白水江三級水電站調壓井設計優化

張澤輝 婁紹撐 余學彥

（浙江省水利水電勘測設計院 杭州 310 002）

1 問題的提出

白水江三級水電站位于云南省昭通市鹽津縣境內，發電引水建筑物布置在白水江右岸，由進水口、發電引水隧洞、調壓井、壓力管道等組成。電站裝機容量48MW，額定水頭45m，發電引水流量125.2m3/s。

原設計調壓井布置在廠后邊坡上，地形平緩，為明挖阻抗孔式矩形調壓井，井筒襯后尺寸50m×10m×35m（長×寬×高），頂部高程 498.0m。根據鉆孔揭露情況，原調壓井處出露的巖土層有：（1）砂土夾灰巖碎屑、孤石，鉆孔揭露表層松散堆積層厚度22.5m；（2）灰巖，為二迭系下統棲霞組地層，完整性好，鉆孔RQD值達85%以上，節理裂隙不發育。

2005年 8月，原調壓井在開挖至高程494.0m，距設計底高程還有 32m時，已進行錨噴支護的調壓井后邊坡和坡上居民房出現大量裂縫，附近電線桿傾斜，而此時井筒靠下游側尚未挖到完整基巖。當時正值雨季，繼續往下開挖隨時可能發生滑坡。故立即停止開挖，搬遷坡上居民，調整設計方案。

2 優化思路

我院接手設計后，立即進行了補充勘探，發現整個廠后邊坡表層松散堆積層范圍廣、覆蓋深，沒有合適的位置進行調壓井移位。如果采用倒掛井方式明挖，則須采用圈梁鎖口、井周巖體預固結灌漿和錨筋索預加固等強支護措施。該方案工程量大、費用高，對已出現裂縫的邊坡可能造成新的破壞，施工存在較大的風險和難度，不宜采用。

當時位于原調壓井上游約172m的2#施工支洞已經貫通，整個支洞及上下游已開挖的主洞均為完整的灰巖，地質條件較好，是布置大尺寸地下洞室的理想之地。調壓井優化調整的思路之一應該是移往地質條件較好的上游位置。

2#施工支洞與主洞交點附近的山坡高程為560m，弱風化基巖底界線高程535m左右。借鑒抽水蓄能電站尾水調壓室和氣墊式調壓室的布置方式，將調壓室主室放在地質條件較好的山體圍巖中，從而避開表層深厚松散堆積層是本工程調壓井優化調整的思路之二。

3 優化過程

經復核計算，調壓井波動穩定斷面為470m2。選取發電建筑物校核洪水位（480.0m）加2臺機全甩負荷的工況計算調壓井最高涌浪；選取發電死水位(473.0m)加 1臺機滿發，1臺機由空轉增荷至滿發的工況計算調壓井最低涌浪。

調壓井優化一開始仍采用阻抗式調壓井，擬采用受力條件較好的圓形單井形式。為滿足波動穩定條件，襯后洞徑須25m。根據涌浪計算成果，穹頂高程495.0m，底高程464.5m，井筒高30.5m，通過內徑5m、長9.5m的阻抗孔與引水隧洞相連。穹頂開挖面距弱風化基巖底界線約38m，開挖跨度達29m，而巖體厚度僅為洞徑的1.3倍，且上覆約25m厚的松散堆積層，有失穩的風險。

為減小開挖跨度，考慮采用雙井形式，襯后洞徑均為17m，一個布置在引水隧洞上，另一個布置在2#施工支洞上，上下各通過內徑5m的連通洞相連，平面布置詳見圖1。雙井穹頂巖體厚度也僅為開挖洞徑的2.0倍，與單井形式沒有本質區別，且雙室式調壓井水流條件復雜，洞室較多，施工較復雜，對引水隧洞施工干擾較大，不宜采用。

圖1 雙井式調壓井平面布置圖

4 優化后結構布置

從上面的分析可以看出，為確保施工安全，一方面應減小調壓井跨度，放棄圓形結構斷面形式，采用跨度較小的窄長矩形斷面；另一方面應降低穹頂高程，增加上覆巖體厚度，考慮布置溢流洞，降低最高涌浪，同時為了進一步減小井筒高度，最低涌浪補水由下室補充。因此，設計最終采用帶雙室的溢流式調壓井。

