黃南水庫(kù)工程調(diào)壓井優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳 強(qiáng)，王 強(qiáng)，趙新波，劉方超，史宇濱

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

松陽(yáng)縣黃南水庫(kù)工程位于松陽(yáng)縣境內(nèi)，壩址位于松陰溪支流小港黃南村上游，距松陽(yáng)縣城約35.00 km。工程主要以供水、灌溉、防洪為主，結(jié)合改善水生態(tài)環(huán)境兼顧發(fā)電等綜合利用。攔河壩位于黃南村上游500.00 m，采用鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高97.00 m，電站為引水式發(fā)電廠房。輸水建筑物由進(jìn)水口、輸水隧洞、調(diào)壓井及壓力管道等組成，水平投影長(zhǎng)度10.50 km，輸水隧洞斷面為圓形，襯砌后洞徑2.80 m。

調(diào)壓井布置于輸水隧洞樁號(hào)輸10+193.07 m 處，型式為簡(jiǎn)單圓筒式，襯后內(nèi)徑12.00 m，底高程252.00 m，頂高程345.00 m，以下部分內(nèi)徑取6.00 m 與輸水隧洞連通。調(diào)壓井總高度93.00 m，全斷面采用C25F50 混凝土襯砌，襯砌厚度60 cm。調(diào)壓井最高涌浪水位343.39 m，最低涌浪水位253.36 m。

調(diào)壓井地層巖性為塊狀流紋質(zhì)含角礫玻屑凝灰?guī)r，局部流紋質(zhì)玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r夾薄層粉砂巖。新鮮巖石致密堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)。覆蓋層為第四系全新統(tǒng)殘坡積層粉質(zhì)黏土夾碎塊石，厚1.00 ～ 3.00 m，松散。強(qiáng)風(fēng)化帶厚0.50 ～1.50 m，弱風(fēng)化帶3.00 ～ 6.00 m。調(diào)壓井井口處，覆蓋層薄，厚1.00 ～ 2.50 m，調(diào)壓井表部巖體比較破碎，完整性差。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化總體方案

2.1 井口位置優(yōu)化方案

根據(jù)施工圖階段設(shè)計(jì)方案，調(diào)壓井井口高程345.00 m處位于半山坡，山勢(shì)陡峻，邊坡開(kāi)挖高度達(dá)到50.00 m，明挖土石方量約2.76 萬(wàn)m3，需外運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)，施工爆破對(duì)山坡下方道路影響較大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況若布置施工道路，道路長(zhǎng)度為1.912 km，路寬4.50 m，最大坡度超過(guò)14%，道路征地約6.47 hm2，道路以下及調(diào)壓井明挖影響范圍約11.20 hm2。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，發(fā)現(xiàn)調(diào)壓井上方山坡存在一處緩臺(tái)地的有利地形，為井口優(yōu)化提供了可能。綜合考慮征地面積大、明挖施工難度大等因素，最終將調(diào)整調(diào)壓井井口位置調(diào)整至緩臺(tái)地，即向輸水隧洞上游移動(dòng)35.07 m，微調(diào)至樁號(hào)10+155.00 m 處，井口高程調(diào)整為386.00 m，井口抬高41.00 m，邊坡高度降低40.00 m，明挖工程量?jī)H1 100 m3。由于開(kāi)挖量大大減少，基本不存在出渣，取消了施工道路布置，征地面積也大大減少。

本項(xiàng)優(yōu)化極大程度的降低井口明挖的施工難度，減少邊坡開(kāi)挖爆破飛石對(duì)山坡下方的道路通行的影響，加快進(jìn)口開(kāi)挖的施工進(jìn)度，同時(shí)節(jié)約建設(shè)用地，進(jìn)一步響應(yīng)工程區(qū)的環(huán)保節(jié)能要求。

