長隧洞復雜地形地質條件調壓室設計

(1.云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021；2.云南省調水中心，云南 昆明 650051)

在山區河流建設開發引水式水力發電站，通常需要通過較長的壓力引水道引水，由于地形、地質條件限制，壓力引水道在靠近發電廠房處常會突降成很陡的壓力管道才能引入廠房。這時在壓力引水隧洞與壓力管道交界處常需要設置調壓室，目的是以形成水擊的反射條件，減輕或避免水擊波進入壓力引水隧洞，減小壓力管道及水輪機的水擊壓力，同時改善機組的運行條件及供電質量。

調壓室的類型和結構布置通常取決于壓力水道系統布置、沿線地形地質條件、機組運行參數和電站運行穩定性等因素。對于特長壓力隧洞和高水頭發電站，如果采用調壓室單一的基本類型，難以充分發揮其在引水系統中的功能作用，因此，為滿足運行穩定和節約投資，還需結合實際，綜合單一調壓室類型的優點設置成混合型調壓室，才能真正充分發揮其作用。油房溝水電站就是長隧洞、高水頭水電站，上游調壓室設計采用了阻抗式帶上室，上室與井筒連接段采用壓力管道型式，上室布置成“V”字型結構，其設計獨特，有創意、比較新穎。

1 工程概況

油房溝水電站位于云南省昭通市大關縣悅樂鄉境內，為金沙江橫江上游支流灑漁河梯級開發的第四級徑流式單一發電水電站，取水樞紐距發電廠房約14km。電站上游已建大(2)型的漁洞水庫，水庫對下游河段梯級水電站具備枯季調節補水能力，提高枯季出力效益。

油房溝電站水庫正常蓄水位926.0m，死水位917.7m，水庫總庫容83.7萬m3，總裝機容量2×34MW，設計引用發電流量46.7m3/s，設計額定水頭171m，多年平均發電量30365萬kw.h。工程主要由攔河閘壩、引水隧洞、調壓室、壓力管道、廠房和升壓站組成。樞紐攔河壩為混凝土閘壩，壩頂軸線長83m，壩高28m，主要布設有泄洪、沖沙及溢流堰等建筑物；取水口為塔式進水口，布置于大壩上游左岸，塔高20m，為側向取水，引水隧洞總長10977m，為有壓圓形斷面，其中隧洞左岸段長5766km，經跨河橋跨越灑漁河后進入右岸，末端接調壓室，調壓室為帶上室阻抗圓筒式，垂直井筒高58m內徑5.5m，上室為地面式矩型斷面，底板高程928m；壓力管道為地下埋管布置，主管總長415m，采用一管雙機聯合供水方式；廠區布置在灑漁河與油房溝交匯處的右岸河灘上，包括主廠房、副廠房及開關站，地面廠房機組安裝高程711.0m。

2 工程區地形地質條件

油房溝水電站調壓室位于漁堡東側平緩岸坡梯田中，坡地高程915～950m，地形上呈西寬東窄的三角形緩坡，坡度約為15°，整個山坡為一淺層崩坡積體，表層覆蓋為第四系崩坡積褐灰色、棕黃色及淺灰色黏土、礫質黏土夾孤、塊石，結構松散，局部架空，鉛直厚度約6.5m，水平厚度約10m。F9斷層從調壓室北東25m的位置穿過，斷層及影響帶總寬約26～30m，帶內巖體風化破碎強烈，局部呈散體結構。調壓室布設位置為自然山坡，坡體自然穩定性一般，地面開挖形成的邊坡由崩坡積及全風化巖體組成，結構松散，強度低。具體為地表深度0～14m為崩坡積層覆蓋，結構松散，穩定性差，4m以下為下伏全強風化灰巖、泥質灰巖，受F9斷層影響，井筒圍巖破碎，局部為溶洞堆積物；地表深度14～56m為弱風化灰巖、泥質灰巖、砂質灰巖及長石石英砂巖，強度高，穩定性較好，屬Ⅲ類圍巖，施工時易產生掉塊、局部會產生坍塌。調壓室地質剖面圖如下頁圖1所示。

3 調壓室結構型式的確定

3.1 技術可行性比較

根據布設調壓室的地形地質條件和引水系統的水力特征參數值，考慮施工方便和運行期的安全與管理，初擬引水系統調壓室為簡單圓筒式、設上室的簡單圓筒式和設上室的阻抗式等三種型式從技術可行方面進行綜合分析[1]。從調壓室井筒高度看，經初步調算，簡單圓筒式調壓室的井筒高為99m，對于設上室的簡單圓筒式和設上室的阻抗式，在兩種型式調壓室的上室底板高程相同的情況下，兩種調壓室的井筒高(包括斜井段)分別為75m和69m；從工程區域的地形地質情況分析，調壓室區域地形平緩，坡度僅為15°，第四系覆蓋層淺，厚度僅為6.5m，基本具備布設上室的條件；從運行期間水力學情況分析，雖然簡單圓筒式較阻抗式對調節水錘波的反射作用好，對蝸殼產生的水錘壓力相對較小，但是作為阻抗式調壓室，只要選擇合適的阻抗孔尺寸，它對水錘波的反射、蝸殼產生的最大壓力和調壓室底板壓力差的影響是甚微的，并且在水庫校核洪水位機組突甩負荷時對上室的容積和水位高度影響較為明顯，即上室的高度比簡單式上室的高度要低、容積小[2]；從施工和安全角度考慮，簡單圓筒式的上室邊墻較阻抗式的高，底板單寬面積大，都不利于施工和運行期間的安全管理。因此，通過以上技術性的綜合分析比較，選擇帶上室的阻抗式調壓室型式對該水電站工程。

