埋藏式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化研究

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(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽，550081)

埋藏式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化研究

祁偉強(qiáng)，賀雙喜，張高，韓純杰，王志鵬，楊鵬，余志超

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽，550081)

埋藏式調(diào)壓室一般會(huì)設(shè)置上室來降低豎井高度、減小豎井?dāng)嗝?，并設(shè)置施工交通洞，若將施工交通洞兼做上室，可簡(jiǎn)化布置，減少投資；調(diào)壓室內(nèi)下游側(cè)一般會(huì)布置事故檢修閘門，但考慮目前壓力鋼管設(shè)計(jì)制造技術(shù)、事故檢修閘門下閘速度、日常鎖錠等問題，調(diào)壓室內(nèi)是否必須設(shè)置事故檢修閘門值得研究。本文以某長(zhǎng)引水式電站埋藏式調(diào)壓室為例，研究了埋藏式調(diào)壓室上室結(jié)合施工交通洞布置和不設(shè)置事故檢修閘門的可行性，對(duì)類似工程的埋藏式調(diào)壓室上室布置、是否設(shè)置事故檢修閘門等提供參考。

埋藏式調(diào)壓室 上室 交通洞 事故檢修閘門 優(yōu)化

1 概述

埋藏式調(diào)壓室是長(zhǎng)引水式電站常用的調(diào)壓設(shè)施，調(diào)壓室可以有效縮短壓力管道長(zhǎng)度、減小水流慣性、充分反射水擊波。在埋藏式調(diào)壓室設(shè)計(jì)時(shí)，若將機(jī)組甩負(fù)荷產(chǎn)生的涌波全部由埋藏式調(diào)壓室的豎井來容納，會(huì)導(dǎo)致豎井高度過高、斷面過大，故一般都設(shè)置上室來共同承擔(dān)涌波。同時(shí)，布置施工交通洞滿足施工、交通需求。這樣布置雖然滿足了需要，但是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，工程量較大。

調(diào)壓室內(nèi)下游側(cè)一般會(huì)布置事故檢修閘門以便壓力鋼管和廠房出現(xiàn)意外事故時(shí)快速截?cái)嗨鳎ＷC下游安全。但根據(jù)國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的部分長(zhǎng)引水電站工程，調(diào)壓室內(nèi)事故檢修閘門懸置于調(diào)壓室頂部，在機(jī)組增、甩負(fù)荷時(shí)的涌浪作用下，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)機(jī)組發(fā)生事故需檢修時(shí)，閘門的下閘速度往往較慢，快速擋水檢修的目的無法達(dá)成，作為事故閘門的作用基本喪失；少量電站在廠內(nèi)蝶閥(球閥)檢修時(shí)將該門作為檢修門使用。目前壓力鋼管設(shè)計(jì)制造技術(shù)十分成熟，施工階段可加強(qiáng)過程控制，保證鋼管制造安裝的規(guī)范性，結(jié)合國(guó)內(nèi)項(xiàng)目調(diào)研，壓力管道或廠內(nèi)蝶閥發(fā)生事故爆管的可能性相對(duì)較低?；谝陨峡紤]，調(diào)壓室內(nèi)是否必須設(shè)置事故檢修閘門有必要進(jìn)一步研究。

2 施工交通洞兼做上室分析

位于埋藏式調(diào)壓室豎井上部的施工交通洞，是調(diào)壓室施工期開挖、結(jié)構(gòu)襯砌，運(yùn)行期永久交通的通道。而調(diào)壓室上室為調(diào)壓室承擔(dān)部分涌波的結(jié)構(gòu)，若將兩者單獨(dú)布置，會(huì)有工程量大，作業(yè)面多，棄渣多等一系列問題，兩者運(yùn)行期并行既是一種浪費(fèi)，又增加了后期的維護(hù)工作。因此，將施工交通洞與上室合二為一，在滿足施工期通道和永久交通的同時(shí)，又能在運(yùn)行期利用施工交通洞來兼做上室，滿足調(diào)壓室的功能要求。可以優(yōu)化調(diào)壓室結(jié)構(gòu)和總體布置，降低豎井高度，減少工程量和施工風(fēng)險(xiǎn)，也可充分利用施工交通洞。

