J2水电站调压井设计探讨

2011-05-31谭新莉

东北水利水电 2011年10期

谭新莉，柳辉

（新疆水利水电勘测设计研究院水工所，新疆乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

J2水电站发电引水系统布置在左岸，进口靠着山体，为岸塔式结构，发电引水洞进口比导流兼泄洪底孔的进口高4 m。引水发电系统由进口引渠段、闸井段、洞身段、调压井段、高压管道段、出口段组成，采用一洞两机联合供水的布置型式，电站共2台机组，设计引用流量2×73.3 m3/s，设计水头47.8 m，整个引水系统总长1.72 km，考虑到长隧洞、中等水头、电站在系统中基荷运行，为了保证供电周波稳定及降低高压管道中的水击压力，在引水隧洞末端1+510 m处设置调压井。

2 调压井位置选择

根据已确定厂址位置上游侧的地形条件，北侧山体陡峻，越往南侧山体越平缓，为获得较佳的调节质量调压井尽量靠近厂房，故调压井位置选在上平洞段相对较短、在满足布置要求的情况下最靠近厂房的北侧山体，与地形等高线大角度相交。山体很高，调压井需建在半山坡上，因为有条件将调压井全部嵌于山体中，此时调压井明挖量也不大，靠山一侧也未形成高边坡，故调压井处地面高程高出正常蓄水位约20 m左右。调压井至厂房段地表自然坡度20°～25°左右，调压井后接的压力管段,最小侧覆岩体厚度为23～38 m，为设计水头的0.48～0.79倍，满足上抬理论的要求，可按埋管设计。此处地表岩性为第四系全新统坡积碎石土，厚度约2～6 m，下伏基岩为灰绿色晶屑、岩屑凝灰岩，镶嵌碎裂结构，坚硬，强风化层厚3～5 m，弱风层厚8～10 m。由此调压井段围岩基本位于弱至新鲜岩体内。

3 调压井型式选择

3.1 调压室的稳定断面计算

根据DL/T 5058-1996《水电站调压室设计规范》，上游调压室的稳定断面面积的公式为：

分析，L，A1为压力引水道长度和面积，调压井位置确定后，压力引水道长度基本确定，为1.5 km左右。压力引水道面积，根据经济洞径比选确定为7.0 m，这两数值的可变化幅度不大。因此，水头越低，水头损失越大，所计算调压井面积越大。在计算水头损失时，压力引水道宜用最小糙率，J2水电站压力引水道采用钢筋混凝土衬砌，糙率取值采用最小糙率为0.013。压力管道内衬钢板，糙率取值采用平均糙率0.012。J2水电站2台机全开的发电流量146.6 m3/s，在上游死水位1 276.0 m，下游最高尾水位1 236.994 m的情况，最小水头为39.0 m，这时计算要满足稳定要求，调压室的断面面积至少大于400 m2。由此，对于较大流量的长距离引水隧洞、水头越小，调压室为满足小波动稳定所需的稳定断面面积越大。

3.2 调压井类型确定

调压井可消减水锤压力，及时供给机组增荷时所需水量，尽快衰减因负荷变化引起的水面波动。调压井基本类型有简单式，阻抗式，水室式，溢流式，差动式和气垫式。J2水电站上下游毛水头约50 m，不适合采用水室式和气垫式等适用于高水头电站的型式。溢流式调压井在丢弃负荷时，可通过溢流口将水排至附近的3号施工支洞内，但由于该工程水头较低，调压井断面由最小水力稳定断面确定，溢流式调压井高度最多比阻抗式减小9 m，但需另设排水管道至3号支洞，故溢流式不经济。针对该工程特点，选取简单式，阻抗式，差动式调压井进行类型比选。由于该工程水头低，根据托马准则确定的最小水力稳定断面为400 m2，即调压井直径23 m，较大。根据不同类型调压井的涌波计算结果可看出，对于该工程而言，简单式调压井结构简单，反射水锤波效果最好，但水位波动幅度大，衰减慢，所需调压井较高，工程量大，不经济；差动式调压井水锤波反射较好，水位波动小，但结构型式复杂，工程量较大；阻抗式调压井在3种型式中工程量最小，水位波动振幅较小，波动衰减较快，虽水锤波反射较差，有部分水锤传入引水道，将增加引水道压力，但由于该引水道内水压力不足30 m，增加的水锤压力对结构的影响在可接受的范围内，故最终采用阻抗式调压井。

3.3 阻抗孔尺寸的确定

阻抗孔孔口面积不宜小于引水隧洞断面的15%，以免有较大比例的水锤穿越调压室进入隧洞，即阻抗孔直径必须大于1.4 m。最初根据DL/T 5058-1996《水电站调压室设计规范》：

两个公式联合求解，计算的由1台机增至2台机时，最合适的阻抗孔直径为4.2 m。但根据调保计算结果，阻抗孔直径为4.2 m时，蜗壳末端最大压力72.2 m，超过了蜗壳末端最大压力允许值65 m。

阻抗式调压井阻抗孔的尺寸对蜗壳末端最大压力、调压井的最高及最低涌波影响均较大。J2水电站调保计算的结果显示：对于蜗壳末端最大压力和最高涌波，由于该工程引水隧洞较长，当阻抗孔口小于5 m时，蜗壳末端最大压力主要由水锤压力决定；阻抗孔口大于6.5 m时，蜗壳末端最大压力接近于简单式调压井，由调压室最高涌浪决定，这时很难通过优化关闭规律来降低蜗壳末端最大压力及调压室最高涌浪。对于最低涌波，阻抗孔口较小时，调压室最低涌浪为机组增负荷时水位波动下降的第一幅值；阻抗孔口较大时，调压室最低涌浪为机组全甩负荷后水位波动的第二幅值。当阻抗孔口直径大于6.5 m时，调压室最低涌浪低于1 266.7 m，相应的调压室底部最小压力小于2.5 m，不满足《水电站调压室设计规范》规定上游调压室最低涌浪，水位与调压室处压力引水道顶部之间的安全高度不宜小于2～3 m的要求。

根据调压室最优阻抗孔口设计理论：其产生的底部最大压力应该使该处的涌浪压力与水锤压力相等，根据调保计算结果，最优的阻抗孔口取值在6 m左右。

由此确定调压井直径23.0 m，阻抗孔口直径6.0 m，最低涌浪水位1267.7 m，调压井底板高程1 266.0 m，调压井最高涌浪达到1 293.4 m，考虑安全裕量后，调压井顶部高程取1 295.0 m，调压井高度为29 m。

4 调压井结构型式布置

调压井处裂隙较为发育，发育的裂隙以近EW、NW及NNE向为主，裂隙面平直、光滑、闭合，倾角较陡，无断层通过，围岩的稳定性较好，围岩类别Ⅲ类，fk=3，K0=3 000～4 000 N/cm3。由于岩石层理发育，岩体较破碎，考虑到调压室的稳定断面大，故调压井横断面采用受力条件最好的圆形断面，根据稳定断面计算结果确定调压井直径23 m，为托马断面的1.04倍。

由于岩石破碎、层理发育，考虑到调压室的稳定断面大，在结构处理时考虑设置了一些暗梁来改善结构的受力条件，使结构布置合理。最初选择图1（a）的结构型式，技施时考虑滑膜施工要求，使调压井衬砌厚度统一，将暗梁设置在衬砌内，改为图1（b）的结构型式。停水检修时发现衬砌裂缝很少。

目前这是新疆地区直径最大的一个调压井，现已运行1年半，运行状态良好。