亞曼蘇水電站廠(chǎng)區(qū)輸水建筑物布置優(yōu)化研究

蒙富強(qiáng)，趙桂連

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

在電站水力過(guò)渡過(guò)程中，機(jī)組丟棄負(fù)荷時(shí)水力系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生水擊壓強(qiáng)，機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，設(shè)計(jì)中必須對(duì)兩者加以限制，滿(mǎn)足規(guī)范要求，達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)目的。因此，廠(chǎng)區(qū)輸水建筑物須結(jié)合地形地質(zhì)條件進(jìn)行布置，既保證經(jīng)濟(jì)合理，又滿(mǎn)足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。

調(diào)壓室是水電站工程中最常用、最可靠的調(diào)壓室設(shè)施。一般在靠近廠(chǎng)房、地形地質(zhì)條件較適當(dāng)部位設(shè)置與有壓管道相連的調(diào)壓室，以縮短壓力管道長(zhǎng)度、減小水流慣性，并使水擊波在此處發(fā)生較充分的反射，以達(dá)到減小水擊壓強(qiáng)的目的。

在亞曼蘇水電站設(shè)計(jì)過(guò)程中，為解決強(qiáng)震區(qū)常規(guī)調(diào)壓室高聳帶來(lái)的穩(wěn)定安全問(wèn)題，原設(shè)計(jì)方案通過(guò)縮短壓力管道長(zhǎng)度滿(mǎn)足調(diào)保計(jì)算要求，既不經(jīng)濟(jì)，又產(chǎn)生其他填筑及開(kāi)挖相關(guān)的穩(wěn)定安全問(wèn)題，因此，優(yōu)化方案創(chuàng)新性地采用地面氣墊式調(diào)壓室，很好地解決了工程中存在的問(wèn)題，減少了投資，又保證了工程的安全。

1 工程概述

亞曼蘇水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)烏什縣亞曼蘇鄉(xiāng)境內(nèi)的托什干河上，是托什干河“2庫(kù)11級(jí)”的第9級(jí)克克機(jī)格代和第10級(jí)牙滿(mǎn)蘇合并而成的亞曼蘇梯級(jí)，工程等別為三等中型。亞曼蘇水電站開(kāi)發(fā)任務(wù)為在滿(mǎn)足灌溉和河道生態(tài)用水的前提下發(fā)電，采用引水式開(kāi)發(fā)，電站進(jìn)水閘接上游別迭里二級(jí)水電站的尾水，利用別迭里電站尾水發(fā)電，裝機(jī)4臺(tái)，總?cè)萘繛?44 MW。

因此，在技施設(shè)計(jì)階段有必要研究采用地面氣墊式調(diào)壓室等方案對(duì)廠(chǎng)區(qū)輸水建筑物布置進(jìn)行優(yōu)化。

2 輸水建筑物原設(shè)計(jì)方案

2.1 原設(shè)計(jì)方案布置

工程廠(chǎng)區(qū)輸水建筑物包括壓力前池及壓力管道段。壓力前池接引水渠道末端，前池頂高程1 707.33 m，底高程1 691.13 m，設(shè)計(jì)水位1 705.15 m，池身斷面為矩形，池長(zhǎng)51 m，寬23.2 m，最大池深16.2 m。壓力管道上接前池，采用單管單機(jī)的布置型式，均采用鋼襯鋼筋混凝土管，大機(jī)組單機(jī)設(shè)計(jì)引用流量40.2 m3/s，小機(jī)組為19.4 m3/s；大機(jī)組(70 MW)壓力管道共3條，管徑由4.5 m漸變到3.8 m，4.5 m管徑管長(zhǎng)1 399 m，3.8 m管徑管長(zhǎng)419 m。小機(jī)組(34 MW)壓力管道共1條，管徑由3.8 m漸變到2.7 m，3.8 m管徑管長(zhǎng)1 399 m，2.7 m管徑管長(zhǎng)419 m。地面廠(chǎng)房尺寸87.00 m×23.00 m×44.00 m(長(zhǎng)×寬×高)，安裝3臺(tái)單機(jī)功率70 MW和1臺(tái)單機(jī)功率34 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量244 MW。

