水道系统的安排及布置方案

（1）进/出水口及闸门井布置。

上水库、下水库和地下厂房位置确定后，水道系统的布置也就基本确定了。上水库进/出水口布置在上水库西北侧较为合适，该处布置进/出水口水面较开阔，对进/出水口水流条件有利。上水库进/出水口部位岩性以片麻状黑云母花岗岩为主，夹斜长角闪岩和角闪片岩，进/出水口段断层不发育，张性卸荷裂隙较发育，岩体以弱风化为主，岩体完整性差。下水库进/出水口布置在下水库左岸，距离拦河坝和拦沙坝分别为180m、250m，该处沿进/出水口进水方向水面宽度约200m，两侧宽度较大，对进/出水口水流条件无不利影响。进/出水口地表岩性以片麻状花岗岩为主，另发育有斜长角闪岩脉和钾长花岗岩脉，为满足库容要求，对该部位山包进行了开挖，所以下水库进/出水口坐落在弱风化至新鲜岩体上，基岩一般属Ⅲ类，局部断层切割部位属Ⅳ～Ⅴ类岩体。水道系统地质剖面图如图1.2.1所示。

抽水蓄能电站进/出水口的工作条件要适应双向水流的水力条件，适应上、下水库水位变化频繁、变幅较大的特点，通过采取合理的体型设计，尽可能减小水头损失、提高电站效益。从地形地质条件来看，呼和浩特抽水蓄能电站上、下水库进/出水口均具备布置岸边侧式进/出水口的条件，侧式进/出水口具有结构布置简单、水流条件好、水头损失小的特点，在我国许多已建、在建抽水蓄能电站中得到广泛应用。因此，上、下水库进/出水口均采用岸边侧式进/出水口。上、下水库闸门井布置在进/出水口后山体中。

进/出水口设计需要兼顾进流与出流两种情况：进流时，要逐渐收缩；出流时，要逐渐扩散；进流时，各种水位和工况下拦污栅处的流速分布均匀，水流平顺，不产生有害吸气漩涡；出流时，水流均匀扩散，出水口流速分布均匀，并且不产生反向水流，库内水流状态好，水面波动小，库底和库岸不发生冲刷；进/出水口过流时，要求水头损失小，以减少电能损失；进/出水口应能防止漂浮物、泥沙进入水道。

1）上水库进/出水口及闸门井的布置。上水库进/出水口布置为两个岸边侧式进/出水口，中心距离27.02m，底板高程为1886.00m，体型相同，由进/出水口段、隧洞段和闸门井段组成，进/出水口前沿设前池。前池沿发电水流方向水平长度为76.0m，底板高程为1884.00m段长度为12.0m，两侧为扭面与防涡梁段相连；其余部分以1∶4的底坡与上水库库底相连，垂直于水流方向侧墙坡度1∶0.3，底板和侧墙混凝土衬砌厚度为0.5m。蓄水放空后的上水库进/出水口如图1.2.2所示。

图1.2.2　上水库进/出水口

进/出水口段为方形箱式混凝土结构，由防涡梁段、调整段和扩散段组成，长度为58.0m。进口断面净尺寸为18.8m×9.0m（宽×高），内设三个分流墩，将进/出水口分为四孔，每孔净尺寸为4.7m×9.0m（宽×高），过栅平均流速约为1.0m/s。为使水流在发电和抽水各种工况下能均匀分配，在分流墩起点处采用等宽布置，末端处中隔墩较边隔墩向上游方向缩进2.5m，分流墩厚1.4m，首部为半圆形，末端为流线型，两侧边墙厚2.0m，顶、底板厚1.5m。防涡梁段长9.05m，为消除产生吸气漩涡的可能，在顶部设置三道防涡梁，其断面尺寸为1.3m×2.0m，净距1.2m。为使进/出水口内竖向流速分布均匀，防止产生反向水流，在防涡梁段下游布置有调整段，长13.95m，其过流断面与防涡梁段相同。整流段下游布置有扩散段，长35.0m，水平扩散角为29.42°，立面扩散角为5°。进/出水口每一孔布置有一道拦污栅，栅槽尺寸为0.45m×0.8m。拦污栅平台高程为1900.00m，与库底相接，不设永久起吊设备，拦污栅的检修和上水库放空检修一同进行，拦污栅的起吊采用临时起吊设备。

