新疆某山口樞紐引水調壓井計算分析

王天偉

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

北疆某山口樞紐為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大（2）型。水庫正常蓄水位646 m，總庫容2.20 億m3，主壩最大壩高94 m。電站裝機22萬kW，多年平均發(fā)電量6.64億度。發(fā)電引水建筑物由進口、低壓隧洞、調壓井、管道、電站廠房組成。發(fā)電引水洞總長665 m。

2 調壓井布置及形式

根據山口樞紐復雜的地形地質條件以及調壓井布置原則，調壓井在低壓隧洞末端（中心樁號0+406.893 m）布置，井徑25.60 m，垂直開挖近50 m，圍巖為Ⅲ-Ⅱ類；該處高程約665.50 m。地層為片麻巖，巖體強風化層厚1.50～2 m，弱風化層厚7～9 m。

調壓井為阻抗式（底板高程614.61 m，頂高程654.83 m），阻抗孔為直徑4.50 m的圓形斷面，調壓室斷面內徑為12 m，調壓室最高涌浪水位652.67 m，最低涌浪水位617.59 m。調壓室井壁采用C25 鋼筋混凝土襯砌，壁厚1.50～1 m，底板厚度2 m。井壁進行噴錨支護，φ8鋼筋掛網，噴射C25混凝土10 cm厚；采用的φ25系統(tǒng)砂漿錨桿長3 m，間距1.50 m。局部進行固結灌漿，間排距4 m，梅花型布置，深入圍巖4 m。

3 調壓井計算

3.1 調壓井的設置條件

根據《水利水電工程調壓室設計規(guī)范》，調壓室的設置條件公式。

式中：TW—壓力水道的慣性時間常數（s）；L—壓力水道各段長度（m）；V—壓力水道各段相應的流速（m/s）；g—重力加速度（9.81 m/s2）；H—設計水頭，取78.80 m；［TW］—2-4 s。

經計算TW=4.6＞［TW］=4 s；此電站引水系統(tǒng)擬設調壓井。

3.2 調壓井的穩(wěn)定斷面面積計算

調壓井穩(wěn)定斷面面積按托馬公式計算。

式中：Ath—托馬臨界穩(wěn)定斷面面積，m2；L—壓力引水道長度，m；A1—壓力引水道斷面面積，m2；H0—發(fā)電最小靜水頭，m；α—自水庫至調壓室水頭損失系數；v—壓力引水道流速，m/s；hw0—壓力引水道水頭損失，m；hwm—壓力管道水頭損失，m；K—系數，一般取1～1.1。

計算結果見表1。

表1 調壓室穩(wěn)定斷面面積計算成果表

經計算調壓井穩(wěn)定斷面面積453.80 m2，規(guī)范規(guī)定調壓井豎井斷面面積應不小于穩(wěn)定斷面面積，因此，取豎井斷面半徑13 m，斷面面積530.93 m2。

3.3 調壓井涌波計算

3.3.1 阻抗孔水頭損失及阻抗孔面積計算。

式中：hc—通過阻抗孔的水頭損失值；Q0—流量；S—阻抗孔斷面面積，初步計算時可在0.60-0.80 之間選擇；g—重力加速度，m/s2。

3.3.2 調壓井最高涌波計算

當λ'hco＜1時按下式計算

當λ'hco＞1時按下式計算

式中：Zmax—丟棄全負荷時的最高涌波水位，m；hc0—全部流量通過阻抗孔的水頭損失值；A1—壓力管道斷面面積，m2；A—調壓室斷面面積，m2；hw0—壓力引（尾）水道總水頭損失；v—對應于流量為Q0時的壓力道的流速；g—重力加速度，m/s2；L—壓力引水道長度。

設計甩負荷時，在上游校核洪水位647.15 m情況下，共用同一調壓室的全部機組滿載運行瞬時丟棄全部負荷，引水流量由Q＝365.62 m3/s甩關至0。引水道和尾水道的糙率取最小值計算n=0.012。

3.3.3 調壓井最低涌波計算

調壓室增加負荷時的最低涌波按下列公式計算：

式中：Zmax—增加負荷時的最低涌波，m；Q—增加負荷前的流量，m3/s；Q0—增加負荷后的流量，m3/s；ε—無因次系數，表示壓力水道－調壓室系統(tǒng)的特性；Α1—壓力管道斷面面積，m2；Α—調壓室斷面面積，m2；hw0—壓力引（尾）水道總水頭損失；v0—對應于流量為Q0時的壓力道的流速；g—重力加速度，m/s2；L—壓力引水道長度。

