舟壩電站引水建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 劍，王 歡

（1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072；2.河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

舟壩電站位于四川樂山市沐川縣舟壩鎮(zhèn)，系馬邊河干流梯級(jí)開發(fā)的第五級(jí)電站。電站距河口46km，樂山106km，下游黃丹電站17km。電站樞紐由攔河壩、引水建筑物、發(fā)電廠房等組成，主要任務(wù)是發(fā)電。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

2.1 工程等別、建筑物級(jí)別

舟壩電站裝機(jī)容量102MW，正常蓄水位429.0m，相應(yīng)庫容 1.62億 m3，總庫容 1.84億 m3，調(diào)節(jié)庫容1.137億m3。工程規(guī)模屬大（Ⅱ）型，等別為二等工程。永久性建筑物按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

2.2 特征水位

校核洪水位：431.30m。

設(shè)計(jì)洪水位：428.00m。

正常蓄水位：429.00m。

汛期限制水位：425.00m。

正常發(fā)電死水位：414.00m。

2.3 地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

舟壩電站工程場地設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，場地反應(yīng)譜特征周期0.40s；地震設(shè)防烈度為 7°。

2.4 工程地質(zhì)條件

引水隧洞進(jìn)口洞臉邊坡巖體主要為T63xj層弱風(fēng)化砂巖及T73xj層粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，上部為T83xj層強(qiáng)風(fēng)化砂巖。洞臉開挖邊坡與巖層走向近于直交，主要發(fā)育有 3 組裂隙：①N20°～30°W／SW∠75°～80°（卸荷）； ②N60°～80°W/SW∠70°～90°； ③層面裂隙。這3組裂隙雖未構(gòu)成對(duì)邊坡穩(wěn)定不利，但邊坡的穩(wěn)定性仍受NW順坡向陡傾坡外裂隙及巖性控制。

引水隧洞通過厚～巨厚層狀砂巖，除洞口段巖體呈弱風(fēng)化外，全洞巖體新鮮，完整性較好。巖體變形模量Eo>10GPa，巖石單軸濕抗壓強(qiáng)度40MPa，屬中硬巖。洞線地下水位較低，僅中段地下水高于頂拱，預(yù)測硐室地下水滲水量偏小，有利于圍巖穩(wěn)定。由于j3、j4兩條層內(nèi)擠壓帶走向與洞線近于一致，傾角較緩為25°～30°，故對(duì)圍巖穩(wěn)定性（尤其是洞頂）起控制作用。

壓力管道與引水隧洞地質(zhì)條件相似，但推測層內(nèi)擠壓帶僅影響頂拱圍巖穩(wěn)定性，對(duì)側(cè)墻無影響。

2.5 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

水輪機(jī)額定水頭38m，最大水頭50.9m，最小水頭31m，額定轉(zhuǎn)速125r/min，發(fā)電機(jī)最大容量63MW，額定容量 51MW，GD21.05 萬 t·m2， 機(jī)組蝸殼∑LV＝230m2/s，機(jī)組尾水管∑LV＝135m2/s。

3 引水建筑物布置

3.1 布置優(yōu)化

引水發(fā)電建筑物布置采用引水隧洞后接調(diào)壓井及兩條壓力鋼管至發(fā)電機(jī)組的形式。

調(diào)壓井布置在廠房后坡高程431～435m地段，為開敞阻抗式31m×15.8m矩型斷面，井口高程441.5m，高出地表6～10m。

調(diào)壓井成井條件主要受巖性及風(fēng)化程度控制。近井口部位，由于分布有崩積堆積物及強(qiáng)風(fēng)化泥巖，井壁穩(wěn)定條件差。此外，調(diào)壓井部位，地下水位高程411m，尚有25m井段在地下水位以下，井挖條件差。因此大段面開挖工程風(fēng)險(xiǎn)大，為滿足調(diào)壓井施工，需首先建成上壩公路，由于公路路線較長，對(duì)工期有一定的影響，此外調(diào)壓井概算造價(jià)1250萬元，投入較大。

因機(jī)組未定，機(jī)組參數(shù)均為假定值，在滿足規(guī)范的前提下，無調(diào)壓井時(shí)所需引水隧洞洞徑大于17m，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上成立的可能性都不大?；谝陨显?，待技施階段機(jī)組參數(shù)基本確定后再進(jìn)行研究。

技施階段機(jī)組參數(shù)基本確定后，采用8.5m內(nèi)徑的引水隧洞與6m直徑壓力鋼管單洞單機(jī)分別向兩臺(tái)機(jī)組引水的設(shè)計(jì)方案。

