長隧洞復(fù)雜地形地質(zhì)條件調(diào)壓室設(shè)計

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021；2.云南省調(diào)水中心，云南 昆明 650051)

在山區(qū)河流建設(shè)開發(fā)引水式水力發(fā)電站，通常需要通過較長的壓力引水道引水，由于地形、地質(zhì)條件限制，壓力引水道在靠近發(fā)電廠房處常會突降成很陡的壓力管道才能引入廠房。這時在壓力引水隧洞與壓力管道交界處常需要設(shè)置調(diào)壓室，目的是以形成水擊的反射條件，減輕或避免水擊波進(jìn)入壓力引水隧洞，減小壓力管道及水輪機(jī)的水擊壓力，同時改善機(jī)組的運(yùn)行條件及供電質(zhì)量。

調(diào)壓室的類型和結(jié)構(gòu)布置通常取決于壓力水道系統(tǒng)布置、沿線地形地質(zhì)條件、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和電站運(yùn)行穩(wěn)定性等因素。對于特長壓力隧洞和高水頭發(fā)電站，如果采用調(diào)壓室單一的基本類型，難以充分發(fā)揮其在引水系統(tǒng)中的功能作用，因此，為滿足運(yùn)行穩(wěn)定和節(jié)約投資，還需結(jié)合實(shí)際，綜合單一調(diào)壓室類型的優(yōu)點(diǎn)設(shè)置成混合型調(diào)壓室，才能真正充分發(fā)揮其作用。油房溝水電站就是長隧洞、高水頭水電站，上游調(diào)壓室設(shè)計采用了阻抗式帶上室，上室與井筒連接段采用壓力管道型式，上室布置成“V”字型結(jié)構(gòu)，其設(shè)計獨(dú)特，有創(chuàng)意、比較新穎。

1 工程概況

油房溝水電站位于云南省昭通市大關(guān)縣悅樂鄉(xiāng)境內(nèi)，為金沙江橫江上游支流灑漁河梯級開發(fā)的第四級徑流式單一發(fā)電水電站，取水樞紐距發(fā)電廠房約14km。電站上游已建大(2)型的漁洞水庫，水庫對下游河段梯級水電站具備枯季調(diào)節(jié)補(bǔ)水能力，提高枯季出力效益。

油房溝電站水庫正常蓄水位926.0m，死水位917.7m，水庫總庫容83.7萬m3，總裝機(jī)容量2×34MW，設(shè)計引用發(fā)電流量46.7m3/s，設(shè)計額定水頭171m，多年平均發(fā)電量30365萬kw.h。工程主要由攔河閘壩、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道、廠房和升壓站組成。樞紐攔河壩為混凝土閘壩，壩頂軸線長83m，壩高28m，主要布設(shè)有泄洪、沖沙及溢流堰等建筑物；取水口為塔式進(jìn)水口，布置于大壩上游左岸，塔高20m，為側(cè)向取水，引水隧洞總長10977m，為有壓圓形斷面，其中隧洞左岸段長5766km，經(jīng)跨河橋跨越灑漁河后進(jìn)入右岸，末端接調(diào)壓室，調(diào)壓室為帶上室阻抗圓筒式，垂直井筒高58m內(nèi)徑5.5m，上室為地面式矩型斷面，底板高程928m；壓力管道為地下埋管布置，主管總長415m，采用一管雙機(jī)聯(lián)合供水方式；廠區(qū)布置在灑漁河與油房溝交匯處的右岸河灘上，包括主廠房、副廠房及開關(guān)站，地面廠房機(jī)組安裝高程711.0m。

2 工程區(qū)地形地質(zhì)條件

油房溝水電站調(diào)壓室位于漁堡東側(cè)平緩岸坡梯田中，坡地高程915～950m，地形上呈西寬東窄的三角形緩坡，坡度約為15°，整個山坡為一淺層崩坡積體，表層覆蓋為第四系崩坡積褐灰色、棕黃色及淺灰色黏土、礫質(zhì)黏土夾孤、塊石，結(jié)構(gòu)松散，局部架空，鉛直厚度約6.5m，水平厚度約10m。F9斷層從調(diào)壓室北東25m的位置穿過，斷層及影響帶總寬約26～30m，帶內(nèi)巖體風(fēng)化破碎強(qiáng)烈，局部呈散體結(jié)構(gòu)。調(diào)壓室布設(shè)位置為自然山坡，坡體自然穩(wěn)定性一般，地面開挖形成的邊坡由崩坡積及全風(fēng)化巖體組成，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低。具體為地表深度0～14m為崩坡積層覆蓋，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，4m以下為下伏全強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，受F9斷層影響，井筒圍巖破碎，局部為溶洞堆積物；地表深度14～56m為弱風(fēng)化灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r及長石石英砂巖，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性較好，屬Ⅲ類圍巖，施工時易產(chǎn)生掉塊、局部會產(chǎn)生坍塌。調(diào)壓室地質(zhì)剖面圖如下頁圖1所示。