按規(guī)定瞬時增加負荷時，共一調壓室的全部機組由2/3負荷突增至滿載。電站為四臺機組，擬定三臺增至四臺，即引水流量由Q＝232.85 m3/s 增至Q0=365.62 m3/s。此時上游水庫死水位620 m。引水道和尾水道的糙率取最大值計算n=0.016。計算結果見表2。

表2 調壓井最高最低涌波計算成果表

確定調壓室的斷面尺寸分別為：底板高程615.11 m，頂高程654.19 m，阻抗孔半徑2.75 m，調壓室斷面面積530.93 m2，調壓室最高水位652.69 m，最低水位617.59 m。

3.4 調壓井結構計算

①基本參數：調壓室的基本參數見表3、表4。

表3 調壓井尺寸、水位特性表

表4 調壓井圍巖、材料特性表

②荷載組合：a.最高內水壓力+內水重+最低外水及圍巖壓力；b.最低內水壓力（放空檢修）+最高外水壓力、圍巖壓力或灌漿壓力+上托力。

③計算方法及公式：調壓室井筒襯砌包于圍巖中，計算井壁時考慮圍巖的彈性抗力作用，底板按承受均布荷載，外緣固定的環(huán)形板計算。

a.圓筒計算

式中：D1—撓曲剛度，kN/m；R—至襯砌中線的調壓室半徑，m；E—混凝土彈性模量，kN/m；t1—襯砌厚度，m；K1—巖石彈抗系數，kN/m；M1F—圓筒定端力矩，kN·m/m；M1F—圓筒定端剪力，kN/m。

b.底板

④計算結果

初擬調壓井井壁厚1 m，底板厚2 m 進行計算。由調壓井內力表計算配筋，代入承載力計算公式，通過試算滿足正截面裂縫寬度要求。結果表明調壓室井壁厚取1.00 m，底板厚取2 m，是合適的。

4 水力過渡過程計算分析與結果

4.1 計算工況

①大機組及小機組機組最大轉速上升率控制工況。工況D1：下游最高尾水位572.90 m，大機組額定水頭69 m，四臺機正常運行時同時甩全負荷。工況D2：上下游最高尾水位572.90 m，小機組額定水頭69 m，四臺機正常運行時同時甩全負荷。②機組蝸殼最大動水壓力控制工況。工況D3：上游校核洪水位647.12 m，下游最高尾水位572.90 m，四臺機正常運行時同時甩全負荷。工況D4：上游正常蓄水位646 m，下游最高尾水位572.90 m，四臺機正常運行時同時甩全負荷。③設置調壓室方案調壓室最高涌浪控制工況。工況D3 及工況D4 也有可能是調壓室最高涌浪控制工況。④設置調壓室方案調壓室最低涌浪控制工況。工況D5：上游死水位620 m，下游最低尾水位564.45 m，四臺機正常運行時同時甩全負荷。工況D6：上游死水位620 m，下游最低尾水位564.45 m，三臺機組正常運行，一臺大機組同時增全負荷。

4.2 水力過渡過程計算分析

引水壓力主管管徑11 m，大機組GD2 11 460 t·m2，小機組GD2 1 410.10 t·m2，采用圖1導葉關閉規(guī)律，對蝸殼動水壓力、機組轉速上升率、調壓室最高涌浪控制工況（D1～D4）及最低涌浪控制工況（D5～D6）進行大波動過渡過程計算。

圖1 設調壓室原方案大、小機組導葉關閉規(guī)律圖

當設置調壓室時，采用圖1所示的導葉關閉規(guī)律進行大波動過渡過程計算，結果表明：①機組調保參數均能滿足設計要求：大機組最大轉速上升率為53.36%，小機組最大轉速上升率為52.29%，均小于調保參數控制值55%，滿足要求；蝸殼最大動水壓力值為110.80 m，小于調保參數控制值113.50 m，滿足要求。②調壓室涌浪計算結果：調壓室最高涌浪水位為652.64 m，調壓室最低涌浪水位為617.59 m，滿足設計要求。

5 結語

調壓井的選擇，首先結合地形地質情況，應充分利用圍巖的有力條件，減小結構的厚度。調壓井位置確定后，再根據運行方便和投資較少兩個原則來判定調壓井的類型。山口樞紐布置調壓井方式，降低了整個發(fā)電引水系統(tǒng)的成本，有利于運行管理。通過水力學、機組調保計算提供的成果，證明水電站調壓井設計所取得各項參數是合理的，確定結構型式的尺寸是合適的。