抽水蓄能电站输水设计管理论文

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西龙池抽水蓄能电站输水系统最大PD达到3550m2以上，规模比较大，位于世界前列。在输水系统设计时，充分结合工程地质条件，在借鉴国外成功经验基础上，从线路选择、电站开发方式比较、供水方式、衬砌型式选择、经济管径确定到水力计算、结构设计等都进行了较充分论证。

1.输水系统布置方案选择

1.1地形、地质条件

输水系统沿线地形陡缓相间，冲沟较发育，高差大，基本无全风化带，风化裂隙较发育。输水系统自上而下依次通过中奥陶系上马家沟（O2S）组、下马家沟（O2X）组、下奥陶系亮甲山（O1L）组、冶里（O1Y）组、上寒武系凤山组（∈3f）、长山组（∈3c）、崮山组（∈3g）、中寒武系张夏组（∈2Z）的地层。岩性为灰岩、白云岩、页岩、砂岩等，平均饱和抗压强度为92.8～128.2MPa，根据《水利水电工程地下洞室围岩分类》围岩分类为Ⅱ～Ⅲb类围岩，构造发育部位为Ⅳ～Ⅴ类。

地下水以基岩裂隙水为主，局部有少量的岩溶裂隙水，主要接受大气降水的补给。∈2Z2、∈3c1、O1L2－1、O2x1、O2s1-1组岩层为区域性岩溶作用的相对隔水层，岩溶相对发育，其间为相对含水层，相对隔水层与相对含水层呈“互层”状，并且常在含水层底部形成少量上层滞水。上层滞水共有三层，即①上部为上、下马家沟上层滞水；②中部为冶里、凤山上层滞水；③下部为崮山上层滞水。

厂区及输水系统位于区域地下水分水岭，不利于地下水的赋存，地下水埋藏较深，且围岩属中等透水～弱透水，输水系统围岩渗透条件比较好。

输水系统位于西河～耿家庄宽缓背斜的NW翼，尾水隧洞段位于背斜的SE翼，岩层基本水平，倾角3～10°，工程区发育的主要构造有F112、F114、F118、F116、fp21、fp27、fp30等断层和P5张性断裂带等，构造发育的主要方向为NE30～NE60°。输水系统区域内主要发育有4组裂隙，产状为：①NE5～30°SE∠70～80°；②NE30～50°SE∠70～88°；③NE50～60°SE∠70～89°；④NW330～360°SE∠70～85°。以第②组裂隙最为发育。

1.2输水线路的选择

在进行输水系统线路选择时应尽可能布置成最短的直线，综合考虑地形、地质、枢纽布置等条件选择了3条线路布置方案进行比较，即东线、直线和西线三个方案，详见图1。

由于上、下水库在平面上呈NE54°左右方向展布，采用线路最短的直线布置方案时，管线走向为NE50°左右，与站址区主要构造线走向、区内最为发育的第2组主要裂隙及P5破碎带基本平行或成10～20°的小角度相交，且岩层层面与陡倾的构造、裂隙和开挖临空面很容易形成不稳定块体，对围岩稳定非常不利。所以对直线方案不做重点比较。

工程区大小冲沟较发育，地形比较破碎，适合线路布置的位置并不多。为合理确定输水系统线路，对东线和西线两个方案进行了比较。

(1)西线方案

西线方案在平面上沿山脊布置，输水系统走向从NE85°折向NE26°。高压管道部分位于由F112、F116、F118、F208、F209、F114等断层组成的断层密集带中，断层走向为NE20°～NE40°、倾角70°～80°，在满足地形条件下，高压管道难于避开这些断层。在平面和立面上都与高压管道基本平行或成小角度相交，且高压管道与工程发育的第1和第2组主要裂隙基本平行，围岩稳定问题比较突出。

输水系统的惯性时间常数Tw=2.0s左右，在立面布置上，可不设置调压井，但增加了高压管道长度，经过比较,设置上游调压井方案比不设调压井方案可节省投资1140.5万元，所以重点以设置调压井方案与东线方案进行综合技术经济比较。

