天花板水電站調(diào)壓井穩(wěn)定斷面分析及優(yōu)化研究

蘇 巖，劉國(guó)棟，張大成

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

天花板水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置在牛欄江右岸山體內(nèi)，由岸塔式進(jìn)水口、有壓隧洞、調(diào)壓井和壓力管道等，全長(zhǎng)2 732 m。岸塔式進(jìn)水口位于拱壩上游右岸，底板高程1 032.00 m，引水隧洞全長(zhǎng)2 514.009 m，底坡0.5%，采用圓形有壓洞，內(nèi)徑8.2 m，設(shè)計(jì)流量232.4 m3/s；調(diào)壓井位于引水隧洞末端，采用阻抗露天式，圓形斷面，內(nèi)徑23 m，阻抗孔直徑4.6 m，井高72.32 m；調(diào)壓井后設(shè)壓力管道段，采用一管兩機(jī)全埋藏方式布置，由1條主管、1個(gè)岔管和2條水平支管。壓力管道主管長(zhǎng)137.24 m，內(nèi)徑6.7 m；支管長(zhǎng)36.58、25.24 m，支管內(nèi)徑4.3 m。電站廠房位于清水河與牛欄江交口下游1.8 km處，為岸邊地面廠房，廠內(nèi)安裝兩臺(tái)單機(jī)容量為90 MW的立軸混流水輪發(fā)電機(jī)組，廠房尺寸68.5 m×22.2 m×47.5 m （長(zhǎng)×寬×高）。

1 調(diào)壓井處地形地質(zhì)條件

調(diào)壓井位于牛欄江右岸1 132 m高程左右，出口處坡高大于200 m，地形坡度40°左右，岸坡后緣為高大陡壁。調(diào)壓井部位出露地層為震旦系地層和第四系松散堆積物，基巖為震旦系下統(tǒng)澄江組（Z1c）中厚層至厚層狀巖屑石英砂巖夾中薄層粉砂質(zhì)泥質(zhì)頁(yè)巖，巖層產(chǎn)狀NE60°SE∠73°；岸坡后緣為震旦系上統(tǒng)東龍?zhí)督M上段 （Z2dl3）粉晶白云巖，巖層產(chǎn)狀為NE21°SE∠18°。二者為角度不整合接觸，接觸帶為巖溶角礫巖帶。調(diào)壓井部位巖層走向與山坡大角度相交，巖層傾向山里，為反向坡，地質(zhì)構(gòu)造為單斜構(gòu)造，未見(jiàn)較大的斷層出露；三組主要裂隙為： ①NW320°～325°SW∠50°～78°； ②NW306°NE∠32°； ③NE40°～60°SE∠65°。 巖體表層為強(qiáng)風(fēng)化，厚度約5～15 m，弱風(fēng)化厚度約為20～35 m。表層巖體受結(jié)構(gòu)面切割，巖體相對(duì)破碎，對(duì)穩(wěn)定不利。調(diào)壓井井口以上人工開(kāi)挖邊坡，坡高約64 m。調(diào)壓井主要處于弱風(fēng)化巖體中，巖體總體相對(duì)完整，地質(zhì)構(gòu)造不甚發(fā)育，裂隙較為發(fā)育，根據(jù)裂隙結(jié)構(gòu)面的組合情況分析在調(diào)壓井開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巖體不穩(wěn)定條件，該部位地下水埋藏較深，主要為基巖裂隙水，接受大氣降水補(bǔ)給，向牛欄江排泄。

2 進(jìn)行調(diào)壓井穩(wěn)定分析研究的原因

（1）天花板水電站調(diào)壓井部位的圍巖為巖屑石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥質(zhì)頁(yè)巖，巖層巖體受三組結(jié)構(gòu)面的切割相對(duì)破碎呈小塊的鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，不利于大跨度豎井的開(kāi)挖。

（2）天花板水電站調(diào)壓井?dāng)嗝娲?，井筒高，因此開(kāi)挖支護(hù)工程量大，施工難度大、工期長(zhǎng)，進(jìn)行調(diào)壓井穩(wěn)定分析研究，可以優(yōu)化調(diào)壓井穩(wěn)定斷面，降低施工難度，縮短工期，減少工程投資。

（3）根據(jù)國(guó)內(nèi)已建相關(guān)工程的成功經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際調(diào)壓井?dāng)嗝嫒≈悼梢孕∮谝?guī)范中公式計(jì)算出的穩(wěn)定托馬斷面。

