基于水力過渡過程的西藏扎拉水電站調(diào)壓室設(shè)計優(yōu)化

摘要：

針對西藏扎拉水電站調(diào)壓室頂拱上方存在的不良地質(zhì)條件問題，提出了一種利用施工支洞作為調(diào)壓室上室的優(yōu)化布置方案，并結(jié)合水力過渡過程計算，分析了涌浪的波動過程。結(jié)果表明：施工支洞作為調(diào)壓室上室能夠有效削減最高涌浪水位。當(dāng)最高涌浪低于施工支洞頂拱時，涌浪不會對支洞頂拱的結(jié)構(gòu)安全造成危害，也不會阻礙支洞的排氣過程。利用施工支洞作為上游調(diào)壓室可顯著降低調(diào)壓室頂拱，并成功避開不良地質(zhì)帶，有利于水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：調(diào)壓室； 水力過渡過程； 施工支洞； 扎拉水電站

中圖法分類號：TV732""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.006

文章編號：1006-0081（2024）08-0042-05

0 引 言

西藏扎拉水電站調(diào)壓室地質(zhì)條件極其復(fù)雜，調(diào)壓室接近50%的部分位于傾倒變形體中［1］。調(diào)壓室頂拱處存在間剪切密集帶，巖性軟弱，結(jié)構(gòu)破碎，屬Ⅴ類圍巖。為保證調(diào)壓室的圍巖穩(wěn)定，需優(yōu)化調(diào)壓室結(jié)構(gòu)，盡可能降低調(diào)壓室頂拱高度。張澤輝等［2］介紹了白水江三級水電站山體內(nèi)雙室溢流室調(diào)壓井布置特點(diǎn)，該調(diào)壓井布置主要適用于穩(wěn)定斷面較大、不適宜大規(guī)模明挖的低水頭、大流量引水式水電站。將調(diào)壓井移至地質(zhì)條件較好的山體內(nèi)，避開表層深厚松散堆積層，通過設(shè)置溢流洞和下室降低井筒高度，將通氣洞兼做施工支洞，解決了調(diào)壓井的安全穩(wěn)定問題。為降低西藏扎拉水電站調(diào)壓室頂拱的高度，本研究利用調(diào)壓室3號施工支洞作為上室兼做通氣孔發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，并建立沖擊式水電站數(shù)學(xué)模型，對扎拉水電站調(diào)壓室涌浪進(jìn)行過渡過程仿真計算分析。

1 水電站概況

扎拉水電站主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，采用混合式開發(fā)方式。扎拉水電站布置有長引水隧洞，約55 km。扎拉水電站采用一洞兩機(jī)布置型式。電站及機(jī)組主要參數(shù)見表1～2。

2 研究方法

水力-機(jī)械過渡過程計算數(shù)學(xué)模型由有壓管道模型、水輪機(jī)特性模型、發(fā)電機(jī)組模型、調(diào)壓室模型組成［3-6］，各子模型如下。

（1） 有壓管道模型如圖1所示。

有壓管道采用特征線法求解動量方程和連續(xù)性方程，見式（1）和（2）：

Qp=Cp-CaHp

Qp=Cn+CaHp（1）

Ca=gAa

Cp=Qa+gAaHa-fΔt2DAQaQa

Cn=Qb-gAaHb-fΔt2DAQbQb（2）

式中：Qp，Hp分別為P點(diǎn)當(dāng)前時刻的流量和水壓力；

Qa，Ha分別為A點(diǎn)前一時刻的流量和水壓力；

Qb，Hb分別為B點(diǎn)前一時刻的流量和水壓力；

A為管道截面積；

D為斷面水力直徑；

a為波速；

f為摩擦系數(shù)；

Δt為計算步長。

（2） 水輪機(jī)特性模型計算公式見式（3）。

Q11=f（n11，a）

M11=f（n11，a）

Qt=Q11D21Ht

Mt=M11D31Ht

nt=n11Ht/D1

Ht=Hi-Hi+1

（3）

式中：Q11，M11，n11分別為水輪機(jī)單位流量、單位力矩和單位轉(zhuǎn)速；Qt，Mt，nt分別為水輪機(jī)流量、力矩和轉(zhuǎn)速；Ht，Hi，Hi+1分別為水輪機(jī)水頭、機(jī)組前節(jié)點(diǎn)水壓力和機(jī)組后節(jié)點(diǎn)水壓力；a為導(dǎo)葉開度。

（3） 發(fā)電機(jī)組模型計算公式見式（4）。

Jdωdt=Mt-Mg（4）

式中：J為慣性力矩；ω為角速度；t為時間；Mt，Mg分別為水輪機(jī)力矩和負(fù)荷力矩。

（4） 阻抗式調(diào)壓室模型計算公式見式（5）。

Hp=Hj+RjQjQj

dHjdt=QjAj

（5）

式中：Hj，Qj，Aj，Rj分別為調(diào)壓室水位、流量、截面積、阻力系數(shù)；

Hp為管道P點(diǎn)水壓力。

3 調(diào)壓室設(shè)置

3.1 必要性研究

扎拉水電站引水隧洞長5 448 m，水流慣性時間常數(shù)Tw為3.6 s，機(jī)組加速時間常數(shù)Ta=9.92 s。經(jīng)計算，不滿足不設(shè)上游調(diào)壓室的初步判別條件，即不滿足式（6）。