圖1 調壓室地質剖面圖

3.2 投資合理性選擇

根據水電站各建筑物的水力邊界條件及相關特性參數，對簡單圓筒式、設上室的簡單圓筒式和設上室的阻抗式調壓室進行水力計算，確定各型調壓室的具體結構及尺寸，并對各型調壓室建筑物的主要工程量進行簡單的投資指標計算分析[3]。計算結果見右表。

通過三種型式調壓室主要工程量的投資比較，對簡單圓筒式，僅從調壓室的主要工程量投資看均比其他兩類調壓室少，但是由于產生的最高涌浪水頭壓力較其他兩類調壓室高約30m，導致引水隧洞后段的鋼筋襯砌混凝土用量和壓力鋼管道的管壁厚度增加，經初步計算，兩項建筑物增加的工程量投資約為107萬元，另外由于壓力水頭增加較為明顯，機組突甩負荷時產生的最大水錘壓力對蝸殼的瞬時壓力影響較大，因此從投資的角度考慮簡單圓筒式調壓室是不經濟的。對于帶上室簡單圓筒式和帶上室阻抗式調壓室，前者投資超出后者約40萬元，超出的投資額占主要投資額比例約為10%，雖然前者在甩荷時對水錘波反射效果更好，但后者在合理增設阻抗孔后，更有利于抑制水位的波動幅度和加速波動的衰減進程。

調壓室主要工程量投資統計表

因此，通過以上對簡單圓筒式、設上室的簡單圓筒式和設上室的阻抗式調壓室從技術和投資角度的分析研究，設上室的阻抗式調壓室，不僅是從投資還是技術方面都是比較合理、可行的。因此，油房溝水電站選擇帶上室的阻抗式調壓室。

4 帶上室阻抗式調壓室布置設計

4.1 井筒與阻抗孔尺寸設計

由于帶上室阻抗式調壓室的數學模型計算極為復雜，水力邊界條件不確定性因素較多，選擇合適的阻抗孔尺寸又非常重要。因此，數學模型計算根據電站水庫水位的特征參數、引水系統隧洞長度、洞徑及隧洞襯砌型式和發電機組的相關特性參數[2]，計算結果以滿足調壓室穩定要求為前提，經初步計算調壓室穩定斷面直徑為6m，為進一步驗證調壓室直徑取值的合理性和設置的阻抗孔斷面是否可行，通過水工模型試驗進一步進行了論證，水工模型試驗的成果調壓室穩定斷面尺寸可優化為直徑5.5m，較數學模型計算的結果值略小，并且優化后穩定斷面對引水系統小波動仍然是穩定的，因此結合水力模型試驗的成果建議，最終選擇調壓室井筒斷面直徑為5.5m作為設計成果。

另外，阻抗式調壓室選擇合適的阻抗孔口尺寸直接關系到機組丟棄負荷后調壓室涌浪水位和水輪機蝸殼內水壓力升高值。根據水電站調壓室設計規范，阻抗孔口面積與調壓室底部引水道面積比不應小于15%。按照油房溝水電站引水隧洞襯砌后洞徑4.4m，設計水頭為210m略偏高的特點，設計考慮適當增大阻抗孔口面積，不僅有利于水錘波在調壓室的反射，同時有利于機組丟棄負荷后降低對蝸殼產生最大的水錘壓力。因此，基于以上各方面的因素，選定阻抗孔口直徑范圍為2.0～2.8m對調壓室最高涌浪水位、蝸殼最大壓力和調壓室底板壓力差進行數學模型計算和水力模型試驗進一步驗證，通過對主要過渡工況的計算和試驗[4]，最高涌浪水位在931.6～932.9m之間，蝸殼最大壓力值在238.5～229.4m之間，阻抗孔向上的最大壓力值在22.6～6.9m之間(以上三項結果是按上室長度100m實施的計算)，其中阻抗孔口直徑為2.3m時，最高涌浪水位932.2m，蝸殼壓力值為232.6m，阻抗孔向上的壓力值為14.2m，具體詳見圖2～圖4。從三個不同特征曲線圖可以看出，以阻抗孔直徑2.3m為分界點，當阻抗孔口尺寸等量減小或增加，調壓室最高涌浪水位、蝸殼最大壓力和阻抗孔向上的最大壓力變幅值在一定程度均出現不等量變化，尤其是蝸殼產生的最大壓力值不等量變化較為明顯，在阻抗孔口直徑為2.2m和2.4m時，其蝸殼壓力值分別為234m和232m，2.2m阻抗孔直徑對蝸殼壓力值的影響是明顯的。因此，結合機組特性要求，選2.3m作為油房溝水電站調壓室阻抗孔直徑的設計值更趨于合理。

