1.湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司 湖南省长沙市 410213；
2.国网新源控股有限公司 北京市西城区 100761；
3.湖南省东江水力发电厂 湖南省资兴市 423000；
摘要：在机组甩荷或增荷时，引水发电系统中压力、流量和机组转速会发生明显的变化。为了切实保证蜗壳进口内水压力、尾水管进口最小内水压力、机组最大转速升高满足调节保证和设计要求，有必要对输水发电系统结构进行计算与分析，以便为电站的安全稳定运行提供可靠的依据，本文以黑麋峰抽水蓄能电站为例进行分析。
关键词：输水发电系统结构，三维有限元，内水压，复核分析
一.工程概况
黑麋峰抽水蓄能电站位于长沙市望城县桥驿镇，紧邻湖南电网负荷中心长、株、潭地区。电站枢纽建筑物由新建上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站及中控楼副厂房等建筑物组成，厂房为尾部式布置；工程等级为一等大(1)型工程，输水系统各建筑物为1级水工建筑物，按重现期200年洪水标准设计，重现期为1000年的洪水标准校核。
电站地下厂房安装4台单机容量为300MW的可逆式机组，总装机容量为1200MW。电站为日调节纯抽水蓄能电站，电站建成后主要担负湖南及华中电网的调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务。
二.机组参数
电站基本参数:上水库正常蓄水位400.00m，死水位400.95m；下水库正常蓄水位103.70m，死水位（P=0.1%）65.00m；最大毛水头/静扬程335.0m，最小毛水头/静扬程272.8m；水轮机工况额定水头295.0m。
水泵水轮机主要参数：转轮高压侧直径D1=5040mm，转轮低压侧直径D2=2700mm；转轮叶片数为9，活动导叶数为20，固定导叶数为20；额定转速为300r/min，水泵工况最大输入功率≤320MW；水轮机工况额定输出功率为306MW。
三．输水系统布置
输水系统引水主洞为一洞两机、尾水隧洞为一洞一机，引水隧洞垂直进厂房，尾水隧洞与厂轴线呈55°夹角斜向引出厂房的布置方案。输水系统主要建筑物包括：上库进/出水口、引水主洞上平段、斜井段、下平段、钢筋混凝土岔洞、高压引水钢支管、尾水隧洞和下库出/进水口等。
引水主洞洞径8.50m，于下平段接对称“Y”型高压钢筋混凝土岔洞，洞径由主洞的8.5m收缩为支洞的5.3m，尾水隧洞洞径为6.00m。
上、下库进/出水口之间整个输水系统①～④机各洞轴线长度分别为：1497.959m、1511.151m、1524.344m、1537.536m。
四．输水系统复核计算
（一）引水主洞下平段、岔洞钢筋混凝土衬砌复核
根据黑麋峰电站主机厂家和第三方科研机构给出的过渡过程计算结果，球阀前最大动水压力为456m水头，对应球阀前最大水击压力为71m水头，水击压力由球阀前传播到岔洞段衰减为58.69m水头，引水主洞下平段、岔洞在上库为正常蓄水位时，静水压力为382.15m水头，相应岔洞处动水压力为445.65m水头，再加上预测岔洞压力脉动单幅值实际可能达到50m水头（对应球阀前内水压530m水头），则岔洞处总水压力为495.65m水头，小于500m水头。
经过计算分析和真机试验，验证出引水主洞下平段、岔洞钢筋混凝土衬砌结构在内水500m水头作用下是安全可靠的，故在球阀前内水压530m水头作用时，引水主洞下平段、岔洞钢筋混凝土衬砌结构是满足设计要求的。
（二）引水支洞钢衬在内水530m水头作用下计算复核
1. 复核计算原则
（1）引水支管钢衬段地质条件好于预期，故在本文中围岩单位弹性抗力系数取中值复核；
（2）混凝土衬圈与钢管、围岩间累计缝隙值取3.0×10-4r；
（3）埋管各段按处于4条支管中最不利围岩段进行复核；
（4）围岩单位弹性抗力系数取中值进行复核计算；
（5）距厂房上游边墙上游侧0～10m范围，围岩单位抗力系数按K0=0的地下埋管计算管壁应力，内水压力全部由钢管承担；距厂房上游边墙上游侧10m～30m范围，围岩抗力系数按0～32.5MPa/cm的地下埋管进行计算，内水压力由钢管、混凝土、围岩共同承担；距厂房上游边墙上游侧30m以外，围岩抗力系数按地质提供的实际值进行计算，内水压力由钢管、混凝土、围岩共同承担；
