某水電站引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳 子 河

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 概 述

某水電站采用低閘長引水開發(fā)方式，設(shè)計(jì)引用流量為9.99 m3/s，裝機(jī)容量為78 MW，年平均發(fā)電量為4.127億kW·h ，年利用小時(shí)數(shù)為5 291 h。

該水電站主要樞紐建筑物由首部樞紐建筑物和左岸引水發(fā)電建筑物組成。其中首部樞紐建筑物包括溢流壩、泄洪沖沙閘、取水口、前池(兼作一級(jí)沉沙池)及側(cè)堰、進(jìn)水口等，左岸引水發(fā)電建筑物包括引水隧洞、地下沉沙池、調(diào)壓室、壓力管道、地下廠房等。

該電站前期設(shè)計(jì)時(shí)因缺少勘探資料，引水系統(tǒng)采用了低壓引水隧洞、阻抗式上游調(diào)壓室、高壓壓力鋼管的常規(guī)布置方式。

2 原設(shè)計(jì)方案存在的主要問題及優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

(1)原方案中引水系統(tǒng)上游調(diào)壓室布置在較高的位置，通往調(diào)壓室頂部的道路布置困難；

(2)引水系統(tǒng)水流慣性時(shí)間常數(shù)與機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)的比值Tw/Ta接近0.4，且考慮到電站裝機(jī)容量在電網(wǎng)容量中所占的比例小，研究通過適當(dāng)調(diào)整機(jī)組參數(shù)、取消上游調(diào)壓室的可行性；

(3)取消上游調(diào)壓室后，增大了引水隧洞縱坡，壓低了隧洞末端和鋼管起點(diǎn)高程，減少了引水隧洞與壓力管道總長度；

(4)Ⅱ類圍巖洞段采用錨噴作為永久支護(hù)，Ⅲ類、Ⅳ類和V類圍巖隧洞段采用鋼筋混凝土襯砌，研究將Ⅲ類圍巖洞段改為錨噴支護(hù)；

(5)壓力鋼管采用Q345R和Q690D兩種鋼材，而Q690D鋼襯焊接要求較高、造價(jià)偏高；考慮到圍巖承載能力，研究了壓力鋼管全部采用Q345R鋼材的可行性。

3 引水系統(tǒng)的基本地質(zhì)條件

根據(jù)進(jìn)一步勘探和現(xiàn)場查勘取得的地質(zhì)資料，得知該電站具有引水系統(tǒng)沿線地質(zhì)條件好的特點(diǎn)。

該引水系統(tǒng)沿線地質(zhì)構(gòu)造簡單，為穩(wěn)定的單斜構(gòu)造區(qū)，未見較大規(guī)模的斷裂與褶皺發(fā)育。巖體風(fēng)化不強(qiáng)烈，未見強(qiáng)風(fēng)化巖體；弱風(fēng)化巖體厚度一般埋深40～50 m，且引水系統(tǒng)大部分處于微風(fēng)化～新鮮巖體中。

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引水隧洞所處的山體雄厚，洞室埋深為50～600 m，巖石主要為石英巖、片麻巖，高地應(yīng)力不突出;以Ⅲ類圍巖(70%)為主，Ⅱ類圍巖約占10%，Ⅳ類圍巖約占20%，V類圍巖占比很小。

調(diào)壓室、壓力管道所處的巖體主要為石英巖、片麻巖， Ⅱ類圍巖約占40%，Ⅲ類圍巖約占55%，Ⅳ類圍巖約占5%。

4 引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)新取得的地質(zhì)資料，結(jié)合近年來水電站引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)取得的技術(shù)進(jìn)步成果，開展了引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究工作。

(1)該電站裝機(jī)容量為78 MW，額定水頭為940 m，引用流量為9.99 m3/s，具有額定水頭高、引用流量小的特點(diǎn)。原設(shè)計(jì)方案中的引水隧洞全長4 546.508 m(含地下有壓沉沙池)。隧洞開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸均為3 m×3 m。根據(jù)圍巖類別的不同，隧洞分為兩種不同的支護(hù)襯砌型式：Ⅱ類、部分Ⅲ類圍巖洞段采用錨噴支護(hù)，過水?dāng)嗝?.8 m×2.7 m，流速1.45 m/s；部分Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖洞段采用鋼筋混凝土襯砌, 過水?dāng)嗝?.2 m×2.3 m，流速為2.13 m/s。原設(shè)計(jì)方案中壓力管道全長2 307.654 m，其中主管 段 長2 279.861 m，支管段長27.793 m。主管管徑分為5級(jí)，由1.6 m逐級(jí)調(diào)整到1.2 m，流速為4.97～8.83 m/s。支管分為主支管和支管，主支管管徑為1.1 m，流速為7.01 m/s；支管管徑為0.8 m，流速為6.62 m/s。

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案中的引水建筑物、機(jī)組特征參數(shù)，計(jì)算水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw為2.12 s。因該電站裝機(jī)容量僅為78 MW，在電網(wǎng)容量中所占比例較小。筆者參考已竣工發(fā)電的瑪依納電站和南湃電站(未設(shè)置調(diào)壓室)，其Tw/Ta均大于或接近不設(shè)置調(diào)壓室臨界值0.4，兩電站運(yùn)行情況良好(表1)。

