尼泊爾某水電站引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

熊 瑜，張正香

（1.重慶市巴南區(qū)水利局，重慶 巴南 401320；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

尼泊爾和中國作為“一帶一路”倡議的擁護(hù)者，為發(fā)揮中國的技術(shù)、建設(shè)優(yōu)勢，改善尼泊爾的基礎(chǔ)設(shè)施、提高人民生活水平，尼中兩國積極推進(jìn)水利水電工程的合作，尼泊爾某水電站就是其中的代表項目。

尼泊爾某水電站位于卡利甘達(dá)基河流上游，開發(fā)任務(wù)為調(diào)峰發(fā)電。某水電站采用引水式開發(fā)，正常蓄水位2 530 m，電站裝機(jī)3臺，總?cè)萘考s為160 MW。

某水電站樞紐建筑物主要由首部擋水、泄水建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸，引水建筑物由電站進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓斜井、蝶閥室、壓力豎井、壓力鋼管、地下廠房和尾水洞等主要建筑物組成。

本電站前期招標(biāo)設(shè)計時，引水系統(tǒng)采用低壓引水隧洞、調(diào)壓斜井、蝶閥室、兩級壓力豎井、壓力鋼管的布置方式。根據(jù)相關(guān)資料，為了降低施工難度，節(jié)約工程投資，提高經(jīng)濟(jì)效益，開展了引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究。

1 基本地質(zhì)條件

某水電站引水系統(tǒng)位于高喜馬拉雅帶，沿線山高坡陡，分水嶺高程4 000～5 000 m，谷坡基巖多裸露，坡度一般30°～50°。沿線發(fā)育2條切割較深的沖溝，溝內(nèi)常年有流水。

引水隧洞埋深大，埋深基本大于300 m，最大埋深為800 m，具有中等-高地應(yīng)力，沿線剪切帶較發(fā)育，多為張性結(jié)構(gòu)面。引水隧洞主要為條帶狀片麻巖，巖石多新鮮堅硬，推測基本穩(wěn)定（Ⅱ類）圍巖、局部穩(wěn)定性差（Ⅲ類）圍巖、不穩(wěn)定（Ⅳ類）圍巖、極不穩(wěn)定（Ⅴ類）圍巖分別占隧洞長度的25%、40%、25%、10%。

調(diào)壓井、壓力管道主要為條帶狀片麻巖，巖石多新鮮堅硬，推測基本穩(wěn)定（Ⅱ類）圍巖、局部穩(wěn)定性差（Ⅲ類）圍巖、不穩(wěn)定（Ⅳ類）圍巖、極不穩(wěn)定（Ⅴ類）圍巖分別占其長度的40%、50%、5%、5%。

2 原設(shè)計方案存在問題及優(yōu)化思路

2.1 原設(shè)計方案主要問題

（1）原設(shè)計方案引水隧洞底坡僅0.65%左右，引水隧洞底坡較小，導(dǎo)致壓力豎井高差大，高差約為550 m，壓力豎井為兩級豎井，施工難度大，工程量較大。

（2）原設(shè)計方案采用調(diào)壓斜井［1］，調(diào)壓井底坡為1∶7，調(diào)壓斜井總長度約725 m，實際施工難度大，工程量較大。

（3）原設(shè)計方案調(diào)壓斜井下游設(shè)蝶閥室，引水隧洞不襯砌段距離調(diào)壓斜井、蝶閥室較近，這會導(dǎo)致運行期蝶閥室滲水嚴(yán)重，維護(hù)工作量大。

2.2 優(yōu)化方案優(yōu)化思路

（1）優(yōu)化壓力豎井，考慮減少一級豎井。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，考慮調(diào)整引水隧洞洞線下壓引水隧洞，引水隧洞采用5%左右的底坡，壓力豎井由兩級減少為一級，高差減少約320 m以降低施工難度，節(jié)約工程投資。

（2）研究取消調(diào)壓斜井的可行性。經(jīng)研究和計算，引水系統(tǒng)滿足取消調(diào)壓井的條件，優(yōu)化方案如取消調(diào)壓井，將大大減小工程量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（3）研究取消蝶閥室的可行性。由于本工程引水隧洞長度相對較短，且在引水隧洞前端的進(jìn)水口設(shè)置了檢修閘門，參考類似電站的設(shè)計及運行經(jīng)驗，取消蝶閥室是可行的。

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 調(diào)整引水系統(tǒng)洞線

引水隧洞沿河道右岸布置，洞線在滿足埋深的前提下，兼顧施工支洞布置和工期平衡盡量裁彎取直，大部分洞段洞線近似平行于河道。原設(shè)計方案引水隧洞在平面上設(shè)置5個轉(zhuǎn)點。優(yōu)化方案取消了引水隧洞平面的最后一個轉(zhuǎn)點，在平面上僅設(shè)置4個轉(zhuǎn)點，截彎取直［2］，引水系統(tǒng)過流更為順暢，增加了行洪能力，如圖1所示。

