水電站調(diào)壓井優(yōu)化設(shè)計分析

(中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司， 北京 100024)

一、調(diào)壓井的作用

水電站在運行過程中常常會遇到負荷突然變化的情況，例如因事故突然丟棄負荷，或在較短時間內(nèi)啟動機組，這時，由于導(dǎo)水葉的快速開啟和關(guān)閉，將不可避免的在水電站有壓引水管道中出現(xiàn)“水錘”現(xiàn)象。它是由水流的動能引起的，當(dāng)管道末端流量急劇變化時，壓力也隨之變化。導(dǎo)葉關(guān)閉時，在壓力管道和蝸殼中將引起壓力上升，尾水管中則壓力下降，導(dǎo)葉開啟時則相反，將在壓力管道和蝸殼中引起壓力下降，而在尾水管中引起壓力上升。

為了改善水錘現(xiàn)象，減小水錘壓力在引水道中的傳播，常在有壓引水隧洞或有壓引水管與壓力管道銜接處建造調(diào)壓井。在較長管道中設(shè)置調(diào)壓井，縮短了管道長度，減小相長，可以緩和水擊，減低水擊壓強。由于調(diào)壓井利用擴大的斷面和自由水面反射水錘波，將有壓引水系統(tǒng)分成兩段：上游段為有壓引水隧洞，調(diào)壓井使隧洞基本上避免了水錘壓力的影響;下游段為壓力管道，由于長度縮短了，從而降低了壓力管道中的水錘值，改善了機組的運行條件。

二、調(diào)壓井優(yōu)化設(shè)計原則

1.優(yōu)化設(shè)計滿足原有調(diào)壓井布置的要求，通過調(diào)整斷面來對調(diào)壓井的面積進行減少，從而使得工程量降低，從而節(jié)約建設(shè)的成本。

2、調(diào)壓井?dāng)嗝娴母淖?，需要滿足相應(yīng)力學(xué)的要求。不得影響原有布置，確保調(diào)節(jié)的要求。

3、對于調(diào)壓井結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)該施工方便、結(jié)構(gòu)簡單。

4、施工期應(yīng)力分析。調(diào)壓井圍巖構(gòu)造應(yīng)力已基本釋放，所以地應(yīng)力很小，施工開挖所引起的調(diào)壓井壁和隧洞洞壁的附加應(yīng)力（二次應(yīng)力）也很小。施工期井壁的最大主應(yīng)力在豎直方向，為拉應(yīng)力，最大值為0.18MPa，最小主應(yīng)力在水平方向，為壓應(yīng)力，沿井壁的拉應(yīng)力隨高度而減少，故施工期井筒開挖是安全的，其徑向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，開挖中關(guān)鍵位置在底洞擴大斷面。

8.在進行水電站調(diào)壓井設(shè)計時要結(jié)合工程的實際情況，對設(shè)計方案的技術(shù)性與經(jīng)濟性進行全面比較，然后再確定下來。在選擇調(diào)壓井的形式時要遵循幾點原則：首先，要可以有效的反射通過高壓管道傳來的水擊波；其次，在無限小負荷發(fā)生變化時，要可以保持自身的穩(wěn)定性；如果大負荷發(fā)生變化的情況下，要求水面保持較小振幅，并且波動要快速衰減；再次，水電站處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，經(jīng)過調(diào)壓井與壓力水道連接位置的水頭損失不得過大；最后，調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)設(shè)計要盡量簡單化，便于施工，并且要合理控制成本。

三、案例分析

某水電站為引水式日調(diào)節(jié)水電站，其主要任務(wù)為發(fā)電，電站總裝機容量56MW，主廠房共設(shè)置三臺混流式水輪發(fā)電機組，其中兩臺容量為23MW，一臺為10MW；電站保證出力10.2MW，裝機年利用3805小時。該水電站有效改善了當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)，緩解用電緊張的局面，一般情況下電站承擔(dān)系統(tǒng)基荷，如果不在汛期也承擔(dān)系統(tǒng)峰荷，水庫按照日調(diào)節(jié)的方式運行。 該水電站的調(diào)壓井位于廠房上游330m處，其總高度為51.5m，其中地面以下深41.5m，地面以上高度為10m，因此該調(diào)壓井屬于半地下式；地面以下的豎井段，其外徑為 13m，內(nèi)徑為 10m，從上到下的圍巖分別為11m的洪積塊與碎石土，結(jié)構(gòu)相對松散；30m的洪積塊與碎石土，為中密-密實結(jié)構(gòu)，而調(diào)壓井的基礎(chǔ)便位于洪積塊碎石土之上。分析相關(guān)參數(shù)可知，在該調(diào)壓井高度與直徑條件下，其所處地質(zhì)條件相對較差，設(shè)計地震防烈度III度，這些均會增加施工難度。

