天花板水電站調壓井穩定斷面分析及優化研究

蘇 巖，劉國棟，張大成

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

天花板水電站引水發電系統布置在牛欄江右岸山體內，由岸塔式進水口、有壓隧洞、調壓井和壓力管道等，全長2 732 m。岸塔式進水口位于拱壩上游右岸，底板高程1 032.00 m，引水隧洞全長2 514.009 m，底坡0.5%，采用圓形有壓洞，內徑8.2 m，設計流量232.4 m3/s；調壓井位于引水隧洞末端，采用阻抗露天式，圓形斷面，內徑23 m，阻抗孔直徑4.6 m，井高72.32 m；調壓井后設壓力管道段，采用一管兩機全埋藏方式布置，由1條主管、1個岔管和2條水平支管。壓力管道主管長137.24 m，內徑6.7 m；支管長36.58、25.24 m，支管內徑4.3 m。電站廠房位于清水河與牛欄江交口下游1.8 km處，為岸邊地面廠房，廠內安裝兩臺單機容量為90 MW的立軸混流水輪發電機組，廠房尺寸68.5 m×22.2 m×47.5 m （長×寬×高）。

1 調壓井處地形地質條件

調壓井位于牛欄江右岸1 132 m高程左右，出口處坡高大于200 m，地形坡度40°左右，岸坡后緣為高大陡壁。調壓井部位出露地層為震旦系地層和第四系松散堆積物，基巖為震旦系下統澄江組（Z1c）中厚層至厚層狀巖屑石英砂巖夾中薄層粉砂質泥質頁巖，巖層產狀NE60°SE∠73°；岸坡后緣為震旦系上統東龍潭組上段 （Z2dl3）粉晶白云巖，巖層產狀為NE21°SE∠18°。二者為角度不整合接觸，接觸帶為巖溶角礫巖帶。調壓井部位巖層走向與山坡大角度相交，巖層傾向山里，為反向坡，地質構造為單斜構造，未見較大的斷層出露；三組主要裂隙為： ①NW320°～325°SW∠50°～78°； ②NW306°NE∠32°； ③NE40°～60°SE∠65°。 巖體表層為強風化，厚度約5～15 m，弱風化厚度約為20～35 m。表層巖體受結構面切割，巖體相對破碎，對穩定不利。調壓井井口以上人工開挖邊坡，坡高約64 m。調壓井主要處于弱風化巖體中，巖體總體相對完整，地質構造不甚發育，裂隙較為發育，根據裂隙結構面的組合情況分析在調壓井開挖過程中會產生巖體不穩定條件，該部位地下水埋藏較深，主要為基巖裂隙水，接受大氣降水補給，向牛欄江排泄。

2 進行調壓井穩定分析研究的原因

（1）天花板水電站調壓井部位的圍巖為巖屑石英砂巖夾粉砂質泥質頁巖，巖層巖體受三組結構面的切割相對破碎呈小塊的鑲嵌碎裂結構，不利于大跨度豎井的開挖。

（2）天花板水電站調壓井斷面大，井筒高，因此開挖支護工程量大，施工難度大、工期長，進行調壓井穩定分析研究，可以優化調壓井穩定斷面，降低施工難度，縮短工期，減少工程投資。

（3）根據國內已建相關工程的成功經驗，實際調壓井斷面取值可以小于規范中公式計算出的穩定托馬斷面。

3 調壓井穩定斷面優化可能性分析

3.1 設置條件和托馬斷面

根據D/T 5058—1996《水電站調壓井設計規范》相關規定判斷：①Tw=13.27 s＞[Tw]=4 s，需要設置上游調壓井。②=7.69時查Tw、Ta與調速性能關系圖可知，機組調速性能在③區內，故認為本電站機組調速性能差，需設置上游調壓井。

上游調壓井的穩定斷面面積按托馬準則計算確定，計算得調壓井斷面面積為570.50 m2，對應調壓井直徑為26.95 m，直徑取為27 m。

調壓井穩定斷面面積是保證機組小負荷變化所引起的調壓井水位小波動穩定的必須條件。

3.2 托馬斷面公式修正

根據 《水電站調壓井設計規范》條文說明第5.1.1條論述，托馬公式是以孤立電站小波動的穩定性確定斷面面積的。近年來，隨著電力系統容量的增大和電器裝置的完善，國內外均有一些電站在設計中考慮系統或調速器的作用等而采用了小于托馬條件的調壓井斷面面積。