調(diào)速器參數(shù)整定優(yōu)化后：①單機(jī)孤網(wǎng)帶大負(fù)荷水輪機(jī)調(diào)節(jié)；②電站運(yùn)行時(shí)小波動(dòng)穩(wěn)定；③蝸殼壓力上升、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升均能滿足機(jī)組控制參數(shù)的要求，并可取消調(diào)壓室。

3.2 技施階段引水建筑物布置

電站進(jìn)水口布置在大壩上游左岸，進(jìn)水口為岸塔式，分為1#及2#進(jìn)水塔，塔頂高程433.5m，建基面高程 392m，長 15.8m，塔前攔污柵段長 12m，1#、2#進(jìn)水塔中心線間距16.3m，總寬55.1m，總長27.8m。進(jìn)水口后接1#、2#有壓引水道，引水隧洞洞徑8.5m，1#壓力引水道總長 294.12m，2#壓力引水道總長268.66m，隧洞方位角N28°E，引水隧洞后接壓力鋼管，壓力鋼管管徑6m，出口高程376.5m。

4 進(jìn)水口設(shè)計(jì)

4.1 底板高程

進(jìn)水口最小淹沒深度應(yīng)滿足最低運(yùn)行水位下不產(chǎn)生貫通式漏洞漩渦及保證進(jìn)水口內(nèi)為壓力流。經(jīng)計(jì)算，在死水位414.00m條件下，進(jìn)水口底板高程應(yīng)不大于398.70m，同時(shí)根據(jù)進(jìn)水口地形地質(zhì)條件，最終確定進(jìn)水口底板頂高程395.00m。

4.2 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)布置

進(jìn)水口采用岸塔式，分為1#及2#進(jìn)水塔，中心線間距16.3m。塔頂高程433.5m，底高程393m，單塔寬13m，長 15.8m，水孔口寬 8m，高 8.5m，塔體內(nèi)設(shè)通氣孔、檢修門、工作門。

岸塔前為攔污柵段，攔污柵段和塔體之間設(shè)結(jié)構(gòu)縫。

塔頂沿引水隧洞洞軸線方向修建通至下游的公路隧洞，滿足進(jìn)水口永久交通需求。

4.3 開挖支護(hù)及基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

進(jìn)水口洞臉邊坡穩(wěn)定性良好。進(jìn)水口左側(cè)邊坡為順向坡，穩(wěn)定性受坡外裂隙、層間軟弱夾層及巖性控制。由于高程455m以上自然邊坡陡60余度，因此在設(shè)計(jì)中結(jié)合進(jìn)水塔的布置，將邊坡開挖高度控制在455m高層以下，開挖坡比為1∶0.3，且在410m高程設(shè)置2.5m寬馬道。

433.5m高程以下主要為T63xj及T73xj，因此392.00m高程至433.5m高程邊坡僅進(jìn)行隨機(jī)錨桿支護(hù)。

433.5m高層以上采用Ф25mm，L=3m，間排距為3m的系統(tǒng)錨桿支護(hù)，噴10cm厚混凝土，并設(shè)置L=3m，間排距4m排水孔。

在開挖過程中，根據(jù)實(shí)際揭露的地質(zhì)情況，考慮到左側(cè)巖塊較大裂隙長，相互切割，高程428.0m以下巖體又呈偏強(qiáng)風(fēng)化次生裂隙發(fā)育，且方向多為順坡，穩(wěn)定性極差，在420～426m高程設(shè)置6根100t和6根150t錨索，433高程設(shè)置4根100t錨索，并對(duì)此范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)化區(qū)做掛網(wǎng)噴混凝土處理。

對(duì)開口線外覆蓋層設(shè)置準(zhǔn)110mm鋼管樁，并進(jìn)行了削坡處理，坡腳采用鋼筋石籠壓坡；坡面采用框格梁護(hù)坡，節(jié)點(diǎn)錨索加固的支護(hù)措施，確保了邊坡的穩(wěn)定。

為增強(qiáng)進(jìn)水口基礎(chǔ)巖體的完整性，對(duì)進(jìn)水口地基進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理，灌漿孔深7m，間排距3m×3m。

5 壓力引水道設(shè)計(jì)

5.1 壓力引水道結(jié)構(gòu)布置

壓力引水道分別為1#、2#壓力引水道，由有壓引水隧洞及壓力鋼管組成。

1#壓力引水道總長294.12m，縱坡0.1048，洞身圍巖為T63xj，（隧1）0+217.408m樁號(hào)后為壓力鋼管；2#壓力引水道總長為268.66m，縱坡0.1056，洞身圍巖為T63xj，（隧2）0+215.943樁號(hào)后為壓力鋼管。

