双河水电站调压室设计

2015-02-01鲁毅

四川水力发电 2015年4期

关键词：调压室

鲁　毅

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072)

双河水电站调压室设计

鲁毅

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

摘要：介绍了双河水电站调压室的设计情况。双河水电站于2005年1月完成可行性研究报告，2005年6月完成初步设计报告。2006年2月主体工程开工，2009年7月工程建成发电，发电至今双河水电站运行良好，引水发电系统及调压室运行正常，达到设计要求。

关键词：调压室；双河水电站；技施设计

1概述

双河水电站为白水江水电流域规划一库七级方案中的第六级梯级电站，为引水式开发。闸高14.5 m，水库正常蓄水位高程1 377.5 m，正常蓄水位以下库容为18.7万m3，调节库容7.8万m3。电站引用流量为102 m3/s，引水隧洞长约6.27 km，电站利用落差约105.8 m，装机容量81 MW。该工程为单一发电工程，无防洪、航运、供水等综合利用要求。

根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准(DL 5180—2003)》确定该工程规模为中型，工程等别为三等，永久性主要水工建筑物级别为3级，次要水工建筑物级别为4级，临时性水工建筑物级别为5级。

2调压室型式的选择及布置

调压室位于双河乡下游0.5 km处的左岸山体内，采用埋藏式布置，调压室处隧洞底板高程为1 346.84 m，井筒高51.96 m，内径16 m，穹顶高程1 406 m。

该段出露地层为黑河组上段第六亚层(P1h26)，岩性为中厚层硅质条带灰岩，局部夹板岩，岩体中层面裂隙发育。

调压室垂直埋深115 m，水平埋深125 m。段内岩体呈微风化～新鲜，岩体嵌合较紧密，为层状结构，围岩局部稳定性差，以Ⅲ-1类围岩为主，Ⅳ类围岩次之。

调压室交通洞进口底高程约为1 395 m，长约234 m，断面型式为城门洞形，宽4.5 m，高4.5 m。洞轴线方向与岩层走向呈大角度相交。0+0～0+80段岩体风化卸荷较强、完整性差，裂面多张开并充填泥膜，岩体多呈碎裂结构，围岩不稳定，以Ⅳ类围岩为主，0+80以里岩体新鲜，但完整性较差，以Ⅲ-2类围岩为主。

该工程最大水头为105.8 m，最小水头为89.2 m，引用流量为102 m3/s。调压室型式在设计时研究了简单式、阻抗式和差动式，分析如下：

简单圆筒式调压室特点为自上而下具有相同的断面，结构简单，反射水锤波的效果较好,但正常运行时水流通过底部水头损失较大, 产生波动时振幅大，衰减慢，所需容积大, 多用于低水头或小流量的水电站。

阻抗式调压室系将简单圆筒式调压室的底部收缩成孔口而成。由于其底部存在附加阻抗，故与简单圆筒式调压室相比，波动时振幅小，衰减快，正常运行时水流通过底部水头损失小，但反射水锤波的条件较差。

差动式调压室由两个不同直径的同心圆或并列圆组成，小直径的圆筒顶部设有溢流堰，通常称为升管，其底部设阻力孔与外面的大室相通。差动式调压室综合地吸取了阻抗式和其它类型调压室的优点，即波动的振幅小，衰减快，正常运行时水头损失小，升管顶部设有溢流堰，当丢弃负荷时水位迅速上升至堰顶后开始溢流，可限制水位继续上升，因此，差动式调压室可减小容积，水流条件好，但其结构较为复杂且反射水锤波的条件与阻抗式一样较差。

采用调压室水力计算程序进行水力计算，其结果见表1。

表1　计算结果表

由表1可知，圆筒式调压室的涌浪值最大，调压室井筒高度最高，阻抗式次之，差动式最小。

简单式调压室结构简单，但井筒高度较阻抗式约高9.2 m、较差动式约高10.5 m，规模较大，不经济；虽然差动式调压室涌浪波动水位衰减较快且涌浪水位变幅较阻抗式略低，但差动式调压室结构较复杂、施工难度较阻抗式调压室大，故经综合分析后对该工程采用阻抗式调压室。调压室剖面见图1。

