雅康高速公路二郎山隧道消防用水水能資源開發(fā)利用研究

程烈,丁易峰,楊皓然

(四川江源工程咨詢有限公司,成都,610041)

0 引言

常見的發(fā)電方式主要有火力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、太陽能發(fā)電和核能發(fā)電[1]。其中,火力發(fā)電是我國現(xiàn)階段最普及的發(fā)電方式,但具有污染重、利用率不高,原料不可再生的缺點(diǎn);風(fēng)力發(fā)電屬于新能源發(fā)電,潔凈無污染,具有典型的間歇性和不穩(wěn)定性,受到地域的限制;太陽能發(fā)電是對能源最直接的利用,但目前價(jià)格昂貴,適用范圍狹窄,轉(zhuǎn)換率低,未能大規(guī)模地開發(fā),也不具備明顯的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢;我國核能發(fā)電的原料有限,開發(fā)運(yùn)營成本高,存在安全性與公眾接受性等問題。

水力發(fā)電具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):水力資源屬于可再生資源;無污染物排放,綠色環(huán)保;水力發(fā)電可提供廉價(jià)電力,運(yùn)營成本低[2];部分電站可控制洪水泛濫、提供灌溉用水、改善河流航運(yùn)等,社會(huì)綜合效益好。

隨著高速公路逐步向偏遠(yuǎn)地區(qū)擴(kuò)散,高速公路運(yùn)行電能得不到保障,需要穩(wěn)定可靠的電源點(diǎn)為高速路網(wǎng)提供穩(wěn)定的電源。西部偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),基礎(chǔ)設(shè)施落后,但沿線清潔能源[3]十分豐富,這對西部地區(qū)高速路發(fā)展提供了能源保障。通過對消防用水水資源綜合開發(fā)利用研究,倡導(dǎo)綠色發(fā)展,對隧道綠色資源研究具有重大意義,也對整個(gè)西部地區(qū)高速公路的發(fā)展有著十分重要的意義,特別是對沿線眾多電力匱乏地區(qū)的發(fā)展意義更為突出。

1 二郎山隧道水能資源研究

1.1 二郎山隧道工程概況

雅安至康定高速公路位于雅安市雨城區(qū)、天全縣及甘孜州瀘定縣、康定縣境內(nèi),于對巖樞紐互通處與在建雅西高速公路相接,經(jīng)始陽、天全、紫石、新溝、瀘定,止于康定縣城東,路線里程約為133km,為山嶺河谷區(qū)4車道高速公路,路線設(shè)計(jì)時(shí)速為80km/h。

雅安至康定高速公路是《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中東西橫線之一康定至瀘州的重要組成部分,是連接成都至康定的重要通道,是通往藏區(qū)的重要國防線和生命線,在區(qū)域路網(wǎng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的地位和作用。二郎山隧道是雅安至康定高速公路重大控制性工程之一,隧道長約13.4km,采用四斜井三區(qū)段縱向式通風(fēng),康定端左線斜井長1734m,康定端右線斜井長1710m,被譽(yù)為“川藏第一隧”。

1.2 消防取水布置概況

雅康高速公路二郎山隧道途徑四川省甘孜州瀘定縣境內(nèi)五里溝。五里溝位于瀘定縣上游大渡河左岸,屬于大渡河一級支流,距離瀘定縣縣城約5km,東經(jīng)102°15′53.84″,北緯29°57′07.51″,區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫。

二郎山隧道消防取水選用水源為五里溝,取水口位于隧道通風(fēng)斜井出口,白沙溝匯入五里溝的匯合點(diǎn)下游150m處。

消防取水設(shè)施主要包括:攔水壩、消防水管、高位水池。攔水壩建壩壩址高程約1788m,水壩主體高4.8m,長約13m,上部寬3m,下部寬4m,斷面呈梯形。高位消防水池位于通風(fēng)斜井內(nèi)高程約1671m,距離通風(fēng)斜井出口約1110m。通風(fēng)斜井末端連接風(fēng)機(jī)房,高程約1595m。