引水隧洞方位角N28°E，洞徑8.5m，采用厚0.5m鋼筋混凝土襯砌；壓力鋼管直徑6m，鋼襯厚22mm。

5.2 水力計(jì)算

5.2.1 水頭損失

引水隧洞采用混凝土襯砌糙率值0.014，壓力鋼管糙率0.012；分別對(duì)1#、2#引水隧洞及壓力鋼管計(jì)算沿程水頭損失hf；另計(jì)入進(jìn)口段、漸變段、轉(zhuǎn)彎段等局部水頭損失hj，求得1#、2#壓力引水道總水頭損失分別為0.33m，0.32m。

5.2.2 水錘壓力

水輪機(jī)采用單管單機(jī)的引水形式，相互獨(dú)立運(yùn)行，需分別計(jì)算1#、2#壓力引水道的水錘壓力。

壓力引水道最大水錘升壓出現(xiàn)在水庫正常水位429.0m，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組引用流量153.06m3/s，突然丟棄全部負(fù)荷時(shí)，此時(shí)取水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間Ts=8s，壓力波傳播速度c=1000m/s，經(jīng)計(jì)算最大水錘升壓為極限水錘，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 最大水錘升壓計(jì)算成果

壓力引水道最大水降壓出現(xiàn)在水庫死水位414.0m，機(jī)組負(fù)荷突然由0%→100%，即機(jī)組引用流量突然由0增至153.06m3/s時(shí)，此時(shí)取水輪機(jī)導(dǎo)葉開啟時(shí)間Ts=8s，壓力波傳播速度c=1000m/s，最大降壓為極限水錘，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 最大水錘降壓計(jì)算成果

5.3 引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

襯砌計(jì)算按照SL279—2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄的方法進(jìn)行，并按限裂設(shè)計(jì)，裂縫寬度小于0.3mm。引水隧洞襯砌計(jì)算工況及荷載組合為：①運(yùn)行情況：內(nèi)水壓+襯砌結(jié)構(gòu)自重+圍巖彈性抗力+水錘壓力；②放空情況：外水壓力+襯砌結(jié)構(gòu)自重+山巖壓力。

經(jīng)計(jì)算，隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚50cm，內(nèi)外層均配置鋼筋。

隧洞頂拱中心角120°范圍內(nèi)回填灌漿。

5.4 壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力管道為地下埋管，但埋深很淺，因此按明管考慮，根據(jù)DL/T5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》的方法進(jìn)行計(jì)算，鋼板焊縫系數(shù)φ=0.95，壓力管道采用16MnR鋼板，鋼板厚度除結(jié)構(gòu)計(jì)算所需厚度外，另計(jì)入銹蝕、磨損及管壁厚度誤差2mm。分別對(duì)壓力管道水錘最大升壓工況、檢修工況、施工期工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為：管道壁厚22mm，外壁每2m設(shè)1個(gè)加勁環(huán)，斷面20cm×2cm。管壁及加勁環(huán)均滿足外壓穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.8的要求。

壓力鋼管周邊進(jìn)行了頂拱回填灌漿兼接觸灌漿，底部接觸灌漿。

5.5 開挖支護(hù)

由于圍巖穩(wěn)定受j3、j4兩條與洞線走向近于一致、傾角25°～30°的層內(nèi)擠壓帶控制作用，因此開挖中系統(tǒng)支護(hù)采用間排距為4m×3m的錨桿。壓力鋼管出口段因埋深較淺，對(duì)洞頂支護(hù)進(jìn)行了加強(qiáng)。其余洞段根據(jù)開挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況，局部可采取素噴混凝土或掛網(wǎng)噴混凝土的方式進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，確保施工安全。

6 結(jié)語

（1）舟壩電站引水建筑物設(shè)計(jì)采用單洞單機(jī)分別向兩臺(tái)機(jī)組引水的形式，滿足了安全、工期及經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)化需求。

（2）通過對(duì)進(jìn)水口、引水隧洞、壓力鋼管計(jì)算分析，建筑物采取了安全合理的結(jié)構(gòu)形式，滿足了工程建設(shè)的需要。

［1］馬善定，汪如澤.水電站建筑物［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［2］DL/T5058—1996，進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］SL279—2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］SL/T5141—2001，水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］DL/T5058—1996，水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.