該水電站引水線路的總長為7.044千米，設(shè)計引流量為每秒50.1方，設(shè)計水頭為117m；計算出調(diào)壓井水力及最高涌波水位等參數(shù)，然后按照調(diào)壓井的相關(guān)設(shè)計規(guī)范比較幾種設(shè)計方案。調(diào)壓井的形式分為簡單式、阻抗式、水室式及溢流式等四種。其中簡單式是四種形式中結(jié)構(gòu)最簡單的，施工比較方便，不過反射壓力管道所傳送的水機波的能力相對較差，最高涌波水位也相對較高；簡單式調(diào)壓井的波動振幅最大，只有通過增加容積的方法減小振幅，從而導(dǎo)致工程成本的增加；此外，簡單式調(diào)壓井的水位波動衰減速度慢，當(dāng)調(diào)壓井處于正常運行狀態(tài)時，調(diào)壓井與引水系統(tǒng)連接位置會有較大的水頭損失。由此可見，本設(shè)計中簡單式調(diào)壓井不適用。而阻抗式調(diào)壓井在反射壓力管道傳輸?shù)乃畽C波方面效果較好，高出地面的高度在20m左右，并且容積小，結(jié)構(gòu)相對簡單，而且波動衰減迅速，當(dāng)調(diào)壓井處于正常運行狀態(tài)時，水頭損失相對較?。徊贿^在該工程中，由于地震設(shè)防烈度為III度，并且調(diào)壓井的基礎(chǔ)位于碎石土層，因此要求其超出地面的高度不得過高，所以阻抗式調(diào)壓井也不適用。而水室式調(diào)壓井，由于丟棄負荷的涌水量由上室容納，因此最高涌波水位就受到限制，所以其超過地面的高度與阻抗式調(diào)壓井相當(dāng)，也不適用。最后一種種溢流式調(diào)壓井，由于本水電站受地形條件的限制，無法向其它渠道溢流，所以也不適用。

經(jīng)過綜合分析與計算后，該水電站的調(diào)壓井決定采用綜合型的設(shè)計方案，即底部為阻抗式，頂部則設(shè)計一個圓形的開敞溢流式上室水池，水池底板位于原地面高程上，在阻抗孔與上室之間設(shè)置一個高41.5m、內(nèi)徑為 10m的簡單的圓筒豎井。

四、總結(jié)

水電站調(diào)壓井的設(shè)計應(yīng)該根據(jù)周圍具體地質(zhì)情況做出合理的設(shè)計方案，確保水電站整體的安全系數(shù)得到提升。

[1]趙天來. 反井鉆機在雜木寺水電站調(diào)壓井施工中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)科技與信息. 2010(22): 34-35.

[2]張志明，孫明. 露天無鋼襯調(diào)壓井在布巴哈水電站的應(yīng)用[J]. 云南科技管理.2012(05): 211-214.

[3]向斌，葉井亮. 某水電站深厚殘坡積層的調(diào)壓井邊坡處理方法研究[J]. 中國水運(下半月). 2011(09): 149-150.

[4]馬麗慧. 調(diào)壓井固結(jié)灌漿“超前鉆孔預(yù)埋灌漿管”施工技術(shù)[J]. 四川水力發(fā)電. 2011(04): 99-100.

[5]金宏安，宋會紅，丁秀霞. 老撾Nam Ngum 5水電站深調(diào)壓井井筒開挖設(shè)計與施工實踐[J]. 水利水電工程設(shè)計. 2011(03): 11-14.

[6]水電七局柳坪水電站調(diào)壓井 QC小組獲國家級獎項[J]. 四川水力發(fā)電.2008(04): 144.