J2水電站調壓井設計探討

譚新莉，柳 輝

（新疆水利水電勘測設計研究院水工所，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

J2水電站發電引水系統布置在左岸，進口靠著山體，為岸塔式結構，發電引水洞進口比導流兼泄洪底孔的進口高4 m。引水發電系統由進口引渠段、閘井段、洞身段、調壓井段、高壓管道段、出口段組成，采用一洞兩機聯合供水的布置型式，電站共2臺機組，設計引用流量2×73.3 m3/s，設計水頭47.8 m，整個引水系統總長1.72 km，考慮到長隧洞、中等水頭、電站在系統中基荷運行，為了保證供電周波穩定及降低高壓管道中的水擊壓力，在引水隧洞末端1+510 m處設置調壓井。

2 調壓井位置選擇

根據已確定廠址位置上游側的地形條件，北側山體陡峻，越往南側山體越平緩，為獲得較佳的調節質量調壓井盡量靠近廠房，故調壓井位置選在上平洞段相對較短、在滿足布置要求的情況下最靠近廠房的北側山體，與地形等高線大角度相交。山體很高，調壓井需建在半山坡上，因為有條件將調壓井全部嵌于山體中，此時調壓井明挖量也不大，靠山一側也未形成高邊坡，故調壓井處地面高程高出正常蓄水位約20 m左右。調壓井至廠房段地表自然坡度20°～25°左右，調壓井后接的壓力管段,最小側覆巖體厚度為23～38 m，為設計水頭的0.48～0.79倍，滿足上抬理論的要求，可按埋管設計。此處地表巖性為第四系全新統坡積碎石土，厚度約2～6 m，下伏基巖為灰綠色晶屑、巖屑凝灰巖，鑲嵌碎裂結構，堅硬，強風化層厚3～5 m，弱風層厚8～10 m。由此調壓井段圍巖基本位于弱至新鮮巖體內。

3 調壓井型式選擇

3.1 調壓室的穩定斷面計算

根據DL/T 5058-1996《水電站調壓室設計規范》，上游調壓室的穩定斷面面積的公式為：

分析，L，A1為壓力引水道長度和面積，調壓井位置確定后，壓力引水道長度基本確定，為1.5 km左右。壓力引水道面積，根據經濟洞徑比選確定為7.0 m，這兩數值的可變化幅度不大。因此，水頭越低，水頭損失越大，所計算調壓井面積越大。在計算水頭損失時，壓力引水道宜用最小糙率，J2水電站壓力引水道采用鋼筋混凝土襯砌，糙率取值采用最小糙率為0.013。壓力管道內襯鋼板，糙率取值采用平均糙率0.012。J2水電站2臺機全開的發電流量146.6 m3/s，在上游死水位1 276.0 m，下游最高尾水位1 236.994 m的情況，最小水頭為39.0 m，這時計算要滿足穩定要求，調壓室的斷面面積至少大于400 m2。由此，對于較大流量的長距離引水隧洞、水頭越小，調壓室為滿足小波動穩定所需的穩定斷面面積越大。

3.2 調壓井類型確定

調壓井可消減水錘壓力，及時供給機組增荷時所需水量，盡快衰減因負荷變化引起的水面波動。調壓井基本類型有簡單式，阻抗式，水室式，溢流式，差動式和氣墊式。J2水電站上下游毛水頭約50 m，不適合采用水室式和氣墊式等適用于高水頭電站的型式。溢流式調壓井在丟棄負荷時，可通過溢流口將水排至附近的3號施工支洞內，但由于該工程水頭較低，調壓井斷面由最小水力穩定斷面確定，溢流式調壓井高度最多比阻抗式減小9 m，但需另設排水管道至3號支洞，故溢流式不經濟。針對該工程特點，選取簡單式，阻抗式，差動式調壓井進行類型比選。由于該工程水頭低，根據托馬準則確定的最小水力穩定斷面為400 m2，即調壓井直徑23 m，較大。根據不同類型調壓井的涌波計算結果可看出，對于該工程而言，簡單式調壓井結構簡單，反射水錘波效果最好，但水位波動幅度大，衰減慢，所需調壓井較高，工程量大，不經濟；差動式調壓井水錘波反射較好，水位波動小，但結構型式復雜，工程量較大；阻抗式調壓井在3種型式中工程量最小，水位波動振幅較小，波動衰減較快，雖水錘波反射較差，有部分水錘傳入引水道，將增加引水道壓力，但由于該引水道內水壓力不足30 m，增加的水錘壓力對結構的影響在可接受的范圍內，故最終采用阻抗式調壓井。

