J2水電站調(diào)壓井設(shè)計探討

譚新莉，柳 輝

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院水工所，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

J2水電站發(fā)電引水系統(tǒng)布置在左岸，進口靠著山體，為岸塔式結(jié)構(gòu)，發(fā)電引水洞進口比導(dǎo)流兼泄洪底孔的進口高4 m。引水發(fā)電系統(tǒng)由進口引渠段、閘井段、洞身段、調(diào)壓井段、高壓管道段、出口段組成，采用一洞兩機聯(lián)合供水的布置型式，電站共2臺機組，設(shè)計引用流量2×73.3 m3/s，設(shè)計水頭47.8 m，整個引水系統(tǒng)總長1.72 km，考慮到長隧洞、中等水頭、電站在系統(tǒng)中基荷運行，為了保證供電周波穩(wěn)定及降低高壓管道中的水擊壓力，在引水隧洞末端1+510 m處設(shè)置調(diào)壓井。

2 調(diào)壓井位置選擇

根據(jù)已確定廠址位置上游側(cè)的地形條件，北側(cè)山體陡峻，越往南側(cè)山體越平緩，為獲得較佳的調(diào)節(jié)質(zhì)量調(diào)壓井盡量靠近廠房，故調(diào)壓井位置選在上平洞段相對較短、在滿足布置要求的情況下最靠近廠房的北側(cè)山體，與地形等高線大角度相交。山體很高，調(diào)壓井需建在半山坡上，因為有條件將調(diào)壓井全部嵌于山體中，此時調(diào)壓井明挖量也不大，靠山一側(cè)也未形成高邊坡，故調(diào)壓井處地面高程高出正常蓄水位約20 m左右。調(diào)壓井至廠房段地表自然坡度20°～25°左右，調(diào)壓井后接的壓力管段,最小側(cè)覆巖體厚度為23～38 m，為設(shè)計水頭的0.48～0.79倍，滿足上抬理論的要求，可按埋管設(shè)計。此處地表巖性為第四系全新統(tǒng)坡積碎石土，厚度約2～6 m，下伏基巖為灰綠色晶屑、巖屑凝灰?guī)r，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，堅硬，強風(fēng)化層厚3～5 m，弱風(fēng)層厚8～10 m。由此調(diào)壓井段圍巖基本位于弱至新鮮巖體內(nèi)。

3 調(diào)壓井型式選擇

3.1 調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面計算

根據(jù)DL/T 5058-1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》，上游調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面面積的公式為：

分析，L，A1為壓力引水道長度和面積，調(diào)壓井位置確定后，壓力引水道長度基本確定，為1.5 km左右。壓力引水道面積，根據(jù)經(jīng)濟洞徑比選確定為7.0 m，這兩數(shù)值的可變化幅度不大。因此，水頭越低，水頭損失越大，所計算調(diào)壓井面積越大。在計算水頭損失時，壓力引水道宜用最小糙率，J2水電站壓力引水道采用鋼筋混凝土襯砌，糙率取值采用最小糙率為0.013。壓力管道內(nèi)襯鋼板，糙率取值采用平均糙率0.012。J2水電站2臺機全開的發(fā)電流量146.6 m3/s，在上游死水位1 276.0 m，下游最高尾水位1 236.994 m的情況，最小水頭為39.0 m，這時計算要滿足穩(wěn)定要求，調(diào)壓室的斷面面積至少大于400 m2。由此，對于較大流量的長距離引水隧洞、水頭越小，調(diào)壓室為滿足小波動穩(wěn)定所需的穩(wěn)定斷面面積越大。

3.2 調(diào)壓井類型確定

調(diào)壓井可消減水錘壓力，及時供給機組增荷時所需水量，盡快衰減因負(fù)荷變化引起的水面波動。調(diào)壓井基本類型有簡單式，阻抗式，水室式，溢流式，差動式和氣墊式。J2水電站上下游毛水頭約50 m，不適合采用水室式和氣墊式等適用于高水頭電站的型式。溢流式調(diào)壓井在丟棄負(fù)荷時，可通過溢流口將水排至附近的3號施工支洞內(nèi)，但由于該工程水頭較低，調(diào)壓井?dāng)嗝嬗勺钚∷Ψ€(wěn)定斷面確定，溢流式調(diào)壓井高度最多比阻抗式減小9 m，但需另設(shè)排水管道至3號支洞，故溢流式不經(jīng)濟。針對該工程特點，選取簡單式，阻抗式，差動式調(diào)壓井進行類型比選。由于該工程水頭低，根據(jù)托馬準(zhǔn)則確定的最小水力穩(wěn)定斷面為400 m2，即調(diào)壓井直徑23 m，較大。根據(jù)不同類型調(diào)壓井的涌波計算結(jié)果可看出，對于該工程而言，簡單式調(diào)壓井結(jié)構(gòu)簡單，反射水錘波效果最好，但水位波動幅度大，衰減慢，所需調(diào)壓井較高，工程量大，不經(jīng)濟；差動式調(diào)壓井水錘波反射較好，水位波動小，但結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，工程量較大；阻抗式調(diào)壓井在3種型式中工程量最小，水位波動振幅較小，波動衰減較快，雖水錘波反射較差，有部分水錘傳入引水道，將增加引水道壓力，但由于該引水道內(nèi)水壓力不足30 m，增加的水錘壓力對結(jié)構(gòu)的影響在可接受的范圍內(nèi)，故最終采用阻抗式調(diào)壓井。