2.2 原設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)思路及主要問(wèn)題

亞曼蘇水電站若設(shè)置地面常規(guī)調(diào)壓室，調(diào)壓室高度達(dá)130 m，結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)難度極大，因此受技術(shù)水平所限，原廠(chǎng)區(qū)輸水建筑物設(shè)計(jì)思路為盡量縮短壓力前池與廠(chǎng)房之間壓力管道長(zhǎng)度，即采用下移前池、上移廠(chǎng)房、增大單機(jī)單管管徑減小其流速等工程措施達(dá)到不設(shè)置調(diào)壓室的目的。通過(guò)計(jì)算分析，大機(jī)組Tw=2.77 s，小機(jī)組Tw=2.30 s，滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定“Tw<4 s時(shí)，壓力管道可不設(shè)置調(diào)壓室”的要求，且機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算的最大轉(zhuǎn)速升高率和蝸殼最大壓力上升率也滿(mǎn)足規(guī)范要求。

由此引水發(fā)電樞紐布置采用了“高筑前池、縮短管道、深挖廠(chǎng)房”的布置型式，其前池基礎(chǔ)填方高度達(dá)23 m，廠(chǎng)房最大開(kāi)挖深度達(dá)89 m。導(dǎo)致廠(chǎng)區(qū)建筑物布置不可避免地存在如下主要問(wèn)題：

(1)“高筑前池，深挖廠(chǎng)房”的布置型式導(dǎo)致廠(chǎng)區(qū)樞紐開(kāi)挖量巨大，覆蓋層高邊坡問(wèn)題突出。廠(chǎng)區(qū)樞紐靠近亞曼蘇斷層，工程施工及運(yùn)行期間高邊坡抗震安全問(wèn)題突出，風(fēng)險(xiǎn)巨大。

(2) “縮短管道”的布置型式導(dǎo)致前池與廠(chǎng)房間距過(guò)短，前池漏水對(duì)廠(chǎng)房有直接影響。

(3)壓力管道“單機(jī)單管”布置，導(dǎo)致管內(nèi)流速非經(jīng)濟(jì)流速，工程投資較大。

(4)廠(chǎng)房深挖設(shè)計(jì)導(dǎo)致開(kāi)挖棄渣量大，環(huán)保、水保工程處理量大。

3 廠(chǎng)區(qū)輸水建筑物優(yōu)化調(diào)整分析

為解決壓力前池高填方、廠(chǎng)區(qū)深挖方導(dǎo)致的穩(wěn)定安全問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)前池、壓力管道、調(diào)壓室及廠(chǎng)房的布置進(jìn)行了深入研究。

3.1 壓力前池布置優(yōu)化調(diào)整

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案壓力前池布置存在的問(wèn)題，經(jīng)分析研究確定優(yōu)化設(shè)計(jì)思路為：在原前池工程規(guī)?；静蛔兊幕A(chǔ)上，沿原軸線(xiàn)上移前池位置，減少前池基礎(chǔ)填方高度，從而保證前池的穩(wěn)定安全。結(jié)合前池上下游地質(zhì)、地形條件，確定三個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：

(1)優(yōu)化方案一(少填方案)。前池位置向上游移約220 m，取水口段、左側(cè)溢流堰及右側(cè)扶壁式擋墻等部分的基礎(chǔ)回填高度約3.5 m，前池池身底板基礎(chǔ)回填高度約3.5～12 m。

(2)優(yōu)化方案二(不填方案)。前池位置向上游移約380 m，基礎(chǔ)基本沒(méi)有回填，局部少量開(kāi)挖。

(3)優(yōu)化方案三(開(kāi)挖方案)。前池位置向上游移約600 m，需開(kāi)挖基礎(chǔ)，最大開(kāi)挖高度約20 m。

三個(gè)方案壓力前池的布置及穩(wěn)定要求均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，總體上是可行的，工程量均比原設(shè)計(jì)方案略有減少；各方案經(jīng)濟(jì)投資受壓力管道長(zhǎng)度變化控制，其中方案一增加的壓力管道工程量最少，方案二、三次之。因此，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用最優(yōu)的方案一。