3 是否設(shè)置事故檢修閘門分析

3.1 規(guī)范說明

《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T35056-2015)3.1.3條文“……水輪機(jī)前設(shè)置進(jìn)水閥的管道，除應(yīng)在管道首端設(shè)置必要的檢修閘門外，還應(yīng)根據(jù)工程具體情況決定是否在管道首段設(shè)置事故閘門(閥)……”，即管道首端(引水隧洞進(jìn)口部位)應(yīng)設(shè)置必要的檢修閘門。對(duì)引水系統(tǒng)設(shè)置的上游調(diào)壓室內(nèi)是否設(shè)置檢修閘門，應(yīng)結(jié)合調(diào)壓室前引水隧洞的長(zhǎng)度、充放水時(shí)間、電量損失等因素綜合研究確定。因此，從規(guī)范來看，在引水隧洞進(jìn)口部位設(shè)置檢修閘門后，壓力鋼管前的上游調(diào)壓室是否設(shè)置檢修閘門，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際來綜合研究。在條件允許時(shí)，可以考慮不設(shè)檢修閘門。

3.2 未設(shè)置事故檢修閘門的工程運(yùn)行情況

國(guó)內(nèi)已建長(zhǎng)引水式水電站調(diào)壓室內(nèi)不設(shè)事故檢修閘門的工程案例也不勝枚舉，如：貴州大花水水電站、四川沙坪水電站、臥羅橋水電站、新馬水電站、卡基娃水電站等。在以上電站的運(yùn)行過程中，對(duì)引水系統(tǒng)定期檢修并未因調(diào)壓室內(nèi)不設(shè)事故檢修閘門而產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。部分長(zhǎng)引水式電站調(diào)壓室事故檢修閘門設(shè)置情況見表1。

表1部分長(zhǎng)引水式電站調(diào)壓室事故檢修閘門設(shè)置情況

3.3 壓力鋼管設(shè)計(jì)制造技術(shù)

目前壓力鋼管設(shè)計(jì)制造技術(shù)十分成熟，施工階段可加強(qiáng)過程控制，保證鋼管制造安裝的規(guī)范性，結(jié)合國(guó)內(nèi)項(xiàng)目調(diào)研，壓力管道或廠內(nèi)蝶閥發(fā)生事故爆管的可能性相對(duì)較低。對(duì)壓力鋼管前調(diào)壓室內(nèi)設(shè)事故檢修閘門的必要性不大。

3.4 調(diào)壓室內(nèi)事故檢修門的實(shí)際運(yùn)用

根據(jù)國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的類似工程，調(diào)壓室內(nèi)事故檢修閘門大部分懸置于調(diào)壓室頂部，在機(jī)組增、甩負(fù)荷時(shí)的涌浪作用下，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)機(jī)組發(fā)生事故需檢修時(shí)，閘門的下閘速度往往較慢，快速擋水檢修的目的無法達(dá)成，作為事故閘門的作用基本喪失；少量電站在廠內(nèi)蝶閥(球閥)檢修時(shí)將該門作為檢修門使用。

4 工程實(shí)例

某電站引水發(fā)電系統(tǒng)位于右岸山體中，引水系統(tǒng)由岸塔式進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力鋼管主管段、岔管段、三條支管段、尾水隧洞、尾水出口組成。引水發(fā)電系統(tǒng)等均為3級(jí)建筑物。引水隧洞后接調(diào)壓室，經(jīng)壓力鋼管接入地下廠房。采用一洞三機(jī)聯(lián)合供水方式。調(diào)壓室為圓筒阻抗+上室式，內(nèi)徑為16.5m，井筒高89.3m，采用鋼筋混凝土襯砌，厚度1.2m。內(nèi)設(shè)一道事故檢修閘門，閘門孔口尺寸4.5m×5.4m(寬×高)。上室長(zhǎng)110m，城門洞型，斷面8m×10m(寬×高)，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.6m。

