雙河水電站調(diào)壓室設(shè)計

魯　毅

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都　610072)

雙河水電站調(diào)壓室設(shè)計

魯毅

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：介紹了雙河水電站調(diào)壓室的設(shè)計情況。雙河水電站于2005年1月完成可行性研究報告，2005年6月完成初步設(shè)計報告。2006年2月主體工程開工，2009年7月工程建成發(fā)電，發(fā)電至今雙河水電站運行良好，引水發(fā)電系統(tǒng)及調(diào)壓室運行正常，達(dá)到設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：調(diào)壓室；雙河水電站；技施設(shè)計

1概述

雙河水電站為白水江水電流域規(guī)劃一庫七級方案中的第六級梯級電站，為引水式開發(fā)。閘高14.5 m，水庫正常蓄水位高程1 377.5 m，正常蓄水位以下庫容為18.7萬m3，調(diào)節(jié)庫容7.8萬m3。電站引用流量為102 m3/s，引水隧洞長約6.27 km，電站利用落差約105.8 m，裝機容量81 MW。該工程為單一發(fā)電工程，無防洪、航運、供水等綜合利用要求。

根據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)(DL 5180—2003)》確定該工程規(guī)模為中型，工程等別為三等，永久性主要水工建筑物級別為3級，次要水工建筑物級別為4級，臨時性水工建筑物級別為5級。

2調(diào)壓室型式的選擇及布置

調(diào)壓室位于雙河鄉(xiāng)下游0.5 km處的左岸山體內(nèi)，采用埋藏式布置，調(diào)壓室處隧洞底板高程為1 346.84 m，井筒高51.96 m，內(nèi)徑16 m，穹頂高程1 406 m。

該段出露地層為黑河組上段第六亞層(P1h26)，巖性為中厚層硅質(zhì)條帶灰?guī)r，局部夾板巖，巖體中層面裂隙發(fā)育。

調(diào)壓室垂直埋深115 m，水平埋深125 m。段內(nèi)巖體呈微風(fēng)化～新鮮，巖體嵌合較緊密，為層狀結(jié)構(gòu)，圍巖局部穩(wěn)定性差，以Ⅲ-1類圍巖為主，Ⅳ類圍巖次之。

調(diào)壓室交通洞進(jìn)口底高程約為1 395 m，長約234 m，斷面型式為城門洞形，寬4.5 m，高4.5 m。洞軸線方向與巖層走向呈大角度相交。0+0～0+80段巖體風(fēng)化卸荷較強、完整性差，裂面多張開并充填泥膜，巖體多呈碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖不穩(wěn)定，以Ⅳ類圍巖為主，0+80以里巖體新鮮，但完整性較差，以Ⅲ-2類圍巖為主。

該工程最大水頭為105.8 m，最小水頭為89.2 m，引用流量為102 m3/s。調(diào)壓室型式在設(shè)計時研究了簡單式、阻抗式和差動式，分析如下：

簡單圓筒式調(diào)壓室特點為自上而下具有相同的斷面，結(jié)構(gòu)簡單，反射水錘波的效果較好,但正常運行時水流通過底部水頭損失較大, 產(chǎn)生波動時振幅大，衰減慢，所需容積大, 多用于低水頭或小流量的水電站。

阻抗式調(diào)壓室系將簡單圓筒式調(diào)壓室的底部收縮成孔口而成。由于其底部存在附加阻抗，故與簡單圓筒式調(diào)壓室相比，波動時振幅小，衰減快，正常運行時水流通過底部水頭損失小，但反射水錘波的條件較差。

差動式調(diào)壓室由兩個不同直徑的同心圓或并列圓組成，小直徑的圓筒頂部設(shè)有溢流堰，通常稱為升管，其底部設(shè)阻力孔與外面的大室相通。差動式調(diào)壓室綜合地吸取了阻抗式和其它類型調(diào)壓室的優(yōu)點，即波動的振幅小，衰減快，正常運行時水頭損失小，升管頂部設(shè)有溢流堰，當(dāng)丟棄負(fù)荷時水位迅速上升至堰頂后開始溢流，可限制水位繼續(xù)上升，因此，差動式調(diào)壓室可減小容積，水流條件好，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且反射水錘波的條件與阻抗式一樣較差。