調壓井位于施工支洞下游側 13m處，由上室、溢流洞、下室、豎井、水平連接洞和通氣洞組成，平面布置和縱剖面詳見圖2、圖3。

上室為城門洞型，橫斷面襯后尺寸70m×7m，襯砌厚 1m。上室縱坡為 1.65%，底高程以發電死水位 473.0m減去引水隧洞最大水頭損失，取469.0～470.155m。頂高程根據最高涌浪取483.5～484.655m。上覆巖體厚度為開挖跨度的5.6倍。上室井筒高 14.5m，采取全斷面系統錨桿和固結灌漿的圍巖加固措施，并間隔5m設兩排橫撐梁。

圖2 溢流式調壓井平面布置圖

圖3 溢流式調壓井縱剖面圖

調壓井溢流采用兩個襯后洞徑 4.0m×4.0m的城門洞形斷面，中心距 21m，溢流洞底高程480.125m，略高于正常蓄水位 480m。當發生校核洪水位兩臺機全甩負荷工況時，涌入調壓井的瞬時最大流量為 110m3/s，剛好滿溢流洞，棄水均經一段斜洞泄入2#施工支洞，再排入白水江。溢流洞和施工支洞均采用鋼筋混凝土襯砌。

下室為圓形斷面，襯后直徑5.0m，長60.0m，底高程 458.0m，頂高程 463.0m，最低涌浪458.99m，壓力余幅8.5m。下室之所以采用轉彎形式，是為了與上游同一水平面的內昆鐵路手扒巖隧洞保持最小 50m的距離，避免內水外滲造成對鐵路的影響。若取消下室，根據最低涌浪計算，上室底高程須降低至 464.5m，則上室井筒高度增加至19.5m，增加石方開挖1544m3，增加鋼筋混凝土襯砌319m3，故采用設下室而降低上室高度的結構布置形式。連通上室和下室的豎井襯后直徑5.0m，通過一段7m的水平連接段與壓力管道相通。如將豎井直接開在壓力管道上，水流條件會更好。考慮到調壓井施工擬采用導井挖通后經2#施工支洞出碴的方式，而壓力管道開挖也是通過2#施工支洞，7m的水平連接段正是為調壓井出碴用，避免與壓力管道的施工相互干擾。

為給調壓井補氣，在上室頂部設一個3.0m×3.5m的城門洞形隧洞作為通氣洞通往山坡，出口底高程 493.1m，通氣洞兼作調壓井的施工支洞。

由于調壓井及相鄰建筑物較多，空間結構交叉，距內昆鐵路手扒巖隧洞最短距離僅50m，開挖過程中須嚴格控制裝藥量，采取短進尺、弱爆破的施工方法，并及時進行圍巖支護。

5 優化要點

（1）將調壓井布置在圍巖條件較好的山體內部，避開表層深厚松散堆積層；

（2）波動穩定斷面采用窄長矩形，開挖跨度僅9m，降低了支護難度；

（3）采用溢流式結構，利用現有的 2#施工支洞排泄棄水，降低穹頂高程，增加上覆巖體厚度，保證結構安全；

（4）增設下室，抬高上室地板高程，降低上室井筒高度；

（5）設水平連接段減少調壓井和壓力管道的施工干擾；

（6）通氣洞兼作施工支洞，且在開挖過程中可根據地質情況進一步確定上室的位置。

調壓井經過以上優化調整后，井筒高度由原設計的35m降到14.5m，施工較簡單，施工安全有了保障，并比原設計方案節省投資212萬元。調壓井優化調整后，原調壓井已開挖部分及坡腳進行了回填石渣處理，并做好排水措施，定期監測。至今沒有發現新的裂縫和邊坡變形，原計劃遷移的居民也沒有搬遷。

6 結語

白水江三級水電站2009年10月蓄水運行至今，調壓井一切正常，設計優化是成功的。調壓井優化的設計思路，在我院設計的類似工程，云南江邊水電站、四川三岔水電站等工程中也得到了成功應用。對于低水頭、大流量、波動穩定斷面很大的中、小型水電站，特別是廠房后邊坡覆蓋層深厚，不宜采用大規模明挖施工，采用山體內雙室溢流的調壓井結構型式不失為一種可選方案。

1 DL/T5058—1996 水電站調壓室設計規范

2 朱經祥,石瑞芳.中國水力發電工程──水工卷.北京：中國電力出版社，2000，545-554.

3 朱苦竹，李青麒，朱合華. 不良圍巖條件下水電站調壓井襯砌結構選型研究. 水力發電學報，2007（6）

4 覃建，孫懷昆. 崖羊山水電站大斷面地下矩形調壓室設計創新. 水力發電，2006（11）.