水利樞紐工程有壓引水發(fā)電隧洞綜合比較淺析

王紅帥

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

水利樞紐工程有壓引水發(fā)電隧洞綜合比較淺析

王紅帥

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

根據(jù)河段的水能資源特點，修建控制性的水利樞紐工程。介紹了樞紐工程中長發(fā)電隧洞的洞徑計算方法，通過洞徑、水頭損失、多年平均發(fā)電量、工程量、投資及經(jīng)濟凈現(xiàn)值的比選分析，論述了長距離發(fā)電隧洞洞徑的選取對發(fā)電效益和工程投資的影響。

發(fā)電洞引水隧洞；洞徑；經(jīng)濟比選；發(fā)電效益

由我國已建的大量引水式水電站可知，隧洞洞線越來越長，隧洞投資占總投資比重越來越大。在流量基本確定的情況下，采用不同的洞徑，其水頭損失也不同，將直接影響到發(fā)電效益及工程投資。因此，選擇合理的經(jīng)濟洞徑對整個工程的發(fā)電效益及工程投資尤為重要。本工程有壓引水發(fā)電隧洞全長18.13 km，為典型的長引水發(fā)電隧洞，因此，如何選定合理的洞徑，既滿足水頭損失小，保證電站動能經(jīng)濟效益，又能使投資較小，是非常重要的問題。

1 工程概況

新疆某水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，擬建在A河中游河段。該規(guī)劃河段落差大，河段平均比降15.59‰，水能資源較豐富，水能理論蘊藏量164.6 MW，開發(fā)水電資源符合國家節(jié)能減排、發(fā)展可再生能源的政策，可以改善當?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施，提高居民生活水平，對于推動邊疆少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有積極作用。

某水利樞紐工程是A河上的控制性工程，在滿足下游生態(tài)要求前提下，主要承擔灌溉、防洪，并兼顧發(fā)電等綜合利用任務(wù)。正常蓄水位下庫容1.21 億m3，死庫容0.15 億m3，總庫容1.25 億m3。主壩最大壩高86 m。電站裝機容量110 MW，多年平均發(fā)電量3.153 億kW·h。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2000)的規(guī)定，確定工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。

樞紐主要由瀝青混凝土心墻壩、右岸溢洪道、左岸有壓導流兼泄洪沖砂洞、發(fā)電引水發(fā)電系統(tǒng)以及岸邊式廠房組成。水電站發(fā)電引水系統(tǒng)布置在左岸，根據(jù)上壩址樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件和施工條件，表孔溢洪道布置在右岸，為滿足發(fā)電洞進水口“門前清”的要求，導流兼泄洪沖砂洞和發(fā)電洞進口聯(lián)合布置。泄洪采用表孔溢洪道和導流兼泄洪沖砂洞組合泄洪方式，導流兼泄洪沖砂洞布置在左岸，為有壓洞，在施工期承擔導流任務(wù)，后期作為永久泄洪沖沙洞；發(fā)電廠房為岸邊地面式廠房，布置在河道左岸階地上。

2 發(fā)電引水隧洞布置

發(fā)電引水系統(tǒng)布置在河床左岸，發(fā)電引水系統(tǒng)由引水渠、進口段、洞身段、調(diào)壓井、高壓管道、岔管和支管等組成，設(shè)計引水流量54.7 m3/s，最大水頭306 m，系統(tǒng)總長18.13 km。