圖1 引水系統(tǒng)平面布置

原設(shè)計方案在引水隧洞末端設(shè)置兩級壓力豎井，由于引水隧洞底坡僅為0.65%左右，底坡較小，導(dǎo)致壓力豎井高差大，高差約為550 m，施工難度大，工程量較大。優(yōu)化方案調(diào)整引水隧洞洞線，下壓引水隧洞，增加引水隧洞底坡坡度，底坡增加5%左右；同時減少壓力管道長度，取消一級壓力豎井，高差減少約320 m，以降低工程難度，節(jié)約工程量，減少工程投資。原方案及優(yōu)化方案對比如圖2所示。

圖2 引水系統(tǒng)縱剖面示意

引水隧洞上平段縱向坡度變陡，取消一段豎井后，鋼襯段起點水頭約370 m，形成高壓引水隧洞。隧洞沿線圍巖條件好，高壓引水隧洞采用不襯砌或透水襯砌。已建成的多個高水頭水電站，高壓引水隧洞采用不襯砌或透水襯砌，多年運行情況良好。國內(nèi)已建成的高壓引水隧洞概況［3］如表1所示。

表1 國內(nèi)已建成的高壓引水隧洞概況

3.2 取消調(diào)壓井、蝶閥室

某水電站正常蓄水位2 530 m，死水位2 528 m，額定水頭602.2 m，引用流量31.8 m3／s，機(jī)組安裝高程1 910 m。調(diào)整引水系統(tǒng)軸線后，進(jìn)口底板高程2 505.00 m，至壓力管道處底板降為2 135.94 m。

優(yōu)化方案引水隧洞為馬蹄形有壓洞，分為噴混凝土和鋼筋混凝土兩種襯砌形式，引水隧洞全長約7.2 km。引水隧洞Q1、Q2、Q3、Q4類圍巖采用噴混凝土襯砌，襯砌厚度10～20 cm不等，隧洞長度約為5.8 km，隧洞內(nèi)徑為5.4 m，流速為1.3 m／s。引水隧洞Q5類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌，Q5圍巖洞段先采用噴鋼纖維混凝土支護(hù)，厚度20 cm，后采用鋼筋混凝土襯砌，厚度40 cm；隧洞長度約為1.4 km，隧洞內(nèi)徑為4.6 m，流速為1.8 m／s。

優(yōu)化方案壓力鋼管位于廠房前端，壓力管道由平段、豎井段組成，平段有兩段，由豎井連接，豎井與平段夾角為90°。主管經(jīng)主岔分為一條支管和一條主支管，主支管經(jīng)次岔后分為兩條支管，支管向廠房供水，主管、主支管、支管、岔管均為地下埋管。壓力鋼管主管內(nèi)徑為2.5 m，主管總長約為586 m，流速為6.5 m／s。單條支管直徑1.5 m，最長支管長度約為59 m，流速為6.0 m／s。

根據(jù)優(yōu)化方案引水建筑物、機(jī)組特征參數(shù)，計算水流慣性時間常數(shù)Tw為2.42 s。本電站裝機(jī)容量在電網(wǎng)容量中所占比例較小，機(jī)組加速時間常數(shù)Ta為7.38 s，Tw／Ta為0.328，滿足規(guī)程［4］中規(guī)定的可不設(shè)置調(diào)壓井的要求。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0.4，兩電站運行情況良好，見表2所示。

表2 未設(shè)置調(diào)壓井項目主要參數(shù)

由于某水電站引水隧洞長度相對較短，且在引水隧洞前端的進(jìn)水口設(shè)置了檢修閘門，參考類似電站的設(shè)計及運行經(jīng)驗，取消蝶閥室是可行的。綜上所述，優(yōu)化方案取消了調(diào)壓井和蝶閥室。取消蝶閥室，相應(yīng)取消了壓力管道首端的蝶閥，電站運行過程中就沒有對蝶閥的維護(hù)和操作等工作內(nèi)容，進(jìn)一步提高了工程的安全性。

4 優(yōu)化效果

（1）根據(jù)某水電站動能指標(biāo)，引水系統(tǒng)最大水頭損失為15.79 m，優(yōu)化方案引水系統(tǒng)水頭損失合計15.72 m（平均值），水頭損失滿足要求。

（2）優(yōu)化方案取消了調(diào)壓井、蝶閥室，取消一級壓力豎井，調(diào)整了引水隧洞底坡及洞線，相較于原設(shè)計方案提高了工程安全性，降低了施工難度，減少了工程投資。

（3）通過引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，工程靜態(tài)投資減少了1 100萬美元；減低引水隧洞沿線施工支洞的高程，減短了施工公路的長度，減少了施工占地和對環(huán)境的破壞。

5 結(jié) 語

結(jié)合尼泊爾某水電站的實際情況，提出優(yōu)化設(shè)計方案，提高了工程安全性，降低了工程施工難度，大幅減少了工程投資，做到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，為項目的中標(biāo)取得了優(yōu)勢。某水電站的優(yōu)化設(shè)計是發(fā)展國際業(yè)務(wù)、積極拓展基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，鞏固傳統(tǒng)水電業(yè)務(wù)思想的體現(xiàn)，同時對提速進(jìn)軍尼泊爾到東南亞廣闊市場具有重要意義。