低水頭大流量長尾水隧洞調(diào)壓室結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳念輝，王東鋒，高 悅

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 項(xiàng)目概況

某水電項(xiàng)目位于烏干達(dá)吉奧加尼羅河左岸，安裝6臺(tái)單機(jī)容量100 MW的豎軸混流式水輪機(jī)組，設(shè)計(jì)年發(fā)電量43.09億kWh。機(jī)組額定水頭59.83 m，單機(jī)流量188 m3/s。樞紐建筑物有攔河閘壩、引水隧洞、地下廠房、尾水隧洞及尾水調(diào)壓室等。項(xiàng)目2009年完成前期規(guī)劃、項(xiàng)目建議書和可研設(shè)計(jì)，2011年對(duì)施工圖設(shè)計(jì)階段以EPC模式進(jìn)行國際公開招標(biāo)。

該水電站6臺(tái)機(jī)滿發(fā)額定流量1 098 m3/s，單條尾水隧洞長約8.3 km，屬典型的低水頭、大流量、長尾水隧洞的電站。按托馬臨界斷面積計(jì)算時(shí)，調(diào)壓室斷面積達(dá)2 702.52 m2，尾水調(diào)壓室設(shè)計(jì)是工程關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一，因此投標(biāo)設(shè)計(jì)階段對(duì)尾水調(diào)壓室布置方案進(jìn)行了充分研究，提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

2 尾水調(diào)壓室招標(biāo)設(shè)計(jì)方案

2.1 原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本工程引水隧洞共6條，單洞長約379.18 m；尾水支洞共6條，直徑7.7 m，單洞長約276.81 m，并在每條尾水支洞上各設(shè)置一扇檢修閘門，閘門槽位于主變洞底板以下；尾水主洞共2條，三機(jī)一洞，直徑12.5 m，單洞長約8 300 m長。

尾水支洞與主洞之間設(shè)置尾水調(diào)壓室，為通倉布置的長廊式結(jié)構(gòu)。尾水調(diào)壓室位于主變洞下游約225 m，圍巖為花崗片麻巖，以Ⅲ~Ⅱ類圍巖為主，洞室開挖尺寸為200 m×20 m×29 m（長×寬×高），底板高程943.00 m，頂拱高程972.00 m，上覆巖體厚度約35 m。此外，在調(diào)壓室底部設(shè)置3條調(diào)壓隧洞，類似于下室結(jié)構(gòu)，用于解決最低涌浪問題，調(diào)壓隧洞平行于尾水隧洞布置，中心間距40.5 m。每條調(diào)壓隧洞長2 000 m，洞徑12 m，底板高程943.00 m，縱坡為0。調(diào)壓隧洞沿線每隔500 m設(shè)置DN300通氣孔至地表。尾水調(diào)壓室原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案詳見圖1。

圖1 尾水調(diào)壓室招標(biāo)設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of the tailrace surge chamber in the bidding documents

2.2 存在問題分析

原設(shè)計(jì)方案總體上符合低水頭、大流量、長尾水工程尾水調(diào)壓室選型及布置的一般認(rèn)識(shí)，但通過初步分析，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

（1）原方案6條尾水支洞共用一個(gè)長廊調(diào)壓室，且調(diào)壓室為通倉布置，即6臺(tái)機(jī)組為一個(gè)水力單元，這對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定干擾影響較大，且檢修不便。若某一條尾水隧洞放空檢修，則6臺(tái)機(jī)組需全部停機(jī)，從經(jīng)濟(jì)效益來講，對(duì)發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高的工程影響較大。此外，從施工工期來看，必須待6扇尾水檢修閘門全部施工完畢并下閘擋水后，才能進(jìn)行首臺(tái)機(jī)組的充水發(fā)電，不利于提高首臺(tái)機(jī)組發(fā)電的工期保證率。

（2）分析招標(biāo)文件，當(dāng)6臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，尾調(diào)最低涌浪值僅高于尾水支管及尾水隧洞洞頂以上1.05 m的水深，不滿足規(guī)范中不小于2 m的要求，安全裕度不夠。當(dāng)發(fā)生最低涌浪時(shí)，尾水支洞與尾水主洞都存在進(jìn)氣的可能性，這是尾水管道設(shè)計(jì)所不允許的。

（3）原方案設(shè)計(jì)的3條調(diào)壓隧洞，類似于調(diào)壓室的下室結(jié)構(gòu)，其主要目的是抑制尾水調(diào)壓室最低涌浪，防止調(diào)壓室底板拉空而導(dǎo)致空氣進(jìn)入尾水隧洞。若僅從水力過渡過程計(jì)算來看，原方案的布置方式基本可行。但根據(jù)調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范要求，下室底板坡度不小于1%，洞頂坡度不小于1.5%，而該方案調(diào)壓隧洞底板、洞頂?shù)目v坡均為0，且單條調(diào)壓隧洞長度達(dá)2 000 m，在發(fā)生水位波動(dòng)的情況下，調(diào)壓隧洞內(nèi)存在水流不暢的可能性，且遠(yuǎn)離調(diào)壓室的洞段存在來不及補(bǔ)水或回流發(fā)生斷流等情況，其作為調(diào)壓室下室的功能得不到充分發(fā)揮，因此需研究縮短調(diào)壓隧洞長度的可能性。

