雙溝水電站引水系統(tǒng)布置及優(yōu)化

陳立秋,王　超

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林省長春市　130021)

文章編號：1006—2610(2015)05—0033—03

雙溝水電站引水系統(tǒng)布置及優(yōu)化

陳立秋,王超

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林省長春市130021)

介紹了雙溝水電站引水系統(tǒng)建筑物的總體布置，引水系統(tǒng)布置充分考慮了地形、地質和交通條件，布局合理、安全經(jīng)濟、運行管理方便，并采取了多項設計優(yōu)化措施，減少了工程量，加快了施工進度，節(jié)約了工程投資。取得經(jīng)濟效益和社會效益。

雙溝水電站；進水口；引水隧洞；調壓井；壓力管道

雙溝水電站位于吉林省東南部山區(qū)撫松縣境內(nèi)的漫江及松江河上，為松江河梯級第二級電站，樞紐工程由混凝土面板堆石壩、岸坡溢洪道、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等建筑物組成。水庫正常蓄水位585.00 m，總庫容3.88×108m3，混凝土面板堆石壩最大壩高110.50 m，裝機容量2×140 MW，最大發(fā)電水頭107.50 m，最小水頭85.00 m，額定水頭97.00 m，加權平均水頭101.90 m，多年調節(jié)水庫，多年平均發(fā)電量3.78×108kWh[1]。

引水系統(tǒng)由進水口、引水隧洞、調壓井和壓力管道4部分組成，采用一洞兩機的布置方式。

1　進水口布置

進水口位于大壩左岸上游約850 m處，山體高程510.00～700.00 m，山坡坡度約45°，邊坡巖石為灰綠色安山巖，呈中等風化狀態(tài)。

進水口布置采用豎井式結構，根據(jù)發(fā)電運行最低水位，同時結合泥沙淤積以及最小淹沒深度要求，確定進水口底板高程547.00 m。進水口前部布置3孔攔污柵，孔口尺寸5.50 m×19.00 m(寬×高)。進水口閘門井位于山體內(nèi)，平面尺寸7.00 m×12.00 m(寬×長)，井內(nèi)布置1扇檢修閘門，孔口尺寸7.6 m×9.9 m(寬×高)。根據(jù)水庫校核洪水位加安全超高，同時考慮閘門檢修、運輸?shù)纫蛩兀_定進水口攔污柵和閘門檢修平臺高程590.00 m。閘門井頂部布置檢修室和啟閉機室，檢修室高程590.00 m，啟閉機室高程607.00 m。為方便交通，攔污柵平臺與閘門檢修平臺使用交通橋連接，橋長30 m，寬4.8 m，采用2跨混凝土預制交通橋，對外公路可直接與進水口閘門井相接。

進水口采用鋼筋混凝土結構，按結構力學法進行計算，攔污柵段、喇叭口段及整流段按閉合框架計算，閘門井筒位于山體內(nèi)，井筒構架承受外水壓力不同按閉合框架分段進行計算[2]。

2　引水隧洞設計

引水隧洞穿過高約200 m的山脊，山體高程510.00～700.00 m，進口段山坡坡度約45°，隧洞出口段山坡坡度約10°～15°，隧洞埋深145～42 m，圍巖為紫褐色～灰綠色安山巖，巖質堅硬，呈中等～微風化狀態(tài)，洞身圍巖類別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖。

自進水口閘后漸變段至調壓井底洞段為引水隧洞，由進口漸變段、水平直線段、水平轉彎段、水平直線段及調壓井前漸變段組成。進口漸變段長10 m，進口段至樁號0+557.21 m之間為直線布置，自樁號0+557.21 m后開始平面轉彎，轉彎角11°，轉彎半徑30 m，引水隧洞軸線方位角由NW270°調整為NW281°。平面轉彎段至樁號0+578.44 m之間為直線布置，方位角為NW281°，調壓井前漸變段長15 m。

引水隧洞總長579.44 m，圓形斷面，直徑9.9 m，引水隧洞襯砌結構按厚壁圓筒方法計算[3]，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.6 m，兩側各布置一漸變段，漸變段襯砌厚度均為2.0 m，雙層配筋，對引水隧洞頂拱進行回填灌漿，僅對Ⅳ類圍巖段進行固結灌漿，固結灌漿孔排距為3.0 m，深入巖石3.0 m，頂拱固結灌漿孔兼做回填灌漿孔，固結灌漿壓力為0.5 MPa，回填灌漿壓力為0.3 MPa。

3　調壓井布置

調壓井井身圍巖為灰綠～灰褐色安山巖，脈巖為灰綠色閃長玢巖和肉紅色花崗斑巖，圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ類圍巖。