3.2 廠(chǎng)房位置優(yōu)化調(diào)整

原廠(chǎng)房位置下游約750 m左右地形相對(duì)較陡，750 m后為農(nóng)田，地形較平緩，因此廠(chǎng)房位置可在下游750 m范圍內(nèi)選擇，降低其開(kāi)挖深度的效果相對(duì)明顯。結(jié)合地質(zhì)地形條件及設(shè)置氣墊室調(diào)壓室后調(diào)保成果要求，將廠(chǎng)房移至下游730 m的位置，下移后廠(chǎng)區(qū)最大開(kāi)挖深度由89 m降低到63 m左右，開(kāi)挖量減少約600萬(wàn)m3。

3.3 壓力管道布置優(yōu)化調(diào)整

將前池向上游移約220 m、廠(chǎng)房向下游移730 m后，壓力管道長(zhǎng)度增加，在不改變管道布置及結(jié)構(gòu)尺寸前提下，機(jī)組的調(diào)保計(jì)算成果必然不滿(mǎn)足規(guī)范要求。為此，考慮采取了兩種可能的方案解決該問(wèn)題：

(1)設(shè)置氣墊式調(diào)壓室方案

若采用常規(guī)調(diào)壓塔，露出地面的調(diào)壓塔直徑約9 m，高度達(dá)130 m，地震工況下其整體穩(wěn)定存在較大問(wèn)題，對(duì)基礎(chǔ)承載能力的要求也較高。因此需尋求另外一種可靠的調(diào)壓室型式，即氣墊式調(diào)壓室，該型式可利用氣體的可壓縮性降低調(diào)壓室在高度方向的規(guī)模。

我國(guó)已建氣墊式調(diào)壓室水電站有自一里、小天都、陰坪等，這些電站建成發(fā)電以來(lái)均運(yùn)行正常。本電站裝機(jī)容量244 MW，額定水頭約199 m，若設(shè)置氣墊式調(diào)壓室，初步計(jì)算其氣室氣體體積12 685 m3，氣墊壓力1.31～1.70 MPa，與上述電站調(diào)壓室相比，其規(guī)模是合適的。因此，結(jié)合本工程廠(chǎng)區(qū)地形地質(zhì)條件，可采用明顯優(yōu)于常規(guī)調(diào)壓塔的氣墊式調(diào)壓室。

(2)不設(shè)置調(diào)壓室方案

壓力管道加長(zhǎng)后，若不增設(shè)調(diào)壓室，為滿(mǎn)足電站調(diào)節(jié)保證要求，勢(shì)必要增加壓力管道管徑，以致相應(yīng)管內(nèi)流速相對(duì)原方案更小，從而使壓力管道工程投資較大。

通過(guò)計(jì)算分析，上述兩方案的調(diào)保參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1，相應(yīng)的主要工程量見(jiàn)表2。兩方案技術(shù)上均可行；但設(shè)置氣墊式調(diào)壓室方案工程投資明顯偏優(yōu)。因此，壓力管道布置推薦采用調(diào)壓室方案。

表1 兩方案的調(diào)保參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比

表2 兩方案的主要工程量對(duì)比

3.4 氣墊式調(diào)壓室型式及位置選擇

3.4.1 型式選擇

氣墊式調(diào)壓室可采用鋼球或鋼管型式。在滿(mǎn)足機(jī)組調(diào)保要求前提下，鋼球形氣墊式調(diào)壓室直徑約21 m，鋼管形氣墊式調(diào)壓室直徑12.0 m，長(zhǎng)約165 m。相比而言，鋼球形結(jié)構(gòu)受力條件比鋼管形稍強(qiáng)，但因其直徑較大，對(duì)鋼管的制造、安裝、焊接工藝等要求較高，現(xiàn)場(chǎng)施工難度也相對(duì)較大，抗震穩(wěn)定性相對(duì)較差。此外，鋼管形結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)接觸面積大，對(duì)基礎(chǔ)承載能力的要求相對(duì)較低。基于上述理由，推薦采用鋼管型式的氣墊式調(diào)壓室。

