雙河水電站調壓室設計

2015-02-01 05:31:46魯毅

四川水力發電 2015年4期

魯　毅

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都　610072)

雙河水電站調壓室設計

魯毅

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

摘要：介紹了雙河水電站調壓室的設計情況。雙河水電站于2005年1月完成可行性研究報告，2005年6月完成初步設計報告。2006年2月主體工程開工，2009年7月工程建成發電，發電至今雙河水電站運行良好，引水發電系統及調壓室運行正常，達到設計要求。

關鍵詞：調壓室；雙河水電站；技施設計

1概述

雙河水電站為白水江水電流域規劃一庫七級方案中的第六級梯級電站，為引水式開發。閘高14.5 m，水庫正常蓄水位高程1 377.5 m，正常蓄水位以下庫容為18.7萬m3，調節庫容7.8萬m3。電站引用流量為102 m3/s，引水隧洞長約6.27 km，電站利用落差約105.8 m，裝機容量81 MW。該工程為單一發電工程，無防洪、航運、供水等綜合利用要求。

根據《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準(DL 5180—2003)》確定該工程規模為中型，工程等別為三等，永久性主要水工建筑物級別為3級，次要水工建筑物級別為4級，臨時性水工建筑物級別為5級。

2調壓室型式的選擇及布置

調壓室位于雙河鄉下游0.5 km處的左岸山體內，采用埋藏式布置，調壓室處隧洞底板高程為1 346.84 m，井筒高51.96 m，內徑16 m，穹頂高程1 406 m。

該段出露地層為黑河組上段第六亞層(P1h26)，巖性為中厚層硅質條帶灰巖，局部夾板巖，巖體中層面裂隙發育。

調壓室垂直埋深115 m，水平埋深125 m。段內巖體呈微風化～新鮮，巖體嵌合較緊密，為層狀結構，圍巖局部穩定性差，以Ⅲ-1類圍巖為主，Ⅳ類圍巖次之。

調壓室交通洞進口底高程約為1 395 m，長約234 m，斷面型式為城門洞形，寬4.5 m，高4.5 m。洞軸線方向與巖層走向呈大角度相交。0+0～0+80段巖體風化卸荷較強、完整性差，裂面多張開并充填泥膜，巖體多呈碎裂結構，圍巖不穩定，以Ⅳ類圍巖為主，0+80以里巖體新鮮，但完整性較差，以Ⅲ-2類圍巖為主。

該工程最大水頭為105.8 m，最小水頭為89.2 m，引用流量為102 m3/s。調壓室型式在設計時研究了簡單式、阻抗式和差動式，分析如下：

簡單圓筒式調壓室特點為自上而下具有相同的斷面，結構簡單，反射水錘波的效果較好,但正常運行時水流通過底部水頭損失較大, 產生波動時振幅大，衰減慢，所需容積大, 多用于低水頭或小流量的水電站。

阻抗式調壓室系將簡單圓筒式調壓室的底部收縮成孔口而成。由于其底部存在附加阻抗，故與簡單圓筒式調壓室相比，波動時振幅小，衰減快，正常運行時水流通過底部水頭損失小，但反射水錘波的條件較差。

差動式調壓室由兩個不同直徑的同心圓或并列圓組成，小直徑的圓筒頂部設有溢流堰，通常稱為升管，其底部設阻力孔與外面的大室相通。差動式調壓室綜合地吸取了阻抗式和其它類型調壓室的優點，即波動的振幅小，衰減快，正常運行時水頭損失小，升管頂部設有溢流堰，當丟棄負荷時水位迅速上升至堰頂后開始溢流，可限制水位繼續上升，因此，差動式調壓室可減小容積，水流條件好，但其結構較為復雜且反射水錘波的條件與阻抗式一樣較差。

采用調壓室水力計算程序進行水力計算，其結果見表1。

表1　計算結果表

由表1可知，圓筒式調壓室的涌浪值最大，調壓室井筒高度最高，阻抗式次之，差動式最小。

簡單式調壓室結構簡單，但井筒高度較阻抗式約高9.2 m、較差動式約高10.5 m，規模較大，不經濟；雖然差動式調壓室涌浪波動水位衰減較快且涌浪水位變幅較阻抗式略低，但差動式調壓室結構較復雜、施工難度較阻抗式調壓室大，故經綜合分析后對該工程采用阻抗式調壓室。調壓室剖面見圖1。