井筒圍巖為三疊系下統(tǒng)領(lǐng)麥溝組第一段(T1l1)厚層夾少量薄層狀玄武巖，巖石處微新狀態(tài)，巖質(zhì)堅(jiān)硬。調(diào)壓室?guī)r層單斜，巖層產(chǎn)狀N50°～60°W，NE∠59°～62°，無規(guī)模較大斷層，主要優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面為層面、裂隙。巖層傾角與井壁夾角為28°～31°。主要結(jié)構(gòu)面傾角多為55°～87°，與井壁夾角亦較小。井筒圍巖以厚層狀玄武巖為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬、巖石處于微風(fēng)化至新鮮狀態(tài)，巖體較完整，地下水不活躍。圍巖整體穩(wěn)定，以Ⅲ類圍巖為主，不利的裂隙與層面組合部份洞段為Ⅳ類。

以本工程為例，進(jìn)行施工交通洞兼做上室、不設(shè)調(diào)壓室內(nèi)事故檢修閘門的研究分析。

4.1 施工交通洞兼做上室分析

原設(shè)計(jì)布置調(diào)壓室交通洞通往井筒，分出岔洞通往上室，上室與隧洞軸線垂直，如圖1。通過優(yōu)化將施工交通洞后期兼做上室，在施工交通洞靠近調(diào)壓室側(cè)按照上室長(zhǎng)度及斷面開挖支護(hù)，滿足上室功能，同時(shí)節(jié)省了單獨(dú)開挖上室引起的工程量，實(shí)現(xiàn)一洞兩用，如圖2。

圖1 原設(shè)計(jì)調(diào)壓室布置

圖2 施工交通洞兼做上室時(shí)調(diào)壓室布置

4.2 不設(shè)事故閘門分析

4.2.1 結(jié)構(gòu)布置

在保證水力學(xué)過渡過程計(jì)算成果基本不變，即保證阻抗孔面積基本不變的前提下，不設(shè)事故檢修閘門后，則不需設(shè)置閘門門槽、閘門檢修平臺(tái)、啟閉機(jī)平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)及上下交通樓梯間等，井筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化；調(diào)壓室井筒底部流道斷面可取與壓力鋼管一致的圓形斷面，受力條件更好，與壓力鋼管連接部位不需再設(shè)置漸變段，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化；調(diào)壓室內(nèi)最高涌浪水位由原2338.08m高程降為2337.93m高程，引水隧洞、調(diào)壓室結(jié)構(gòu)受力更有利。不設(shè)事故檢修閘門后調(diào)壓室主要由井筒、阻抗孔、上室等組成，井筒采用圓形斷面，內(nèi)徑由16.5m減小到15.5m，襯厚1.2m，井筒高度由89.3m減小到80.7m，阻抗孔直徑4.2m。水力學(xué)過渡過程計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水力學(xué)過渡過程計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)照

4.2.2 施工難度及工期

不設(shè)調(diào)壓室事故檢修閘門后，井筒石方井挖量減少，調(diào)壓室井筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，不再設(shè)置閘門門槽、閘門檢修平臺(tái)、啟閉機(jī)平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)及上下交通樓梯間等構(gòu)筑物，混凝土襯砌量減少，調(diào)壓室襯砌施工程序簡(jiǎn)化，井筒襯砌可采用滑模施工，施工難度降低；調(diào)壓室井筒斷面減小，更有利于施工期安全；同時(shí)取消了相應(yīng)配套的一系列機(jī)電設(shè)備，不存在閘門及埋件的制作、安裝和調(diào)試施工、不存在機(jī)電設(shè)備的安裝和調(diào)試施工，不設(shè)事故檢修閘門后，施工組織更方便、流程更簡(jiǎn)單、有利于縮短施工工期；不設(shè)調(diào)壓室事故檢修閘門后，對(duì)壓力鋼管的施工和檢修通道無影響。由于不需要運(yùn)輸閘門，施工期安全風(fēng)險(xiǎn)降低、調(diào)壓室施工臨時(shí)道路標(biāo)準(zhǔn)以及施工難度降低。同時(shí)，調(diào)壓室內(nèi)不設(shè)事故檢修閘門，可節(jié)省工期2個(gè)月，加快了水電站建設(shè)，同時(shí)，促進(jìn)工程安全、快速、優(yōu)質(zhì)完建，產(chǎn)生發(fā)電效益。

