智利阿爾托邁坡高水頭電站的水道系統(tǒng)

[奧地利]

S.威森巴赫 等

智利阿爾托邁坡高水頭電站的水道系統(tǒng)

[奧地利]

S.威森巴赫 等

智利阿爾托邁坡水電項(xiàng)目包括阿爾法奧法II和拉斯拉哈斯兩座高水頭電站，水道系統(tǒng)復(fù)雜。描述了兩座電站的水力瞬變分析和壓力鋼管襯砌設(shè)計(jì)，以便對(duì)兩座電站調(diào)壓設(shè)施的施工和投資進(jìn)行優(yōu)化，并確定高達(dá)1160m水頭的壓力鋼管襯砌設(shè)計(jì)的內(nèi)部壓力。

高水頭電站；水道系統(tǒng)；壓力鋼管；初砌設(shè)計(jì)；阿爾托邁坡水電站；智利

智利阿爾托邁坡水電站位于圣地亞哥西南約60km處，包括阿爾法奧法(Alfalfal)II電站和拉斯拉哈斯(Las Lajas)電站。阿爾法奧法Ⅱ電站從伊索(Yeso)河和沃爾坎(Volcán)河引水，其尾水直接流入拉斯拉哈斯電站的引水隧洞。拉斯拉哈斯電站除了利用阿爾法奧法Ⅱ電站的尾水外，還從科羅拉多河引水(阿爾法奧法Ⅰ電站的尾水匯入該河)。兩座電站的廠房均為地下廠房，都設(shè)有長尾水隧洞并安裝沖擊式水輪機(jī)。電站地下水道由長約56 km的隧洞組成，其中采用盾構(gòu)機(jī)和鉆爆法施工各占約50%。

該項(xiàng)目由全球電力公司智利子公司(AES Gener)和智利安托法加斯塔(Antofogasta)礦業(yè)集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)，兩家公司持股比例分別為60%和40%。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)采購施工(EPC)土建合同由斯特伯格公司(Strabag)承擔(dān)，工作內(nèi)容包括兩座電站的地下廠房、阿爾法奧法Ⅱ引水隧洞的50%及該電站下游的所有土建工作。該項(xiàng)目的上游部分，包括沃爾坎隧洞在內(nèi)，由另外一家公司負(fù)責(zé)施工。機(jī)電設(shè)備和電站廠房內(nèi)部土建工程則由第三家承包商承擔(dān)。

ILF工程咨詢公司負(fù)責(zé)兩座電站的水力瞬態(tài)分析和壓力鋼管襯砌設(shè)計(jì)。瞬態(tài)分析的目的是對(duì)兩座電站的施工和投資進(jìn)行優(yōu)化，并確定高達(dá)1 160 m水頭的壓力鋼管襯砌設(shè)計(jì)的內(nèi)部壓力。其他設(shè)計(jì)工作還涉及到隧洞施工的一些特殊方面。

1 阿爾法奧法Ⅱ電站水道

阿爾法奧法II電站設(shè)計(jì)流量為27 m3/s，凈水頭為1 160 m，裝機(jī)容量為264 MW，安裝2臺(tái)立軸沖擊式水輪機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配4個(gè)噴嘴。

該電站分別利用長14 km的沃爾坎隧洞和另一條長1.4 km的管道，從伊索河和沃爾坎河引水至電站進(jìn)水口，再通過一條長5 km的管道，將水流引至長16.2 km的引水隧洞。在引水隧洞末端，又通過高610 m的垂直壓力管道豎井與電站廠房上游的岔管相連，發(fā)電尾水則通過長3.1 km的尾水隧洞流入拉斯拉哈斯電站的引水隧洞。

電站調(diào)壓室與水道之間通過壓力鋼管頂部上游高450 m的垂直豎井相連。調(diào)壓室由一個(gè)容積約45 000 m3的地面調(diào)壓池構(gòu)成，通過一條長570 m、坡度10%的平洞與調(diào)壓井相連。

2 拉斯拉哈斯電站水道

拉斯拉哈斯電站位于科羅拉多河上，設(shè)計(jì)流量65 m3/s，水頭為483 m，裝機(jī)容量為267 MW，安裝2臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配6個(gè)噴嘴。電站引水分兩個(gè)部分：①從前池引水(流量為35 m3/s)，通過一條長1.2 km的管道將水引至長 9.6 km的引水隧洞；②引水(流量為27 m3/s)來自于阿爾法奧法電站的尾水。電站引水隧洞通過垂直壓力管道豎井(高165 m)和廠房上游的岔管連接。電站尾水通過長12.9 km的尾水隧洞在科羅拉多河交匯處下游匯入邁坡河。

調(diào)壓室直徑為10 m (高97 m，高程為1 276～1 373 m)，通過壓力鋼管頂部上游的垂直豎井與水道連接。

3 水力學(xué)模擬與調(diào)壓設(shè)施優(yōu)化

ILF工程咨詢公司采用其專利軟件包iFlow 對(duì)電站進(jìn)行瞬態(tài)分析，該專業(yè)軟件首次開發(fā)于1983年，并持續(xù)升級(jí)擴(kuò)展至今。iFlow能夠仿真常規(guī)水力學(xué)靜態(tài)和瞬態(tài)條件，也可模擬電站運(yùn)行和極端水力載荷工況下的響應(yīng)。仿真過程遵循系統(tǒng)的總體控制算法，復(fù)現(xiàn)開始時(shí)間、目標(biāo)值、安全序列以及斜坡函數(shù)。截止目前，iFlow已被用于若干大型輸水系統(tǒng)和水電站水道設(shè)計(jì)，累計(jì)超過11 000 km。