3 調(diào)壓井穩(wěn)定斷面優(yōu)化可能性分析

3.1 設(shè)置條件和托馬斷面

根據(jù)D/T 5058—1996《水電站調(diào)壓井設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定判斷：①Tw=13.27 s＞[Tw]=4 s，需要設(shè)置上游調(diào)壓井。②=7.69時(shí)查Tw、Ta與調(diào)速性能關(guān)系圖可知，機(jī)組調(diào)速性能在③區(qū)內(nèi)，故認(rèn)為本電站機(jī)組調(diào)速性能差，需設(shè)置上游調(diào)壓井。

上游調(diào)壓井的穩(wěn)定斷面面積按托馬準(zhǔn)則計(jì)算確定，計(jì)算得調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e為570.50 m2，對(duì)應(yīng)調(diào)壓井直徑為26.95 m，直徑取為27 m。

調(diào)壓井穩(wěn)定斷面面積是保證機(jī)組小負(fù)荷變化所引起的調(diào)壓井水位小波動(dòng)穩(wěn)定的必須條件。

3.2 托馬斷面公式修正

根據(jù) 《水電站調(diào)壓井設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說(shuō)明第5.1.1條論述，托馬公式是以孤立電站小波動(dòng)的穩(wěn)定性確定斷面面積的。近年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)容量的增大和電器裝置的完善，國(guó)內(nèi)外均有一些電站在設(shè)計(jì)中考慮系統(tǒng)或調(diào)速器的作用等而采用了小于托馬條件的調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]第三章第四節(jié)中說(shuō)明，托馬公式是針對(duì)簡(jiǎn)單式調(diào)壓井進(jìn)行的，并且作了很多簡(jiǎn)化假定。除采用了 “等出力調(diào)節(jié)”的假定外，其他主要假定還有：在暫態(tài)過(guò)程中機(jī)組效率不變；所研究的電站是孤立的電源；忽略調(diào)壓井底部的流速水頭；認(rèn)為波動(dòng)振幅很?。缓雎砸拦鼙诤退w的彈性等。文獻(xiàn)[1]根據(jù)前人研究試驗(yàn)的成果，推出了考慮這些因素后的一些公式。

（1）考慮電力系數(shù)的影響。 如果水電站聯(lián)入電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，則調(diào)壓井水位變化所引起的出力變化可由系統(tǒng)中其他承擔(dān)負(fù)荷變化的機(jī)組按容量比例分擔(dān)，這將減少本電站出力變化的幅度，非常有利于調(diào)壓井水位的穩(wěn)定。相應(yīng)的臨界穩(wěn)定斷面

式中：F為臨界穩(wěn)定斷面面積，m2；L為壓力引水道長(zhǎng)度，m；f為壓力引水道斷面面積，m；H0為發(fā)電最小凈水頭，m；α為自水庫(kù)至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)，α=hwo/V2；V為壓力引水道流速，m/s；hwo為壓力引水道水頭損失；hm0為壓力管道水頭損失；β=本電站機(jī)組容量N/系統(tǒng)裝機(jī)總?cè)萘俊芅i。

天花板水電站機(jī)組發(fā)電將并入云南電網(wǎng)大系統(tǒng)中，據(jù)2009年底統(tǒng)計(jì)， “系統(tǒng)裝機(jī)總?cè)萘俊睘? 195萬(wàn)kW，而 “本電站機(jī)組容量”為18萬(wàn)kW，則 β==0.005 6， （3β-1）/2=-0.492， F＜0。 則可認(rèn)為，調(diào)壓井的斷面不論多么小都不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題，它的穩(wěn)定性可由系統(tǒng)中的其他機(jī)組來(lái)保證。

（2）考慮底部流速水頭的影響。因調(diào)壓井底部水流是通過(guò)阻抗孔流入調(diào)壓井的，則在調(diào)壓井底部的流速水頭也有一定數(shù)值。這個(gè)流速水頭對(duì)引水道來(lái)說(shuō)也可看作是水頭損失，它在暫態(tài)過(guò)程中對(duì)波動(dòng)的衰減是有利的。考慮這一影響，相應(yīng)的臨界穩(wěn)定斷面為

根據(jù)式（2）可求得穩(wěn)定斷面F=382.42 m2，取K=1.05，則A=401.54 m2，可取斷面直徑22.6 m，小于托馬斷面。

3.3 國(guó)內(nèi)類似電站超穩(wěn)定斷面的實(shí)例

隨著電力系數(shù)容量的增大和電器裝置的完善等因素，國(guó)內(nèi)外均有一些水電站在設(shè)計(jì)中考慮系統(tǒng)或調(diào)速器的作用等而采用了小于托馬條件的調(diào)壓井穩(wěn)定斷面的面積。有些水電站的調(diào)壓井?dāng)嗝鏈p小至托馬斷面的40%左右，系統(tǒng)運(yùn)行仍穩(wěn)定。