隧洞段由上、下游渐变段和洞身段组成，上游渐变段由6.2m×6.2m的方形断面渐变为直径6.2m的圆形断面，长度10.0m，钢筋混凝土衬砌厚1.5m。圆形洞身段直径6.2m，长80.08m，坡度6.055%，钢筋混凝土衬砌厚0.6m。下游侧渐变段由直径6.2m的圆形断面渐变为4.9m×6.2m的矩形断面，长度10.0m，钢筋混凝土衬砌厚1.5m，后接闸门井段。

闸门井段长8.14m，井座内腔横断面尺寸为4.9m×6.2m（宽×高），底板衬砌厚1.7m，边墙衬砌厚1.5m。井身为圆形，开挖直径8.14m，井身高57.94m，井壁为钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为0.6m。引水事故闸门井井后渐变段由4.9m×6.2m的矩形断面渐变为直径6.2m的圆形断面，长度10.0m，钢筋混凝土衬砌厚1.5m。引水事故闸门井平台高程为1947.00m，比环库公路高出4.0m，另设一条公路通至闸门井平台，平台上部设启闭机排架，启闭机平台顶高程为1960.70m，其上布置两台启闭力为3200kN的固定卷扬式启闭机。上水库进/出水口闸门井剖面图如图1.2.3所示。

2）下水库进/出水口及闸门井的布置。在可行性研究的基础上，将下水库进/出水口闸门塔向上游移动调整为竖井式闸门井，取消了交通桥及闸门塔间联系排架，紧邻左岸环库公路设闸门井平台；根据水道系统水力过渡过程的计算结果，为满足闸门井最高、最低涌浪及尾水隧洞上弯段最小压力的要求，将进/出水口底板高程由1343.00m降为1338.00m，闸门井顶高程由1405.50m调整为1409.00m。并根据1409平台开挖情况对进/出水口位置地形地质条件进行了补充勘测，将进/出水口位置向哈拉沁沟上游方向移动。蓄水前的下水库进/出水口如图1.2.4所示。

图1.2.4　下水库进/出水口

下水库进/出水口布置为四个岸边侧式进/出水口，中心间距22.0m，底板高程为1338.00m，体型相同，由闸门井段、隧洞段和进/出水口段组成，进/出水口末端设前池。前池底板高程1335.00m段长20m，底板衬砌厚0.5m，两侧为扭面与防涡梁段相连；其余部分底坡为1∶4，侧墙坡度为1∶0.3，采用0.5m厚的钢筋混凝土衬护。

进/出水口段为整体箱形结构，由方形段、扩散段、调整段和防涡梁段组成。方形段长3.0m，断面尺寸为5.0m×5.0m，衬砌厚1.5m。扩散段长25.0m，平面扩散角22.18°，立面扩散角4.57°。扩散段窄口处断面尺寸为5.0m×5.0m，出口断面高度为7.0m，宽度为12m。扩散段内设两道分流墩，将扩散段分为三孔，为使水流均匀扩散，接近扩散段窄口处的分流墩墩头的位置，按流道过流面积比例0.35∶0.3∶0.35设置，在分流墩起点处采用等宽布置，每孔净宽4.0m，分流墩厚1.4m，首部为半圆形，末端为流线型，边墙及顶、底板厚度为1.5m。为使进/出水口竖向流速分布均匀，防止产生反向水流，扩散段下游侧布置有调整段，长8.45m。防涡梁段布置在调整段下游，长9.05m，为消除产生吸气漩涡的可能，在顶部设置三道防涡梁，其断面尺寸为1.3m×2.0m，净距1.2m。进/出水口每一孔布置一道拦污栅，栅槽尺寸为0.45m×0.7m，过栅流速约为1.0m/s，拦污栅平台高程为1355.50m，平台宽10.0m，与库底相连，在下水库左岸边坡上设两道拦污栅滑轨，用于拦污栅检修，拦污栅检修时采用临时设备起吊。

