．此部位均為Ⅱ類或Ⅱ一Ⅲ 類圍巖．其
上覆巖體均滿足內水壓力作用下的挪威準則要求． 圍巖最小
主應力應大于內水壓力，保證在運行水頭下不產生水力劈裂．
且圍巖為弱～微透水巖石，設計中充分利用圍巖的承載、抗滲
能力。隧洞采用0．5～0．6m鋼筋混凝土襯砌．為限裂透水結構．
其主要作用是平整圍巖表面、降低糙率，利于圍巖灌漿，提高
圍巖的防滲能力。結構計算采用圓形有壓隧洞襯砌公式法進
行計算．配筋計算結果見表1。
表1 鋼筋混凝土襯砌配筋計算成果表
都住 洞徑( 最大裂縫 寬度
m) 襯砌厚度(m) 內水壓力(m) 鋼筋(m) (
1／am)
調壓井 8．7 O．8 224．71 單層5擊l8 O．13
引水上平洞 6．0 0 5 224．71 單層5+14 O．18
引水中平洞 6．0 0．5 544．86 單層10+14 0．15
尾水下平洞 4．88 O．6 143．98 單層10+20 0．19
為了充填襯砌與圍巖間的縫隙．改善襯砌的傳力條件和
減少滲漏．除斜井外均進行回填灌漿處理．其灌漿范圍為頂拱
120。，灌漿壓力O．3—0．5MPa。隧洞全斷面固結灌漿。灌漿孔間
排距3m，入巖4～5m，灌漿壓力隨隧洞的埋深和內水壓力的增
大而逐漸升高。壓力值1～6MPa。
4．4高壓鋼襯段結構設計
4．4．1壓力鋼管
壓力鋼管壁厚計算按照《水電站壓力鋼管設計規范》中推
薦的公式進行計算．廠房上游邊墻15m范圍內管壁厚度按明
管設計．15～30m 范圍圍巖單位抗力系數K0=0的地下埋管設
計．內水壓力全部由鋼管承擔；其余部分按地下埋管設計，內
水壓力由鋼管、混凝土和圍巖聯合受力。鋼管內水壓力近似按
蝸殼進口斷面處的壓力進行計算，外水壓力考慮引水支洞段
排水系統的作用，排水廊道高程底至引水銅管段取全水頭，排
水廊道底高程至地面高程段取0．4倍地下水水頭。
鋼管壁厚計算成果見表2。
表2 壓力鋼管鋼襯厚度計算成果表
斷面位置 2．24m 管段 廠前15m管段 廠前30m 管段 地下埋管段
管材 61OMPa
鋼襯厚度(mm) 40 65 56 26-50
加勁環高度(mm) 15O 15O
加勁環厚度(mm 2O 20
4．4I2 高壓鋼岔管
天池抽水蓄能電站岔管段承受水頭高， 荷載設計值
8．4MPa，PD值較大。最大達4320m ，鋼岔管按明管和聯合承載
結構進行了三維有限元計算分析，采用月牙肋卜形鋼岔管型
式，由于天池抽水蓄能電站岔管周圍為Ⅱ類巖體?？紤]由圍巖
承擔一部分內水壓力，以減小管壁厚度和肋板尺寸。為此，根
據地下埋藏式鋼岔管聯合承載設計準則，確定相應的鋼岔管
體形、管壁厚度和肋板尺寸，并滿足明管校核條件(即鋼岔管
中最大應力低于屈服強度)的管壁厚度和肋板尺寸．管壁最大
厚度58mm，肋板厚度120mm。
埋藏式鋼岔管光面管抗外壓穩定安全系數小于2．0．因此
需要采用加勁環才能滿足抗外壓穩定要求．所需的加勁環間
距為2．5m、高度0．2m、厚度為54mm。埋藏式鋼岔管由于考慮
了圍巖聯合承載。不能按最大內水應力進行水壓試驗．水壓試
驗時最大內水壓力值不宜超過6．53MPa
4．5高壓鋼管排水設計
引水系統布置區的山體雄厚，地下水位較高，由于鋼襯段
長度較長。外壓失穩的穩定問題應重視。為降低鋼襯段的外水
壓力，保持地下洞室的干燥，設置兩套排水設施。①在壓力銅
管上方設置排水廊道，排水廊道平面平行于壓力鋼管布置，中
平洞排水廊道布置兩條，位于中平洞壓力鋼管上方約43m處，
下平洞排水廊道布置三條，位于下平洞壓力鋼管上方71～5lm
處。中平洞排水廊道下游端底板打三條D90排水孔，將中平洞
排水廊道的水排到下平洞排水廊道。下平洞排水廊道與廠房
排水廊道結合，廊道內排水方式采用自流排水。② 銅管管壁及
巖壁排水．由環向集水管和縱向排水管組成．于廠房上游墻出
露，并引至廠房集水井。鋼管管壁及巖壁排水力求施工工藝簡
單、安全可靠、排水效果好。
5 結論
天池抽水蓄能電站輸水系統較長， 廠房為尾部式開發方
式．需設置引水調壓井。高壓管道壓力較低的上平段及上斜井
段巖體較完整．采用鋼筋混凝土襯砌易于施工．結構安全風險
較低。高壓管道根據地形地質條件，采用雙斜井布置，不僅縮
短了高壓管道的長度。同時布置較長的中平段減少高壓段的
長度，也是比較經濟的。
參考文獻
【1】邱彬如，劉連希．抽水蓄能電站工程技術[M]．北京：中國電力出版社
2008．
收稿日期：2016—11-1
作者簡介：雷谷峰(1971一)，女，高級工程師，本科，_*--t-,V,事水
電工程設計工作。

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