考慮結構安全和運行方便，將調壓室布置在山體中，根據(jù)水庫的校核洪水位及工程區(qū)地形條件，調壓井布置在引水隧洞末端，中心線樁號0+590.44 m，此處山體坡度較緩，周圍山體寬厚，未見較大的斷層破碎帶通過，且下游側巖石較厚，成井條件較好，不會對廠房后山坡產(chǎn)生不利的影響。調壓井為阻抗式，圓筒形結構，內(nèi)徑21.0 m。調壓井底板高程545.50 m，地面高程597.00 m，上部布置固定卷揚啟閉機室。根據(jù)最高和最低涌浪水位，調壓井頂高程605.70 m，阻抗板頂高程553.90 m。為保護機組安全運行及防止壓力鋼管爆裂的危害，引水隧洞在調壓井底洞樁號0+578.44 m進行Y形分岔，井內(nèi)布置了2扇快速事故閘門，孔口尺寸5.0 m×6.4 m(寬×高)，采用平板閘門，在下游側布置2個直徑1.50 m的通氣孔。

調壓井采用鋼筋混凝土襯砌，分岔管段底板厚2.0 m，兩側邊墻厚2.0 m，阻抗孔壓板厚2.0 m，阻抗孔面積5.0 m×3.9m(長×寬)，調壓井井身混凝土襯砌厚度為1.2 m。為加固開挖時對圍巖的松動影響，對井身段全斷面做固結灌漿，固結灌漿孔排距為3 m，深入巖石4 m。

4　壓力管道布置

壓力管道洞身段，上覆巖體厚50～60 m，圍巖為弱風化安山巖，巖石堅硬，但裂隙發(fā)育，巖體完整性差。出口邊坡山體高約70 m，洞口附近地形坡度約40°，表部巖石多呈強風化狀態(tài)，較破碎。

自調壓井底洞至廠房上游墻外邊線為壓力管道，采用兩洞兩機的布置方式。壓力管道自調壓井底洞樁號0+578.44 m進行Y形對稱分岔，分岔角30°，分出2條壓力管道，壓力管道長254.10 m和261.26 m，中心間距20.00 m，壓力管道均由上平段、斜管段和下平段組成，上平段中心高程548.70 m，下平段中心線高程473.80 m，斜管段坡度i=0.8。壓力管道采用鋼管外包素混凝土襯砌，鋼管內(nèi)徑6.40 m，外襯0.60 m厚素混凝土，鋼材選用Q345C鋼板。鋼蝸殼進口段內(nèi)徑4.76 m，在壓力鋼管末端布置5.00 m長的漸變段，內(nèi)徑由6.40 m漸變?yōu)?.76 m，漸變段后布置一節(jié)管節(jié)與鋼蝸殼相連接。管壁厚度分為14、18、20、24、32 mm和34 mm六種類型，加勁環(huán)厚分為20 mm和24 mm兩種類型，加勁環(huán)高200 mm[4]。

為加固隧洞開挖時對圍巖的松動影響，整個壓力管道洞挖段全斷面做固結灌漿，頂拱做回填灌漿，固結灌漿孔排距為2.4 m，深入巖石3.0 m，頂拱固結灌漿孔兼做回填灌漿孔，固結灌漿壓力為0.5 MPa，回填灌漿壓力為0.2 MPa，根據(jù)敲擊情況做接觸灌漿，接觸灌漿壓力為0.2 MPa。

5　水力過渡過程計算主要成果

水力過渡過程計算是引水發(fā)電系統(tǒng)設計的一項重要內(nèi)容，是保證水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的重要條件，而且關系到引水發(fā)電系統(tǒng)各建筑物的布置。通過計算，確定引水發(fā)電系統(tǒng)大波動的控制參數(shù)，評價小波動的穩(wěn)定性。

主機廠水輪機運行導葉采用2段關閉，在甩負荷過渡過程各工況中，蝸殼進口壓力最大值不超過1.45 MPa，尾水管真空度不大于0.08 MPa，機組轉速升高不大于50%。為實現(xiàn)引水發(fā)電系統(tǒng)設計的技術經(jīng)濟合理性，在進行水力過渡過程大波動計算時，分設計工況和校核工況。根據(jù)主機廠給定的機組關閉規(guī)律，采用過渡過程仿真計算程序進行了復核計算，蝸殼最大壓力為1.37 MPa，尾水管進口最小壓力為-0.04 MPa，轉速上升最高為54.85%。最高涌波的組合工況是：水庫最高發(fā)電水位，一臺機組滿負荷運行，另一臺機組從空載增至滿負荷，在流進調壓室流量最大時，2臺機同時丟棄全部負荷，導葉緊急關閉。最低涌波的組合工況是：水庫死水位，2臺機組滿負荷運行、同時丟棄全部負荷至空載，在流出調壓室流量最大時，一臺機組從空載增至滿負荷，再在流出調壓室流量最大時，另一臺機組從空載增至滿負荷[5]。調壓井最高涌浪水位為602.50 m，最低涌浪水位為558.70 m，計算結果滿足相關規(guī)范和保證值的要求。