1.3 五里溝水能資源分析

通過對消防取水口攔水壩水文資料分析計(jì)算,攔水壩壩址集雨面積為20.4km2。壩址多年平均流量為0.86m3/s,水能資源豐富。若將水能資源轉(zhuǎn)化為電能,將消防用水充分開發(fā)利用,供給隧道照明等用電設(shè)施,將有效減小二郎山隧道的用電成本。

結(jié)合消防取水?dāng)r水壩、隧道通風(fēng)斜井、風(fēng)機(jī)房,合理布置水電站取水工程、壓力鋼管、廠房及尾水渠,開發(fā)水力資源,新建雙電源工程,將水能資源轉(zhuǎn)化為電能資源。

經(jīng)過初步研究,二郎山隧道雙電源供電工程項(xiàng)目為引水式開發(fā),在五里溝通風(fēng)斜井出口河段布置首部樞紐,初擬正常水位1794m,引水線路為沿二郎山隧道通風(fēng)斜井邊墻設(shè)置總長1.8km的壓力鋼管,設(shè)計(jì)引用流量1.35m3/s,主管直徑0.8m,流速2.6m/s,相應(yīng)修建地下廠房(與地下風(fēng)機(jī)房合并建設(shè)與管理),尾水渠利用二郎山隧洞底部的中央排水溝排到隧道出口,電站尾水位1595m,利用落差199m。

2 水工布置

消防取水設(shè)施建設(shè)在五里溝河段上,須增設(shè)攔沙排沙設(shè)施,避免造成擁堵。五里溝屬泥石流頻發(fā)河段,夏季瀘定地區(qū)降雨量偏大且較集中,雨量較大,河水?dāng)y帶大量泥沙、枯枝樹葉等。經(jīng)過雨季后,攔水壩上游水庫來水泥砂、碎石、飄木等容易造成淤積堵塞,為保證二郎山隧道消防安全,將消防取水按水力設(shè)計(jì)取水進(jìn)行布置,不僅滿足消防取水水源,而且滿足水力發(fā)電需求。

取水口布置主要包括:底格攔柵壩、節(jié)制閘、沉砂池、沖沙閘、工作閘、攔污柵、輸水管道、閘閥等設(shè)施。

消防取水管與發(fā)電引水管均從沉砂池取水。在保證消防取水的同時(shí),進(jìn)行取水發(fā)電,從而不相互影響。

壓力鋼管采用D=0.8m鋼管,沿隧道通風(fēng)斜井邊墻進(jìn)行布置,100m設(shè)置一鎮(zhèn)墩,20m設(shè)置一支墩,將壓力鋼管接入地下廠房。尾水通過連接廠房及隧道的安全人行通道下排水溝流入隧道中央排水溝,排出隧道外。取水平面布置見圖1。

圖1 取水平面布置

地下廠房布置在地下風(fēng)機(jī)房右側(cè),主廠房長17.5m,寬10m,高8.5m,主機(jī)間布置2臺(tái)沖擊式機(jī)組,見圖2。

3 電氣接入

二郎山隧道供電體系為雙電源供電,在雅安端及康定端均可接入電源。為保證隧道用電可靠性,雅安端變電所由天全縣沙坪110kV變電站引入一回35kV架空專線至二郎山隧道雅安端洞口,作為雅安端變電所外接電源;康定端變電所由瀘定縣鴛鴦壩110kV變電站引入一回35kV架空專線至二郎山隧道康定端洞口,作為康定端變電所外接電源;雅安端變電所和康定端變電所共同向二郎山隧道提供電力,兩端向二郎山隧道輸送電力的10kV供電回路通過供電網(wǎng)絡(luò)互為熱備用,雅安端變電所和康定端變電所均能夠單獨(dú)承擔(dān)二郎山隧道所有用電負(fù)荷。

為不影響二郎山隧道的供電運(yùn)營模式,將五里溝雙電源供電工程發(fā)電接入二郎山隧道兩端電網(wǎng)接入口,接入電網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電供電。

4 優(yōu)勢及創(chuàng)新點(diǎn)