Tw≤-964T2a-75Ta+78425+38Ta+245（6）

根據(jù)NB/T 35021-2014《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》，不滿足式（6）時，可按圖2進(jìn)行初步判別：當(dāng)在①區(qū)時，可不設(shè)置上游調(diào)壓室；處在②區(qū)時，應(yīng)詳細(xì)研究設(shè)置上游調(diào)壓室的必要性；處在③區(qū)時，應(yīng)設(shè)置上游調(diào)壓室。扎拉水電站Tw=3.6 s，Ta=9.92 s，處于②區(qū)，需結(jié)合過渡過程數(shù)值計算研究設(shè)置上游調(diào)壓室的必要性。

沖擊式水電站是否設(shè)置調(diào)壓室，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注大波動過渡過程時的壓力管道頂部的最小壓力以及小波動的調(diào)節(jié)品質(zhì)［6］。為研究調(diào)壓室設(shè)置必要性，針對設(shè)置調(diào)壓室與否的兩個方案進(jìn)行大波動過渡過程計算分析。方案一：設(shè)置調(diào)壓室，大井面積為31416 m2，單個阻抗孔直徑為4.5 m。方案二：不設(shè)置調(diào)壓室。

進(jìn)行大波動過渡過程計算前，對針閥及折向器關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，最終選取的針閥關(guān)閉規(guī)律為：25 s 直線關(guān)閉和開啟，折向器的關(guān)閉時間為3 s。選取如下4個大波動過渡過程控制工況，其中，D1，D2為基本工況，用來判斷是否設(shè)置調(diào)壓室。

（1） D1工況：上游校核洪水位，兩臺機(jī)組同時事故甩額定負(fù)荷。

（2） D2工況：上游死水位，兩臺機(jī)組同時從空載增至額定負(fù)荷。

（3） D3工況：校核洪水位，兩臺機(jī)組同時從空載增至全負(fù)荷，當(dāng)流入調(diào)壓室流量最大時兩臺機(jī)組同時事故甩全負(fù)荷。

（4） D4工況：死水位，兩臺機(jī)組同時甩全負(fù)荷，當(dāng)流出調(diào)壓井流量最大時，一臺機(jī)組從空載增至全負(fù)荷。

調(diào)壓室必要性研究計算了D1和D2兩個大波動工況，計算結(jié)果見表3。如表3可知，無調(diào)壓室方案D1工況甩負(fù)荷時配水環(huán)最大壓力超出控制值，增負(fù)荷工況D2上平段末端最小壓力-49.61 m，不滿足不小于2 m正壓的控制值要求；有調(diào)壓室方案配水環(huán)末端最大壓力和壓力管道頂部最小壓力均滿足控制值要求。因此，扎拉水電站有必要設(shè)置上游調(diào)壓室。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.2.1 方案設(shè)置

原設(shè)計調(diào)壓室大井直徑為20 m，阻抗孔直徑45 m，調(diào)壓室頂拱高程2 845.2 m。招標(biāo)設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)調(diào)壓室頂拱處存在JM1層間剪切密集帶，巖性軟弱，結(jié)構(gòu)破碎，屬Ⅴ類圍巖。為有利于調(diào)壓室的圍巖穩(wěn)定，需盡可能降低調(diào)壓室頂拱高度。調(diào)壓室結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案見圖3，大井直徑增加到22 m，利用3號施工支洞作為調(diào)壓室上室和通氣孔（圖3），阻抗孔直徑保持4.5 m不變。3號施工支洞為城門洞型，斷面高5.2 m，寬5.5 m，自山體外往調(diào)壓室由外平段、下斜段及內(nèi)平段組成，3號施工支洞在洞口高程為2 828 m，外平段長10 m，下斜段水平長100 m，縱坡8%，內(nèi)平段長235 m，3號施工支洞在調(diào)壓室處的高程為2 819 m（圖4）。優(yōu)化后調(diào)壓室各高程面積見表4。

3.2.2 結(jié)果分析

為分析優(yōu)化后調(diào)壓室布置方案的可行性，建立相應(yīng)的沖擊式水電站過渡過程模型，進(jìn)行上述D1～D4控制工況的大波動過渡過程計算。計算結(jié)果見表5。從表5可知，優(yōu)化方案調(diào)保參數(shù)均滿足控制值要求。配水環(huán)最大壓力計算值為771.74 m，低于控制值855.65 m；最大轉(zhuǎn)速上升率為18.66%，低于控制值30%；調(diào)壓室最高涌浪為2 822.4 m，低于3號施工支洞入口高程5.6 m；最低涌浪2 787.17 m，高于調(diào)壓室大井底板2.17 m。優(yōu)化后的調(diào)壓室頂拱高程為2 831.20 m，比原方案2 845.20 m低14 m，同時調(diào)壓室整體往下游移動30 m，使得調(diào)壓室避開頂拱上方斷層帶，大幅度提高了施工期和運(yùn)行期的調(diào)壓室圍巖穩(wěn)定性。利用施工支洞作為上室，在保證調(diào)壓室調(diào)節(jié)作用的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了臨時工程的價值，節(jié)約了調(diào)壓室開挖量。