隧洞段为钢筋混凝土圆形衬砌隧洞，直径为5m，衬砌厚度为0.6m，4个进/出水口隧洞长度一致，均为34.45m。

尾水事故检修闸门井位于下水库进/出水口上游侧山体中，井座段长14.6m，由井身、井座、前后渐变段组成。沿发电水流方向内设一道事故闸门和一道检修闸门，事故闸门和检修闸门孔口尺寸均为4.5m×5.0m（宽×高），井座段边墙衬厚1.4m，底板衬厚为2.0m。井身为矩形，开挖尺寸14.6m×8.7m（长×宽），事故、检修闸门槽宽均为1.3m，事故门槽上游侧设两个直径为1.1m的通气孔，井身高64.0m，井壁为钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为1.4m、1.5m、2.0m，内设厚度为1.5m的隔墙，将闸门井腔分为两部分。井前渐变段由直径为5.0m的圆形断面渐变为4.5m×5.0m的矩形断面，长8.0m，井后渐变段由4.5m×5.0m的矩形断面渐变为直径为5.0m的圆形断面，长8.0m，钢筋混凝土衬砌厚度均为1.5m。闸门井平台高程为1409.00m，紧邻左岸环库公路，其上布置检修闸门门机轨道和事故闸门启闭机室，检修闸门采用630kN单向门式启闭机启闭，事故闸门采用2500kN固定卷扬式启闭机启闭。下水库进/出水口闸门井剖面如图1.2.5所示。

（2）引水隧洞布置。

引水隧洞采用一管两机的布置方式，共两条引水隧洞，平行布置，洞线走向为NW290°～NW285°。引水隧洞布置在上水库西北侧的山体中，沿线地形起伏不大，高差40m。引水事故闸门前开挖后覆盖层厚度最大为60m，闸门后覆盖厚度一般大于60m。1号、2号引水隧洞分别长438.033m和434.940m，内径均为6.2m，坡度分别为6.787%和6.835%，发电工况流速为4.41m/s，抽水工况流速为3.7m/s，采用钢筋混凝土衬砌，Ⅱ～Ⅲ类围岩衬砌厚0.6m，Ⅳ～Ⅴ类围岩衬砌厚0.8m。在距离上水库进/出水口约107m处各布置一个引水事故闸门井，在每条引水隧洞末端各设一座阻抗上室式调压井，竖井呈圆形，内径9.0m，采用钢筋混凝土衬砌。

（3）调压室设计布置。

根据《水电站调压室设计规范》（DL/T5058—1996）规定计算，不设引水调压井时，压力水道中水流惯性时间常数TW=2.421s，设引水调压井时为TW=1.878s，机组加速时间常数Ta=8.4s，从《水电站调压室设计规范》可知，当Ta=8.4s时，TW=2.55s。故本电站设置引水调压室后，机组调速性能处于较好区，若不设引水调压室，则位于分区分界线的边缘，裕度不大。根据相关统计，抽水蓄能电站压力水道中水流惯性时间常数TW参数统计见表1.2.1。

抽水蓄能电站在电网中起调峰、调相、事故备用等重要作用，对电站灵活性要求比较高，所以TW取值不可太高，从表1.2.1可以看出，调压室的惯性时间常数TW一般在2.0以下。因此本电站考虑设置引水调压井。

尾水隧洞设置调压室的条件是以尾水管内是否发生液柱分离为前提的，据《水电站调压室设计规范》（DL/T5058—1996）规定初步计算可知压力尾水道长度大于1460m时需设置尾水调压室，而呼和浩特抽水蓄能电站压力尾水道长度最长为401.18m，远远小于1460m，所以不设尾水调压室。

