水電站阻抗式受力復(fù)雜調(diào)壓井設(shè)計(jì)

洪振國(guó)，劉浩林

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

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水電站阻抗式受力復(fù)雜調(diào)壓井設(shè)計(jì)

洪振國(guó)，劉浩林

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

摘要：引水式水電站中的調(diào)壓井在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中起著重要作用。針對(duì)低水頭、大流量、長(zhǎng)距離引水隧洞的水電站，通過(guò)水力學(xué)、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元三種方法對(duì)簡(jiǎn)單式、阻抗式和帶上室的簡(jiǎn)單式三種調(diào)壓井形式進(jìn)行計(jì)算比選。結(jié)果表明：阻抗式調(diào)壓井具有經(jīng)濟(jì)性、波動(dòng)衰減快、水頭損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)于穩(wěn)定斷面大、井筒高、體形多變及受力復(fù)雜的調(diào)壓井，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法和有限元法進(jìn)行調(diào)壓井計(jì)算，阻抗式調(diào)壓井的受力較小，整體穩(wěn)定，選用阻抗式調(diào)壓井是合理的。因此，此方法具有的理論意義與工程實(shí)踐價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水電站;長(zhǎng)引水隧洞;阻抗式調(diào)壓井

引水式水電站中的調(diào)壓井能夠反射由壓力管道傳來(lái)的水錘波，避免引水隧洞所受較大的水錘壓力，使水輪機(jī)和壓力管道的水錘壓力減少，在負(fù)荷變化時(shí)改進(jìn)了水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行條件和系統(tǒng)供電質(zhì)量[1-2]。針對(duì)水頭低、流量大、引水隧洞距離長(zhǎng)的水電站，阻抗式調(diào)壓井具有水位波動(dòng)振幅小，波動(dòng)衰減快[2]，工程量少，比較經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，水頭損失小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)對(duì)于穩(wěn)定斷面大，井筒高、體形多變、受力情況復(fù)雜的阻抗式調(diào)壓井，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算僅能得到一個(gè)結(jié)構(gòu)主要受力特征,無(wú)法精準(zhǔn)地反映圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力情況。有限元法能很好的反映計(jì)算模型邊界約束情況、調(diào)壓井圍巖特性和外部荷載等各種因素，計(jì)算精度高，適用于調(diào)壓井受力、體形情況復(fù)雜的特點(diǎn)。因此對(duì)于體形多變、受力復(fù)雜的調(diào)壓井先進(jìn)行傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算，然后進(jìn)行有限元計(jì)算，使調(diào)壓井結(jié)構(gòu)滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。

本文以具有水頭低、大流量、引水隧洞距離長(zhǎng)的廟林水電站為例，針對(duì)其穩(wěn)定斷面大、井筒高、體形多變、受力情況復(fù)雜等特點(diǎn)，分別進(jìn)行調(diào)壓井位置選擇、形式選擇、以及水力學(xué)、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元法的模擬計(jì)算。

1　工程概述

彝良廟林電站是混凝土重力壩，總庫(kù)容1 158.4萬(wàn)m3，最大壩高50 m，年發(fā)電量2.7883億kW·h，年利用小時(shí)4 290 h，裝機(jī)容量6.5萬(wàn)kW。廟林電站為中型規(guī)模的水電站，主要建筑物由大壩、進(jìn)水口、有壓引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管道、廠房及升壓站等組成[1-2]。

大壩為混凝土重力壩，頂軸線長(zhǎng)120 m，主要有泄洪、沖沙、排污等建筑物。電站進(jìn)水口布置于攔河壩右岸壩體，為豎井式進(jìn)水口，由進(jìn)口段、豎井閘室段等建筑物組成，進(jìn)水口閘室經(jīng)漸變段與有壓引水隧洞相接。引水隧洞全線布置于右岸，隧洞總長(zhǎng)8 157.506 m，為有壓圓形隧洞，隧洞出口接調(diào)壓井，全線設(shè)有7個(gè)轉(zhuǎn)彎。調(diào)壓井采用阻抗式調(diào)壓井，井筒高67.96 m，為地下式調(diào)壓井。調(diào)壓井通過(guò)漸變段與壓力管道連接。壓力管道上接調(diào)壓井，下連電站廠房，全線地下埋管布置，采用一管雙機(jī)的供水方式。廠區(qū)位于洛澤河右岸坡地上，包括主廠房、副廠房及開(kāi)關(guān)站，為引水式地面廠房。