(1)二郎山隧道雙電源供電項(xiàng)目,可為高速公路及局部區(qū)域新增電源點(diǎn),提高隧道等用電可靠性及保證率。

(2)二郎山隧道雙電源供電項(xiàng)目利用現(xiàn)有取水?dāng)r水壩及斜井,結(jié)合通風(fēng)斜井進(jìn)行壓力鋼管布置,基本不新增永久占地,極大地減小建設(shè)期固定資產(chǎn)投資,節(jié)約征地成本,節(jié)約固定成本投入。

(3)二郎山隧道雙電源供電項(xiàng)目在滿足生態(tài)流量的前提下,在提供隧道消防用水的同時(shí),充分利用剩余水資源,創(chuàng)造清潔電能資源。

(4)二郎山隧道雙電源供電項(xiàng)目主副廠房與風(fēng)機(jī)房并排布置,不用單獨(dú)考慮廠房位置,運(yùn)維管理與隧道管理可相互結(jié)合,一定程度上節(jié)約運(yùn)營管理成本。

(5)采用無人值守,少人值班,遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方式進(jìn)行管理,避免在現(xiàn)場艱苦環(huán)境值班值守,節(jié)約人力資源成本。

(6)沉砂池可供雙電源取水及消防水池取水,在保證同時(shí)使用的情況下,兩者互不干擾。

(7)項(xiàng)目尾水通過隧道排水溝進(jìn)行排水,不用再單獨(dú)考慮發(fā)電排水問題。

(8)采用雙回路接入隧道康定端和雅安端兩端電網(wǎng)接入口,接入電網(wǎng),不返送電網(wǎng),直接用于隧道用電。

(9)在壓力鋼管末端通風(fēng)斜井設(shè)截水溝和分洞。壓力鋼管若爆管,水流將通過截水溝排入主廠房下箱涵,通過尾水渠排入隧道中央排水溝。

(10)壓力鋼管沿通風(fēng)斜井邊側(cè)布置,在滿足通風(fēng)斜井通風(fēng)設(shè)計(jì)要求情況下,不影響隧道通風(fēng)要求。

(11)當(dāng)發(fā)生上游來水不足、爆管等事件突發(fā)時(shí),實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)發(fā)電設(shè)備自動(dòng)開啟和關(guān)閉。

(12)通過底格欄柵壩取水,泥砂通過表層排向下游,水流進(jìn)入沉砂池,解決了山區(qū)河流經(jīng)常遭遇泥石流淤堵無法發(fā)電取水問題,也解決了隧道消防取水因淤積無法取水問題。

(13)副廠房位于端頭,通過通風(fēng)設(shè)備將風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)接入風(fēng)機(jī)房排風(fēng)洞,解決長深隧道內(nèi)副廠房散熱問題。

5 結(jié)論

(1)二郎山隧道雙電源供電項(xiàng)目電能指標(biāo)較優(yōu),具有一定的開發(fā)價(jià)值,可進(jìn)一步開展研究,將雙電源供電工程在雅康、汶馬高速公路建設(shè)中進(jìn)一步應(yīng)用及推廣。

(2)二郎山隧道雙電源供電項(xiàng)目的實(shí)施,可借鑒到藏區(qū)高速公路沿線,充分利用山區(qū)高速公路沿線豐富的水力資源優(yōu)勢,將水能轉(zhuǎn)化為電能,在提高隧道等用電保證率的同時(shí),不僅能夠?yàn)楦咚俟诽峁┣鍧嵉膫溆秒娏Y源,還可節(jié)約高速公路運(yùn)營成本。

(3)水電站與高速公路結(jié)合開發(fā),降低投資,增加收益,具有較高的創(chuàng)新價(jià)值。

(4)結(jié)合隧道消防取水進(jìn)行水能資源開發(fā)利用,形成具有發(fā)電功能的隧道,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益,該應(yīng)用在隧道建設(shè)項(xiàng)目與發(fā)電建設(shè)項(xiàng)目中均屬于首創(chuàng),將兩者充分結(jié)合在一起,具有較高的創(chuàng)新性。