優(yōu)化調(diào)整對(duì)比斷面見(jiàn)圖1 ～ 2。

圖1 原設(shè)計(jì)井口剖面圖

圖2 優(yōu)化后井口剖面圖

2.2 井口斷面優(yōu)化方案

調(diào)壓井大井開(kāi)挖直徑為13.20 m，工程規(guī)模較大，費(fèi)用較高，同時(shí)豎井大直徑開(kāi)挖需要多次擴(kuò)挖完成，直徑越大，擴(kuò)挖次數(shù)越多，安全風(fēng)險(xiǎn)也越大。因此，為加快施工進(jìn)度，減少豎井?dāng)U挖次數(shù)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，有必要對(duì)調(diào)壓井規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化。由于井口位置優(yōu)化調(diào)整，井口高程抬高后，調(diào)壓井井身高度增加了41.00 m，可利用升高的井身實(shí)現(xiàn)調(diào)壓作用，為調(diào)壓井?dāng)嗝鎯?yōu)化提供條件。通過(guò)水力計(jì)算分析，對(duì)調(diào)壓井托馬穩(wěn)定斷面、大波動(dòng)和小波動(dòng)工況計(jì)算分析等方面進(jìn)行綜合復(fù)核，最終確定將調(diào)壓井襯后直徑由12.00 m調(diào)整為8.00 m，開(kāi)挖直徑由13.20 m 調(diào)整為9.20 m，減少了井挖工程量。

3 調(diào)壓井體型復(fù)核計(jì)算

3.1 調(diào)壓井托馬穩(wěn)定斷面計(jì)算

要確定調(diào)壓井內(nèi)徑選擇范圍，首先要計(jì)算小波動(dòng)情況下調(diào)壓井的穩(wěn)定斷面，因?yàn)樾〔▌?dòng)穩(wěn)定不能保證，則大波動(dòng)必然不能衰減[1]。根據(jù)SL 655 — 2014《水利水電工程調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》，調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面面積的計(jì)算公式如下：

式中：Fth為托馬臨界穩(wěn)定斷面面積，m2；L為壓力引水道長(zhǎng)度，m；f為壓力引水道斷面面積，m2；H0為發(fā)電最小靜水頭，m；α為自水庫(kù)至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)，α=hwo/v2，s2/m；v為壓力引水道流速，m/s；hw0為壓力引水道水頭損失，m；hwm為壓力管道水頭損失，m；K為系數(shù)，一般可采用1.0 ～ 1.1，本次計(jì)算取K= 1.1；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)本工程輸水系統(tǒng)布置方案，得到各參數(shù)計(jì)算值（見(jiàn)表1）。

表1 托馬穩(wěn)定斷面計(jì)算各參數(shù)取值表

由表1 中計(jì)算結(jié)果，托馬穩(wěn)定斷面面積為13.67 m2，調(diào)壓井小波動(dòng)穩(wěn)定斷面直徑為4.17 m，調(diào)壓井大井直徑為12.00 m，面積113.09 m2，大于托馬面積，滿(mǎn)足穩(wěn)定斷面的要求。

3.2 調(diào)壓井大波動(dòng)、小波動(dòng)工況分析計(jì)算

調(diào)壓室大井面積的大小對(duì)大波動(dòng)工況調(diào)壓室的水位波動(dòng)以及小波動(dòng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)均有較大影響[2]，本節(jié)分別從大波動(dòng)工況和小波動(dòng)工況進(jìn)行分析，選取大井直徑為6.00，8.00，10.00 m 進(jìn)行計(jì)算分析，最終確定優(yōu)化后的大井尺寸。

3.2.1 大波動(dòng)工況分析

為保證調(diào)壓室最高、最低涌浪滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)控制高程的要求，分別選取調(diào)壓室最高、最低涌浪控制工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2 及圖3 ～ 4。擬定工況如下：

工況JH1：上游校核洪水位，下游2 臺(tái)機(jī)滿(mǎn)發(fā)尾水位，2 臺(tái)機(jī)組以額定出力正常運(yùn)行，突甩全部負(fù)荷。此工況為調(diào)壓室涌浪最高工況。

工況JH5：上游最低發(fā)電水位，下游正常尾水位，2 臺(tái)機(jī)組以最大出力正常運(yùn)行，2 臺(tái)機(jī)突甩全部負(fù)荷，在流出流量最大時(shí)刻，1 臺(tái)機(jī)啟動(dòng)至最大出力。此工況為調(diào)壓室涌浪最低工況。