3 調(diào)壓室結(jié)構(gòu)型式的確定

3.1 技術(shù)可行性比較

根據(jù)布設(shè)調(diào)壓室的地形地質(zhì)條件和引水系統(tǒng)的水力特征參數(shù)值，考慮施工方便和運(yùn)行期的安全與管理，初擬引水系統(tǒng)調(diào)壓室為簡單圓筒式、設(shè)上室的簡單圓筒式和設(shè)上室的阻抗式等三種型式從技術(shù)可行方面進(jìn)行綜合分析[1]。從調(diào)壓室井筒高度看，經(jīng)初步調(diào)算，簡單圓筒式調(diào)壓室的井筒高為99m，對于設(shè)上室的簡單圓筒式和設(shè)上室的阻抗式，在兩種型式調(diào)壓室的上室底板高程相同的情況下，兩種調(diào)壓室的井筒高(包括斜井段)分別為75m和69m；從工程區(qū)域的地形地質(zhì)情況分析，調(diào)壓室區(qū)域地形平緩，坡度僅為15°，第四系覆蓋層淺，厚度僅為6.5m，基本具備布設(shè)上室的條件；從運(yùn)行期間水力學(xué)情況分析，雖然簡單圓筒式較阻抗式對調(diào)節(jié)水錘波的反射作用好，對蝸殼產(chǎn)生的水錘壓力相對較小，但是作為阻抗式調(diào)壓室，只要選擇合適的阻抗孔尺寸，它對水錘波的反射、蝸殼產(chǎn)生的最大壓力和調(diào)壓室底板壓力差的影響是甚微的，并且在水庫校核洪水位機(jī)組突甩負(fù)荷時對上室的容積和水位高度影響較為明顯，即上室的高度比簡單式上室的高度要低、容積小[2]；從施工和安全角度考慮，簡單圓筒式的上室邊墻較阻抗式的高，底板單寬面積大，都不利于施工和運(yùn)行期間的安全管理。因此，通過以上技術(shù)性的綜合分析比較，選擇帶上室的阻抗式調(diào)壓室型式對該水電站工程。

圖1 調(diào)壓室地質(zhì)剖面圖

3.2 投資合理性選擇

根據(jù)水電站各建筑物的水力邊界條件及相關(guān)特性參數(shù)，對簡單圓筒式、設(shè)上室的簡單圓筒式和設(shè)上室的阻抗式調(diào)壓室進(jìn)行水力計算，確定各型調(diào)壓室的具體結(jié)構(gòu)及尺寸，并對各型調(diào)壓室建筑物的主要工程量進(jìn)行簡單的投資指標(biāo)計算分析[3]。計算結(jié)果見右表。

通過三種型式調(diào)壓室主要工程量的投資比較，對簡單圓筒式，僅從調(diào)壓室的主要工程量投資看均比其他兩類調(diào)壓室少，但是由于產(chǎn)生的最高涌浪水頭壓力較其他兩類調(diào)壓室高約30m，導(dǎo)致引水隧洞后段的鋼筋襯砌混凝土用量和壓力鋼管道的管壁厚度增加，經(jīng)初步計算，兩項(xiàng)建筑物增加的工程量投資約為107萬元，另外由于壓力水頭增加較為明顯，機(jī)組突甩負(fù)荷時產(chǎn)生的最大水錘壓力對蝸殼的瞬時壓力影響較大，因此從投資的角度考慮簡單圓筒式調(diào)壓室是不經(jīng)濟(jì)的。對于帶上室簡單圓筒式和帶上室阻抗式調(diào)壓室，前者投資超出后者約40萬元，超出的投資額占主要投資額比例約為10%，雖然前者在甩荷時對水錘波反射效果更好，但后者在合理增設(shè)阻抗孔后，更有利于抑制水位的波動幅度和加速波動的衰減進(jìn)程。

調(diào)壓室主要工程量投資統(tǒng)計表

因此，通過以上對簡單圓筒式、設(shè)上室的簡單圓筒式和設(shè)上室的阻抗式調(diào)壓室從技術(shù)和投資角度的分析研究，設(shè)上室的阻抗式調(diào)壓室，不僅是從投資還是技術(shù)方面都是比較合理、可行的。因此，油房溝水電站選擇帶上室的阻抗式調(diào)壓室。