3.3 阻抗孔尺寸的確定

阻抗孔孔口面積不宜小于引水隧洞斷面的15%，以免有較大比例的水錘穿越調壓室進入隧洞，即阻抗孔直徑必須大于1.4 m。最初根據DL/T 5058-1996《水電站調壓室設計規范》：

兩個公式聯合求解，計算的由1臺機增至2臺機時，最合適的阻抗孔直徑為4.2 m。但根據調保計算結果，阻抗孔直徑為4.2 m時，蝸殼末端最大壓力72.2 m，超過了蝸殼末端最大壓力允許值65 m。

阻抗式調壓井阻抗孔的尺寸對蝸殼末端最大壓力、調壓井的最高及最低涌波影響均較大。J2水電站調保計算的結果顯示：對于蝸殼末端最大壓力和最高涌波，由于該工程引水隧洞較長，當阻抗孔口小于5 m時，蝸殼末端最大壓力主要由水錘壓力決定；阻抗孔口大于6.5 m時，蝸殼末端最大壓力接近于簡單式調壓井，由調壓室最高涌浪決定，這時很難通過優化關閉規律來降低蝸殼末端最大壓力及調壓室最高涌浪。對于最低涌波，阻抗孔口較小時，調壓室最低涌浪為機組增負荷時水位波動下降的第一幅值；阻抗孔口較大時，調壓室最低涌浪為機組全甩負荷后水位波動的第二幅值。當阻抗孔口直徑大于6.5 m時，調壓室最低涌浪低于1 266.7 m，相應的調壓室底部最小壓力小于2.5 m，不滿足《水電站調壓室設計規范》規定上游調壓室最低涌浪，水位與調壓室處壓力引水道頂部之間的安全高度不宜小于2～3 m的要求。

根據調壓室最優阻抗孔口設計理論：其產生的底部最大壓力應該使該處的涌浪壓力與水錘壓力相等，根據調保計算結果，最優的阻抗孔口取值在6 m左右。

由此確定調壓井直徑23.0 m，阻抗孔口直徑6.0 m，最低涌浪水位1267.7 m，調壓井底板高程1 266.0 m，調壓井最高涌浪達到1 293.4 m，考慮安全裕量后，調壓井頂部高程取1 295.0 m，調壓井高度為29 m。

4 調壓井結構型式布置

調壓井處裂隙較為發育，發育的裂隙以近EW、NW及NNE向為主，裂隙面平直、光滑、閉合，傾角較陡，無斷層通過，圍巖的穩定性較好，圍巖類別Ⅲ類，fk=3，K0=3 000～4 000 N/cm3。由于巖石層理發育，巖體較破碎，考慮到調壓室的穩定斷面大，故調壓井橫斷面采用受力條件最好的圓形斷面，根據穩定斷面計算結果確定調壓井直徑23 m，為托馬斷面的1.04倍。

由于巖石破碎、層理發育，考慮到調壓室的穩定斷面大，在結構處理時考慮設置了一些暗梁來改善結構的受力條件，使結構布置合理。最初選擇圖1（a）的結構型式，技施時考慮滑膜施工要求，使調壓井襯砌厚度統一，將暗梁設置在襯砌內，改為圖1（b）的結構型式。停水檢修時發現襯砌裂縫很少。

目前這是新疆地區直徑最大的一個調壓井，現已運行1年半，運行狀態良好。

5 結論

1）調壓室在滿足布置要求的情況下應盡可能靠近廠房，最好能將調壓室建在基巖內。

2）對于較大流量中低水頭的長距離引水隧洞、調壓室為滿足小波動穩定所需的穩定斷面面積較大，安全系數宜取小值。

3）阻抗式調壓井工程量小，水位波動振幅較小，波動衰減較快，對中低水頭電站增加的水錘壓力對結構的影響在可接受的范圍內，故適合采用阻抗式調壓井。

4）對于較大流量中低水頭電站，阻抗孔尺寸取值必須根據調保計算結果選定，對中低水頭電站尤其需注意不能超過了蝸殼末端最大壓力允許值。

5）大直徑的調壓井，可通過設置暗梁來改善結構的受力條件，使結構布置合理。