進水口閘井為岸塔式，引渠段長30.5 m，底寬14 m。閘井段長24 m，進口設(shè)清污機抓斗軌道、攔污柵門槽各一道，閘井設(shè)事故檢修門1孔。

引水隧洞通過10 m漸變段與進水閘井相接。引水隧洞上平洞洞身段長17.09 km，洞身斷面為圓形，隧洞直徑為4.3 m，縱坡1/821.5，洞內(nèi)流速3.77 m/s。洞身段除石膏巖外均采用C25鋼筋混凝土襯砌，洞身頂拱120°范圍內(nèi)回填灌漿，全斷面進行固結(jié)灌漿。隧洞開挖后分兩次支護，臨時支護采用頂拱240°掛網(wǎng)(Φ8@200)+噴護(C25混凝土厚100 mm)+砂漿錨桿(Φ25，L=3 m，間排距2 m)支護。永久支護采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.4 m。其中上平洞段共有四處出露，地層巖性為第三系石膏巖，總長984.4 m。石膏巖段洞身襯砌、固結(jié)灌漿、回填灌漿以及臨時支護噴護混凝土均采用C35抗硫酸混凝土，洞身襯砌厚度也為0.4 m。石膏巖段及Ⅴ類巖石臨時支護增加鋼拱架支護，間距分別為0.5 m、0.8 m。

調(diào)壓井布置在壓力引水洞末端，調(diào)壓井段長38.8 m，前后各接10 m漸變段。調(diào)壓井為阻抗式，阻抗孔為圓形斷面，直徑為2.1 m，調(diào)壓井內(nèi)徑為16 m。調(diào)壓井后接壓力鋼管。

壓力鋼管由斜井段、下平洞段組成，全長946.4 m，斜井段長371.9 m，下平洞段長574.5 m，均為圓形斷面，直徑3.5 m，流速5.69 m/s。壓力鋼管共有兩處出露，地層巖性為第三系石膏巖，總長429.1 m。發(fā)電洞壓力鋼管出口接岔管，岔管及支管段長118.8 m，采用一管三機的布置型式，采用非對稱卜形，結(jié)構(gòu)型式為內(nèi)加強月牙肋岔管，通過兩次分岔，將一根主管分為三根支管接入主廠房內(nèi)。

3 發(fā)電引水隧洞設(shè)計

3.1 發(fā)電引水隧洞洞徑計算

根據(jù)規(guī)范要求及參考已建工程，有壓隧洞宜

采用圓形斷面，圓形斷面便于設(shè)計，配筋量小，節(jié)省投資，特別是與噴錨結(jié)合的情況下，便于施工[1]。本工程引水隧洞采用圓形斷面。在隧洞過水流量已定的情況下，流速越大所需橫斷面尺寸愈小，但水頭損失愈大，故發(fā)電隧洞的流速有一個經(jīng)濟值稱為經(jīng)濟流速，有壓隧洞約為2.5～4.5 m/s。根據(jù)《水工設(shè)計手冊》[2]經(jīng)驗公式見式(1)，初步估算隧洞洞徑：

(1)

式中：D為隧洞洞徑，m;Qmax為通過有壓引水隧洞的最大流量，取Qmax=54.7 m3/s；H為設(shè)計水頭(包括靜水頭和水擊壓力)，水擊壓力初步擬定為靜水頭的20%～30%，H=306 m。

根據(jù)經(jīng)濟流速經(jīng)驗公式見式(2)復合以上計算洞徑。

(2)

式中：Qmax為通過有壓引水隧洞的最大流量，取Qmax=54.7 m3/s；Ve為經(jīng)濟流速，一般取值為2.5～4.5 m/s。

根據(jù)以上公式初步計算，隧洞內(nèi)流速為3.5 m/s時，隧洞洞徑為4.46 m，因此隧洞洞徑初擬為4.5 m。

3.2 發(fā)電引水隧洞洞徑比選

各類隧洞的技術(shù)經(jīng)濟計算通常都采用方案比較法。擬定一系列不同橫斷面尺寸的隧洞方案算出工程總造價，并且計算出各方案水頭損失每年損耗的電能價值進行比選。表1為國內(nèi)已建成的部分引水式水電站引水隧洞工程特性統(tǒng)計表[3]。