圖1　調壓室剖面圖

3調壓室水力計算

3.1計算原則

(1)在最低運行庫水位時，引水洞水頭損失取最小值，壓力管道水頭損失采用平均值，計算調壓室最小穩定斷面。

(2)在最高運行庫水位時，以引水洞最小水頭損失、按瞬間全甩負荷計算調壓室最高涌浪水位。

(3)在最低運行庫水位時，以引水洞最大水頭損失、按兩臺機運行、瞬間投入另一臺機計算調壓室最低涌浪水位。

(4)在最低運行庫水位時，以引水洞最小水頭損失、按瞬間全甩負荷計算調壓室水位波動的第二振幅。

(5)取(3)、(4)兩項中最低水位作為選定調壓室底高程的依據。最低涌浪水位與引水道頂部間的安全高度不得小于2～3 m。

3. 2斷面計算

雙河水電站引水隧洞長約6.27 km，Ⅲ類圍巖約占55%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖約占45% ，引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌和噴錨支護，噴錨斷面按水頭損失與襯砌斷面相等的原則擬定。

在水庫最低運行水位時，按“托馬”公式計算調壓室最小穩定面積，引水隧洞水頭損失取小值，具有變直徑引水隧洞的調壓室穩定面積：

經計算得知，“托馬”穩定斷面積約為199m2，調壓室井筒直徑取16 m，調壓室實際斷面積為201.062 m2，“托馬”穩定安全系數K為

1.011，滿足規范(DL/T5058-1996)K為1～

1.1的要求。

3.3涌浪計算

調壓室水力計算的程序只能用于隧洞為單一洞徑的情況。對于洞徑為兩種以上的則須劃為單一洞徑, 而調壓室的涌浪是動能和勢能之間的轉換,因此,需按動能等效原則求出化引直徑。

式中Li為各段的長度；fi為相對于各段的面積，m2。

經計算得知，化引直徑為7.44 m。

(1)基本數據。

隧洞糙率系數：噴錨nmax= 0.03；

nmin= 0.026

混凝土襯砌：nmax= 0.016；nmin= 0.012

水庫最高運行水位：▽庫max= 1 377.5m

水庫最低運行水位：▽庫min= 1 376m

導葉有效關閉時間/水輪機開啟時間: 7s。

(2)阻抗孔面積的選擇。

阻抗式調壓室阻抗孔尺寸的選擇是設計的關鍵，應使壓力管道傳來的水錘波在調壓室處得到較充分的反射。增設阻抗后，壓力管道末端的水錘壓力變化不大；阻抗孔底部在任何時候的壓力都不大于調壓室出現最高水位時的壓力，同時，也不低于出現最低水位時的壓力；阻抗孔要盡可能地抑制調壓室的波動振幅，加速波動的衰減。

當阻抗孔的面積超過引水隧洞面積的30%時，阻抗的存在對調壓室底部和壓力管道末端的水錘壓力影響甚微；當阻抗孔的面積小于引水隧洞面積的15%時，調壓室對水錘波的反射急劇惡化，將會發生水錘波擊穿調壓室進入引水隧洞的情況。

為了減少水錘對隧洞的影響，雙河水電站調壓室采用的阻抗孔直徑為3.8m，約占引水隧洞面積的26%。

(3)最高涌浪的計算。

按三臺機同時全甩負荷計算最大涌浪值，引水隧洞水頭損失取小值。

最高庫水位高程1 377.5m, 引水隧洞糙率n=0.012/0.026。計算得出:最高涌浪水位高程為1 398.932m。

(4)最低涌浪的計算。

瞬時增加負荷，負荷值由2臺增加到3臺，上游最低庫水位、引水隧洞水頭損失取大值。

最低庫水位高程1 376m，引水隧洞糙率n=0.016/0.03。計算得出：最低涌浪水位高程為1 360.801m(表1)。

表1　調壓井涌浪水位計算成果表

4調壓室結構設計

調壓室為阻抗式，主要由井筒、底板、阻抗孔口等組成。

調壓室井筒為圓形斷面，內徑16m，調壓室頂高程為1 406m，底板頂高程為1 354.04m，阻抗孔直徑為3.8m。

雙河水電站調壓室為埋藏式，內徑達16m，圍巖以Ⅲ1類為主，局部為Ⅲ2類。由于調壓室頂部圓冠形頂拱的拱座開挖和混凝土澆筑施工困難較大，為此，將調壓室斷面設計成矩形，以便較容易處理頂拱結構。從水力學條件考慮，矩形斷面與圓形斷面沒有差異，但在結構上，矩形斷面的受力條件比圓形斷面差，井壁襯砌內力較大，尤其是當地質條件不佳時，鋼筋用量多，不經濟，因此，只需把調壓室頂部一段按城門洞形結構處理即可，而對此以下的調壓室井身仍按圓形斷面設計。

將1 398.5m高程以下的調壓室斷面設計成圓形斷面，1 398.5m高程以上的調壓室斷面設計成城門洞形斷面，最高涌浪水位不超過城門洞直墻高度。

井筒高度為44.46m。由于豎井承受的水頭較高且水位變幅較大，豎井井筒采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為1.5m，配筋計算根據各高程處圍巖物理力學指標的不同分段計算。