双沟水电站引水系统布置及优化

陈立秋,王　超

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林省长春市　130021)

文章编号：1006—2610(2015)05—0033—03

双沟水电站引水系统布置及优化

陈立秋,王超

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林省长春市130021)

介绍了双沟水电站引水系统建筑物的总体布置，引水系统布置充分考虑了地形、地质和交通条件，布局合理、安全经济、运行管理方便，并采取了多项设计优化措施，减少了工程量，加快了施工进度，节约了工程投资。取得经济效益和社会效益。

双沟水电站；进水口；引水隧洞；调压井；压力管道

双沟水电站位于吉林省东南部山区抚松县境内的漫江及松江河上，为松江河梯级第二级电站，枢纽工程由混凝土面板堆石坝、岸坡溢洪道、引水系统及发电厂房等建筑物组成。水库正常蓄水位585.00 m，总库容3.88×108m3，混凝土面板堆石坝最大坝高110.50 m，装机容量2×140 MW，最大发电水头107.50 m，最小水头85.00 m，额定水头97.00 m，加权平均水头101.90 m，多年调节水库，多年平均发电量3.78×108kWh[1]。

引水系统由进水口、引水隧洞、调压井和压力管道4部分组成，采用一洞两机的布置方式。

1　进水口布置

进水口位于大坝左岸上游约850 m处，山体高程510.00～700.00 m，山坡坡度约45°，边坡岩石为灰绿色安山岩，呈中等风化状态。

进水口布置采用竖井式结构，根据发电运行最低水位，同时结合泥沙淤积以及最小淹没深度要求，确定进水口底板高程547.00 m。进水口前部布置3孔拦污栅，孔口尺寸5.50 m×19.00 m(宽×高)。进水口闸门井位于山体内，平面尺寸7.00 m×12.00 m(宽×长)，井内布置1扇检修闸门，孔口尺寸7.6 m×9.9 m(宽×高)。根据水库校核洪水位加安全超高，同时考虑闸门检修、运输等因素，确定进水口拦污栅和闸门检修平台高程590.00 m。闸门井顶部布置检修室和启闭机室，检修室高程590.00 m，启闭机室高程607.00 m。为方便交通，拦污栅平台与闸门检修平台使用交通桥连接，桥长30 m，宽4.8 m，采用2跨混凝土预制交通桥，对外公路可直接与进水口闸门井相接。

进水口采用钢筋混凝土结构，按结构力学法进行计算，拦污栅段、喇叭口段及整流段按闭合框架计算，闸门井筒位于山体内，井筒构架承受外水压力不同按闭合框架分段进行计算[2]。

2　引水隧洞设计

引水隧洞穿过高约200 m的山脊，山体高程510.00～700.00 m，进口段山坡坡度约45°，隧洞出口段山坡坡度约10°～15°，隧洞埋深145～42 m，围岩为紫褐色～灰绿色安山岩，岩质坚硬，呈中等～微风化状态，洞身围岩类别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩。

自进水口闸后渐变段至调压井底洞段为引水隧洞，由进口渐变段、水平直线段、水平转弯段、水平直线段及调压井前渐变段组成。进口渐变段长10 m，进口段至桩号0+557.21 m之间为直线布置，自桩号0+557.21 m后开始平面转弯，转弯角11°，转弯半径30 m，引水隧洞轴线方位角由NW270°调整为NW281°。平面转弯段至桩号0+578.44 m之间为直线布置，方位角为NW281°，调压井前渐变段长15 m。

引水隧洞总长579.44 m，圆形断面，直径9.9 m，引水隧洞衬砌结构按厚壁圆筒方法计算[3]，采用全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度0.6 m，两侧各布置一渐变段，渐变段衬砌厚度均为2.0 m，双层配筋，对引水隧洞顶拱进行回填灌浆，仅对Ⅳ类围岩段进行固结灌浆，固结灌浆孔排距为3.0 m，深入岩石3.0 m，顶拱固结灌浆孔兼做回填灌浆孔，固结灌浆压力为0.5 MPa，回填灌浆压力为0.3 MPa。