(2)东线方案

东线方案线路走向从NE15.5°折向NE70°。高压管道部分走向NE70°与P5张性断裂带、F112等构造夹角皆大于30°，与工程区发育的裂隙夹角较大，围岩稳定条件较好。输水系统总长为1811.15m，Tw=2.0s左右，不需设置调压井。投资与与西线方案相当。

经棕合比较后，东线方案围岩稳定条件比较好，工程布置简单，投资与西线方案相当，所以推荐东线方案线路布置。

1.3电站开发方式选择

在输水系统线路确定后，对电站开发方式进行综合比较。根据本电站的特点即上、下水库距离比较短，电站设计水头较高，输水系统距高比较小，L/H在2.0左右，地下厂房可布置的范围不大等，在此仅就首部和尾部两种电站开发方式进行了综合比较。

(1)工程布置

首部布置方案输水系统是由上水库进/出水口、高压管道、尾水调压井、尾水隧洞和下水库进/出水口组成。输水系统总长为L=2123.77m。详见图2。首部布置方式,高压管道比较短，尾水隧洞大于临界长度，需增设尾水调压井。地下厂房可以布置在地质条件相对好的崮山组∈3g和张夏组∈3z2地层中,由于受地形所限,交通洞、通风兼安全洞、出线兼安全洞等附属洞室洞口位置与尾部布置基本相同。从而使附属洞室长度增加。

尾部方案输水系统由上水库进/出水口、高压管道、尾水隧洞、下水库进/出水口等组成。输水系统总长为1859.28m，详见图5。高压管道比较长，地下厂房布置在地质条件相对较差∈3z地层中,但是附属洞室及高压出线电缆较短，且可不设调压井。

(2)工期

首部方案与尾部方案施工组织设计基本相同，不会因厂房位置而改变工程的关键线路,也就是说2个方案总工期相同。因首部方案增设尾水调压井，导致施工支洞和通风洞长度的增加,使地下厂房施工工期比尾部方案增加3～5个月,地下厂房系统需提前安排施工。

(3)工程造价

首部、尾部方案输水系统和地下厂房系统工程静态投资分别为：68848.17、61883.86万元，动态投资为95203.24万元、85076.23万元。首部方案与尾部方案相比，静态投资增加6964.31万元,动态投资10127.01万元。