根据本工程实际情况，引水调压井比较了阻抗式调压室和设上室的阻抗式调压室两种形式。上游调压室的稳定断面面积按托马（Thoma）准则计算并乘以系数K决定，计算得到的稳定断面直径小于引水隧洞的直径后，并参考其他工程阻抗式调压室大井与隧洞直径比多在1.2～1.75之间，故本工程调压室稳定断面直径取9.0m。设上室的阻抗式调压室，大井直径也取9.0m，上室尺寸考虑两调压室之间的连接，中间设3.0m厚的隔墙，每侧断面尺寸约为25.5m×9.0m。

表1.2.1　抽水蓄能电站压力水道中水流惯性时间常数TW参数统计

调压室涌浪计算采用《水电站调压室设计规范》（DL/T5058—1996）附录B推荐的方法进行计算，计算结果见表1.2.2。

表1.2.2　最高、最低涌浪计算结果　单位：m

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调压室底部隧洞顶高程为1865.28m，由表1.2.2可知，最低涌浪高程为1885.89m，满足最低涌浪水位与压力引水道顶部之间的安全高度不小于2m的要求。调压室位置地面高程约为1940.00m，不设上室时最高涌浪水位为1956.31m，则调压室地面以上高度达20m，不利于调压室的稳定，设上室后，地面以上高度可降低10m，对调压室的抗震稳定等都较为有利，因此采用设上室的阻抗式调压室。

每条引水隧洞的末端布置一阻抗上室式调压室，1号和2号调压井中心线分别距1号和2号引水洞中心线15m，两调压室中心距离为44.0m，布置为半地下结构，上室位于地面，竖井部分位于地下。竖井圆形断面内径9.0m，衬砌厚度0.7m，顶高程1939.00m，底高程1860.50m，下部设直径4.3m的连接段与引水隧洞相连。上室位于地面，断面尺寸为25m×9m×12m（长×宽×高），为钢筋混凝土结构，边墙厚1.5～2.0m，两上室间设2cm宽结构缝将二者分开，上室底板高程为1940.00m，顶板高程为1951.00m，上室周围回填石渣，外露部分设保温结构。引水系统调压井剖面图如图1.2.6所示。

图1.2.6　引水系统调压井剖面图

注：图中尺寸单位为mm，高程、桩号单位为m。

（4）高压管道设计布置。

1）高压管道纵剖面布置方式及衬砌形式选择。高压管道纵剖面布置及衬砌形式比选可行性研究阶段拟定如下五个方案。

方案一：高压管道50°斜井布置，设中平段，全部钢板衬砌。高压管道长1149.62m，管径5.4m→4.6m→3.2m。

方案二：高压管道50°斜井布置，设中平段，上斜井段采用钢筋混凝土衬砌，其余采用钢板衬砌。高压管道长1149.62m，其中钢筋混凝土衬砌段长463.48m，管径5.7m，钢板衬砌段长686.14m，管径5.4m→4.6m→3.2m。

方案三：高压管道55°斜井布置，不设中平段，全部钢板衬砌。高压管道长1183.54m，管径5.4m→4.6m→3.2m。

方案四：高压管道55°斜井布置，不设中平段，斜井段采用钢筋混凝土衬砌，下平段采用钢板衬砌。高压管道长1183.54m，其中钢筋混凝土衬砌段长768.65m，管径5.4m，钢板衬砌段长414.89m，管径4.6m→3.2m。

方案五：高压管道竖井布置，设中平段，竖井、中平段及部分下平段采用钢筋混凝土衬砌，其余采用钢板衬砌。高压管道长1415.97m，其中钢筋混凝土衬砌段长1001.08m，管径6.2m→5.4m→4.6m，钢板衬砌段长414.89m，管径4.6m→3.2m。