表1 國內(nèi)部分水電站工程發(fā)電引水隧洞工程特性統(tǒng)計表

根據(jù)初擬隧洞洞徑，并結(jié)合國內(nèi)相似工程經(jīng)驗，本工程發(fā)電引水隧洞擬定洞徑分別為4.1 m、4.3 m、4.5 m、4.7 m和4.9 m。發(fā)電引水系統(tǒng)采用一洞三機聯(lián)合供水的布置型式，設(shè)計引用流量54.7 m3/s，額定水頭232.0 m，電站共裝三臺機組，容量為110 MW(1×10.0MW+2×50.0 MW)。經(jīng)調(diào)保計算五種洞徑方案均須設(shè)置上游調(diào)壓井。發(fā)電引水隧洞不同洞徑工程量及發(fā)電引水隧洞洞徑比選見表2、表3。

由表3發(fā)電洞引水隧洞洞徑比選結(jié)果可知，在發(fā)電洞引水隧洞洞徑由4.1 m增至4.9 m的情況下，工程總投資越來越大，水頭損失越來越小，多年平均發(fā)電量越來越大，然而經(jīng)濟凈現(xiàn)值卻是方案二洞徑取4.3 m時最大為9954萬元，而當洞徑取最大4.9 m時，經(jīng)濟凈現(xiàn)值卻為-2665萬元。經(jīng)濟凈現(xiàn)值沒有隨著洞徑的變化而相對應變化，反而在本比選中洞徑越大凈現(xiàn)值越低，則說明發(fā)電洞引水隧洞所選洞徑越大不代表經(jīng)濟效益越好，存在經(jīng)濟洞徑，而經(jīng)濟凈現(xiàn)值為確定發(fā)電洞引水隧洞經(jīng)濟洞徑最關(guān)鍵的指標，經(jīng)濟凈現(xiàn)值越高則說明經(jīng)濟效益越好。

根據(jù)上述比較分析可知洞徑為4.3 m經(jīng)濟凈現(xiàn)值最高為9954萬元，同時參考同類工程，認為洞徑為4.3 m是經(jīng)濟、合理的。

表2 發(fā)電引水隧洞不同洞徑工程量匯總表

表3 發(fā)電引水隧洞洞徑比選

4 結(jié) 論

影響壓力引水隧洞的因素有很多，但是衡量一個工程可行與否最關(guān)鍵的指標是經(jīng)濟合理可行。隧洞洞徑的大小直接決定著工程造價，并且影響著發(fā)電效益。隧洞洞徑愈大則造價愈高，而電能損失愈??；反之電能損失就愈大，而造價愈低。但造價低不一定最經(jīng)濟，所以隧洞設(shè)計時，需進行多方案比選，選出洞徑的最優(yōu)值，既滿足水頭損失小，保證電站動能經(jīng)濟效益，又能使投資較小。根據(jù)上述比選結(jié)果可知，本工程發(fā)電引水隧洞洞徑為4.3 m是經(jīng)濟、合理的。

[1] 李鵬科.三道灣水電站有壓引水隧洞經(jīng)濟洞徑確定[J].甘肅水利水電技術(shù)，2009，45(1):30-32.

[2] 王仁坤.張春生.水工設(shè)計手冊.第8卷.水電站建筑物[M].北京:中國水利水電出版社，2013.

[3] 陳建里.波波娜水電站發(fā)電引水隧洞洞徑選擇及投資比選[J].水利科技與經(jīng)濟，2013，19(6):104-105.

Brief analysis on pressure diversion power tunnel of hydro-junction project by comprehensive comparison

WANG Hongshuai

(XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropower,Urumqi830000,China)

The controlled hydro-junction project was constructed according to the hydropower resources characteristics of reach. In this paper, the calculation method for long distance power tunnel diameter of hydro-junction project was introduced. Through the comparison and the analysis on tunnel diameter, head loss, multi-year average generating capacity, engineering quantity, investment and economic net present value, the influence of long distance power tunnel diameter selection on generating benefit and project investment was discussed.

pressure diversion power tunnel; tunnel diameter; economic comparison; generating benefit

王紅帥(1988-)，男，新疆伊寧人，助理工程師，主要從事水利工程設(shè)計工作。E-mail:380408215@qq.com。

TV732

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2096-0506(2017)03-0058-04