首部和尾部开发方式综合技术经济比较见表1。

表1电站开发方式比较表

方案

首部方案

尾部方案

工

程

特

性

输水系统总长

m

2123.77

1859．28

高压管道长度

m

1188.11

1424．62

发电工况水头损失

m

18.045

20.152

是否设置调压井

需设尾水调压井,尾水事故闸门室与尾水调压井结合。

否

输水及地下厂房系统主要工程量

洞挖

万m3

77.58

58.29

砼

万m3

23.22

20.80

钢筋

t

11333

10471

钢衬

t

9062

10064

厂房预应力锚索

根

918

1182

水道预应力锚索

根

6562

4477

地下厂房位置

崮山组∈3g和张夏组∈3z2地层，埋深450m左右

张夏组∈3z2地层,埋深230m左右

工期

年

首部方案厂房工期比尾部方案长3-5个月,总工期相同

静态投资

万元

68848.17

61883.86

动态投资

万元

95203.24

85076.23

主要优缺点

1.厂房围岩地质条件相对较好。

2.高压管道较短。

3.需增设尾水调压井和尾水事故闸门。

4.各附属洞室及高压出线电缆较长。

5.总工期相同,但厂房工期增长。

6.投资较大,静态比尾部方案多6964.31万元，动态多10127.01万元。

1.厂房围岩地质条件相对较差。

2.高压管道较长。

3.不需设置调压井和尾水事故闸门室。

4.各附属洞室及高压出线电缆较短，比首部方案减少465m。

5.工程投资小。

从地形条件、地质条件、工程布置、工期、工程投资等方面综合比较可以看出，尾部方案明显优于首部方案，所以推荐尾部布置方案。

1.4供水方式比较

1.4.1引水道供水方式比较

在保证电能损失基本相等基础上，对一管四机、一管二机、一管一机3个方案进行比较。

一管四机方案的投资最少，但管径大，输水系统最大PD＝5360m2，钢管最大厚度达83mm（HT-80,）。已超过世界最高水平，无论从加工制造和现场安装都是很困难的。技术可行性比较差，另外，电站运行灵活性差，也不利于提前发电；一管一机方案管径小，钢管最大厚度为44mm，比较薄，制造、安装容易，且不设岔管，运行灵活，但工程量大，工程造价高，较一管两机方案投资增加6596.6万元；一管两机方案最大PD＝3800m2左右，钢衬厚度为40～60mm。类比国外工程，如日本的今市和蛇尾川电站的最大钢衬厚度都已达到62～64mm。所以无论从制造加工、现场安装条件来说，一管两机方案在技术上是可行的；较一管一机方案工程量少，投资省，因此本阶段引水道供水方式推荐一管两机方案。

1.4.2尾水隧洞数量比较

电站采用尾部开发方式，尾水隧洞较短，不需设尾水调压井。尾水隧洞比较了一机一洞、两机一洞、四机一洞三个方案。一机一洞方案不需另设尾水事故闸门，及尾水岔管，工程量小和投资最少，布置简单，运行灵活。故选用一机一洞布置方式。

1.5竖井、斜井方案比较

相应于选定的尾部开发方式，输水系统在立面布置上受P5和F112等不利地质构造的控制，为将P5和F112等地质构造对输水系统围岩稳定的影响减少至最小，对上竖井下斜井、上斜井下竖井、斜井、竖井4个布置方案进行了综合比较。比较结果见表2。

表2竖斜井综合比较表

方案

上竖井下斜井

上斜井下竖井

斜井

竖井

输水系统总长(m)

2023.68

1952.21

1859.28

2121.07

高压管道长度(m)

1589.02

1517.55

1424.62

1686.41

惯性时间常数Tw(s)

2.30

2.15

2.07

2.40

3#机组引水系统主要工程量

洞挖(万m3)

6.44

6.06

5.46

7.24

砼(万m3)

2.84

2.62

2.36

3.14

钢衬（t）

10137.0

8550.4

8009.8

11320.6

投资（万元）

25704.4

21725.1

20433.9

28812.3

优

缺

点

比

较

地

质

条

件

P5和F112在下平段与高压管道相交，围岩稳定条件较好，

P5可能与高压管道中平段相交，但F112与下竖井以小角度相交，围岩稳定条件较差.

P5可能与中下平段相交，围岩稳定条件较好，F112与下斜井大角度相交，对围岩稳定影响不大。

P5和F112在下平段与高压管道相交，围岩稳定条件较好，

施工

条件

高压管道成洞条件较好，但钢衬厚度较大，最大为62mm

下竖井围岩稳定条件较差，施工难度较大。钢衬厚度较薄，为57mm

下斜井上段围岩稳定条件较差，施工难度较大,钢衬厚度较薄，为57mm

高压管道成洞条件较好，但钢衬厚度较大，为59mm

工程量及费用

工程量较大。投资比3方案高5270.2万元

工程量较小。投资比3方案高1291.2万元

工程量最小。投资为20433.9万元

工程量最大。投资比3方案高8378.4万元

综合比较

地质和施工条件都比较好，但工程量与投资比较大。惯性时间常数也较大。

虽然工程量比较小，但下竖井难于避开F112。围岩稳定条件较

差。

工程量与投资最少，P5与中平段相交，围岩稳定条件较好。惯性时间常数最小。

，但工程量与投资最大。惯性时虽然围岩稳定条件较好间常数也最大。

斜井方案明显优于其它3个方案。P5、F112等构造对输水系统围岩稳定的影响相对其它方案是比较小的，且工程量和工程投资也是最小的，惯性时间常数最小，电站运行稳定性较好,所以设计推荐斜井方案。