3　调压井布置

调压井井身围岩为灰绿～灰褐色安山岩，脉岩为灰绿色闪长玢岩和肉红色花岗斑岩，围岩类别为Ⅲ、Ⅳ类围岩。

考虑结构安全和运行方便，将调压室布置在山体中，根据水库的校核洪水位及工程区地形条件，调压井布置在引水隧洞末端，中心线桩号0+590.44 m，此处山体坡度较缓，周围山体宽厚，未见较大的断层破碎带通过，且下游侧岩石较厚，成井条件较好，不会对厂房后山坡产生不利的影响。调压井为阻抗式，圆筒形结构，内径21.0 m。调压井底板高程545.50 m，地面高程597.00 m，上部布置固定卷扬启闭机室。根据最高和最低涌浪水位，调压井顶高程605.70 m，阻抗板顶高程553.90 m。为保护机组安全运行及防止压力钢管爆裂的危害，引水隧洞在调压井底洞桩号0+578.44 m进行Y形分岔，井内布置了2扇快速事故闸门，孔口尺寸5.0 m×6.4 m(宽×高)，采用平板闸门，在下游侧布置2个直径1.50 m的通气孔。

调压井采用钢筋混凝土衬砌，分岔管段底板厚2.0 m，两侧边墙厚2.0 m，阻抗孔压板厚2.0 m，阻抗孔面积5.0 m×3.9m(长×宽)，调压井井身混凝土衬砌厚度为1.2 m。为加固开挖时对围岩的松动影响，对井身段全断面做固结灌浆，固结灌浆孔排距为3 m，深入岩石4 m。

4　压力管道布置

压力管道洞身段，上覆岩体厚50～60 m，围岩为弱风化安山岩，岩石坚硬，但裂隙发育，岩体完整性差。出口边坡山体高约70 m，洞口附近地形坡度约40°，表部岩石多呈强风化状态，较破碎。

自调压井底洞至厂房上游墙外边线为压力管道，采用两洞两机的布置方式。压力管道自调压井底洞桩号0+578.44 m进行Y形对称分岔，分岔角30°，分出2条压力管道，压力管道长254.10 m和261.26 m，中心间距20.00 m，压力管道均由上平段、斜管段和下平段组成，上平段中心高程548.70 m，下平段中心线高程473.80 m，斜管段坡度i=0.8。压力管道采用钢管外包素混凝土衬砌，钢管内径6.40 m，外衬0.60 m厚素混凝土，钢材选用Q345C钢板。钢蜗壳进口段内径4.76 m，在压力钢管末端布置5.00 m长的渐变段，内径由6.40 m渐变为4.76 m，渐变段后布置一节管节与钢蜗壳相连接。管壁厚度分为14、18、20、24、32 mm和34 mm六种类型，加劲环厚分为20 mm和24 mm两种类型，加劲环高200 mm[4]。

为加固隧洞开挖时对围岩的松动影响，整个压力管道洞挖段全断面做固结灌浆，顶拱做回填灌浆，固结灌浆孔排距为2.4 m，深入岩石3.0 m，顶拱固结灌浆孔兼做回填灌浆孔，固结灌浆压力为0.5 MPa，回填灌浆压力为0.2 MPa，根据敲击情况做接触灌浆，接触灌浆压力为0.2 MPa。

5　水力过渡过程计算主要成果

水力过渡过程计算是引水发电系统设计的一项重要内容，是保证水轮发电机组安全稳定运行的重要条件，而且关系到引水发电系统各建筑物的布置。通过计算，确定引水发电系统大波动的控制参数，评价小波动的稳定性。

主机厂水轮机运行导叶采用2段关闭，在甩负荷过渡过程各工况中，蜗壳进口压力最大值不超过1.45 MPa，尾水管真空度不大于0.08 MPa，机组转速升高不大于50%。为实现引水发电系统设计的技术经济合理性，在进行水力过渡过程大波动计算时，分设计工况和校核工况。根据主机厂给定的机组关闭规律，采用过渡过程仿真计算程序进行了复核计算，蜗壳最大压力为1.37 MPa，尾水管进口最小压力为-0.04 MPa，转速上升最高为54.85%。最高涌波的组合工况是：水库最高发电水位，一台机组满负荷运行，另一台机组从空载增至满负荷，在流进调压室流量最大时，2台机同时丢弃全部负荷，导叶紧急关闭。最低涌波的组合工况是：水库死水位，2台机组满负荷运行、同时丢弃全部负荷至空载，在流出调压室流量最大时，一台机组从空载增至满负荷，再在流出调压室流量最大时，另一台机组从空载增至满负荷[5]。调压井最高涌浪水位为602.50 m，最低涌浪水位为558.70 m，计算结果满足相关规范和保证值的要求。