采用調(diào)壓室水力計算程序進(jìn)行水力計算，其結(jié)果見表1。

表1　計算結(jié)果表

由表1可知，圓筒式調(diào)壓室的涌浪值最大，調(diào)壓室井筒高度最高，阻抗式次之，差動式最小。

簡單式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)簡單，但井筒高度較阻抗式約高9.2 m、較差動式約高10.5 m，規(guī)模較大，不經(jīng)濟；雖然差動式調(diào)壓室涌浪波動水位衰減較快且涌浪水位變幅較阻抗式略低，但差動式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、施工難度較阻抗式調(diào)壓室大，故經(jīng)綜合分析后對該工程采用阻抗式調(diào)壓室。調(diào)壓室剖面見圖1。

圖1　調(diào)壓室剖面圖

3調(diào)壓室水力計算

3.1計算原則

(1)在最低運行庫水位時，引水洞水頭損失取最小值，壓力管道水頭損失采用平均值，計算調(diào)壓室最小穩(wěn)定斷面。

(2)在最高運行庫水位時，以引水洞最小水頭損失、按瞬間全甩負(fù)荷計算調(diào)壓室最高涌浪水位。

(3)在最低運行庫水位時，以引水洞最大水頭損失、按兩臺機運行、瞬間投入另一臺機計算調(diào)壓室最低涌浪水位。

(4)在最低運行庫水位時，以引水洞最小水頭損失、按瞬間全甩負(fù)荷計算調(diào)壓室水位波動的第二振幅。

(5)取(3)、(4)兩項中最低水位作為選定調(diào)壓室底高程的依據(jù)。最低涌浪水位與引水道頂部間的安全高度不得小于2～3 m。

3. 2斷面計算

雙河水電站引水隧洞長約6.27 km，Ⅲ類圍巖約占55%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖約占45% ，引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌和噴錨支護(hù)，噴錨斷面按水頭損失與襯砌斷面相等的原則擬定。

在水庫最低運行水位時，按“托馬”公式計算調(diào)壓室最小穩(wěn)定面積，引水隧洞水頭損失取小值，具有變直徑引水隧洞的調(diào)壓室穩(wěn)定面積：

經(jīng)計算得知，“托馬”穩(wěn)定斷面積約為199m2，調(diào)壓室井筒直徑取16 m，調(diào)壓室實際斷面積為201.062 m2，“托馬”穩(wěn) 定 安 全 系 數(shù)K為

1.011，滿足規(guī)范(DL/T5058-1996)K為1～

1.1的要求。

3.3涌浪計算

調(diào)壓室水力計算的程序只能用于隧洞為單一洞徑的情況。對于洞徑為兩種以上的則須劃為單一洞徑, 而調(diào)壓室的涌浪是動能和勢能之間的轉(zhuǎn)換,因此,需按動能等效原則求出化引直徑。

式中Li為各段的長度；fi為相對于各段的面積，m2。

經(jīng)計算得知，化引直徑為7.44 m。

(1)基本數(shù)據(jù)。

隧洞糙率系數(shù)：噴錨nmax= 0.03；

nmin= 0.026

混凝土襯砌：nmax= 0.016；nmin= 0.012

水庫最高運行水位：▽庫max= 1 377.5m

水庫最低運行水位：▽庫min= 1 376m

導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間/水輪機開啟時間: 7s。

(2)阻抗孔面積的選擇。

阻抗式調(diào)壓室阻抗孔尺寸的選擇是設(shè)計的關(guān)鍵，應(yīng)使壓力管道傳來的水錘波在調(diào)壓室處得到較充分的反射。增設(shè)阻抗后，壓力管道末端的水錘壓力變化不大；阻抗孔底部在任何時候的壓力都不大于調(diào)壓室出現(xiàn)最高水位時的壓力，同時，也不低于出現(xiàn)最低水位時的壓力；阻抗孔要盡可能地抑制調(diào)壓室的波動振幅，加速波動的衰減。