3 尾水調(diào)壓室優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決、改善尾水調(diào)壓室原設(shè)計(jì)方案存在問題和不利影響，投標(biāo)文件編制階段對(duì)尾水調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括進(jìn)一步復(fù)核尾水調(diào)壓室穩(wěn)定斷面及涌浪高度，將通倉調(diào)壓室分隔為兩個(gè)獨(dú)立的水力單元，大幅縮短調(diào)壓隧洞長度，并將尾水檢修閘門調(diào)整為與尾水調(diào)壓室結(jié)合布置。

3.1 尾水調(diào)壓室設(shè)置判別

根據(jù)投標(biāo)階段對(duì)工程樞紐布局的總體優(yōu)化，進(jìn)行尾水調(diào)壓室設(shè)置條件的判別計(jì)算，以尾水管內(nèi)不產(chǎn)生液柱分離（即尾水管內(nèi)最大真空度不大于8 m水頭）為前提，按照規(guī)范公式計(jì)算，當(dāng)壓力尾水道及尾水管總長度Lw>435 m，則需要設(shè)置尾水調(diào)壓室。本工程尾水系統(tǒng)總長約8.4 km，遠(yuǎn)大于該臨界值，因此需要設(shè)置尾水調(diào)壓室。

另根據(jù)國外水電站工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置下游調(diào)壓室的判別條件為尾水系統(tǒng)的∑LV＞1 800 m2/s。本工程尾水隧洞平均流速約3.2 m/s，因此∑LV值約26 880 m2/s，遠(yuǎn)大于臨界值，需設(shè)置尾水調(diào)壓室。

3.2 尾水調(diào)壓室托馬穩(wěn)定斷面

調(diào)壓室水位波動(dòng)時(shí)，一般均采用托馬（Thomas）準(zhǔn)則對(duì)調(diào)壓室所需穩(wěn)定斷面面積進(jìn)行計(jì)算，確保小波動(dòng)穩(wěn)定。若小波動(dòng)穩(wěn)定性得不到保證，則大波動(dòng)必然不能衰減、收斂。根據(jù)規(guī)范要求按孤立電站運(yùn)行，采用托馬公式進(jìn)行小波動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算。

當(dāng)拆分為兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)壓室時(shí)，托馬穩(wěn)定面積F計(jì)算值為2 529 m2，最終取值應(yīng)結(jié)合尾水調(diào)壓室結(jié)構(gòu)布置、涌浪計(jì)算、小波動(dòng)穩(wěn)定等確定，且不應(yīng)小于計(jì)算穩(wěn)定斷面值。投標(biāo)階段經(jīng)多方案試算和比選，尾水調(diào)壓室穩(wěn)定斷面取2 848 m2，以將調(diào)壓室長度及跨度、最高及最低涌浪控制在較合適范圍內(nèi)。

3.3 拆分為兩個(gè)獨(dú)立調(diào)壓室

維持簡單式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)型式，借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)，將原方案的單個(gè)長廊調(diào)壓室拆分為兩個(gè)相互獨(dú)立的調(diào)壓室，即將6臺(tái)機(jī)組分為兩個(gè)水力單元，這也符合大斷面、長尾水隧洞工程的一般洞機(jī)組合方案，機(jī)組運(yùn)行維護(hù)條件得到極大改善。圍巖穩(wěn)定條件較好，調(diào)壓室仍采用長廊結(jié)構(gòu)，橫斷面為城門洞型，邊墻設(shè)置40 cm厚鋼筋混凝土薄襯砌結(jié)構(gòu)。

此外，由于下游尾水位較低，而機(jī)組安裝高程較高（吸出高度-23 m），水力過渡過程計(jì)算表明，原方案機(jī)組尾水管進(jìn)口最小壓力不滿足要求。因此在分析進(jìn)廠交通洞縱坡可行的前提下，將機(jī)組安裝高程降低15 m，以達(dá)到減小尾水管進(jìn)口負(fù)壓的目的。同時(shí)將原上翹的尾水肘管改為水平布置，則尾水調(diào)壓室與尾水支洞末端交叉處底板（長度65.1 m）高程可降低約20 m，而尾水調(diào)壓室長廊洞室端部的底板（長度79.9 m）高程設(shè)置則考慮功能及工程投資，僅需降低6 m，既能滿足底板高程略低于最低涌浪的要求，同時(shí)也減少石方開挖約4.7萬m3。

