越南拉显水电站调压井设计方案的优化

黄邵军

(浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概况

越南拉显水电站装机2台,装机容量18 MW,多年平均发电量599.9万kW·h,其主要任务是水力发电,同时兼有灌溉、供水、养殖、旅游和防洪等综合功能。电站引水方式为有压引水,引水隧洞总长为3 553.5 m,洞径3.5 m。为了降低压力水道中的水击压力,防止水锤波向隧洞内传播,设计在电站上游隧洞出口端设置一调压井。

原设计方案中,调压井为阻抗式,大井内径为8.6 m,阻抗孔直径为2 m。本着既能充分发挥调压井的功能,同时又能降低工程投资,对原有的设计方案进行优化。

2 优化范围确定

首先需经过水力计算来确定调压井的优化范围,水力计算的主要内容包括以下3个方面:①根据波动稳定要求,确定调压井最小稳定断面面积;②计算最高涌波水位,确定调压井顶部高程;③计算最低涌波水位,确定调压井底部和压力水管进口的高程。以下为该电站调压井的计算优化过程。

2.1 调压井内径的选择范围确定

要确定调压井内径选择范围,首先要计算小波动情况下调压井的稳定断面面积,因为小波动稳定不能保证,则大波动必然不能衰减,计算稳定断面面积可利用托马斯公式求得(见式(1))。为了保证大波动的稳定,一般要求调压井断面大于托马断面。根据公式求出该电站调压井最小的稳定断面面积为33.64 m2,则最小直径为6.5 m,因此该电站调压井内径选择只要＞6.5 m就能满足波动的衰减要求。

式中:L为压力引水道长度,m;A1为压力引水道断面面积,m2;H0为发电最小静水头,m;α为自水库至调压井水头损失系数,s2/m,按下式计算:

其中v为压力引水道流速,m/s;hw0为压力引水道水头损失,m;hwm为压力管道水头损失,m;K为系数,一般采用1.0～1.1。

在确定出小波动稳定断面后,调压井内径选择还需要考虑最大涌波水位,一般来说调压井洞径的增大或减小,会引起最高涌波水位的降低或升高。洞径选择大了,虽然能有效降低最高涌波水位,但是由于洞径增大,开挖工作量也相应增加,工程投资增多;如果洞径选择小了,最高涌波水位就升高,井顶高程相应抬高,混凝土用量增加,也不一定经济。根据该工程特点,本次选择7.0,7.5,8.0,8.5 m 4个内径进行优化比较。

2.2 阻抗孔内径选择

由于该电站选择的是阻抗式调压井,因此在确定调压井内径范围的同时还须考虑阻抗孔的尺寸(因为阻抗孔大小会影响最高涌波水位高低)。根据以往经验,一般阻抗孔口直径减小1 m,调压井最高涌波一般可降低1～3 m,但也不能过小,如果选择的孔径过小,则有可能使水锤衰减效果降低,即使隧洞受到水锤影响增大。对阻抗孔径的计算,目前还没有具体的公式,如何选择阻抗孔大小,根据国内外已建电站的经验,阻抗孔口面积一般采用引水隧洞面积的28%～40%。由于该电站隧洞洞径为3.5 m,因此阻抗孔直径可选范围经计算为1.8～2.2 m,根据这个范围,本次优化选择了1.8,2.0,2.2 m三个数据作为比较工况。

3 调压井水力计算及方案优化比较

3.1 最高涌波水位计算

初步选定优化范围后,首先要使用解析法进行最高涌波水位计算,利用计算结果进行方案比较。最高涌波水位就是机组负荷突然变化时,调压井中相对于静水位的最高振幅,采用公式(2)计算。由于计算过程比较复杂,为确保计算结果准确性,该电站的最高涌波计算使用了专业调保计算软件,结果见表1。

表1 不同井径和阻抗孔径组合下的调保计算成果表 m

从计算结果看,在调压井同一直径的工况下,阻抗孔直径为2.2 m的方案最高涌波水位最大,需要较高的井口顶高程,和其它方案相比可以剔除;洞径为8.5 m的方案,虽然最高涌波水位同等条件下最小,但是洞径最大,相应开挖量也最大,从经济方面看是不理想的,可以剔除;因此适合的方案应该在调压井内径为7.0,7.5,8.0 m和阻抗孔径为1.8,2.0 m中再作比较。

3.2 最低涌波水位计算

计算最低涌波水位,主要是确定调压井底部和压力管道进口高程。计算时,取上游最低水位,同时电站机组由n-l台增至n台,或由2/3负荷突增至全负荷为前提。计算时设水电站的流量由mQ0增加到Q0(m＜1,称为负荷系数),按照福格特公式(公式3)计算 Zmin,计算结果见表2。

根据规范要求,最低涌波水位与调压井底部高程之间的安全高度应不低于2～3 m。如果最低涌波水位低于调压井处压力引水道顶部高程,压力管道则可能进入空气,破坏电站建筑物和机组正常运行。该电站调压井处底部高程为175.8 m,则最低涌波水位应高于177.8 m才能满足规范要求。

表2 最低涌波水位计算结果表 m

从计算结果来看,洞径为7.0 m的方案最低涌波水位与调压井处压力引水道顶部之间的安全高度＜2 m,不能满足规范要求,该方案可以舍弃,其它2种工况都能满足要求。在满足规范要求的前提下,选择洞径为7.5 m的方案,主要因素是洞径小开挖量就小,同时洞内支护的混凝土工程量也会相对减少。

选定调压井洞径尺寸后,再比较阻抗孔径为1.8 m和2.0 m的工况,虽然2.0 m方案的最低涌波水位比1.8 m方案的低,但最高涌波水位却比1.8 m方案要高,需要顶高程也高,从投资的角度考虑,选择1.8 m方案更优。通过以上一系列的优化计算,最终选择调压井内径为7.5 m,阻抗孔径为1.8 m为最优方案。

4 结 语

通过本次优化计算,可以看出在满足功能及安全要求的前提下,调压井的大井内径从原方案的8.6 m减为7.5 m,内径减小了1.1 m,开挖工作量和混凝土支护工程量都有明显减少,工程投资节省了近30万元,同时,通过本次优化计算,也为今后调压井工程设计提供参考。