3.3 阻抗孔尺寸的確定

阻抗孔孔口面積不宜小于引水隧洞斷面的15%，以免有較大比例的水錘穿越調(diào)壓室進入隧洞，即阻抗孔直徑必須大于1.4 m。最初根據(jù)DL/T 5058-1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》：

兩個公式聯(lián)合求解，計算的由1臺機增至2臺機時，最合適的阻抗孔直徑為4.2 m。但根據(jù)調(diào)保計算結(jié)果，阻抗孔直徑為4.2 m時，蝸殼末端最大壓力72.2 m，超過了蝸殼末端最大壓力允許值65 m。

阻抗式調(diào)壓井阻抗孔的尺寸對蝸殼末端最大壓力、調(diào)壓井的最高及最低涌波影響均較大。J2水電站調(diào)保計算的結(jié)果顯示：對于蝸殼末端最大壓力和最高涌波，由于該工程引水隧洞較長，當(dāng)阻抗孔口小于5 m時，蝸殼末端最大壓力主要由水錘壓力決定；阻抗孔口大于6.5 m時，蝸殼末端最大壓力接近于簡單式調(diào)壓井，由調(diào)壓室最高涌浪決定，這時很難通過優(yōu)化關(guān)閉規(guī)律來降低蝸殼末端最大壓力及調(diào)壓室最高涌浪。對于最低涌波，阻抗孔口較小時，調(diào)壓室最低涌浪為機組增負(fù)荷時水位波動下降的第一幅值；阻抗孔口較大時，調(diào)壓室最低涌浪為機組全甩負(fù)荷后水位波動的第二幅值。當(dāng)阻抗孔口直徑大于6.5 m時，調(diào)壓室最低涌浪低于1 266.7 m，相應(yīng)的調(diào)壓室底部最小壓力小于2.5 m，不滿足《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》規(guī)定上游調(diào)壓室最低涌浪，水位與調(diào)壓室處壓力引水道頂部之間的安全高度不宜小于2～3 m的要求。

根據(jù)調(diào)壓室最優(yōu)阻抗孔口設(shè)計理論：其產(chǎn)生的底部最大壓力應(yīng)該使該處的涌浪壓力與水錘壓力相等，根據(jù)調(diào)保計算結(jié)果，最優(yōu)的阻抗孔口取值在6 m左右。

由此確定調(diào)壓井直徑23.0 m，阻抗孔口直徑6.0 m，最低涌浪水位1267.7 m，調(diào)壓井底板高程1 266.0 m，調(diào)壓井最高涌浪達(dá)到1 293.4 m，考慮安全裕量后，調(diào)壓井頂部高程取1 295.0 m，調(diào)壓井高度為29 m。

4 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)型式布置

調(diào)壓井處裂隙較為發(fā)育，發(fā)育的裂隙以近EW、NW及NNE向為主，裂隙面平直、光滑、閉合，傾角較陡，無斷層通過，圍巖的穩(wěn)定性較好，圍巖類別Ⅲ類，fk=3，K0=3 000～4 000 N/cm3。由于巖石層理發(fā)育，巖體較破碎，考慮到調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面大，故調(diào)壓井橫斷面采用受力條件最好的圓形斷面，根據(jù)穩(wěn)定斷面計算結(jié)果確定調(diào)壓井直徑23 m，為托馬斷面的1.04倍。

由于巖石破碎、層理發(fā)育，考慮到調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面大，在結(jié)構(gòu)處理時考慮設(shè)置了一些暗梁來改善結(jié)構(gòu)的受力條件，使結(jié)構(gòu)布置合理。最初選擇圖1（a）的結(jié)構(gòu)型式，技施時考慮滑膜施工要求，使調(diào)壓井襯砌厚度統(tǒng)一，將暗梁設(shè)置在襯砌內(nèi)，改為圖1（b）的結(jié)構(gòu)型式。停水檢修時發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫很少。

目前這是新疆地區(qū)直徑最大的一個調(diào)壓井，現(xiàn)已運行1年半，運行狀態(tài)良好。

5 結(jié)論

1）調(diào)壓室在滿足布置要求的情況下應(yīng)盡可能靠近廠房，最好能將調(diào)壓室建在基巖內(nèi)。

2）對于較大流量中低水頭的長距離引水隧洞、調(diào)壓室為滿足小波動穩(wěn)定所需的穩(wěn)定斷面面積較大，安全系數(shù)宜取小值。

3）阻抗式調(diào)壓井工程量小，水位波動振幅較小，波動衰減較快，對中低水頭電站增加的水錘壓力對結(jié)構(gòu)的影響在可接受的范圍內(nèi)，故適合采用阻抗式調(diào)壓井。

4）對于較大流量中低水頭電站，阻抗孔尺寸取值必須根據(jù)調(diào)保計算結(jié)果選定，對中低水頭電站尤其需注意不能超過了蝸殼末端最大壓力允許值。

5）大直徑的調(diào)壓井，可通過設(shè)置暗梁來改善結(jié)構(gòu)的受力條件，使結(jié)構(gòu)布置合理。