图1　调压室剖面图

3调压室水力计算

3.1计算原则

(1)在最低运行库水位时，引水洞水头损失取最小值，压力管道水头损失采用平均值，计算调压室最小稳定断面。

(2)在最高运行库水位时，以引水洞最小水头损失、按瞬间全甩负荷计算调压室最高涌浪水位。

(3)在最低运行库水位时，以引水洞最大水头损失、按两台机运行、瞬间投入另一台机计算调压室最低涌浪水位。

(4)在最低运行库水位时，以引水洞最小水头损失、按瞬间全甩负荷计算调压室水位波动的第二振幅。

(5)取(3)、(4)两项中最低水位作为选定调压室底高程的依据。最低涌浪水位与引水道顶部间的安全高度不得小于2～3 m。

3. 2断面计算

双河水电站引水隧洞长约6.27 km，Ⅲ类围岩约占55%，Ⅳ、Ⅴ类围岩约占45% ，引水隧洞采用钢筋混凝土衬砌和喷锚支护，喷锚断面按水头损失与衬砌断面相等的原则拟定。

在水库最低运行水位时，按“托马”公式计算调压室最小稳定面积，引水隧洞水头损失取小值，具有变直径引水隧洞的调压室稳定面积：

经计算得知，“托马”稳定断面积约为199m2，调压室井筒直径取16 m，调压室实际断面积为201.062 m2，“托马”稳定安全系数K为

1.011，满足规范(DL/T5058-1996)K为1～

1.1的要求。

3.3涌浪计算

调压室水力计算的程序只能用于隧洞为单一洞径的情况。对于洞径为两种以上的则须划为单一洞径, 而调压室的涌浪是动能和势能之间的转换,因此,需按动能等效原则求出化引直径。

式中Li为各段的长度；fi为相对于各段的面积，m2。

经计算得知，化引直径为7.44 m。

(1)基本数据。

隧洞糙率系数：喷锚nmax= 0.03；

nmin= 0.026

混凝土衬砌：nmax= 0.016；nmin= 0.012

水库最高运行水位：▽库max= 1 377.5m

水库最低运行水位：▽库min= 1 376m

导叶有效关闭时间/水轮机开启时间: 7s。

(2)阻抗孔面积的选择。

阻抗式调压室阻抗孔尺寸的选择是设计的关键，应使压力管道传来的水锤波在调压室处得到较充分的反射。增设阻抗后，压力管道末端的水锤压力变化不大；阻抗孔底部在任何时候的压力都不大于调压室出现最高水位时的压力，同时，也不低于出现最低水位时的压力；阻抗孔要尽可能地抑制调压室的波动振幅，加速波动的衰减。

当阻抗孔的面积超过引水隧洞面积的30%时，阻抗的存在对调压室底部和压力管道末端的水锤压力影响甚微；当阻抗孔的面积小于引水隧洞面积的15%时，调压室对水锤波的反射急剧恶化，将会发生水锤波击穿调压室进入引水隧洞的情况。

为了减少水锤对隧洞的影响，双河水电站调压室采用的阻抗孔直径为3.8m，约占引水隧洞面积的26%。

(3)最高涌浪的计算。

按三台机同时全甩负荷计算最大涌浪值，引水隧洞水头损失取小值。

最高库水位高程1 377.5m, 引水隧洞糙率n=0.012/0.026。计算得出:最高涌浪水位高程为1 398.932m。

(4)最低涌浪的计算。

瞬时增加负荷，负荷值由2台增加到3台，上游最低库水位、引水隧洞水头损失取大值。

最低库水位高程1 376m，引水隧洞糙率n=0.016/0.03。计算得出：最低涌浪水位高程为1 360.801m(表1)。

表1　调压井涌浪水位计算成果表

4调压室结构设计

调压室为阻抗式，主要由井筒、底板、阻抗孔口等组成。

调压室井筒为圆形断面，内径16m，调压室顶高程为1 406m，底板顶高程为1 354.04m，阻抗孔直径为3.8m。

双河水电站调压室为埋藏式，内径达16m，围岩以Ⅲ1类为主，局部为Ⅲ2类。由于调压室顶部圆冠形顶拱的拱座开挖和混凝土浇筑施工困难较大，为此，将调压室断面设计成矩形，以便较容易处理顶拱结构。从水力学条件考虑，矩形断面与圆形断面没有差异，但在结构上，矩形断面的受力条件比圆形断面差，井壁衬砌内力较大，尤其是当地质条件不佳时，钢筋用量多，不经济，因此，只需把调压室顶部一段按城门洞形结构处理即可，而对此以下的调压室井身仍按圆形断面设计。

将1 398.5m高程以下的调压室断面设计成圆形断面，1 398.5m高程以上的调压室断面设计成城门洞形断面，最高涌浪水位不超过城门洞直墙高度。

井筒高度为44.46m。由于竖井承受的水头较高且水位变幅较大，竖井井筒采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为1.5m，配筋计算根据各高程处围岩物理力学指标的不同分段计算。