6　运行的监测资料分析

为了全面掌控引水系统的运行状况，根据引水系统各建筑物的结构特点和围岩地质条件，选取具有代表性的关键部位共布置了8个监测断面，其中引水隧洞布置了4个、调压井布置了2个、压力管道布置了2个。监测内容主要包括外水压力、渗透压力、结合缝开度等。

引水系统各建筑物经过了蓄水期及5个洪水期的运行考验，通过对监测资料的分析，引水系统的渗流、变形等工作状态基本正常，测值规律良好，能反映建筑物在施工期及运行期的工作状态，虽蓄水后局部存在内水外渗点，但经抗外压稳定复核，引水系统各建筑物的围岩及结构整体是稳定的。

7　设计优化的主要成果

引水系统的设计优化主要包括进水口及引水隧洞2部分。在施工过程中，进水口洞脸右侧发现一竖向裂隙及缓倾角断层，且断层倾向库内，局部形成倒悬，直接影响到进水口边坡岩体稳定性及交通桥桥墩的施工。经比较采用锚索及贴坡混凝土方案进行加固处理，在垂直引水隧洞洞线方向布置4根600 kN锚索，深入岩体20 m，保证了进水口边坡岩体的稳定性。按进水口边坡加固处理方案，混凝土预制交通桥方案已不能满足水库下闸蓄水的进度要求，且交通桥桥墩的布置难度加大，为此进行了设计优化，经研究将预制钢筋混凝土交通桥变更为下承式钢结构贝雷桥，并取消了布置在F4断层上部的交通桥桥墩，虽投资略有增加，但简化了施工，极大地加快了施工进度，为水库的按期蓄水提供了保证，经济和社会效益显著。

引水隧洞是控制工程工期的关键部位，为加快引水隧洞的施工进度和简化施工工序，在技施设计阶段，根据开挖后实际揭露出的围岩情况，进行了多次的分析、计算和现场查勘，结合国内外的先进经验，对隧洞结构配筋进行了设计优化，衬砌结构配筋由双层钢筋调整为单层钢筋。引水隧洞衬砌结构设计优化共计节省钢筋460 t，节省投资300余万元，大大加快了施工进度，简化了施工程序，为水库提前下闸蓄水发电起到了决定性的作用，潜在的经济效益和社会效益更加显著。引水隧洞结构优化设计为今后类似工程积累了宝贵的经验，具有推广和借鉴的重要意义。

8　结　语

双沟水电站工程于2004年开工，2010年投产发电。引水系统布置充分结合地形、地质和交通条件，以及建筑物的施工条件、建筑物功能、建筑物运行情况、水力条件、建筑物结构型式等综合因素，通过对引水系统布置的修改、完善，工程布置更加紧凑合理，同时在结构设计上，通过多种理论和方法分析，并采取了多项设计优化措施，在保证结构安全的前提下，减少了工程量，提高了施工效率，加快了施工进度，节约了工程投资，取得了显著的经济效益。

[1]双沟水电站枢纽工程竣工验收设计报告[R].长春.中水东北勘测设计研究有限责任公司,2013.

[2]DL/T 5057-2009，水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国电力出版社,2009.

[3]DL/T 5195-2004，水工隧洞设计规范[S].北京：中国电力出版社,2004.

[4]DL/T 5141-2001，水电站压力钢管设计规范[S].北京：中国电力出版社,2002.

[5]DL/T 5058-1996，水电站调压室设计规范[S].北京：中国电力出版社,1997.

Arrangement and Optimization of Headrace System, Shuanggou Hydropower Project

CHEN Li-qiu, WANG Chao

(China Water Northeastern Investigation Design & Research Institute Co., Ltd.,Changchun, Jilin130021, China)

The general layout of the headrace system of Shuanggou Hydropower Project is described. The layout of the headrace system, with full consideration of topography, geology and access conditions, is rationally arranged. It is safety, economic and convenient for operation management. Furthermore, a couple of design optimizing measures are taken so that work quantity is reduced, construction is expedited and investment is decreased. Both economic and social benefits are achieved. Key words:Shuanggou Hydropower Project; power intake; headrace tunnel; surge shaft; penstock

2015-02-04

陈立秋(1974- ),女,辽宁省葫芦岛市人,高级工程师，主要从事水利水电工程管理工作.

TV732

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.009