3.4.2 位置選擇

通常情況下，氣墊式調(diào)壓室離廠(chǎng)房機(jī)組越近，對(duì)水錘波反射的效果越好，并能一定程度上降低機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率。但就本工程而言，氣墊式調(diào)壓室離機(jī)組越近，對(duì)氣墊式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)要求越高：一方面，越靠近廠(chǎng)房調(diào)壓室受地形條件限制，其布置高程降低，氣室內(nèi)初始?xì)怏w壓力越高，氣室最大壓力越大，氣墊式調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越高；另一方面，布置位置高程降低，要求的穩(wěn)定體積也越大。此外，氣墊式調(diào)壓室越靠近廠(chǎng)房，調(diào)壓室上游側(cè)壓力鋼管承受內(nèi)水壓力越大，鋼管壁厚及鋼材量均有所增加。因此，需合理選擇調(diào)壓室位置，使其既能滿(mǎn)足電站調(diào)節(jié)保證要求，又能一定程度上控制工程投資。結(jié)合本工程地形地質(zhì)條件，綜合調(diào)壓室規(guī)模、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)保要求，確定調(diào)壓室位置距廠(chǎng)房機(jī)組約700 m。

4 廠(chǎng)區(qū)輸水建筑物優(yōu)化調(diào)整方案

通過(guò)以上優(yōu)化調(diào)整分析，亞曼蘇水電站輸水建筑物推薦采用“兩機(jī)一管，增設(shè)氣墊式調(diào)壓室”的布置型式。

前池布置在山前沖洪積傾斜平原地面中心高程1 682～1 688 m附近，由連接段、池身段、電站進(jìn)口閘、側(cè)堰及扶壁式擋墻等組成。引水渠道末端底高程1 700.32 m，前池底板最低高程1 685.20 m，前池正常水位為1 705.05 m，總?cè)莘e為31 092 m3，工作容積21 294 m3。

壓力管道采用“兩機(jī)一管、氣墊式調(diào)壓室”的布置型式，沿縱向依次分為氣室前管段、氣室管段、氣室后管段及支管段。壓力主管長(zhǎng)約2 700 m，引用流量分別為80.2 m3/s、59.8 m3/s，管徑分別為5.0 m、4.4 m；支管長(zhǎng)33～38 m，管徑分別為3.1 m、2.2 m。氣墊式調(diào)壓室平行于壓力管道縱軸線(xiàn)方向布置，2個(gè)調(diào)壓室與同側(cè)壓力管道的中心線(xiàn)間距均為20.0 m；1號(hào)調(diào)壓室總長(zhǎng)180.00 m，其中主體室身長(zhǎng)90.0 m，斷面直徑12.0 m，兩端漸變段均長(zhǎng)45.0 m，由直徑12.0 m漸變至直徑6.5 m形成悶頭。2號(hào)調(diào)壓室總長(zhǎng)135.00 m，其中主體室身長(zhǎng)45.0 m，斷面直徑12.0 m，兩端漸變段與1號(hào)調(diào)壓室相同。2個(gè)調(diào)壓室底部高程均為1 565.00 m。壓力管道及氣墊式調(diào)壓室均采用“明鋼管+外包混凝土”型式，氣室前管段、氣室管段與氣室后低壓段鋼管采用Q345R鋼材，氣室后高壓段、支管段及氣室鋼管采用600 MPa高強(qiáng)鋼，鋼管外包鋼筋混凝土厚0.5 m?？紤]到工程所處環(huán)境及冬季運(yùn)行防冰凍等要求，壓力管道采用淺埋回填方式，回填材料為砂礫石土。鋼管頂部回填土最小厚度為1.50 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

亞曼蘇水電站采用地面氣墊式調(diào)壓室，很好地解決了強(qiáng)震區(qū)引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)問(wèn)題。筆者結(jié)合工程區(qū)地形、地質(zhì)條件，所提出的“兩機(jī)一管、設(shè)置氣墊式調(diào)壓室”的輸水建筑物布置型式合理且可行，降低了工程風(fēng)險(xiǎn)，減少了工程投資，可為類(lèi)似引水發(fā)電工程提供借鑒與參考。