根據文獻[1]第三章第四節中說明，托馬公式是針對簡單式調壓井進行的，并且作了很多簡化假定。除采用了 “等出力調節”的假定外，其他主要假定還有：在暫態過程中機組效率不變；所研究的電站是孤立的電源；忽略調壓井底部的流速水頭；認為波動振幅很小；忽略引水道管壁和水體的彈性等。文獻[1]根據前人研究試驗的成果，推出了考慮這些因素后的一些公式。

（1）考慮電力系數的影響。 如果水電站聯入電力系統運行時，則調壓井水位變化所引起的出力變化可由系統中其他承擔負荷變化的機組按容量比例分擔，這將減少本電站出力變化的幅度，非常有利于調壓井水位的穩定。相應的臨界穩定斷面

式中：F為臨界穩定斷面面積，m2；L為壓力引水道長度，m；f為壓力引水道斷面面積，m；H0為發電最小凈水頭，m；α為自水庫至調壓室水頭損失系數，α=hwo/V2；V為壓力引水道流速，m/s；hwo為壓力引水道水頭損失；hm0為壓力管道水頭損失；β=本電站機組容量N/系統裝機總容量∑Ni。

天花板水電站機組發電將并入云南電網大系統中，據2009年底統計， “系統裝機總容量”為3 195萬kW，而 “本電站機組容量”為18萬kW，則 β==0.005 6， （3β-1）/2=-0.492， F＜0。 則可認為，調壓井的斷面不論多么小都不會出現失穩問題，它的穩定性可由系統中的其他機組來保證。

（2）考慮底部流速水頭的影響。因調壓井底部水流是通過阻抗孔流入調壓井的，則在調壓井底部的流速水頭也有一定數值。這個流速水頭對引水道來說也可看作是水頭損失，它在暫態過程中對波動的衰減是有利的。考慮這一影響，相應的臨界穩定斷面為

根據式（2）可求得穩定斷面F=382.42 m2，取K=1.05，則A=401.54 m2，可取斷面直徑22.6 m，小于托馬斷面。

3.3 國內類似電站超穩定斷面的實例

隨著電力系數容量的增大和電器裝置的完善等因素，國內外均有一些水電站在設計中考慮系統或調速器的作用等而采用了小于托馬條件的調壓井穩定斷面的面積。有些水電站的調壓井斷面減小至托馬斷面的40%左右，系統運行仍穩定。

（1）回龍山水電站。該電站裝兩臺3×6萬kW機組。電站水頭低、流量大。如果按電站單獨運行設計，調壓井的臨界面積為1 390 m2。該電站僅一回高壓出線，不可能單獨運行，故調壓井設計考慮了電力系統的影響。因電力系統容量很大，可以保證該電站調壓井運行的穩定，最終調壓井穩定斷面面積實際取值僅為226 m2，僅為托馬斷面的16.26%。電站投產運行后，調壓井水位未出現不衰減的波動，機組運行正常。

（2）太平哨水電站。該水電站有兩座調壓井，裝4臺容量44 800 kW機組，考慮電力系統影響使調壓井面積由695 m2減小到227 m2，僅為托馬斷面的32.67%。全部4臺機組投產運行后的空載試驗均未見調壓井出現不衰減的波動，機組運行穩定。

（3）南灣Ⅱ號水電站。南灣Ⅱ號水電站裝機容量2×3 500 kW，為低水頭水電站。根據托馬臨界穩定斷面計算公式設計的調壓井所需斷面直徑為12 m（S=113.1 m2）。經過計算研究，初步設計階段的調壓井斷面面積取43.41 m2（直徑為7.44 m），僅為托馬斷面的38.38%。

3.4 小 結

對于低水頭長引水線路的水電站，由托馬公式計算的調壓井斷面面積較大，工程造價較高；對于阻抗式調壓井，考慮底部流速水頭及阻抗作用，穩定斷面可以減小。

4 調壓井穩定分析計算

根據上述分析，調壓井穩定斷面在一定條件下可以小于托馬斷面，但具體可小到何種程度，需進一步計算。故引入引水系統過渡過程計算，初步擬定天花板水電站4個調壓井穩定斷面進行過渡過程計算進行分析比較。

4.1 調壓井穩定斷面初擬

天花板水電站為優化調壓井穩定斷面面積，分析確定較適宜的調壓井斷面：①調壓井直徑27 m，調壓井斷面面積572.56 m2（托馬斷面）；②調壓井直徑25 m，調壓井斷面面積490.87 m2（托馬斷面×85.73%）；③調壓井直徑24m，調壓井斷面面積452.39 m2（托馬斷面×79.01%）；④調壓井直徑23 m，調壓井斷面面積415.48 m2（托馬斷面×72.57%）

4.2 阻抗孔直徑擬定

阻抗孔直徑應滿足：使調壓井底部隧洞的最大水錘壓力不大于調壓井出現最高涌波水位時的水壓力，同時調壓井底部隧洞的最小水錘壓力也不低于調壓井出現最低涌波水位時的水壓力。

據工程經驗，阻抗孔面積小于壓力引水道面積的15%時，壓力管道末端及調壓井底部的水擊壓力會急劇惡化，而孔口面積大于壓力引水道面積的50%時，對抑制波動幅度與加速波動衰減的效果則不明顯。參考類似工程經驗，多數工程的阻抗孔面積為隧洞面積的20%～30%。初擬2個阻抗孔直徑進行計算：①阻抗孔直徑為4.2 m，阻抗孔面積為13.85 m2，占隧洞面積26.23%；②阻抗孔直徑為4.5 m，阻抗孔面積為15.90 m2，占隧洞面積30.12%

4.3 計算結果分析

通過引水系統過渡過程計算[2]，不論機組是滿荷運行、部分負荷運行或是接近空載運行，當調壓井的面積在給定的范圍內變化時，水力—機械系統小波動穩定分析的控制特征值實部均為負數。即，當負荷發生小擾動后，調壓井水位波動均隨時間的延續不斷衰減。因此說，系統小波動均是穩定的。通常情況下，機組運行水頭越低，機組所帶負荷越小，水力-機械系統小波動穩定性越差；為此給出了對應機組最低運行水頭的小波動調節過程線 （見圖1～3）。由圖1～3可知，天花板水電站的水力—機械系統小波動是穩定的。

圖1 滿荷運行，2號機組負荷發生-10%階躍變化時的動態過程線 （調壓井直徑D=23 m）

圖2 部分負荷運行，2號機組負荷發生-10%階躍變化時的動態過程線 （調壓井直徑D=23 m）

圖3 接近空載運行時，2號機組負荷發生10%階躍變化時的動態過程線 （調壓井直徑D=23 m）

若調壓井面積小于某一臨界穩定面積，控制特征值實部為正，則小波動不穩定。當機組接近空載運行時，負荷自調節系數為零，即機組獨立運行，相應所需的調壓井臨界穩定面積最大，為361 m2，若調壓井的穩定面積采用設計值415.48 m2（D=23 m）時，相應裕度約為13%。計算表明：各計算工況隨著調壓井斷面面積的減小，調壓井的水位波動衰減變慢，機組的調節品質變差，主要表現為調節時間增長。若調壓井的穩定面積采用設計值415.48 m2（D=23 m），相應的調節品質雖然有一定程度的變差，但接近托馬斷面積時的調節品質，對電能質量和穩定性的影響較小。因此，在合理的調速器參數和運行條件下，調壓井的穩定面積采用小于托馬斷面 （72.57%）的415.48 m2（D=23 m）是可行的，還會有一定的裕度，并且能夠保證系統的穩定性和供電的電能質量。

調壓井阻抗孔口直徑的比較表明，當阻抗孔口直徑采用4.5 m時，過渡過程計算結果最接近控制條件，此時調壓井底部節點的最大測壓管水頭相對最小，與調壓井的最高涌浪水位相對較接近。 （即，調壓井反射水錘的效果相對較好）；同時，作用在調壓井底板上的雙向壓差相對較小。因此，從水力條件和調壓井的布置要求考慮，引水調壓井的阻抗孔口直徑采用4.5 m較為合適，

5 結語

以上分析研究表明，在考慮了阻抗式調壓井的阻抗作用以及機組和調速器特性后，調壓井穩定斷面突破托馬斷面是可行的。天花板水電站在參考工程實踐經驗的基礎上，經過分析研究論證，將調壓井斷面直徑由27 m優化為23 m，調壓井面積減少27%，開挖直徑由31 m減小至26.6 m，不僅大大減少了調壓井的開挖和支護難度，降低了邊坡開挖高度，為調壓井安全施工提供了保證；還直接減少石方開挖5.2萬m3，減少混凝土2 048 m3，減少鋼筋 143.8 t，減少噴混凝土428 m3，減少錨桿 991根，減少預應力錨索10根，節省工程直接投資459萬元。

目前電站甩負荷試驗已獲成功，進入正常發電階段。天花板水電站調壓井穩定斷面的優化研究和實施為實現引水系統中調壓井穩定斷面突破托馬斷面積累了工程經驗。

［1］潘家崢，傅華.水工隧洞和調壓井［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［2］河海大學水利水電工程學院.天花板水電站招標階段引水系統過渡過程仿真計算研究［D］.南京：河海大學，2006.