2输水系统衬砌型式选择

通过供水方式综合比较，确定引水系统采用一管两机的供水方式，高压管道最大PD值高达3500m2以上。输水系统衬砌型式的确定对其造价有着举足轻重的影响。对于高PD值高压管道，衬砌型式的选择尤为重要。目前大PD高压管道常采用的衬砌型式有：钢筋砼衬砌、预应力砼衬砌、钢板衬砌等。

2.1砼衬砌方案的布置与设计

从经济角度来讲，充分利用围岩的弹性抗力，不衬或采用砼衬砌是比较经济的，但是砼衬砌对围岩的地质条件要求比较高，要想使砼衬砌可行，必须同时满足应力条件和渗透条件。砼衬砌方案的布置详见图3。

2.1.1应力条件

应力条件是指沿管线各点的最大静水压力要小于围岩的最小主压应力。为便于确定管线的布置，首先根据挪威准则初步验算覆盖层的厚度，再根据地应力资料最终确定输水系统管线布置。

对输水系统各控制点覆盖层厚度分别进行计算，除部分高压支管外，其它部位均能够满足挪威准则的要求。

为了解输水系统压力管道范围内的地应力情况，对输水系统上平段ZK97-27、中平段位置ZK97-26、下平段附近的ZK97-21等钻孔进行了地应力测试。高压管道埋藏较深的部分，最小主压应力皆大于内水压力静水头，是能够满足应力条件的。通过三维地应力场回归结果可知，岔管部位的最小主压应力为9.0MPa左右，大于内水压力静水头，也能满足应力条件。从地形、地质条件来讲，具备了采用钢筋砼衬砌条件，而高压支管部分，经过P5张性断裂带、F112、fp38等地质构造，且不能满足应力条件，所以岔管后的高压支管采用钢板衬砌。

2.1.2渗漏条件

渗漏条件是指输水系统渗漏量应在设计允许范围之内。本工程上、下水库皆为人工库，无天然径流补给，且下水库为悬库，高于滹沱河床180m左右，补水费用比较高。鉴于本工程特点，对渗漏条件要求比较高。

输水系统沿线上马家沟组（O2S2）、下马家沟组（O2X1）、冶里组（O2Y）、凤山组（∈3f）、崮山组（∈3g）地层岩溶相对比较发育，属中等透水～弱透水，占高压管道砼衬砌段长度的77%左右，渗透系数为0.8×10-5～1.2×10-5cm/s。尾水隧洞及高压管道下平段，发育有P5、F112、fp38、fp28、fp30、F207、fp11、fp13、F118、F114、F116、F209等地质构造，容易形成集中渗流通道。

地下水类型以基岩裂隙水为主，局部有少量岩溶裂隙水，主要接受大气降水补给。工程区O2S1-1、O2X1、O1L2—1、∈3C1、∈2Z2为相对隔水层，其间为相对含水层，在含水层底部存在少量上层滞水。由于输水系统位于西河—耿家庄宽缓背斜的轴部附近，地下水位很低，通过厂房平洞PD95-1内各钻孔水位长期观测结果，张夏组岩层的地下水位为716.0～719.0m,崮山组岩层地下水位为768.0～769.0m。

输水系统沿线大部分岩层属中等透水～弱透水，且地下水位比较低，为减少渗漏量，输水系统钢筋砼衬砌采用限裂设计，最大裂缝开展宽度为0.2mm。

(1)钢筋砼衬砌结构设计

根据钢筋、砼、围岩的变形协调条件，计算围岩、钢筋砼承担内水压力的比例，其中钢筋砼承担的内水压力按限裂设计，不足部分通过高压灌浆使衬砌产生预压应力来承担。钢筋砼衬砌计算结果见表3。输水系统钢筋砼衬砌采用限裂设计，最大灌浆压力为9.8MPa。目前我国采用灌浆压力最高的为天荒坪抽水蓄能电站，最高值为9.0MPa。南非的德拉肯斯保抽水蓄能电站预应力砼管，最大灌浆压力为8.0MPa,因此从结构方面来说除下斜井下部灌浆压力比较大外，钢筋砼衬砌基本是可行的。