6　運行的監(jiān)測資料分析

為了全面掌控引水系統(tǒng)的運行狀況，根據(jù)引水系統(tǒng)各建筑物的結構特點和圍巖地質條件，選取具有代表性的關鍵部位共布置了8個監(jiān)測斷面，其中引水隧洞布置了4個、調壓井布置了2個、壓力管道布置了2個。監(jiān)測內(nèi)容主要包括外水壓力、滲透壓力、結合縫開度等。

引水系統(tǒng)各建筑物經(jīng)過了蓄水期及5個洪水期的運行考驗，通過對監(jiān)測資料的分析，引水系統(tǒng)的滲流、變形等工作狀態(tài)基本正常，測值規(guī)律良好，能反映建筑物在施工期及運行期的工作狀態(tài)，雖蓄水后局部存在內(nèi)水外滲點，但經(jīng)抗外壓穩(wěn)定復核，引水系統(tǒng)各建筑物的圍巖及結構整體是穩(wěn)定的。

7　設計優(yōu)化的主要成果

引水系統(tǒng)的設計優(yōu)化主要包括進水口及引水隧洞2部分。在施工過程中，進水口洞臉右側發(fā)現(xiàn)一豎向裂隙及緩傾角斷層，且斷層傾向庫內(nèi)，局部形成倒懸，直接影響到進水口邊坡巖體穩(wěn)定性及交通橋橋墩的施工。經(jīng)比較采用錨索及貼坡混凝土方案進行加固處理，在垂直引水隧洞洞線方向布置4根600 kN錨索，深入巖體20 m，保證了進水口邊坡巖體的穩(wěn)定性。按進水口邊坡加固處理方案，混凝土預制交通橋方案已不能滿足水庫下閘蓄水的進度要求，且交通橋橋墩的布置難度加大，為此進行了設計優(yōu)化，經(jīng)研究將預制鋼筋混凝土交通橋變更為下承式鋼結構貝雷橋，并取消了布置在F4斷層上部的交通橋橋墩，雖投資略有增加，但簡化了施工，極大地加快了施工進度，為水庫的按期蓄水提供了保證，經(jīng)濟和社會效益顯著。

引水隧洞是控制工程工期的關鍵部位，為加快引水隧洞的施工進度和簡化施工工序，在技施設計階段，根據(jù)開挖后實際揭露出的圍巖情況，進行了多次的分析、計算和現(xiàn)場查勘，結合國內(nèi)外的先進經(jīng)驗，對隧洞結構配筋進行了設計優(yōu)化，襯砌結構配筋由雙層鋼筋調整為單層鋼筋。引水隧洞襯砌結構設計優(yōu)化共計節(jié)省鋼筋460 t，節(jié)省投資300余萬元，大大加快了施工進度，簡化了施工程序，為水庫提前下閘蓄水發(fā)電起到了決定性的作用，潛在的經(jīng)濟效益和社會效益更加顯著。引水隧洞結構優(yōu)化設計為今后類似工程積累了寶貴的經(jīng)驗，具有推廣和借鑒的重要意義。

8　結　語

雙溝水電站工程于2004年開工，2010年投產(chǎn)發(fā)電。引水系統(tǒng)布置充分結合地形、地質和交通條件，以及建筑物的施工條件、建筑物功能、建筑物運行情況、水力條件、建筑物結構型式等綜合因素，通過對引水系統(tǒng)布置的修改、完善，工程布置更加緊湊合理，同時在結構設計上，通過多種理論和方法分析，并采取了多項設計優(yōu)化措施，在保證結構安全的前提下，減少了工程量，提高了施工效率，加快了施工進度，節(jié)約了工程投資，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

[1]雙溝水電站樞紐工程竣工驗收設計報告[R].長春.中水東北勘測設計研究有限責任公司,2013.

[2]DL/T 5057-2009，水工混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,2009.

[3]DL/T 5195-2004，水工隧洞設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,2004.

[4]DL/T 5141-2001，水電站壓力鋼管設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,2002.

[5]DL/T 5058-1996，水電站調壓室設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,1997.

Arrangement and Optimization of Headrace System, Shuanggou Hydropower Project

CHEN Li-qiu, WANG Chao

(China Water Northeastern Investigation Design & Research Institute Co., Ltd.,Changchun, Jilin130021, China)

The general layout of the headrace system of Shuanggou Hydropower Project is described. The layout of the headrace system, with full consideration of topography, geology and access conditions, is rationally arranged. It is safety, economic and convenient for operation management. Furthermore, a couple of design optimizing measures are taken so that work quantity is reduced, construction is expedited and investment is decreased. Both economic and social benefits are achieved. Key words:Shuanggou Hydropower Project; power intake; headrace tunnel; surge shaft; penstock

2015-02-04

陳立秋(1974- ),女,遼寧省葫蘆島市人,高級工程師，主要從事水利水電工程管理工作.

TV732

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.009