經(jīng)上述初步調(diào)整及托馬穩(wěn)定斷面計(jì)算，結(jié)合尾水調(diào)壓室結(jié)構(gòu)布置、涌浪計(jì)算等多方案比選，最終將單個(gè)調(diào)壓室跨度由20 m加至21 m，長度145 m，高度42.5~63 m，兩個(gè)調(diào)壓室間預(yù)留21.4 m寬巖梗，巖梗上方兩個(gè)調(diào)壓室連通，與調(diào)壓室交通洞連接。尾水調(diào)壓室優(yōu)化設(shè)計(jì)方案詳見圖2。

圖2 尾水調(diào)壓室優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Fig.2 Optimized design scheme of the tailrace surge chamber

3.4 調(diào)壓隧洞設(shè)計(jì)優(yōu)化

據(jù)前文分析，原設(shè)計(jì)調(diào)壓隧洞結(jié)構(gòu)存在的水力學(xué)問題，需研究采用合理措施來替代調(diào)壓隧洞功能。因此，投標(biāo)階段考慮將原設(shè)計(jì)的3條單長各2 000 m的調(diào)壓隧洞調(diào)整為僅布置2條各50 m長的調(diào)壓隧洞，其底板高程與長廊兩端底板高程相同。作為優(yōu)化后的下室結(jié)構(gòu)，底板縱坡1%，頂板縱坡1.5%，可形成較好的水體和氣體流通條件。經(jīng)過渡過程計(jì)算，尾水調(diào)壓室最低涌浪及尾水管負(fù)壓均滿足要求，且大大降低了工程投資，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯。

3.5 尾水檢修閘門布置調(diào)整

原方案將尾水檢修閘門結(jié)合主變洞一起布置，該布置方式有工程實(shí)例，雖可取消單設(shè)尾閘洞室，但加大了主變洞的跨度規(guī)模，且因采用封閉結(jié)構(gòu)的液壓閘門，自身的檢修條件也受到限制，需6臺(tái)機(jī)組全部停機(jī)才能進(jìn)行檢修。因此，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，將尾水檢修閘門全部移到尾水調(diào)壓室內(nèi)，即沿尾調(diào)室上游邊墻設(shè)置混凝土門槽結(jié)構(gòu)，閘門檢修平臺(tái)高程則按高于2臺(tái)機(jī)運(yùn)行發(fā)生事故甩負(fù)荷的最高涌浪進(jìn)行設(shè)置，既保證各扇閘門的檢修條件，也合理控制了檢修平臺(tái)高程，避免調(diào)壓室高度增加。

3.6 尾水調(diào)壓室優(yōu)化后涌浪極值

尾水調(diào)壓室結(jié)構(gòu)布置方案優(yōu)化后，經(jīng)過渡過程計(jì)算，尾水管進(jìn)口最小壓力、尾水調(diào)壓室最高及最低涌浪出現(xiàn)在同一工況，即上游最高發(fā)電水位1 030.00 m、下游平均水位960.00 m，2臺(tái)機(jī)正常運(yùn)行，第3臺(tái)機(jī)開機(jī)增至滿負(fù)荷時(shí)，在最不利時(shí)間點(diǎn)，3臺(tái)機(jī)同時(shí)發(fā)生事故甩負(fù)荷。尾水管進(jìn)口最小壓力值為1.89 m，滿足真空度的控制要求，且有較大裕度；尾水調(diào)壓室最高涌浪975.70 m，最低涌浪938.05 m，優(yōu)化調(diào)整后的尾水調(diào)壓室涌浪滿足要求。尾水調(diào)壓室優(yōu)化后涌浪及尾水管壓力極值計(jì)算值詳見圖3和圖4。

圖3 尾水調(diào)壓室涌浪Fig.3 Surge in the tailrace chamber

圖4 尾水管進(jìn)口壓力Fig.4 Pressure at the inlet of the draft tube

4 結(jié)語

本項(xiàng)目EPC投標(biāo)階段，通過對(duì)原設(shè)計(jì)方案的認(rèn)真研究，以及對(duì)工程布置特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)的總體把握，針對(duì)低水頭、大流量、長尾水隧洞調(diào)壓室開展了復(fù)核和優(yōu)化工作。該尾水調(diào)壓室屬于大型簡單式調(diào)壓室，且采用大跨度的長廊式結(jié)構(gòu)，從洞室穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力條件及運(yùn)行穩(wěn)定等方面，均存在較大的技術(shù)難度。由于投標(biāo)階段周期短，且基礎(chǔ)資料有限，投標(biāo)提出的優(yōu)化方案還有待在實(shí)施階段進(jìn)一步開展深化工作。