表2 不同大井直徑調(diào)壓室涌浪計(jì)算結(jié)果表

圖3 不同大井直徑，調(diào)壓室水位變化過(guò)程線圖（工況JH1）

圖4 不同大井直徑，調(diào)壓室水位變化過(guò)程線圖（工況JH5）

由計(jì)算結(jié)果可知，大井直徑取6.00，8.00，10.00 m 均能滿(mǎn)足調(diào)壓室結(jié)構(gòu)高程控制要求，且均有一定裕度。隨著調(diào)壓室大井直徑減小，調(diào)壓室涌浪波動(dòng)幅度增大。

3.2.2 小波動(dòng)工況分析

為探究不同大井直徑下的電站水力—機(jī)械系統(tǒng)的小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性[3]，選取控制工況X3、X6 工況進(jìn)行小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析。

工況X3：上游最低發(fā)電水位，下游2 臺(tái)機(jī)滿(mǎn)發(fā)尾水位，同一水力單元的2 臺(tái)機(jī)組均帶最大預(yù)想負(fù)荷，2 臺(tái)機(jī)組突減5%額定負(fù)荷。

工況X6：上游最低發(fā)電水位，下游2 臺(tái)機(jī)滿(mǎn)發(fā)尾水位，同一水力單元的2 臺(tái)機(jī)組均帶最大預(yù)想負(fù)荷，1 臺(tái)機(jī)組突減5%額定負(fù)荷。

選取大井直徑為6.00，8.00，10.00 m 進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3 及圖5 ～ 6。

表3 小波動(dòng)計(jì)算結(jié)果表

圖5 不同大井直徑，調(diào)壓室水位變化曲線圖（工況X3）

圖6 不同大井直徑，調(diào)壓室水位變化曲線圖（工況X6）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，大井直徑取6.00，8.00，10.00 m 均能滿(mǎn)足輸水發(fā)電系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性要求，小波動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)指標(biāo)均較好。隨著調(diào)壓室大井直徑減小，調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減速度越慢[4]，當(dāng)大井直徑取8.00 m 時(shí)，調(diào)壓室波動(dòng)衰減速度明顯加快，因此，為保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求且具有較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，大井直徑選取為8.00 m。

3.3 調(diào)壓井?dāng)嗝鎯?yōu)化小結(jié)

根據(jù)調(diào)壓井優(yōu)化調(diào)整后的布置情況，計(jì)算出本電站的托馬穩(wěn)定斷面面積為13.67 m2；通過(guò)對(duì)不同大井直徑大波動(dòng)和小波動(dòng)工況的計(jì)算分析，選取大井優(yōu)化后直徑為8.00 m，能夠滿(mǎn)足控制要求且具有較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次優(yōu)化合理利用現(xiàn)場(chǎng)有利地形條件，在調(diào)整井口位置后，大幅度減少井口明挖的工程量，減少了工程建設(shè)用地的面積，同時(shí)為調(diào)壓井?dāng)嗝鎯?yōu)化提供條件。經(jīng)過(guò)一系列的水力計(jì)算，首先分析調(diào)壓井的托馬穩(wěn)定斷面，計(jì)算出斷面可優(yōu)化調(diào)整的范圍，之后再選取3 種斷面分別對(duì)大波動(dòng)和小波動(dòng)工況進(jìn)行計(jì)算分析，最終確定優(yōu)化后的斷面。

本次優(yōu)化主要減少土石方明挖2.6 萬(wàn)m3，石方井挖3 500 m3，取消了施工道路，以及減少相應(yīng)的支護(hù)工程量，總體投資減少約630 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。同時(shí)，優(yōu)化后的方案大大降低施工難度，避免明挖爆破飛石對(duì)周邊的影響，降低豎井?dāng)U挖的安全風(fēng)險(xiǎn)，加快施工進(jìn)度，為工程順利推進(jìn)提供保障。