當(dāng)阻抗孔的面積超過引水隧洞面積的30%時，阻抗的存在對調(diào)壓室底部和壓力管道末端的水錘壓力影響甚微；當(dāng)阻抗孔的面積小于引水隧洞面積的15%時，調(diào)壓室對水錘波的反射急劇惡化，將會發(fā)生水錘波擊穿調(diào)壓室進(jìn)入引水隧洞的情況。

為了減少水錘對隧洞的影響，雙河水電站調(diào)壓室采用的阻抗孔直徑為3.8m，約占引水隧洞面積的26%。

(3)最高涌浪的計算。

按三臺機同時全甩負(fù)荷計算最大涌浪值，引水隧洞水頭損失取小值。

最高庫水位高程1 377.5m, 引水隧洞糙率n=0.012/0.026。 計算得出:最高涌浪水位高程為1 398.932m。

(4)最低涌浪的計算。

瞬時增加負(fù)荷，負(fù)荷值由2臺增加到3臺，上游最低庫水位、引水隧洞水頭損失取大值。

最低庫水位高程1 376m，引水隧洞糙率n=0.016/0.03。計算得出：最低涌浪水位高程為1 360.801m(表1)。

表1　調(diào)壓井涌浪水位計算成果表

4調(diào)壓室結(jié)構(gòu)設(shè)計

調(diào)壓室為阻抗式，主要由井筒、底板、阻抗孔口等組成。

調(diào)壓室井筒為圓形斷面，內(nèi)徑16m，調(diào)壓室頂高程為1 406m，底板頂高程為1 354.04m，阻抗孔直徑為3.8m。

雙河水電站調(diào)壓室為埋藏式，內(nèi)徑達(dá)16m，圍巖以Ⅲ1類為主，局部為Ⅲ2類。由于調(diào)壓室頂部圓冠形頂拱的拱座開挖和混凝土澆筑施工困難較大，為此，將調(diào)壓室斷面設(shè)計成矩形，以便較容易處理頂拱結(jié)構(gòu)。從水力學(xué)條件考慮，矩形斷面與圓形斷面沒有差異，但在結(jié)構(gòu)上，矩形斷面的受力條件比圓形斷面差，井壁襯砌內(nèi)力較大，尤其是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件不佳時，鋼筋用量多，不經(jīng)濟，因此，只需把調(diào)壓室頂部一段按城門洞形結(jié)構(gòu)處理即可，而對此以下的調(diào)壓室井身仍按圓形斷面設(shè)計。

將1 398.5m高程以下的調(diào)壓室斷面設(shè)計成圓形斷面，1 398.5m高程以上的調(diào)壓室斷面設(shè)計成城門洞形斷面，最高涌浪水位不超過城門洞直墻高度。

井筒高度為44.46m。由于豎井承受的水頭較高且水位變幅較大，豎井井筒采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為1.5m，配筋計算根據(jù)各高程處圍巖物理力學(xué)指標(biāo)的不同分段計算。

圖2　調(diào)壓室結(jié)構(gòu)剖面圖

阻抗孔口在底板中間開孔，故底板為中間開孔的環(huán)形板，孔口直徑為3.8m，底板襯砌厚度為2m。

調(diào)壓室結(jié)構(gòu)剖面見圖2。

5結(jié)語

(1)通過對不同形式調(diào)壓室進(jìn)行水力計算以及施工難度綜合分析，最終確定了本工程調(diào)壓室采用阻抗式調(diào)壓室。

(2)通過對阻抗式調(diào)壓室的阻抗孔面積大小對調(diào)壓室和引水隧洞的影響進(jìn)行分析，最終選擇了阻抗孔孔口的較優(yōu)尺寸。

(3)根據(jù)施工現(xiàn)場揭示的圍巖情況，調(diào)整了調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)布置以及襯砌支護(hù)參數(shù)。

計算依據(jù)為潘家錚所著的《調(diào)壓井襯砌》及《水利水電工程地下建筑物設(shè)計手冊》、《水工設(shè)計手冊》第七卷(水電站建筑物)。

魯毅(1963-)，男，安徽巢湖人，設(shè)計總工程師，高級工程師，從事水電站水工建筑物設(shè)計工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-03-15

文章編號:1001-2184(2015)04-0093-03

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:TV7;TV222;TV732.5

作者簡介: