越南拉顯水電站調壓井設計方案的優(yōu)化

黃邵軍

(浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

越南拉顯水電站裝機2臺,裝機容量18 MW,多年平均發(fā)電量599.9萬kW·h,其主要任務是水力發(fā)電,同時兼有灌溉、供水、養(yǎng)殖、旅游和防洪等綜合功能。電站引水方式為有壓引水,引水隧洞總長為3 553.5 m,洞徑3.5 m。為了降低壓力水道中的水擊壓力,防止水錘波向隧洞內傳播,設計在電站上游隧洞出口端設置一調壓井。

原設計方案中,調壓井為阻抗式,大井內徑為8.6 m,阻抗孔直徑為2 m。本著既能充分發(fā)揮調壓井的功能,同時又能降低工程投資,對原有的設計方案進行優(yōu)化。

2 優(yōu)化范圍確定

首先需經過水力計算來確定調壓井的優(yōu)化范圍,水力計算的主要內容包括以下3個方面:①根據波動穩(wěn)定要求,確定調壓井最小穩(wěn)定斷面面積;②計算最高涌波水位,確定調壓井頂部高程;③計算最低涌波水位,確定調壓井底部和壓力水管進口的高程。以下為該電站調壓井的計算優(yōu)化過程。

2.1 調壓井內徑的選擇范圍確定

要確定調壓井內徑選擇范圍,首先要計算小波動情況下調壓井的穩(wěn)定斷面面積,因為小波動穩(wěn)定不能保證,則大波動必然不能衰減,計算穩(wěn)定斷面面積可利用托馬斯公式求得(見式(1))。為了保證大波動的穩(wěn)定,一般要求調壓井斷面大于托馬斷面。根據公式求出該電站調壓井最小的穩(wěn)定斷面面積為33.64 m2,則最小直徑為6.5 m,因此該電站調壓井內徑選擇只要＞6.5 m就能滿足波動的衰減要求。

式中:L為壓力引水道長度,m;A1為壓力引水道斷面面積,m2;H0為發(fā)電最小靜水頭,m;α為自水庫至調壓井水頭損失系數,s2/m,按下式計算:

其中v為壓力引水道流速,m/s;hw0為壓力引水道水頭損失,m;hwm為壓力管道水頭損失,m;K為系數,一般采用1.0～1.1。

在確定出小波動穩(wěn)定斷面后,調壓井內徑選擇還需要考慮最大涌波水位,一般來說調壓井洞徑的增大或減小,會引起最高涌波水位的降低或升高。洞徑選擇大了,雖然能有效降低最高涌波水位,但是由于洞徑增大,開挖工作量也相應增加,工程投資增多;如果洞徑選擇小了,最高涌波水位就升高,井頂高程相應抬高,混凝土用量增加,也不一定經濟。根據該工程特點,本次選擇7.0,7.5,8.0,8.5 m 4個內徑進行優(yōu)化比較。

2.2 阻抗孔內徑選擇

由于該電站選擇的是阻抗式調壓井,因此在確定調壓井內徑范圍的同時還須考慮阻抗孔的尺寸(因為阻抗孔大小會影響最高涌波水位高低)。根據以往經驗,一般阻抗孔口直徑減小1 m,調壓井最高涌波一般可降低1～3 m,但也不能過小,如果選擇的孔徑過小,則有可能使水錘衰減效果降低,即使隧洞受到水錘影響增大。對阻抗孔徑的計算,目前還沒有具體的公式,如何選擇阻抗孔大小,根據國內外已建電站的經驗,阻抗孔口面積一般采用引水隧洞面積的28%～40%。由于該電站隧洞洞徑為3.5 m,因此阻抗孔直徑可選范圍經計算為1.8～2.2 m,根據這個范圍,本次優(yōu)化選擇了1.8,2.0,2.2 m三個數據作為比較工況。

3 調壓井水力計算及方案優(yōu)化比較

3.1 最高涌波水位計算

初步選定優(yōu)化范圍后,首先要使用解析法進行最高涌波水位計算,利用計算結果進行方案比較。最高涌波水位就是機組負荷突然變化時,調壓井中相對于靜水位的最高振幅,采用公式(2)計算。由于計算過程比較復雜,為確保計算結果準確性,該電站的最高涌波計算使用了專業(yè)調保計算軟件,結果見表1。

表1 不同井徑和阻抗孔徑組合下的調保計算成果表 m

從計算結果看,在調壓井同一直徑的工況下,阻抗孔直徑為2.2 m的方案最高涌波水位最大,需要較高的井口頂高程,和其它方案相比可以剔除;洞徑為8.5 m的方案,雖然最高涌波水位同等條件下最小,但是洞徑最大,相應開挖量也最大,從經濟方面看是不理想的,可以剔除;因此適合的方案應該在調壓井內徑為7.0,7.5,8.0 m和阻抗孔徑為1.8,2.0 m中再作比較。

3.2 最低涌波水位計算

計算最低涌波水位,主要是確定調壓井底部和壓力管道進口高程。計算時,取上游最低水位,同時電站機組由n-l臺增至n臺,或由2/3負荷突增至全負荷為前提。計算時設水電站的流量由mQ0增加到Q0(m＜1,稱為負荷系數),按照福格特公式(公式3)計算 Zmin,計算結果見表2。

根據規(guī)范要求,最低涌波水位與調壓井底部高程之間的安全高度應不低于2～3 m。如果最低涌波水位低于調壓井處壓力引水道頂部高程,壓力管道則可能進入空氣,破壞電站建筑物和機組正常運行。該電站調壓井處底部高程為175.8 m,則最低涌波水位應高于177.8 m才能滿足規(guī)范要求。

表2 最低涌波水位計算結果表 m

從計算結果來看,洞徑為7.0 m的方案最低涌波水位與調壓井處壓力引水道頂部之間的安全高度＜2 m,不能滿足規(guī)范要求,該方案可以舍棄,其它2種工況都能滿足要求。在滿足規(guī)范要求的前提下,選擇洞徑為7.5 m的方案,主要因素是洞徑小開挖量就小,同時洞內支護的混凝土工程量也會相對減少。

選定調壓井洞徑尺寸后,再比較阻抗孔徑為1.8 m和2.0 m的工況,雖然2.0 m方案的最低涌波水位比1.8 m方案的低,但最高涌波水位卻比1.8 m方案要高,需要頂高程也高,從投資的角度考慮,選擇1.8 m方案更優(yōu)。通過以上一系列的優(yōu)化計算,最終選擇調壓井內徑為7.5 m,阻抗孔徑為1.8 m為最優(yōu)方案。

4 結 語

通過本次優(yōu)化計算,可以看出在滿足功能及安全要求的前提下,調壓井的大井內徑從原方案的8.6 m減為7.5 m,內徑減小了1.1 m,開挖工作量和混凝土支護工程量都有明顯減少,工程投資節(jié)省了近30萬元,同時,通過本次優(yōu)化計算,也為今后調壓井工程設計提供參考。