圖2 油房溝水電站調壓室主要過渡工況計算

圖3 油房溝水電站主要過渡工況計算

圖4 油房溝水電站調壓室主要過渡工況計算

4.2 調壓室上室布置設計

根據油房溝水電站調壓室區域的地形情況，對上室采用三種方案進行綜合比較，分別為沿地形“V”字型矩型斷面布設、淺埋式城門型布設和非標準矩型大斷面露天式布置。三種方案各有優缺點，對于淺埋式城門型方案，其優點是位于地下，建成后便于運行管理，經濟安全，不足之處是該區域地表深度0～14m為崩坡積層覆蓋，結構松散，穩定性差，施工期開挖難度較大，施工安全風險高，開挖一次支護及永久襯砌工程量較大；對于非標準矩型大斷面露天式方案，其優點是地面開挖施工方便，安全風險小，缺點是地表斷面積大，地質條件差，基礎處理投資高，由于是露天式，建成后不利于管理，安全風險難以控制；對于“V”字型布設的矩型斷面方案，根據實際地形情況，采用沿地形走向布局是最合理的，其開挖量小，施工難度低，建設成本更合理，由于矩型斷面跨度小，頂板與邊墻可一次性采用混凝土澆筑封閉，運營管理方便，安全可控。因此，綜合分析確定采用“V”字型矩型斷面布設作為設計方案。

根據初步擬定的上室結構斷面和布置形式，結合各建筑物的水力邊界條件，對調壓室上室的主要過渡工況進行水力模型試驗進行論證，確定采用凈斷面寬高為5.5m×6.2m長70m的矩型斷面“V”字型布設。根據水力模型試驗調節保證計算成果[4]，在上游水庫校核洪水位926.5m時機組丟棄全負荷，調壓室最高涌波水位為933.272m，上室中最大水深5.272m。其涌波圖如圖5所示。

圖5 水庫校核洪水位926.5m，2臺→0臺，調壓室最高水位波動簡圖

在水庫最低發電水位917.70m時，發電機組由1臺→2臺運行，最低涌波水位869.273m，其涌波圖如圖6所示。

圖6 水庫最低發電水位917.70m，1臺→2臺，調壓室最低水位波動簡圖

蝸殼進口最大壓力為234.93m，機組最大轉速升高至57.8%，尾水管最小壓力大于-8m，其壓力升高圖如7所示。

圖7 水庫正常水位926.0m，2臺→0臺，蝸殼壓力升高簡圖

從以上調節保證計算成果，在各種不利組合工況下，調壓室的最高最低水位和蝸殼壓力升高值都能滿足《水電站調壓室設計規范》(NB/T 35021—2014)要求，因此油房溝水電站調壓室上室的結構布設及尺寸確定的是可行的。

4.3 調壓室井筒與上室結構的連接設計

根據確定的井筒位置和上室的布設情況，受地形條件的限制和F9斷層的影響，對井筒與上室的連接采用了兩種方案進行比選設計：?沿地形坡度采用混凝土有壓斜管方式連接；?采用渡槽引渠方式連接。兩種方案從技術上均是合理可行的，但從投資角度分析，由于渡槽引渠方案排架最大高度達到15m左右，排架基礎處理投資增加，綜合投資計算混凝土有壓斜管更省，且便于運行管理。因此，連接段最終選用混凝土有壓斜管進行連接。油房溝水電站調壓室布置簡圖如圖8所示。

圖8 油房溝水電站調壓室布置簡圖

5 結 語

油房溝水電站是長隧洞高水頭復雜引水系統的水力發電站，調壓室設計受長隧洞和地形地質條件的影響，結構布置和水力計算邊界條件較為復雜，通過合理選型和獨特的結構布設，并結合水力模型試驗驗證其合理可行，工程建成投運至今，引水系統運行正常、安全可靠，運行效果總體良好。對其他類似有壓引水系統調壓室設計具有一定的參考價值。同時有以下幾點經驗值得總結和應用分享：

?對于特長引水隧洞和高水頭水電站，引水系統中調壓室應設置成阻抗式+上室的混合型結構調壓室，充分發揮基本單一性調壓室的優點，這樣的調壓室既經濟，運行又比較穩定。

?對于阻抗式帶上室的復雜型式調壓室布置設計，地形地質條件對上室的布置尤為重要，設置上室是為最大限度降低井筒的高度，但是要求的上室斷面面積較大，從投資和運行安全的角度考慮，需要結合地形情況對上室進行綜合分析比較，結構設計需要有創新。

?對于阻抗式帶上室調壓室，由于受水力邊界條件的影響，數值計算較為復雜，不確定性因素較多，為保證計算過程中取值的合理性，建議對設計方案采用水力模型試驗進行進一步驗證，確保工程的運行安全。