調(diào)壓井布置在洛澤河右岸山體中，圍巖為薄～中層狀、性脆的大路寨組(S2d)硅質(zhì)泥巖[3-4]。頂壁圍巖厚度≥75 m，調(diào)壓井側(cè)壁圍巖厚度≥54 m；調(diào)壓井圍巖除開(kāi)挖暴露易風(fēng)化崩解，局部存在掉塊現(xiàn)象外，具有節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化，巖體較完整的圍巖。地下水埋深大于150 m，地下水位位于調(diào)壓井中部，在開(kāi)挖中有少量的滲水現(xiàn)象，調(diào)壓井的圍巖地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　調(diào)壓井地質(zhì)參數(shù)

2　調(diào)壓井設(shè)計(jì)

2.1設(shè)置調(diào)壓井的必要性

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](DL/T5058—1996)規(guī)定，當(dāng)下面不等式成立時(shí)，應(yīng)設(shè)置上游調(diào)壓井。

∑Livi>(20～40)Hp

(1)

式中：Li為上游蝸殼、壓力水道、蝸殼、尾水管延伸段及尾水管各段的長(zhǎng)度(m)；vi為各壓力管段對(duì)應(yīng)的平均流速(m/s)；Hp為設(shè)計(jì)水頭(m)。

廟林電站引水隧洞總長(zhǎng)8 157.506 m，設(shè)計(jì)水頭68 m，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)引用流量111.3 m3/s。依據(jù)上面設(shè)置上游調(diào)壓井條件公式計(jì)算，40Hp=2720<∑Livi=17272，為了消除水擊波在引水隧洞中的擴(kuò)展，降低高壓管道中的水擊壓力，改進(jìn)了水輪機(jī)在負(fù)荷變化時(shí)的系統(tǒng)供電質(zhì)量及穩(wěn)定運(yùn)行條件，機(jī)組調(diào)保計(jì)算滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，所以在有壓引水隧洞末端需要設(shè)置調(diào)壓井。

2.2調(diào)壓井位置選擇

廟林電站為引水式電站，通過(guò)對(duì)上、下、左岸三個(gè)廠址進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：從地形上看，下廠址區(qū)的河面高程718 m，兩岸地形相對(duì)較為開(kāi)闊，廠址上游側(cè)有一河灘，對(duì)外交通條件較好，有利于施工場(chǎng)地布置，方便于以后電站運(yùn)行及電站管，容易布置廠區(qū)樞紐，方便于升壓站進(jìn)出線；同時(shí)從地質(zhì)分析，下廠址區(qū)砂礫石層覆蓋淺，廠房基礎(chǔ)好，山坡崩堆體厚度較小，廠房開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定且處理簡(jiǎn)單，因此綜合考慮選定下廠址。

考慮在滿足調(diào)壓井布置要求條件下，調(diào)壓井盡量靠近廠房，地形相對(duì)平緩，調(diào)壓井建在較好的基巖內(nèi)等因素確定調(diào)壓井的位置，在轉(zhuǎn)咀村下游380 m布置廟林電站調(diào)壓井，此處地質(zhì)情況較好[4]，圍巖為弱風(fēng)化硅質(zhì)泥巖，基巖出露，整個(gè)山體完整穩(wěn)定，地形坡度57°的陡崖山體中[4]。

由于調(diào)壓井具有斷面較大、高度較高的特點(diǎn)，調(diào)壓井位于完整穩(wěn)定基巖內(nèi)，將調(diào)壓井各部分均采用地下式布置，有效地利用山體的圍巖承擔(dān)部分內(nèi)水壓力。這樣不僅避免對(duì)高陡山坡的開(kāi)挖形成高邊坡，減少防護(hù)措施工程量，有利于調(diào)壓井經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行安全管理。