表3钢筋砼衬砌计算结果

部位

R

(m)

Rr

(m)

Rs

(m)

P(MPa)

E(MPa)

Pr

(MPa)

Ps

(MPa)

Pg(MPa)

P0

(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)输水系统渗漏量估算

采用钢筋砼衬砌还必须满足渗漏条件，按围岩与砼衬砌厚壁组合圆筒进行估算。输水系统沿线各段渗漏量估算结果见表4。从计算结果来看，整个输水系统渗漏量为6.064m3/s,单位管道长度平均渗漏流量为4.04×10-3m3/s.m。与站址选择补充报告中羊老蹄—李家庄方案输水系统三维有限元渗流计算结果（整个输水系统渗漏流量为10.484m3/s,单位管道长度平均渗漏流量为4.5×10-3m3/s.m）相当，说明渗漏量估算结果是基本可信的。

表4输水系统渗漏量估算结果

部位

围岩

渗透系数KR

10-6m/s

内径D

m

砼衬砌

厚度

m

各管段

长度L

m

单位管长

渗流量QC

m3/s.m

各段渗

漏流量

m3/s

上平段

10

4.7

0.6

318.12

0.000745

0.237×2

上竖井O2S1O2X2

10

4.7

0.6

140

0.00129

0.181×2

上竖井O2X1

0.004

4.7

0.6

120

0.0000169

0.002×2

上竖井O1L2

10

4.7

0.6

165.07

0.00297

0.490×2

中平段

10

4.7

0.6

92.98

0.00331

0.308×2

下斜井

8

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

合计

6.064

整个输水系统的渗漏流量是很大的，既使内水压力较低的上平段及尾水隧洞渗漏流量分别为0.474m3/s和0.664m3/s也是比较大的，整个输水系统每天渗漏量可达52万m3，占调节库容的12%,钢筋砼衬砌难以满足渗漏条件，应采用预应力砼或钢板等无渗漏衬砌型式。

2.2预应力砼衬砌

根据预应力的施加方法，预应砼衬砌可分为二种类型，一是依靠围岩约束，通过高压灌浆来施加预应力的高压灌浆法预应力砼衬砌；二是通过张拉预应力筋来实现预应力的后张法预应力砼衬砌，也称环形锚索预应力砼衬砌。

2.2.1高压灌浆法预应力砼衬砌

高压灌浆法预应力砼衬砌，能够利用围岩约束，充分发挥围岩的弹性抗力，利用高压灌浆在砼衬砌上产生的预压应力来抵消由内水压力产生的拉应力，使衬砌结构处于受压状态或拉应力不大于砼抗拉强度的状态。是一种比较经济的衬砌型式，但对围岩条件要求比较高。

高压灌浆法预应力砼衬砌计算结果见表5，通过计算可知，既使压力不太高的中平段，所需灌浆压力达11.72MPa，灌浆压力作用下，砼衬砌的压应力为51.3MPa，既使C60砼也不能满足强度要求。

表5高压灌浆法预应力砼衬砌灌浆压力计算成果

项目

单位

计算位置

引水隧洞

中平段

尾水隧洞

围岩单位弹性抗力系数K0

kN/cm3

2.5

2.8

1.0

设计内水压力P

MPa

1.18

6.45

1.16

洞径D

m

4.7

4.7

4.3

衬砌厚度

m

0.6

0.6

0.6

灌浆压力q0/设计内水压力p

1.88

1.82

2.23

灌浆压力q0

MPa

2.22

11.72

2.60

q0作用下砼衬砌的压应力σθ

MPa

15.31

51.3

10.7

备注

C30砼即可满足要求

既使C60砼也不能满足要求

C25砼即可满足要求

目前大规模灌浆所实现的压力为8～9MPa，11.72MPa以上的灌浆压力实现难度比较大，所以整个输水系统采用高压灌浆法预应力砼衬砌实现难度比较大，只有根据各段不同条件，采用不同的衬砌型式。