（1）回龍山水電站。該電站裝兩臺(tái)3×6萬(wàn)kW機(jī)組。電站水頭低、流量大。如果按電站單獨(dú)運(yùn)行設(shè)計(jì)，調(diào)壓井的臨界面積為1 390 m2。該電站僅一回高壓出線，不可能單獨(dú)運(yùn)行，故調(diào)壓井設(shè)計(jì)考慮了電力系統(tǒng)的影響。因電力系統(tǒng)容量很大，可以保證該電站調(diào)壓井運(yùn)行的穩(wěn)定，最終調(diào)壓井穩(wěn)定斷面面積實(shí)際取值僅為226 m2，僅為托馬斷面的16.26%。電站投產(chǎn)運(yùn)行后，調(diào)壓井水位未出現(xiàn)不衰減的波動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行正常。

（2）太平哨水電站。該水電站有兩座調(diào)壓井，裝4臺(tái)容量44 800 kW機(jī)組，考慮電力系統(tǒng)影響使調(diào)壓井面積由695 m2減小到227 m2，僅為托馬斷面的32.67%。全部4臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行后的空載試驗(yàn)均未見(jiàn)調(diào)壓井出現(xiàn)不衰減的波動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）南灣Ⅱ號(hào)水電站。南灣Ⅱ號(hào)水電站裝機(jī)容量2×3 500 kW，為低水頭水電站。根據(jù)托馬臨界穩(wěn)定斷面計(jì)算公式設(shè)計(jì)的調(diào)壓井所需斷面直徑為12 m（S=113.1 m2）。經(jīng)過(guò)計(jì)算研究，初步設(shè)計(jì)階段的調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e取43.41 m2（直徑為7.44 m），僅為托馬斷面的38.38%。

3.4 小 結(jié)

對(duì)于低水頭長(zhǎng)引水線路的水電站，由托馬公式計(jì)算的調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e較大，工程造價(jià)較高；對(duì)于阻抗式調(diào)壓井，考慮底部流速水頭及阻抗作用，穩(wěn)定斷面可以減小。

4 調(diào)壓井穩(wěn)定分析計(jì)算

根據(jù)上述分析，調(diào)壓井穩(wěn)定斷面在一定條件下可以小于托馬斷面，但具體可小到何種程度，需進(jìn)一步計(jì)算。故引入引水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，初步擬定天花板水電站4個(gè)調(diào)壓井穩(wěn)定斷面進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程計(jì)算進(jìn)行分析比較。

4.1 調(diào)壓井穩(wěn)定斷面初擬

天花板水電站為優(yōu)化調(diào)壓井穩(wěn)定斷面面積，分析確定較適宜的調(diào)壓井?dāng)嗝妫孩僬{(diào)壓井直徑27 m，調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e572.56 m2（托馬斷面）；②調(diào)壓井直徑25 m，調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e490.87 m2（托馬斷面×85.73%）；③調(diào)壓井直徑24m，調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e452.39 m2（托馬斷面×79.01%）；④調(diào)壓井直徑23 m，調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e415.48 m2（托馬斷面×72.57%）

4.2 阻抗孔直徑擬定

阻抗孔直徑應(yīng)滿足：使調(diào)壓井底部隧洞的最大水錘壓力不大于調(diào)壓井出現(xiàn)最高涌波水位時(shí)的水壓力，同時(shí)調(diào)壓井底部隧洞的最小水錘壓力也不低于調(diào)壓井出現(xiàn)最低涌波水位時(shí)的水壓力。

據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，阻抗孔面積小于壓力引水道面積的15%時(shí)，壓力管道末端及調(diào)壓井底部的水擊壓力會(huì)急劇惡化，而孔口面積大于壓力引水道面積的50%時(shí)，對(duì)抑制波動(dòng)幅度與加速波動(dòng)衰減的效果則不明顯。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)工程的阻抗孔面積為隧洞面積的20%～30%。初擬2個(gè)阻抗孔直徑進(jìn)行計(jì)算：①阻抗孔直徑為4.2 m，阻抗孔面積為13.85 m2，占隧洞面積26.23%；②阻抗孔直徑為4.5 m，阻抗孔面積為15.90 m2，占隧洞面積30.12%