2.3調(diào)壓井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廟林水電站調(diào)壓井布置引水隧洞末端，調(diào)壓井采用阻抗式調(diào)壓井，結(jié)構(gòu)主要由交通洞、豎井、阻抗孔組成。交通洞兼通氣洞，交通洞長(zhǎng)77m，采用城門洞型，橫斷面襯砌后尺寸5.2 m×4.5 m，縱坡為4.162%，交通洞底板高程833.66 m，比最高涌浪水位高1.4 m。調(diào)壓井豎井為了方便施工，結(jié)構(gòu)受力條件好，豎井采用圓形井筒結(jié)構(gòu)，豎井襯砌后內(nèi)徑20 m，井筒高67.96 m。豎井襯砌厚1.0 m～2.5 m，豎井通過(guò)10 m漸變段與壓力鋼管相連，根據(jù)調(diào)壓井設(shè)計(jì)規(guī)范，最低涌波水位與調(diào)壓井處壓力引水輸洞頂部之間的安全高度應(yīng)不小于2 m～3 m準(zhǔn)則確定豎井底板高程，由于最低涌波水位785.21 m，引水隧洞較長(zhǎng)，引水隧洞末端高程為765.7 m，最終豎井底板高程的765.7 m。同時(shí)根據(jù)調(diào)壓井最高涌波水位以上的安全超高不宜小于1.0 m準(zhǔn)則確定豎井頂高程，由于最高涌波水位832.26 m，最終豎井頂高程的833.66 m。由于阻抗孔口面積比越小，最高涌浪水位越低，同時(shí)底板壓力差也越大。為了調(diào)壓室底板向上的壓力差應(yīng)控制在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，以確保調(diào)壓井運(yùn)行安全。對(duì)廟林水電站計(jì)算成果分析，阻抗孔口直徑在3.3 m是合適的，其面積在設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的范圍內(nèi)，此時(shí)正常工況丟棄負(fù)荷后底板向上的最大壓力差為18.909 m。

3　調(diào)壓井的形式計(jì)算比選

關(guān)于簡(jiǎn)單式、阻抗式和帶上室的簡(jiǎn)單式三種形式的調(diào)壓井，簡(jiǎn)單式由圓形斷面豎井和交通洞組成，阻抗式調(diào)壓井結(jié)構(gòu)主要由圓形豎井、阻抗孔和交通洞組成。帶上室的簡(jiǎn)單式由上室、圓形豎井和交通洞組成，其中交通洞和上室采用城門斷面，具體結(jié)構(gòu)圖如圖1～圖3。

簡(jiǎn)單式調(diào)壓井反射水錘波良好的效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是衰減慢，相對(duì)的水位波動(dòng)幅度大，正常運(yùn)行時(shí)水流通過(guò)底部的較大水頭損失，通常調(diào)壓井較高，工程量較大，不經(jīng)濟(jì)；阻抗式調(diào)壓井雖然有較差的水錘波反射，水錘波少部分進(jìn)入到有壓引水隧洞，使引水隧洞壓力增加，由于引水隧洞內(nèi)水壓力比較小，水錘壓力增加部份對(duì)調(diào)壓井結(jié)構(gòu)的影響在可設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，阻抗式調(diào)壓井水位波動(dòng)衰減相對(duì)較快[2]，正常運(yùn)行時(shí)水頭損失小，較小的波動(dòng)振幅，工程量較小，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工可采用反井鉆機(jī)開(kāi)挖，先自上而下鉆孔開(kāi)挖形成先導(dǎo)孔，然后用反井鉆機(jī)自上而下擴(kuò)挖，開(kāi)挖施工方便，圓斷面襯砌方便滑模施工。帶上室簡(jiǎn)單式調(diào)壓井上室的底板高程為最高靜水位，供丟棄負(fù)荷時(shí)儲(chǔ)水之用，當(dāng)調(diào)壓井周圍沒(méi)有通風(fēng)洞、交通支洞、地質(zhì)勘測(cè)探洞、試驗(yàn)洞等加以擴(kuò)挖改造，作為調(diào)壓的上室時(shí)，通常情況帶上室簡(jiǎn)單式調(diào)壓井工程量較大，不經(jīng)濟(jì)[6]。

3.1水力學(xué)計(jì)算

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算公式，分別對(duì)簡(jiǎn)單式、阻抗式和帶上室的簡(jiǎn)單式三種型式的調(diào)壓井進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，計(jì)算得到三種形式的調(diào)壓井特性見(jiàn)表2。

根據(jù)水力學(xué)計(jì)算結(jié)果，確定調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)，三種形式的調(diào)壓井主要工程量見(jiàn)表3。