根據(jù)合同要求，電站所有導(dǎo)水設(shè)施(即引水隧洞、壓力管道、主進(jìn)水閥和水輪機(jī))的內(nèi)部壓力設(shè)計(jì)為1.1倍靜壓，這是主導(dǎo)調(diào)壓室設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。

由于合同文件已經(jīng)規(guī)定了調(diào)壓室的類型和總體幾何形狀，因此優(yōu)化分析僅限于調(diào)整調(diào)壓室的容積、大小以及調(diào)壓豎井的直徑。這些內(nèi)容將在和斯特伯格公司的協(xié)作中細(xì)化，其重點(diǎn)在于施工的便利性和經(jīng)濟(jì)性。

4 沖擊式水輪機(jī)的水力學(xué)特性

沖擊式水輪機(jī)噴嘴配有針形閥，通過其開度控制噴嘴過流量。水電站在甩負(fù)荷情況下，導(dǎo)流器將啟動(dòng)，以使水流快速偏離水輪機(jī)，從而限制水輪機(jī)的加速度并避免超速。這種快速反應(yīng)本身保護(hù)了發(fā)電機(jī)組，且不改變泄流或?qū)е滤矐B(tài)變化。隨后針形閥可以緩慢閉合，使瞬態(tài)變化更易于控制。常規(guī)噴嘴的關(guān)閉時(shí)間為30～60 s。

安裝了沖擊式水輪機(jī)的電站，由于水輪機(jī)葉輪位于上方，同自由液面相隔離，因此尾水隧洞中發(fā)生較大涌浪的概率較小。盡管如此，在隧洞幾何形狀和坡度設(shè)計(jì)時(shí)，確保水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪同自由液面間有足夠距離仍然十分關(guān)鍵。

5 模型試驗(yàn)結(jié)果

仿真模擬結(jié)果顯示，阿爾法奧法Ⅱ電站調(diào)壓室容積在滿足性能要求的情況下，可以從45 000 m3縮小至17 900 m3，長570 m的平洞可以作為下部調(diào)壓室。同樣，拉斯拉哈斯電站調(diào)壓豎井的直徑可以從5 m減小至 3.7 m。如此一來，可以顯著減少投資，并縮短工期。截止目前，項(xiàng)目業(yè)主仍未確定調(diào)壓室的最終設(shè)計(jì)方案。

為確定電站水道內(nèi)部壓力和調(diào)壓室水位的最終關(guān)系，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多次模擬驗(yàn)證。臨界負(fù)載情況并非單次操作引起，而是由一系列操作引起的，例如一次快速啟動(dòng)后緊急關(guān)閉主入口閥。此外，為識(shí)別可預(yù)期的最極端條件，后續(xù)操作的時(shí)間順序也會(huì)改變。

另外，進(jìn)行瞬態(tài)研究的標(biāo)準(zhǔn)做法是考慮全部可能范圍內(nèi)的邊界條件，具體如下：①水道比預(yù)期更平滑； ②水道比預(yù)期更粗糙； ③阿爾法奧法Ⅱ電站進(jìn)水口最高水位，高程2 501 m； ④阿爾法奧法Ⅱ電站進(jìn)水口最低水位，高程2 497 m； ⑤拉斯拉哈斯電站前池最高水位，高程1 323 m； ⑥ 拉斯拉哈斯電站前池最低水位，高程1 318 m。

水道的粗糙度取決于隧洞的開挖(TBM或鉆爆法)和襯砌工藝。單從水道類型考慮一定范圍的粗糙度，可以確保設(shè)計(jì)者預(yù)計(jì)到最壞的情況，該方法還涵蓋了項(xiàng)目生命周期中水道粗糙度的所有變化。

6 壓力管道鋼襯設(shè)計(jì)

垂直壓力管道鋼襯是基于最大允許壓力設(shè)計(jì)的。對(duì)于前段無內(nèi)襯部分，可假定外部壓力等于內(nèi)部壓力水頭。兩條壓力管道的臨界設(shè)計(jì)工況是假設(shè)隧洞排空條件下屈曲，壁厚由雅各布森(Jacobsen)方程確定，具體見表1。

有限元分析將用于驗(yàn)證壓力管道在外部壓力和屈曲條件下的設(shè)計(jì)，以及封閉球形閥上游分叉和推力環(huán)設(shè)計(jì)。由推力環(huán)傳遞到混凝土和巖石鍵槽中的力高達(dá)30 000 kN，因此還需進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。

表1 壓力管道鋼襯設(shè)計(jì)要求

7 結(jié) 語

通過在阿爾托邁坡河項(xiàng)目采用水力瞬態(tài)分析，不僅可使承包商滿足業(yè)主要求的性能標(biāo)準(zhǔn)，還可縮短項(xiàng)目工期、降低項(xiàng)目成本以及改善施工條件，從而在滿足合同要求的前提下解決現(xiàn)場(chǎng)特殊的進(jìn)出問題。

林 謀 孫 言 譯

(編輯：唐湘茜)

2017-02-20

1006-0081(2017)05-0019-02

TV734.12

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設(shè)計(jì)與施工