4 帶上室阻抗式調(diào)壓室布置設(shè)計

4.1 井筒與阻抗孔尺寸設(shè)計

由于帶上室阻抗式調(diào)壓室的數(shù)學(xué)模型計算極為復(fù)雜，水力邊界條件不確定性因素較多，選擇合適的阻抗孔尺寸又非常重要。因此，數(shù)學(xué)模型計算根據(jù)電站水庫水位的特征參數(shù)、引水系統(tǒng)隧洞長度、洞徑及隧洞襯砌型式和發(fā)電機(jī)組的相關(guān)特性參數(shù)[2]，計算結(jié)果以滿足調(diào)壓室穩(wěn)定要求為前提，經(jīng)初步計算調(diào)壓室穩(wěn)定斷面直徑為6m，為進(jìn)一步驗(yàn)證調(diào)壓室直徑取值的合理性和設(shè)置的阻抗孔斷面是否可行，通過水工模型試驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行了論證，水工模型試驗(yàn)的成果調(diào)壓室穩(wěn)定斷面尺寸可優(yōu)化為直徑5.5m，較數(shù)學(xué)模型計算的結(jié)果值略小，并且優(yōu)化后穩(wěn)定斷面對引水系統(tǒng)小波動仍然是穩(wěn)定的，因此結(jié)合水力模型試驗(yàn)的成果建議，最終選擇調(diào)壓室井筒斷面直徑為5.5m作為設(shè)計成果。

另外，阻抗式調(diào)壓室選擇合適的阻抗孔口尺寸直接關(guān)系到機(jī)組丟棄負(fù)荷后調(diào)壓室涌浪水位和水輪機(jī)蝸殼內(nèi)水壓力升高值。根據(jù)水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范，阻抗孔口面積與調(diào)壓室底部引水道面積比不應(yīng)小于15%。按照油房溝水電站引水隧洞襯砌后洞徑4.4m，設(shè)計水頭為210m略偏高的特點(diǎn)，設(shè)計考慮適當(dāng)增大阻抗孔口面積，不僅有利于水錘波在調(diào)壓室的反射，同時有利于機(jī)組丟棄負(fù)荷后降低對蝸殼產(chǎn)生最大的水錘壓力。因此，基于以上各方面的因素，選定阻抗孔口直徑范圍為2.0～2.8m對調(diào)壓室最高涌浪水位、蝸殼最大壓力和調(diào)壓室底板壓力差進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計算和水力模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，通過對主要過渡工況的計算和試驗(yàn)[4]，最高涌浪水位在931.6～932.9m之間，蝸殼最大壓力值在238.5～229.4m之間，阻抗孔向上的最大壓力值在22.6～6.9m之間(以上三項(xiàng)結(jié)果是按上室長度100m實(shí)施的計算)，其中阻抗孔口直徑為2.3m時，最高涌浪水位932.2m，蝸殼壓力值為232.6m，阻抗孔向上的壓力值為14.2m，具體詳見圖2～圖4。從三個不同特征曲線圖可以看出，以阻抗孔直徑2.3m為分界點(diǎn)，當(dāng)阻抗孔口尺寸等量減小或增加，調(diào)壓室最高涌浪水位、蝸殼最大壓力和阻抗孔向上的最大壓力變幅值在一定程度均出現(xiàn)不等量變化，尤其是蝸殼產(chǎn)生的最大壓力值不等量變化較為明顯，在阻抗孔口直徑為2.2m和2.4m時，其蝸殼壓力值分別為234m和232m，2.2m阻抗孔直徑對蝸殼壓力值的影響是明顯的。因此，結(jié)合機(jī)組特性要求，選2.3m作為油房溝水電站調(diào)壓室阻抗孔直徑的設(shè)計值更趨于合理。

圖2 油房溝水電站調(diào)壓室主要過渡工況計算

圖3 油房溝水電站主要過渡工況計算

圖4 油房溝水電站調(diào)壓室主要過渡工況計算

4.2 調(diào)壓室上室布置設(shè)計

根據(jù)油房溝水電站調(diào)壓室區(qū)域的地形情況，對上室采用三種方案進(jìn)行綜合比較，分別為沿地形“V”字型矩型斷面布設(shè)、淺埋式城門型布設(shè)和非標(biāo)準(zhǔn)矩型大斷面露天式布置。三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，對于淺埋式城門型方案，其優(yōu)點(diǎn)是位于地下，建成后便于運(yùn)行管理，經(jīng)濟(jì)安全，不足之處是該區(qū)域地表深度0～14m為崩坡積層覆蓋，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，施工期開挖難度較大，施工安全風(fēng)險高，開挖一次支護(hù)及永久襯砌工程量較大；對于非標(biāo)準(zhǔn)矩型大斷面露天式方案，其優(yōu)點(diǎn)是地面開挖施工方便，安全風(fēng)險小，缺點(diǎn)是地表斷面積大，地質(zhì)條件差，基礎(chǔ)處理投資高，由于是露天式，建成后不利于管理，安全風(fēng)險難以控制；對于“V”字型布設(shè)的矩型斷面方案，根據(jù)實(shí)際地形情況，采用沿地形走向布局是最合理的，其開挖量小，施工難度低，建設(shè)成本更合理，由于矩型斷面跨度小，頂板與邊墻可一次性采用混凝土澆筑封閉，運(yùn)營管理方便，安全可控。因此，綜合分析確定采用“V”字型矩型斷面布設(shè)作為設(shè)計方案。