虽然上平段及尾水隧洞设计内水压力比较低，所需最大灌浆压力也不大，考虑到上平段位于上马家沟组地层，围岩分类属Ⅲb类，岩溶比较发育，高压灌浆难度比较大；尾水隧洞位于张夏组地层中，构造比较发育，围岩分类为Ⅲb类，构造发育部位为Ⅳ～Ⅴ类，围岩条件较差，且洞间距不大，所以对于上平段及尾水隧洞，也不推荐高压灌浆法预应力砼衬砌型式。

2.2.2环锚预应力砼衬砌

环锚预应力砼衬砌由于受锚具布置所限，能实现PD值不高，一般在1600m2以下，而本工程最大PD=3500m2以上，整个输水系统采用环锚预应力砼衬砌是难以实现的，只有PD值不高的部位可考虑。

环锚预应力砼衬砌是通过张拉预应力锚索来实现，内水压力基本由预应力锚索承担，对围岩条件要求比较低。上平段和尾水隧洞PD=510m2左右，据国内小浪底无粘结预应力混凝土衬砌及隔河岩有粘结预应力混凝土衬砌工程经验,预应力混凝土衬砌投资比钢板衬砌方案可节约30%左右。国外高压管道工程实践也证明了预应力混凝土衬砌比钢板衬砌方案可节省10%～30%的造价；经工程类比认为在此内水压力条件下进行后张预应力混凝土衬砌是可行的。从我国已完成的清江隔河岩、天生桥及正在施工的黄河小浪底排沙洞情况看，目前我国在设计、施工与材料方面均具备采用环锚预应力混凝土衬砌的条件，上平段及尾水隧洞PD值不高具各采用后张预应力混凝土衬砌的条件。技施阶段，考虑环锚衬砌施工工艺较复杂，而且需进行必要的试验，通过补充分析研究，上平段和尾水隧洞采用钢板衬砌。

2.3钢板衬砌

钢板衬砌也就是地下埋管，对围岩条件要求比砼衬砌方案低的多，钢衬方案布置见图5。地下埋管结构是按钢衬—外围砼—围岩联合作用，共同承担内水压力来设计。

通过过渡过程计算，压力管道末端的最大水击压力为944.47m水头。最大设计内水压力为10.15MPa高压管道最大PD=3553m2。经过计算，高压管道最大钢衬厚度为57mm（HT-80）。从国外工程实例可以看出，钢衬厚度大于57mm的工程实例比较多，最大的是日本的今市抽水蓄能电站钢衬厚度为77mm，且我国已建的十三陵抽水蓄能电站高压管道，已有较大规模采用80级钢材的经验，因此高压管道采用钢衬方案技术上是可行的。

2.4衬砌型式比较结论

(1)由于输水系统沿线围岩属中等透水～弱透水，且地下水位比较低，虽然采用钢筋砼衬砌在结构上是基本可行的，但渗漏比较严重。因此无论是从电能损失还是从运行期水量补给角度上看，钢筋砼衬衬都是不能满足要求的。

(2)为减少渗漏量，若输水系统全部采用高压灌浆法预应力砼衬砌，由于高压管道PD值比较大，即使压力不太高的中平段所需灌浆压力已将达11.72MPa，目前大规模灌浆所实现的压力一般最大为8～9MPa，整个输水系统采用高压灌浆法预应力砼衬砌实现难度比较大；且在灌浆压力作用下，砼衬砌的强度也难以满足要求。上平段及尾水隧洞设计内水压力比较低，所需最大灌浆压力也不大，但考虑到上平段岩溶比较发育，高压灌浆难度比较大；同时尾水隧洞围岩构造比较发育，围岩条件较差，且洞间距不大，所以对于上平段及尾水隧洞，也不推荐高压灌浆法预应力砼衬砌型式。