上述五个方案的主要特性、工程量、投资及水力计算成果等见表1.2.3。经综合分析比较，虽然钢衬方案经济上不是最优的，但根据国内已建工程实例，采用钢筋混凝土衬砌的电站出现事故较多、检修周期较短，影响到抽水蓄能电站发挥作用，因此可行性研究选定方案一，50°斜井全钢板衬砌方案为推荐方案。

表1.2.3　高压管道立面布置和衬砌形式综合比较

2）高压管道布置。高压管道由高压主管、岔管和高压支管组成，采用钢板衬砌。在可行性研究的基础上，对上、下斜井的倾角进行了调整，压力主管共两条，平行布置，在平面上走向为NW285°，立面上采用地下埋藏式斜井布置。调整后1号压力主管长1092.14m，上斜井与水平面夹角为55°，下斜井与水平面夹角为60°；2号压力主管长1109.10m，上斜井与水平面夹角为60°，下斜井与水平面夹角为55°，均设有中平段，中平段中心高程为1550.00m，1号压力管道中平段长188.73m，2号压力管道中平段长307.74m。压力主管管径为5.4m→4.6m，其中直径为5.4m的管段沿1号压力管道长630.326m，沿2号压力管道长728.421m，双机发电流速为5.78m/s，最大钢衬厚度为60mm（2号压力管道中支洞部位790MPa级钢材）；渐缩管段长9.0m；直径为4.6m的管段沿1号压力管道长448.863m，沿2号压力管道长367.733m，双机发电流速为7.966m/s，最大钢衬厚度为66mm（与岔管衔接部位790MPa级钢材）。钢衬外围回填混凝土厚度均为0.6m。

根据压力管道下平段开挖揭示的地质情况，原设计1号钢岔管所在位置有断层f54及裂隙密集带出露，断层部位岩体较为破碎，属Ⅳ～Ⅴ类围岩，不利于钢岔管的结构安全。为保证钢岔管安全运行，综合考虑建筑物布置、围岩地质条件及对厂房的影响等因素，经比较分析，将1号钢岔管沿水道轴线方向向上游移动15m，同时由于断层及裂隙密集带的影响，相应调整1号、2号引水支管部分管段的钢板衬砌厚度。因此，1号、2号高压岔管布置在距厂房上游边墙65.0m、50.0m处，岔管采用对称“Y”形内加强月牙肋钢岔管，分岔角70°，公切球直径为5.2m，中心高程1280.00m。岔管将每条压力主管分成两条高压支管，高压支管内径为3.2～2.0m，1号和2号长度为68.672m、3号和4号长度为53.672m，四条高压支管平行布置，走向为NW285°，垂直进厂。钢衬最大厚度为66mm（与岔管衔接部位790MPa级钢材），外围回填混凝土厚度为0.6m。

在压力管道中平段和下平段均布置有排水廊道，断面尺寸2.8m×3.0m，中平段排水廊道总长为1363.22m，与中部施工支洞相连，下平段排水廊道总长为856.76m，与厂房上层排水廊道相连。

3）岔管形式选择。岔管承受的最大静水头为660m，考虑水击压力，岔管设计内水压力约为9MPa，PD值为4140m2。岔管结构比较了钢筋混凝土岔管和钢岔管两种形式。因高压管道下平段（包括岔管段）不满足钢筋混凝土衬砌围岩覆盖厚度的要求，故不考虑钢筋混凝土岔管，采用钢岔管。两个岔管距离厂房上游边墙仅65.0m、50.0m，所以岔管按埋管不考虑围岩分担设计；岔管壳板采用SHY685钢材，肋板采用SUMITEN780Z钢材；岔管设计内水压力为9.043MPa；岔管部位上覆岩体厚250～280m，岩性为新鲜的片麻状花岗岩和斜长角闪岩，围岩类别以Ⅱ类为主，弹性模量为32～40GPa。考虑前述条件与要求，采用《水电站压力钢管设计规范》（DL/T5141—2001）中推荐的内加强月牙肋岔管的计算方法拟定岔管体型，按不考虑围岩分担进行岔管壁厚计算，并进行月牙肋尺寸的拟定。岔管体型的主要参数见表1.2.4。