4.2.3 機(jī)電布置

不設(shè)調(diào)壓室事故檢修閘門后，相應(yīng)的閘門制作、安裝與相應(yīng)的閘門啟閉設(shè)備、動(dòng)力配電設(shè)備、附屬現(xiàn)地盤柜以及輔助照明系統(tǒng)均相應(yīng)取消，節(jié)省了機(jī)電設(shè)備的采購(gòu)、制作、安裝等費(fèi)用。

4.2.4 環(huán)境保護(hù)

原設(shè)計(jì)調(diào)壓室布置見圖1，方位N40.00°E，需通過廠區(qū)1#施工支洞(120m)、1#岔洞(101m)、調(diào)壓室交通洞(63m)及4#岔洞(109m)進(jìn)入調(diào)壓室及上室進(jìn)行施工。不設(shè)置調(diào)壓室事故檢修閘門布置見圖2，調(diào)壓室上室作為8#公路2#隧洞的一部分進(jìn)行開挖，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)壓室開挖施工。兩種方案洞挖長(zhǎng)度基本未發(fā)生變化，不設(shè)調(diào)壓室事故檢修閘門后，由于不需要運(yùn)輸閘門，調(diào)壓室施工臨時(shí)道路標(biāo)準(zhǔn)降低(路面寬度由6m減少到3.5m)，占地減小，植被破壞減少，同時(shí)降低了運(yùn)輸、保存、加工、制安等各環(huán)節(jié)中能源(燃油、電能)消耗、人工成本及其它材料的消耗，能耗的降低使得廢氣、廢渣等工業(yè)廢料排放量減少，噪聲污染降低。符合節(jié)能、環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，有效降低了對(duì)環(huán)境破壞和影響。

4.2.5 運(yùn)行管理

不設(shè)調(diào)壓室事故檢修閘門后，調(diào)壓室的功能變得較為單一，僅作為引水發(fā)電系統(tǒng)的過渡過程保護(hù)之用。調(diào)壓室不用設(shè)置用于閘門運(yùn)行與檢修的金屬結(jié)構(gòu)與機(jī)電配套設(shè)備，運(yùn)行管理更為簡(jiǎn)便、運(yùn)行管理、維護(hù)等費(fèi)用降低。

4.2.6 工程投資

不設(shè)調(diào)壓室內(nèi)事故檢修閘門的經(jīng)濟(jì)性比較，主要是蝶閥大修或高壓管道事故處理時(shí)，引水隧洞及高壓管道上平洞充放水時(shí)間增長(zhǎng)導(dǎo)致電量效益損失與不設(shè)閘門所節(jié)省的工程投資的對(duì)比。經(jīng)計(jì)算，設(shè)置與不設(shè)調(diào)壓室內(nèi)事故檢修閘門的投資比較見表3。由表3可見，不設(shè)調(diào)壓室內(nèi)事故檢修閘門方案較設(shè)置閘門方案可節(jié)省投資約為955.17萬元。

表3 設(shè)置與不設(shè)調(diào)壓室事故檢修閘門投資比較

從以上內(nèi)容分析，該電站如不設(shè)置調(diào)壓室內(nèi)事故檢修門，對(duì)電站運(yùn)行、管理、安全均無影響，還能節(jié)省一定投資，降低施工難度。

5 結(jié)論

(1)在滿足調(diào)壓室上室功能的前提下，將埋藏式調(diào)壓室的施工交通洞兼做上室可以實(shí)現(xiàn)“一洞兩用”，避免重復(fù)投資。

(2)對(duì)圍巖條件較好的工程，經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)安全、電站運(yùn)行和工程投資等方面的分析研究，可以考慮不設(shè)置調(diào)壓室內(nèi)事故檢修閘門。

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2095-1809(2017)05-0094-04

祁偉強(qiáng)(1988-)，男，陜西省咸陽市人，工程師，主要從事水工專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

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