(3)高压管道采用钢板衬砌，所需最大钢衬厚度为57mm（HT-80），类比国外工程实例和我国设计、施工经验来看，这种规模的高压钢管技术上是可行的。

3经济管径比较

根据输水系统的具体情况，整个输水系统大至分为三段，即上斜井、下斜井和尾水隧洞。对上述各管段分别拟定三个管径方案，共组合成27个方案，采用费用现值最小法进行比较。从能量损失和电站运行稳定性考虑，6方案(上平段及上斜井为4.7m、中平段及下斜井为3.8m、高压支管为2.8m、尾水隧洞为4.3m)为较优方案。

由于高压管道的设计水头比较高，钢板衬砌厚度较大。为了降低PD值，减少钢板衬砌和钢岔管的设计、制造难度，在上述确定的输水系统管径方案的基础上，针对下斜井的洞径又作了进一步优化，将3.8m直径的下斜井分为2段，上段直径为4.2m，下段直径为3.5m，高压支管直径为2.5m。经对此方案经济分析与方案6相比，其费用现值减少了52万元；水头损失为20.15m，减少了2.28m；电站综合效率提高到0.75，明显较优。

最终确定输水系统管径为：上平段及上斜井为4.7m、中平段及下斜井上段为4.2m、下斜井下段及下平段为3.5m、高压支管为2.5m、尾水隧洞为4.3m。

4水力计算

输水系统水力计算主要包括水头损失和水力过渡过程分析两部分。计算的主要目的是预测整个输水系统发电、抽水工况的能量损失，过渡工况机组转速变化和输水系统压力变化及其极值，选定导水机构合理调节时间和启闭规律，使输水系统结构设计和机组参数的确定做到经济合理。

4.1水头损失计算

水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失计算结果见表6。

表6输水系统水头损失计算结果

工况

1#输水系统

2#输水系统

双机发电

双机抽水

双机发电

双机抽水

水头损失计算公式

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

水头损失值(m)

20.585

15.400

20.152

15.110

注：Q为2台机组的相应引用流量。

4.2水力过渡过程计算

由于抽水蓄能电站具有一机多用，工况转换频繁的特点，复杂多变的工况转换产生的瞬变水力过程，因水体惯性的存在及系统中的能量不平衡，将造成输水系统内水压力急剧上升或下降和机组转速的急剧上升。为使输水系统的压力上升和机组转速上升保持在经济合理的范围内，选定导水机构合理调节时间和启闭规律，因此本阶段委托清华大学进行各工况的水力过渡过程计算。计算成果如下:

（1）输水系统最大水击压力为944.47m水头，发生在机组蜗壳进口管道中心线处。压力升高值为201.11m水头，相对升高为27.1%。高压管道上弯点中心线最小压力为11.81m水头，上弯点顶部的最小水头为9.46m，大于规范规定的不小于2.0m正压的要求。输水系统的最小水击压力为6.86m水头，发生在下水库进/出水口处。

（2）上游闸门井最高涌浪水位为1496.91m，低于闸门井顶高程（1499.5m）2.59m。下游闸门井最高涌浪水位为843.73m，低于闸门井顶高程(844.5m)0.77m；上游闸门井的最低涌浪水位为1438.65m，闸门井处隧洞顶最小正压力为25.3m。下游闸门井的最低涌浪水位为788.84m，闸门井处隧洞顶最小正压力为5.79m。上、下游闸门井的最低水位均满足规范规定的不小于2.0m正压的要求。