調(diào)壓室最高和最低涌浪水位工況的水位波動情況分別見圖5～6。分析圖5可知，D3工況涌浪在前3個周期均上升至3號施工支洞。第一個波動周期水位最高，在223 s調(diào)壓室水位上升至3號施工支洞底板2 819 m高程，此時施工支洞作為上室發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，溢出調(diào)壓室的水流持續(xù)擴(kuò)散至施工支洞，其水位在345 s達(dá)到最高值（2 822.40 m），隨后逐漸下降，在496 s降至施工支洞底板以下。第一個周期的涌浪在施工支洞內(nèi)的波動歷時273 s。需要指出的是，最高涌浪水位（2 822.4 m）低于3號施工支洞內(nèi)平段頂拱（2 824.2 m）1.8 m，涌浪不會拍打施工支洞頂拱，也不會堵塞施工支洞上方的排氣。分析圖6可知，D4工況的涌浪只在第一個波動周期上升至3號施工支洞，在54 s調(diào)壓室水位上升至3號施工支洞底板，并在121 s達(dá)到最高，隨后在195 s降至施工支洞底板以下，涌浪在施工支洞內(nèi)的波動歷時141 s，約為最高涌浪工況D3的1/2。

綜上分析，優(yōu)化方案利用3號施工支洞作為上室，充分發(fā)揮了施工支洞的調(diào)節(jié)作用，對最高涌浪的削減尤為顯著。同時最高水位離施工支洞頂拱有一定安全距離，涌浪波動過程中不會危害到頂拱結(jié)構(gòu)，也不會阻礙施工支洞上方的排氣過程。

4 結(jié) 論

本文采用理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，研究了扎拉水電站設(shè)置調(diào)壓室的必要性，并對調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了優(yōu)化，提出了技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上節(jié)約的調(diào)壓室布置方案。在分析調(diào)壓室設(shè)置的必要性時，首先采用規(guī)范推薦的判別圖法進(jìn)行定性分析，再進(jìn)行大波動過渡過程計算分析。大波動過渡過程計算的調(diào)保控制參數(shù)為配水環(huán)的最大壓力和引水洞上平段末端的最小壓力。針對調(diào)壓室頂拱上方存在斷裂帶的不利地質(zhì)條件問題，提出了利用3號調(diào)壓室施工支洞作為上室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，優(yōu)化方案調(diào)壓室頂拱高程降低14 m，避開了不良地質(zhì)帶，有利于調(diào)壓室圍巖穩(wěn)定。通過計算得出所有調(diào)保參數(shù)均滿足規(guī)范控制值要求。隨后分析了典型工況下調(diào)壓室涌浪的波動過程，發(fā)現(xiàn)在最高涌浪工況下，涌浪在前3個周期都會上升至施工支洞中，且最高水位低于施工支洞頂拱，不會對頂拱結(jié)構(gòu)造成危害，也有利于施工支洞排氣過程。

扎拉水電站利用施工支洞作為上室，在保證調(diào)壓室調(diào)節(jié)作用的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了臨時工程的價值，節(jié)約了調(diào)壓室開挖量，可為其他工程提供參考。

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編輯：江 文

Optimization design of surge chamber of Xizang Zhala Hydropower Station based on hydraulic transition process

CAI Shuang1，ZHANG Yongjian1，DENG Qingshu1，YANG Bin1，YIN Chengcheng2，PENG Zhiyuan2

（1.Datang Xizang Energy Development Co.，Ltd.，Lhasa 850000，China；

2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In view of the problem of unfavorable geological conditions above the top arch of the pressure regulating chamber of Xizang Zhala Hydropower Station，we proposed an optimal layout scheme using the construction branch tunnel of the surge chamber as the upper chamber，and analyzed the fluctuation process of the surge using hydraulic transition calculation. The results showed that the construction branch tunnel could effectively play the role of reducing the highest surge water level，and the highest surge is lower than that of the construction branch arch，and the surge would not cause harm to the structural safety of the branch cave roof arch，nor would it hinder the exhaust process of the branch hole. The results indicated that the use of the pressure regulating chamber construction branch as the upper chamber can significantly reduce the top arch of the surge chamber and successfully avoid the bad geological zone，which is conducive to the safe and stable operation of the hydropower station.

Key words：

surge chamber； hydraulic transition process； construction branch tunnel； Zhala Hydropower Station

作者簡介：蔡 爽，男，高級工程師，碩士，主要從事電力工程管理工作。E-mail：caishuang@139.com

通信作者：彭志遠(yuǎn)，男，工程師，碩士，主要從事水力機(jī)械設(shè)計研究工作。E-mail：pengzhiyuan@cjwsjy.com.cn

引用格式：蔡爽，張永健，鄧清樹，等.基于水力過渡過程的西藏扎拉水電站調(diào)壓室設(shè)計優(yōu)化［J］.水利水電快報，2024，45（8）：42-46.