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)引水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算[2]，不論機(jī)組是滿荷運(yùn)行、部分負(fù)荷運(yùn)行或是接近空載運(yùn)行，當(dāng)調(diào)壓井的面積在給定的范圍內(nèi)變化時(shí)，水力—機(jī)械系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定分析的控制特征值實(shí)部均為負(fù)數(shù)。即，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生小擾動(dòng)后，調(diào)壓井水位波動(dòng)均隨時(shí)間的延續(xù)不斷衰減。因此說(shuō)，系統(tǒng)小波動(dòng)均是穩(wěn)定的。通常情況下，機(jī)組運(yùn)行水頭越低，機(jī)組所帶負(fù)荷越小，水力-機(jī)械系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性越差；為此給出了對(duì)應(yīng)機(jī)組最低運(yùn)行水頭的小波動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程線 （見(jiàn)圖1～3）。由圖1～3可知，天花板水電站的水力—機(jī)械系統(tǒng)小波動(dòng)是穩(wěn)定的。

圖1 滿荷運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生-10%階躍變化時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程線 （調(diào)壓井直徑D=23 m）

圖2 部分負(fù)荷運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生-10%階躍變化時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程線 （調(diào)壓井直徑D=23 m）

圖3 接近空載運(yùn)行時(shí)，2號(hào)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生10%階躍變化時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程線 （調(diào)壓井直徑D=23 m）

若調(diào)壓井面積小于某一臨界穩(wěn)定面積，控制特征值實(shí)部為正，則小波動(dòng)不穩(wěn)定。當(dāng)機(jī)組接近空載運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷自調(diào)節(jié)系數(shù)為零，即機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行，相應(yīng)所需的調(diào)壓井臨界穩(wěn)定面積最大，為361 m2，若調(diào)壓井的穩(wěn)定面積采用設(shè)計(jì)值415.48 m2（D=23 m）時(shí)，相應(yīng)裕度約為13%。計(jì)算表明：各計(jì)算工況隨著調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e的減小，調(diào)壓井的水位波動(dòng)衰減變慢，機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)變差，主要表現(xiàn)為調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)。若調(diào)壓井的穩(wěn)定面積采用設(shè)計(jì)值415.48 m2（D=23 m），相應(yīng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)雖然有一定程度的變差，但接近托馬斷面積時(shí)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，對(duì)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性的影響較小。因此，在合理的調(diào)速器參數(shù)和運(yùn)行條件下，調(diào)壓井的穩(wěn)定面積采用小于托馬斷面 （72.57%）的415.48 m2（D=23 m）是可行的，還會(huì)有一定的裕度，并且能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電的電能質(zhì)量。

調(diào)壓井阻抗孔口直徑的比較表明，當(dāng)阻抗孔口直徑采用4.5 m時(shí)，過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果最接近控制條件，此時(shí)調(diào)壓井底部節(jié)點(diǎn)的最大測(cè)壓管水頭相對(duì)最小，與調(diào)壓井的最高涌浪水位相對(duì)較接近。 （即，調(diào)壓井反射水錘的效果相對(duì)較好）；同時(shí)，作用在調(diào)壓井底板上的雙向壓差相對(duì)較小。因此，從水力條件和調(diào)壓井的布置要求考慮，引水調(diào)壓井的阻抗孔口直徑采用4.5 m較為合適，

5 結(jié)語(yǔ)

以上分析研究表明，在考慮了阻抗式調(diào)壓井的阻抗作用以及機(jī)組和調(diào)速器特性后，調(diào)壓井穩(wěn)定斷面突破托馬斷面是可行的。天花板水電站在參考工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)分析研究論證，將調(diào)壓井?dāng)嗝嬷睆接?7 m優(yōu)化為23 m，調(diào)壓井面積減少27%，開(kāi)挖直徑由31 m減小至26.6 m，不僅大大減少了調(diào)壓井的開(kāi)挖和支護(hù)難度，降低了邊坡開(kāi)挖高度，為調(diào)壓井安全施工提供了保證；還直接減少石方開(kāi)挖5.2萬(wàn)m3，減少混凝土2 048 m3，減少鋼筋 143.8 t，減少噴混凝土428 m3，減少錨桿 991根，減少預(yù)應(yīng)力錨索10根，節(jié)省工程直接投資459萬(wàn)元。

目前電站甩負(fù)荷試驗(yàn)已獲成功，進(jìn)入正常發(fā)電階段。天花板水電站調(diào)壓井穩(wěn)定斷面的優(yōu)化研究和實(shí)施為實(shí)現(xiàn)引水系統(tǒng)中調(diào)壓井穩(wěn)定斷面突破托馬斷面積累了工程經(jīng)驗(yàn)。

［1］潘家崢，傅華.水工隧洞和調(diào)壓井［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［2］河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院.天花板水電站招標(biāo)階段引水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算研究［D］.南京：河海大學(xué)，2006.