表1 未設(shè)置調(diào)壓室水電站主要參數(shù)表

采用優(yōu)化后的引水建筑物、機(jī)組特征參數(shù)，計(jì)算出的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw為2.06 s，機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta為5.31 s，Tw/Ta為0.39，滿足規(guī)范中規(guī)定的可不設(shè)置調(diào)壓室的要求。

優(yōu)化后的項(xiàng)目若不設(shè)調(diào)壓室，采用以下措施能夠確保機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性：

①將水輪發(fā)電機(jī)組的GD2由90 t·m2增加至95 t·m2，通過增加Ta值，使Tw/Ta<0.4；

(2)原設(shè)計(jì)方案中引水隧洞坡度較緩，進(jìn)水口至沉沙池段的縱坡為2%，沉沙池至調(diào)壓井段的縱坡為0.25%，引水隧洞全長4 546.508 m。壓力管道采用單管三機(jī)方案，由五段平段、四段斜井段組成，平段由斜井連接，主管全長2 279.861 m，支管段長27.793 m。引水線路全長6 854.162 m。

設(shè)計(jì)優(yōu)化按隧洞最大施工坡度不超過8%作為控制條件對(duì)引水線路縱坡進(jìn)行了調(diào)整。引水隧洞進(jìn)水口至沉沙池段的縱坡為2%，沉沙池至調(diào)壓井段的縱坡為7.743%，引水隧洞全長4 674.911 m。壓力管道采用單管三機(jī)方案，由四段平段、三段斜井段組成，平段由斜井連接，主管全長1 986.12 m，支管段長27.793 m。引水線路全長為6 688.824 m，較原設(shè)計(jì)方案引水線路短165.338 m。

(3)引水隧洞沿線埋深為50～600 m，除進(jìn)口段20～25 m為弱風(fēng)化巖體外，其余段均為微風(fēng)化～新鮮巖體，隧洞沿線圍巖為石英巖夾片麻巖、片麻巖。隧洞中前段節(jié)理為中等發(fā)育～較發(fā)育，巖體完整性差～較完整，巖體以鑲嵌結(jié)構(gòu)～次塊狀結(jié)構(gòu)為主，少部分為塊狀結(jié)構(gòu)。隧洞中后段節(jié)理輕度發(fā)育～不發(fā)育，巖體較完整～完整，巖體以塊狀為主，少部分為次塊狀與整體狀。

原設(shè)計(jì)方案中對(duì)Ⅱ類、部分Ⅲ類圍巖洞段采用邊頂拱噴錨(厚10 cm)與底板素混凝土支護(hù)(厚20 cm)，部分Ⅲ類、Ⅳ類和V類圍巖洞段采用鋼筋混凝土襯砌(厚30 cm，限裂設(shè)計(jì))。

筆者分析了國內(nèi)已投產(chǎn)發(fā)電的高水頭電站，由于大多數(shù)隧洞沿線圍巖條件好，引水隧洞多采用透水襯砌，從而大大節(jié)約了工程投資(表2)。

表2 國內(nèi)部分采用透水襯砌的引水隧洞表

該電站優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中對(duì)Ⅱ類、Ⅲ類圍巖洞段采用邊頂拱噴錨(厚10 cm)與底板素混凝土支護(hù)(厚20 cm)，Ⅳ類和V類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌(厚30 cm，透水襯砌)。

(4)原設(shè)計(jì)方案中對(duì)壓力鋼管采用了Q345R和Q690D兩種鋼材。復(fù)勘后得知壓力管道沿線圍巖完整、地質(zhì)條件好，考慮到圍巖承載后鋼襯厚度不超過40 mm，故在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中將壓力鋼管全部采用Q345R鋼材。

5 引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)取得的成果

(1)原設(shè)計(jì)方案中引水系統(tǒng)的水頭損失合計(jì)63.68 m(平均值)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中引水系統(tǒng)的水頭損失為63.04 m(平均值)，水頭損失滿足要求。

(2)通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，取消了調(diào)壓室，減少了引水線路長度，優(yōu)化了隧洞支護(hù)襯砌類型，減少了通往調(diào)壓室的施工交通道路，節(jié)約了工程投資。

(3)對(duì)Ⅲ類圍巖洞段采用噴錨支護(hù)型式，對(duì)隧洞施工進(jìn)度保障有利。

(4)考慮到圍巖承載能力后，將壓力鋼管全部采用Q345R鋼材，降低了施工難度，減少了工程投資。

(5)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與原設(shè)計(jì)方案中的施工布置方案基本一致，但優(yōu)化設(shè)計(jì)方案較原設(shè)計(jì)方案節(jié)約場內(nèi)施工道路約4.3 km，征地范圍小于原設(shè)計(jì)方案，對(duì)工程區(qū)附近環(huán)境影響將有所降低。

6 結(jié) 語

該引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案得到了審查單位的認(rèn)可。在下一階段項(xiàng)目實(shí)施過程中，應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)展和揭示的實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)一步研究引水系統(tǒng)的布置、支護(hù)、襯砌方案，做到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理。