(3)机组最大转速为706.5rpm，最大转速上升率为41.3%。

(4)通过小波动稳定分析可知，在小负荷变化情况下，输水系统的过渡过程也是稳定的。

因此证明输水系统的布置是合理的。待下阶段取得水泵水轮机可靠的特性曲线后，将进一步核算水力过渡过程。

5进/出水口设计

上水库位于上马家组第2段O2s2地层中,由于O2s地层中O2s2-2、O2s2-4、O2s2-6为岩性较软的白云岩，而且存在软弱夹层，为使高压管道的上平段避开O2s2-4组地层，改善上平段围岩稳定条件，结合总体布置，上水库进/出水口采用井式。

为了对上水库进/出水口的设计体形的合理性进行验证和优化，委托天津大学水利工程科学研究所对上水库进/出水口进行1:39.17的水工模型试验，试验成果表明：上水库进/出水口在发电和抽水工况下，进/出水时的库水位均较平稳，未出现有害的吸气漩涡，各孔口的流量分配均匀，水头损失也较小，流速分布较均匀，均能满足抽水蓄能电站进/出水口水力学的要求。但是，经多次修改模型试验，均未能完全消除出水口底部的反向流速问题，虽然反向流速不大，仍有待下阶段进一步试验研究。

下水库对侧式和塔式进/出水口进行综合比较后，推荐侧式进/出水口。

6岔管设计

本阶段比较了钢筋混凝土岔管和钢岔管两种结构型式，详见专题报告之八《高压岔管型式研究报告》。推荐采用内加强月牙肋钢岔管。从输水系统总体布置（见图4）来看,岔管采用非对称Y型是比较顺畅的。在岔管体形设计时，初步选用不对称Y形岔管。岔管主管两支管轴线夹角为50°，设计内水压力为10.15Mpa，为减少岔管不对称性，在主锥前通过两节园锥过渡，将分岔角增大到72°。通过采用三维有限元进行优化，岔管主体最大壁厚为82mm，肋板最大厚度为180mm。在钝角区和肋板存在明显侧向弯曲。为改善受力状态，减少钢板厚度，对岔管布置进行调整，采用对称Y形布置形式，经多方案优化后，确定岔管主体最大壁厚为68mm，肋板最大厚度为150mm，两个岔管布置方案应力水平相当，而钢板厚度却大大减薄。减少了制造安装难度。

7输水系统结构设计

7.1高压管道结构设计

压力管道为地下埋藏式，最大PD=3500m2以上。按钢衬、砼、围岩三者联合受力设计，考虑三者之间存在初始缝隙，并假定外围砼只传递径向荷载，砼厚度均为57cm。根据《水电站压力钢管设计规范》（SDJ144-85）和参考已建抽水蓄能电站经验进行压力钢管设计。

8推荐方案输水系统布置

输水系统由上水库进/出水口、上游闸门井、高压管道、尾水隧洞和下水库进/出水口等组成。详见图4、图5。输水系统总长为1811.15m～1859.28m。上水库采用井式进/出水口，下水库为岸边式进/出水口。压力管道为2条，平行布置，斜向进厂，与厂房纵轴线夹角为65°。上平段井式进/出口弯段下游侧至闸门井上游渐变段范围，采用后张法无粘结预应力混凝土衬砌。衬砌段长度为197.3m，内径为4.7m。高压管道采用斜井布置，上斜井倾角56°,下斜井倾角60°，主管直径为4.7m～3.5m，最大断面平均流速为11.62m/s。高压管道采用钢板衬砌，钢衬最大厚度为57mm（HT-80），外围混凝土厚度为60cm。在距厂房中心线54m左右，布置高压岔管,岔管采用内加强月牙肋岔管,岔管突破传统的明管设计方法，采用围岩分担内水压力设计，钢岔管主体最大钢板厚度为56mm，肋板厚度120mm。岔管将2条高压管道分成4条高压支管，高压支管内径为2.5m,采用钢板衬砌，钢衬最大厚度为45mm,钢衬外围混凝土厚度为60cm。