水電站調壓井優化設計分析

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司， 北京 100024)

一、調壓井的作用

水電站在運行過程中常常會遇到負荷突然變化的情況，例如因事故突然丟棄負荷，或在較短時間內啟動機組，這時，由于導水葉的快速開啟和關閉，將不可避免的在水電站有壓引水管道中出現“水錘”現象。它是由水流的動能引起的，當管道末端流量急劇變化時，壓力也隨之變化。導葉關閉時，在壓力管道和蝸殼中將引起壓力上升，尾水管中則壓力下降，導葉開啟時則相反，將在壓力管道和蝸殼中引起壓力下降，而在尾水管中引起壓力上升。

為了改善水錘現象，減小水錘壓力在引水道中的傳播，常在有壓引水隧洞或有壓引水管與壓力管道銜接處建造調壓井。在較長管道中設置調壓井，縮短了管道長度，減小相長，可以緩和水擊，減低水擊壓強。由于調壓井利用擴大的斷面和自由水面反射水錘波，將有壓引水系統分成兩段：上游段為有壓引水隧洞，調壓井使隧洞基本上避免了水錘壓力的影響;下游段為壓力管道，由于長度縮短了，從而降低了壓力管道中的水錘值，改善了機組的運行條件。

二、調壓井優化設計原則

1.優化設計滿足原有調壓井布置的要求，通過調整斷面來對調壓井的面積進行減少，從而使得工程量降低，從而節約建設的成本。

2、調壓井斷面的改變，需要滿足相應力學的要求。不得影響原有布置，確保調節的要求。

3、對于調壓井結構的設計，應該施工方便、結構簡單。

4、施工期應力分析。調壓井圍巖構造應力已基本釋放，所以地應力很小，施工開挖所引起的調壓井壁和隧洞洞壁的附加應力（二次應力）也很小。施工期井壁的最大主應力在豎直方向，為拉應力，最大值為0.18MPa，最小主應力在水平方向，為壓應力，沿井壁的拉應力隨高度而減少，故施工期井筒開挖是安全的，其徑向應力均為壓應力，開挖中關鍵位置在底洞擴大斷面。

8.在進行水電站調壓井設計時要結合工程的實際情況，對設計方案的技術性與經濟性進行全面比較，然后再確定下來。在選擇調壓井的形式時要遵循幾點原則：首先，要可以有效的反射通過高壓管道傳來的水擊波；其次，在無限小負荷發生變化時，要可以保持自身的穩定性；如果大負荷發生變化的情況下，要求水面保持較小振幅，并且波動要快速衰減；再次，水電站處于正常運轉狀態時，經過調壓井與壓力水道連接位置的水頭損失不得過大；最后，調壓井的結構設計要盡量簡單化，便于施工，并且要合理控制成本。

三、案例分析

某水電站為引水式日調節水電站，其主要任務為發電，電站總裝機容量56MW，主廠房共設置三臺混流式水輪發電機組，其中兩臺容量為23MW，一臺為10MW；電站保證出力10.2MW，裝機年利用3805小時。該水電站有效改善了當地的電網結構，緩解用電緊張的局面，一般情況下電站承擔系統基荷，如果不在汛期也承擔系統峰荷，水庫按照日調節的方式運行。 該水電站的調壓井位于廠房上游330m處，其總高度為51.5m，其中地面以下深41.5m，地面以上高度為10m，因此該調壓井屬于半地下式；地面以下的豎井段，其外徑為 13m，內徑為 10m，從上到下的圍巖分別為11m的洪積塊與碎石土，結構相對松散；30m的洪積塊與碎石土，為中密-密實結構，而調壓井的基礎便位于洪積塊碎石土之上。分析相關參數可知，在該調壓井高度與直徑條件下，其所處地質條件相對較差，設計地震防烈度III度，這些均會增加施工難度。

該水電站引水線路的總長為7.044千米，設計引流量為每秒50.1方，設計水頭為117m；計算出調壓井水力及最高涌波水位等參數，然后按照調壓井的相關設計規范比較幾種設計方案。調壓井的形式分為簡單式、阻抗式、水室式及溢流式等四種。其中簡單式是四種形式中結構最簡單的，施工比較方便，不過反射壓力管道所傳送的水機波的能力相對較差，最高涌波水位也相對較高；簡單式調壓井的波動振幅最大，只有通過增加容積的方法減小振幅，從而導致工程成本的增加；此外，簡單式調壓井的水位波動衰減速度慢，當調壓井處于正常運行狀態時，調壓井與引水系統連接位置會有較大的水頭損失。由此可見，本設計中簡單式調壓井不適用。而阻抗式調壓井在反射壓力管道傳輸的水機波方面效果較好，高出地面的高度在20m左右，并且容積小，結構相對簡單，而且波動衰減迅速，當調壓井處于正常運行狀態時，水頭損失相對較??；不過在該工程中，由于地震設防烈度為III度，并且調壓井的基礎位于碎石土層，因此要求其超出地面的高度不得過高，所以阻抗式調壓井也不適用。而水室式調壓井，由于丟棄負荷的涌水量由上室容納，因此最高涌波水位就受到限制，所以其超過地面的高度與阻抗式調壓井相當，也不適用。最后一種種溢流式調壓井，由于本水電站受地形條件的限制，無法向其它渠道溢流，所以也不適用。

經過綜合分析與計算后，該水電站的調壓井決定采用綜合型的設計方案，即底部為阻抗式，頂部則設計一個圓形的開敞溢流式上室水池，水池底板位于原地面高程上，在阻抗孔與上室之間設置一個高41.5m、內徑為 10m的簡單的圓筒豎井。

四、總結

水電站調壓井的設計應該根據周圍具體地質情況做出合理的設計方案，確保水電站整體的安全系數得到提升。

[1]趙天來. 反井鉆機在雜木寺水電站調壓井施工中的應用[J]. 農業科技與信息. 2010(22): 34-35.

[2]張志明，孫明. 露天無鋼襯調壓井在布巴哈水電站的應用[J]. 云南科技管理.2012(05): 211-214.

[3]向斌，葉井亮. 某水電站深厚殘坡積層的調壓井邊坡處理方法研究[J]. 中國水運(下半月). 2011(09): 149-150.

[4]馬麗慧. 調壓井固結灌漿“超前鉆孔預埋灌漿管”施工技術[J]. 四川水力發電. 2011(04): 99-100.

[5]金宏安，宋會紅，丁秀霞. 老撾Nam Ngum 5水電站深調壓井井筒開挖設計與施工實踐[J]. 水利水電工程設計. 2011(03): 11-14.

[6]水電七局柳坪水電站調壓井 QC小組獲國家級獎項[J]. 四川水力發電.2008(04): 144.