根據(jù)初步擬定的上室結(jié)構(gòu)斷面和布置形式，結(jié)合各建筑物的水力邊界條件，對調(diào)壓室上室的主要過渡工況進(jìn)行水力模型試驗(yàn)進(jìn)行論證，確定采用凈斷面寬高為5.5m×6.2m長70m的矩型斷面“V”字型布設(shè)。根據(jù)水力模型試驗(yàn)調(diào)節(jié)保證計算成果[4]，在上游水庫校核洪水位926.5m時機(jī)組丟棄全負(fù)荷，調(diào)壓室最高涌波水位為933.272m，上室中最大水深5.272m。其涌波圖如圖5所示。

圖5 水庫校核洪水位926.5m，2臺→0臺，調(diào)壓室最高水位波動簡圖

在水庫最低發(fā)電水位917.70m時，發(fā)電機(jī)組由1臺→2臺運(yùn)行，最低涌波水位869.273m，其涌波圖如圖6所示。

圖6 水庫最低發(fā)電水位917.70m，1臺→2臺，調(diào)壓室最低水位波動簡圖

蝸殼進(jìn)口最大壓力為234.93m，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高至57.8%，尾水管最小壓力大于-8m，其壓力升高圖如7所示。

圖7 水庫正常水位926.0m，2臺→0臺，蝸殼壓力升高簡圖

從以上調(diào)節(jié)保證計算成果，在各種不利組合工況下，調(diào)壓室的最高最低水位和蝸殼壓力升高值都能滿足《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》(NB/T 35021—2014)要求，因此油房溝水電站調(diào)壓室上室的結(jié)構(gòu)布設(shè)及尺寸確定的是可行的。

4.3 調(diào)壓室井筒與上室結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計

根據(jù)確定的井筒位置和上室的布設(shè)情況，受地形條件的限制和F9斷層的影響，對井筒與上室的連接采用了兩種方案進(jìn)行比選設(shè)計：?沿地形坡度采用混凝土有壓斜管方式連接；?采用渡槽引渠方式連接。兩種方案從技術(shù)上均是合理可行的，但從投資角度分析，由于渡槽引渠方案排架最大高度達(dá)到15m左右，排架基礎(chǔ)處理投資增加，綜合投資計算混凝土有壓斜管更省，且便于運(yùn)行管理。因此，連接段最終選用混凝土有壓斜管進(jìn)行連接。油房溝水電站調(diào)壓室布置簡圖如圖8所示。

圖8 油房溝水電站調(diào)壓室布置簡圖

5 結(jié) 語

油房溝水電站是長隧洞高水頭復(fù)雜引水系統(tǒng)的水力發(fā)電站，調(diào)壓室設(shè)計受長隧洞和地形地質(zhì)條件的影響，結(jié)構(gòu)布置和水力計算邊界條件較為復(fù)雜，通過合理選型和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)布設(shè)，并結(jié)合水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證其合理可行，工程建成投運(yùn)至今，引水系統(tǒng)運(yùn)行正常、安全可靠，運(yùn)行效果總體良好。對其他類似有壓引水系統(tǒng)調(diào)壓室設(shè)計具有一定的參考價值。同時有以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)值得總結(jié)和應(yīng)用分享：

?對于特長引水隧洞和高水頭水電站，引水系統(tǒng)中調(diào)壓室應(yīng)設(shè)置成阻抗式+上室的混合型結(jié)構(gòu)調(diào)壓室，充分發(fā)揮基本單一性調(diào)壓室的優(yōu)點(diǎn)，這樣的調(diào)壓室既經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行又比較穩(wěn)定。

?對于阻抗式帶上室的復(fù)雜型式調(diào)壓室布置設(shè)計，地形地質(zhì)條件對上室的布置尤為重要，設(shè)置上室是為最大限度降低井筒的高度，但是要求的上室斷面面積較大，從投資和運(yùn)行安全的角度考慮，需要結(jié)合地形情況對上室進(jìn)行綜合分析比較，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要有創(chuàng)新。

?對于阻抗式帶上室調(diào)壓室，由于受水力邊界條件的影響，數(shù)值計算較為復(fù)雜，不確定性因素較多，為保證計算過程中取值的合理性，建議對設(shè)計方案采用水力模型試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，確保工程的運(yùn)行安全。