圖1簡(jiǎn)單式調(diào)壓井縱剖圖

圖2阻抗式調(diào)壓井縱剖圖

圖3帶上室的簡(jiǎn)單式調(diào)壓井縱剖圖

表2　三種形式調(diào)壓井特性

表3　三種形式調(diào)壓井主要工程量

由表2可知，三種調(diào)壓井圓筒直徑一樣時(shí)，阻抗式調(diào)壓井的計(jì)算高度比帶上室簡(jiǎn)單圓筒調(diào)壓井高6.46 m，圓筒式調(diào)壓井計(jì)算高度比阻抗式調(diào)壓井高6.95 m，而帶上室簡(jiǎn)單圓筒調(diào)壓井上室容積為1 600 m3，由于有壓引水隧洞為長(zhǎng)距離隧洞，三種調(diào)壓井底板高程都為隧洞出洞口高程，故調(diào)壓井實(shí)際井底高程為765.7 m。

由表3得知，阻抗式調(diào)壓井比帶上室簡(jiǎn)單圓筒調(diào)壓井石方開(kāi)挖少30 979 m3，C20混凝土襯砌量少5 716 m3，C20回填混凝土量少905 m3，鋼筋量少370 t，回填灌漿量少2 006 m3。阻抗式調(diào)壓井較圓筒式調(diào)壓井高度低6.95 m，C20混凝土襯砌量少485 m3，井挖石方少2 871 m3，C20回填混凝土量少77 m3，鋼筋量少5 t。

3.2結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算

實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何形狀及受力狀態(tài)一般很復(fù)雜，如果想完全按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，往往都比較困難，故一般在結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算中將實(shí)際結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)化并略去某些次要因素，得到一個(gè)既能反映結(jié)構(gòu)主要受力特征，又比較簡(jiǎn)單的計(jì)算圖形，計(jì)算簡(jiǎn)圖應(yīng)盡可能符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)及主要受力特征。

采用文獻(xiàn)[6]調(diào)壓井的襯砌計(jì)算理論對(duì)簡(jiǎn)單式、阻抗式和帶上室的簡(jiǎn)單式三種形式的調(diào)壓井分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，根據(jù)調(diào)壓井運(yùn)行情況、地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，按兩種荷載工況進(jìn)行：(1)最高內(nèi)水壓力+內(nèi)水重+圍巖壓力；(2)圍巖壓力+外水壓力。經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，第一種工況為運(yùn)行控制工況，經(jīng)計(jì)算得到三種形式的調(diào)壓井運(yùn)行控制工況受力成果如表4所示，相應(yīng)的調(diào)壓井結(jié)構(gòu)計(jì)算圖如圖4～圖6，圖中最大箍應(yīng)力、最大彎矩與三種形式調(diào)壓井運(yùn)行控制工況受力成果與表4相對(duì)應(yīng)。

圖4井筒彎矩圖

圖5井筒箍應(yīng)力圖

圖6底板彎矩圖

由調(diào)壓井筒彎矩圖4可知，三種形式調(diào)壓距井筒底板26.5 m以上彎矩接近0，距井筒底板26.5 m至調(diào)壓井底板，彎矩逐漸增大，在井筒與底板交匯處井筒彎矩最大。由調(diào)壓井筒箍應(yīng)力圖5可知，井頂部受力為0，井筒頂至調(diào)壓井底板，箍應(yīng)力逐漸增大，在井筒與底板交匯處井筒箍應(yīng)力最大，由調(diào)壓井底板彎矩圖6可知，最大的彎矩為負(fù)彎矩，在井筒與底板交匯處。由表4可知，阻抗式調(diào)壓井的井筒最大彎矩比帶上室簡(jiǎn)單式調(diào)壓井大4.9 kN·m，阻抗式調(diào)壓井的井筒最大彎矩比圓筒式調(diào)壓井小5.4 kN·m，阻抗式調(diào)壓井的井筒最大箍應(yīng)力比帶上室簡(jiǎn)單式調(diào)壓井大5.2 kN，阻抗式調(diào)壓井的井筒最大箍應(yīng)力比圓筒式調(diào)壓井小5.8 kN，阻抗式調(diào)壓井的底板最大彎矩比帶上室簡(jiǎn)單式調(diào)壓井大4.9 kN，阻抗式調(diào)壓井的底板最大彎矩比圓筒式調(diào)壓井小5.4 kN。