（5）尾水隧洞设计布置。

1）纵剖面布置方式。尾水隧洞纵剖面布置方式主要是根据过渡过程计算的成果，保证整个尾水隧洞洞顶以上的最小压力水头大于2.0m，并考虑施工方便来确定的。选定的纵剖面布置方式是尾水管出口后尾水隧洞水平布置，洞中心线高程为1272.90m，至下水库进/出水口前设50°斜井与进/出水口相连，进/出水口底板高程为1338.00m。

2）衬砌形式选择。尾水隧洞的衬砌形式主要有混凝土衬砌和钢板衬砌两种。混凝土衬砌有素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土衬砌等形式，对于压力隧洞主要采用钢筋混凝土和预应力混凝土衬砌。对于预应力混凝土衬砌，根据施加预应力的方法可分为两种：高压灌浆式和机械式。机械式预应力一般不计围岩的承载作用，因此当围岩较差、围岩覆盖较小时可采用，但其只适用于PD值较小的管道，且施工技术复杂，造价较高，易造成局部压力过高，据统计，国内外机械式预应力混凝土使用的最大内水压力为122m，PD值绝大多数在900m2以下，呼和浩特抽水蓄能电站尾水隧洞段压力为190m，PD值较高，达950m2，机械式预应力较难适用。因此仅对高压灌浆预应力混凝土衬砌进行研究。

表1.2.4　对称“Y”形月牙肋岔管体型的主要参数

为避免渗漏水对厂房的影响，从尾水管出口至尾闸室后下游排水廊道（长约120m）采用钢板衬砌，对其后至下水库进/出水口段隧洞的衬砌形式比较了四种方案：①钢筋混凝土衬砌；②钢板衬砌；③高压灌浆预应力混凝土衬砌；④下水库灌浆帷幕前采用钢板衬砌，帷幕后采用钢筋混凝土衬砌。

四种衬砌形式的主要工程量和工程投资比较见表1.2.5。通过比较分析，方案③经济上最省，但这种地质条件下，灌浆预应力的可靠性缺乏保证。从方便施工、结构安全可靠和节省工程投资的角度考虑，选定方案④，即灌浆帷幕上游采用钢板衬砌、下游采用钢筋混凝土衬砌方案。

表1.2.5　四种衬砌形式的主要工程量和工程投资比较

3）尾水隧洞布置。施工详图阶段，出线场平台边坡在开挖过程中出现裂缝，f905-14断层对出线场边坡、库岸边坡、进/出水口及闸门井均有不利影响，综合考虑地形地质条件、减小施工干扰，确保库岸边坡稳定及进/出水口安全运行等方面，对下库进/水口位置进行了调整。将下库进/出水口及部分尾水隧洞自1号尾水隧洞桩号约S11+719.840处（机组中心线下游约216.71m处）开始向拦沙坝方向整体偏转20°，使得进/出水口和闸门井完全避开了f905-14断层，同时调整了f905-14影响范围内库岸边坡坡脚的开挖高程，确保库岸边坡的稳定。

尾水隧洞共四条，洞线走线为NW285°～NW305°，平行布置，尾水隧洞长度分别为377.91m、385.66m、393.42m、401.18m，内径5.0m。发电工况断面平均流速3.39m/s，抽水工况断面平均流速为2.85m/s。四条尾水隧洞均设斜井段，根据过渡过程的计算成果，为保证有最小2.0m的正压，尾水隧洞斜井段布置在靠近下水库进/出水口侧，角度为50°。厂房尾水管出口至下游防渗帷幕采用钢板衬砌，钢板最大厚度为26mm（500MPa），其余采用钢筋混凝土衬砌。混凝土衬砌段衬砌厚0.6m。

在尾水隧洞上部布置尾水隧洞排水廊道，与厂房上层排水廊道相接，断面尺寸为2.8m×3.0m，长624.17m。