（6）各管段均按530m水头内水压力设计取值复核；
（7）厂内明管段，在明管结构系数基础上提高5%，即整体膜应力区γd=1.68，局部膜应力区（局部膜应力+弯曲应力）γd=1.155。
2. 复核计算结果
在530m内水压力作用下，按持久状况复核计算成果如下：
表1-1 引水支洞钢衬在内水530m水头作用下复核计算结果
注：复核计算表明，引水支洞钢衬在内水530m水头作用下，结构应力在允许抗力限值范围内。
（三）蜗壳外包混凝土结构计算复核分析
图1-1 蜗壳断面示意图
1. 施工详图设计蜗壳及外包混凝土三维有限元静力仿真分析
施工详图设计阶段，蜗壳最大计算内水压力为4.905MPa(包括水击压力)，蜗壳混凝土采用充水保压浇筑，充水保压值为2.453MPa。
静力分析中对金属蜗壳分别进行了甩负荷工况（机墩切向荷载分正、负两种情况）、额定工况、校核工况、检修工况、转子接地工况（机墩切向荷载分正、负两种情况）七种工况的计算。
图3-2 典型截面及特征点位置
在所有方案中，甩负荷（+）工况蜗壳内水压力为490.5m水头，计算出的蜗壳外围混凝土环向应力和水流向应力均为最大。对于1#～10#每个断面，又选择了0°、90°、270°三个截面，首先整理了截面上的合力T，然后按拉应力图形进行配筋（A1，mm2），计算结果如下表（钢筋设计抗拉强度fy=310MPa）。
表1-2 蜗壳混凝土各断面配筋面积(mm2/m)
2. 根据蜗壳及外包混凝土三维有限元静力仿真分析成果，判断内水压530m水头作用蜗壳外包混凝土结构
蜗壳外包混凝土实配钢筋系参照计算配筋面积配筋，且蜗壳及外包混凝土三维有限元静力仿真分析在配筋计算时，钢筋强度等级选取为Ⅱ级钢，设计抗拉强度fy=310MPa，实配钢筋为等截面积Ⅲ级钢，设计抗拉强度fy=360MPa，实际设计余度为16.13%；在水头530m工况下，设计水头增加比例为6%；实际配筋可满足530m超设计水头的要求，因此蜗壳外包混凝土结构是安全的。
（三）球阀基础混凝土结构复核分析
球阀下游布置有伸缩节，上游与压力钢管焊接。作用在球阀上的荷载主要传到球阀基础混凝土与上游压力钢管上。根据厂家提供的荷载资料，在最大水头为530m条件下，球阀基础混凝土的计算荷载，最大水平水推力发生在“关闭终点被异物卡阻时”工况下，推力值为1952340N，与施工详图设计阶段设计工况和荷载值相同，设计条件并未发生变化。由此可知，球阀基础混凝土结构设计不受双机甩负荷530m超设计水头控制，因此在双机甩负荷的水头530m水头作用下球阀基础混凝土结构满足设计稳定、应力要求。
五 复核计算结论
根据以上各主要部位复核计算结果，可得出输水发电系统可承担在球阀、蜗壳极限内水压530m水头作用。
参考文献
[1]万里飘．江苏沙河抽水蓄能电站工程输水系统设计．西北水电，2003，03 : 48-51．
[2]陆佑楣.潘家铮.抽水蓄能电站[E].北京.水力电力出版社.1992.
[3]游光华.刘德有.王丰.张芹芬.天荒坪抽水蓄能电站甩负荷过渡过程实测成果仿真分析.水电能源科学.2005.23(1):24-27．
作者简介
刘康波（1976-），男，湖南华容，本科生，工程师，主要从事抽水蓄能电站主机设备遗留问题管理工作。E_mail:lkbwqx@163.com。
祝加勇（1084-），男，湖北咸宁，本科生，工程师，主要从事水电站设备维护与管理。E_mail:zhujiayong2000@163.com。
刘欣（1979-），女，北京，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向电力管理。E_mail:1907831986@qq.com。
邓江辉(1074-)，男，湖南湘潭，大专生，技师，主要从事水电站设备维护与管理。E_mail:djh-111@163.com。
论文作者:刘康波1,祝加勇1,刘欣2,邓江辉3
论文发表刊物:《基层建设》2017年第34期
论文发表时间:2018/4/4
标签：水头论文; 水压论文; 工况论文; 球阀论文; 围岩论文; 电站论文; 混凝土论文; 《基层建设》2017年第34期论文;