表4　三種形式調(diào)壓井控制工況受力表

3.3有限元計(jì)算

有限元法計(jì)算基本原理:(1)把一個(gè)連續(xù)的彈性體劃分成由有限多個(gè)有限大小的區(qū)域組成的離散結(jié)構(gòu)，這些有限大小的區(qū)域稱為有限單元，單元之間相交的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。平面問(wèn)題常用的單元有矩形單元、三角形單元、任意四邊形單元等。空間問(wèn)題常用的單元有長(zhǎng)方體單元、四面體單元、任意六面體單元等[7-8]。(2)將單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移用簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似地表示，并在節(jié)點(diǎn)處使其函數(shù)值等于該節(jié)點(diǎn)位移值。從而可根據(jù)單元的節(jié)點(diǎn)位移值來(lái)確定單元內(nèi)的位移場(chǎng)。(3)作用于單元節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力(外荷載)應(yīng)與作用于單元節(jié)點(diǎn)的彈性力平衡，逐節(jié)點(diǎn)建立平衡方程可得出總體平衡方程，這是一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的線性方程組。也可由最小勢(shì)能原理建立總體平衡方程。(4)將己知的幾何邊界條件(已知的節(jié)點(diǎn)位移)代入總體方程，解出節(jié)點(diǎn)位移[7,9]。

對(duì)簡(jiǎn)單式、阻抗式和帶上室的簡(jiǎn)單式三種形式的調(diào)壓井進(jìn)行了調(diào)壓井結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算,模型底面采用垂直方向的位移約束(零位移邊界)，地表為自由邊界；模型靠近河床側(cè)為位移約束(零位移邊界)，靠近山體一側(cè)為應(yīng)力邊界(一種方案水平應(yīng)力為0.8γ巖石H，其中H為從地表到計(jì)算應(yīng)力處的垂直距離，γ巖石為巖石的重度)[4]；模型垂直河床的一側(cè)面應(yīng)力邊界(大小為0.8γ巖石H，其中H為從地表到計(jì)算處的垂直距離，γ巖石為巖石的重度)，另一側(cè)為位移約束邊界(零位移邊界)[4]。有限元模型共劃分為節(jié)點(diǎn)數(shù)54 429點(diǎn)，單元數(shù)39 700個(gè)，調(diào)壓井有限元計(jì)算模型如圖7。

調(diào)壓井有三個(gè)工況，分別為施工工況、運(yùn)行工況和檢修工況，運(yùn)行工況為控制工況，經(jīng)計(jì)算得到阻抗式調(diào)壓井運(yùn)行工況應(yīng)力圖如圖7～圖10，三種形式的調(diào)壓井控制工況應(yīng)力成果見(jiàn)表5。

圖7阻抗式調(diào)壓井有限元模型

圖8阻抗式調(diào)壓井控制工況第一主應(yīng)力

從阻抗式調(diào)壓井控制工況第一主應(yīng)力圖7可以看出，調(diào)壓井圍巖的第一主應(yīng)力主要有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，在調(diào)壓井山體側(cè)引水隧洞、調(diào)壓井圍巖出現(xiàn)了拉應(yīng)力，其它圍巖大部分為壓應(yīng)力。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在調(diào)壓井與交通洞相交匯處，最大拉應(yīng)力為有壓引水隧洞靠山體側(cè)[3,10]。

圖9阻抗式調(diào)壓井控制工況第二主應(yīng)力

圖10阻抗式調(diào)壓井控制工況第三主應(yīng)力

表5　三種形式調(diào)壓井控制工況應(yīng)力計(jì)算成果

從阻抗式調(diào)壓井控制工況第二主應(yīng)力圖8可知，調(diào)壓井圍巖的第二主應(yīng)力主要有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，在調(diào)壓井河床側(cè)井筒下部有較大壓應(yīng)力。最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在調(diào)壓井與交通洞相交處[3]。

從阻抗式調(diào)壓井控制工況第三主應(yīng)力(圖9)可以看出，調(diào)壓井圍巖的第三主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在交通洞與調(diào)壓井交匯處。

從阻抗式調(diào)壓井主應(yīng)力(圖7～圖9)可知，在均勻分布圍巖應(yīng)力處布置調(diào)壓井，對(duì)調(diào)壓井的受力情況和穩(wěn)定性相對(duì)有利[3-4]，由三種形式調(diào)壓井控制工況應(yīng)力計(jì)算成果表5可知，三種形式調(diào)壓井混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值較小，調(diào)壓井混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生破壞，調(diào)壓井的整體是穩(wěn)定的。

4　結(jié)　論

對(duì)于水頭低、大流量、距離長(zhǎng)引水隧洞的水電站，穩(wěn)定斷面大、井筒高、體形多變、受力情況復(fù)雜調(diào)壓井，經(jīng)水力學(xué)、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)法和有限元法對(duì)簡(jiǎn)單式、阻抗式和帶上室的簡(jiǎn)單式三種調(diào)壓井形式進(jìn)行計(jì)算比選研究，阻抗式調(diào)壓井雖然水錘波反射較差，水錘波少部分進(jìn)入有壓引水隧洞，引水隧洞壓力增加，但是引水隧洞內(nèi)水壓力比較小，水錘壓力增加部份對(duì)調(diào)壓井結(jié)構(gòu)的影響在可設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)[2]，阻抗式調(diào)壓井結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，波動(dòng)衰減快，正常運(yùn)行時(shí)水頭損失小等優(yōu)點(diǎn)。阻抗式較帶上室簡(jiǎn)單圓筒調(diào)壓井及圓筒式調(diào)壓井工程量少，工程投資也少[2]，具有經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)阻抗式調(diào)壓井采用反井鉆機(jī)開(kāi)挖，先自上而下鉆孔開(kāi)挖形成先導(dǎo)孔，然后用反井鉆機(jī)自上而下擴(kuò)挖，開(kāi)挖施工方便，圓斷面襯砌方便滑模施工，最終選用阻抗式調(diào)壓井。

經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，調(diào)壓井的相對(duì)受力較小，調(diào)壓井結(jié)構(gòu)尺寸滿足了調(diào)壓井鋼筋混凝土強(qiáng)度及限裂要求。通過(guò)有限元法計(jì)算，在調(diào)壓井設(shè)計(jì)布置位置圍巖應(yīng)力的主應(yīng)力大小相對(duì)比較均勻分布，對(duì)調(diào)壓井的穩(wěn)定性和受力情況比較有利[3-4]，調(diào)壓井混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值較小，調(diào)壓井混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生破壞，調(diào)壓井的整體是穩(wěn)定，所選取阻抗式調(diào)壓井是合理的。

對(duì)于體形多變和受力復(fù)雜的調(diào)壓井，采用傳統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)法僅能得到一個(gè)結(jié)構(gòu)主要受力特征,無(wú)法精準(zhǔn)地反映圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力情況。有限元法具有很好的計(jì)算模型反映邊界約束情況、調(diào)壓井圍巖特性和外部荷載等各種因素，計(jì)算精度很能高，具有經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

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TheDesignofComplexStressImpedanceSurgeShaftofHydropowerStations

HONG Zhen-guo,LIU Hao-lin

(YunnanWaterConservancyandHydropowerEngineeringInvestigation，DesignandResearchInstitute，Kunming,Yunnan650021，China)

Abstract：The surge shaft of diversion type hydropower stations plays an important role in the stability of the system.Regarding to the hydropower stations with large flow,low water head and long distance diversion tunnel,the simple type,impedance type and the simple type with upper room surge shafts were calculated and compared by adopting hydraulic method,traditional structural mechanics method and finite element method.The results showed that：Impedance surge shaft had the advantages of economy，fast wave decay,small water head loss,simple structure and convenient construction;For a surge shaft with large stable section area,high shaft,complex shape and complex stress,through the calculation of structural mechanics method and finite element method,it was drawn that the impedance surge shaft suffered less stress,and remained stable on the whole.Therefore,the selection of impedance surge shaft is reasonable,and the application of this shaft has theoretical significance and practical value.

Keywords：hydropower station;long distance diversion tunnel;impedance surge shaft

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.030

中圖分類號(hào)：TV732+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0148—06

作者簡(jiǎn)介：洪振國(guó)(1976—)，男(白族)，云南洱源人，高級(jí)工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)及研究。

收稿日期：2014-05-04修稿日期：2014-06-01