长隧洞复杂地形地质条件调压室设计

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；2.云南省调水中心，云南 昆明 650051)

在山区河流建设开发引水式水力发电站，通常需要通过较长的压力引水道引水，由于地形、地质条件限制，压力引水道在靠近发电厂房处常会突降成很陡的压力管道才能引入厂房。这时在压力引水隧洞与压力管道交界处常需要设置调压室，目的是以形成水击的反射条件，减轻或避免水击波进入压力引水隧洞，减小压力管道及水轮机的水击压力，同时改善机组的运行条件及供电质量。

调压室的类型和结构布置通常取决于压力水道系统布置、沿线地形地质条件、机组运行参数和电站运行稳定性等因素。对于特长压力隧洞和高水头发电站，如果采用调压室单一的基本类型，难以充分发挥其在引水系统中的功能作用，因此，为满足运行稳定和节约投资，还需结合实际，综合单一调压室类型的优点设置成混合型调压室，才能真正充分发挥其作用。油房沟水电站就是长隧洞、高水头水电站，上游调压室设计采用了阻抗式带上室，上室与井筒连接段采用压力管道型式，上室布置成“V”字型结构，其设计独特，有创意、比较新颖。

1 工程概况

油房沟水电站位于云南省昭通市大关县悦乐乡境内，为金沙江横江上游支流洒渔河梯级开发的第四级径流式单一发电水电站，取水枢纽距发电厂房约14km。电站上游已建大(2)型的渔洞水库，水库对下游河段梯级水电站具备枯季调节补水能力，提高枯季出力效益。

油房沟电站水库正常蓄水位926.0m，死水位917.7m，水库总库容83.7万m3，总装机容量2×34MW，设计引用发电流量46.7m3/s，设计额定水头171m，多年平均发电量30365万kw.h。工程主要由拦河闸坝、引水隧洞、调压室、压力管道、厂房和升压站组成。枢纽拦河坝为混凝土闸坝，坝顶轴线长83m，坝高28m，主要布设有泄洪、冲沙及溢流堰等建筑物；取水口为塔式进水口，布置于大坝上游左岸，塔高20m，为侧向取水，引水隧洞总长10977m，为有压圆形断面，其中隧洞左岸段长5766km，经跨河桥跨越洒渔河后进入右岸，末端接调压室，调压室为带上室阻抗圆筒式，垂直井筒高58m内径5.5m，上室为地面式矩型断面，底板高程928m；压力管道为地下埋管布置，主管总长415m，采用一管双机联合供水方式；厂区布置在洒渔河与油房沟交汇处的右岸河滩上，包括主厂房、副厂房及开关站，地面厂房机组安装高程711.0m。

2 工程区地形地质条件

油房沟水电站调压室位于渔堡东侧平缓岸坡梯田中，坡地高程915～950m，地形上呈西宽东窄的三角形缓坡，坡度约为15°，整个山坡为一浅层崩坡积体，表层覆盖为第四系崩坡积褐灰色、棕黄色及浅灰色黏土、砾质黏土夹孤、块石，结构松散，局部架空，铅直厚度约6.5m，水平厚度约10m。F9断层从调压室北东25m的位置穿过，断层及影响带总宽约26～30m，带内岩体风化破碎强烈，局部呈散体结构。调压室布设位置为自然山坡，坡体自然稳定性一般，地面开挖形成的边坡由崩坡积及全风化岩体组成，结构松散，强度低。具体为地表深度0～14m为崩坡积层覆盖，结构松散，稳定性差，4m以下为下伏全强风化灰岩、泥质灰岩，受F9断层影响，井筒围岩破碎，局部为溶洞堆积物；地表深度14～56m为弱风化灰岩、泥质灰岩、砂质灰岩及长石石英砂岩，强度高，稳定性较好，属Ⅲ类围岩，施工时易产生掉块、局部会产生坍塌。调压室地质剖面图如下页图1所示。

3 调压室结构型式的确定

3.1 技术可行性比较

根据布设调压室的地形地质条件和引水系统的水力特征参数值，考虑施工方便和运行期的安全与管理，初拟引水系统调压室为简单圆筒式、设上室的简单圆筒式和设上室的阻抗式等三种型式从技术可行方面进行综合分析[1]。从调压室井筒高度看，经初步调算，简单圆筒式调压室的井筒高为99m，对于设上室的简单圆筒式和设上室的阻抗式，在两种型式调压室的上室底板高程相同的情况下，两种调压室的井筒高(包括斜井段)分别为75m和69m；从工程区域的地形地质情况分析，调压室区域地形平缓，坡度仅为15°，第四系覆盖层浅，厚度仅为6.5m，基本具备布设上室的条件；从运行期间水力学情况分析，虽然简单圆筒式较阻抗式对调节水锤波的反射作用好，对蜗壳产生的水锤压力相对较小，但是作为阻抗式调压室，只要选择合适的阻抗孔尺寸，它对水锤波的反射、蜗壳产生的最大压力和调压室底板压力差的影响是甚微的，并且在水库校核洪水位机组突甩负荷时对上室的容积和水位高度影响较为明显，即上室的高度比简单式上室的高度要低、容积小[2]；从施工和安全角度考虑，简单圆筒式的上室边墙较阻抗式的高，底板单宽面积大，都不利于施工和运行期间的安全管理。因此，通过以上技术性的综合分析比较，选择带上室的阻抗式调压室型式对该水电站工程。

图1 调压室地质剖面图

3.2 投资合理性选择

根据水电站各建筑物的水力边界条件及相关特性参数，对简单圆筒式、设上室的简单圆筒式和设上室的阻抗式调压室进行水力计算，确定各型调压室的具体结构及尺寸，并对各型调压室建筑物的主要工程量进行简单的投资指标计算分析[3]。计算结果见右表。

通过三种型式调压室主要工程量的投资比较，对简单圆筒式，仅从调压室的主要工程量投资看均比其他两类调压室少，但是由于产生的最高涌浪水头压力较其他两类调压室高约30m，导致引水隧洞后段的钢筋衬砌混凝土用量和压力钢管道的管壁厚度增加，经初步计算，两项建筑物增加的工程量投资约为107万元，另外由于压力水头增加较为明显，机组突甩负荷时产生的最大水锤压力对蜗壳的瞬时压力影响较大，因此从投资的角度考虑简单圆筒式调压室是不经济的。对于带上室简单圆筒式和带上室阻抗式调压室，前者投资超出后者约40万元，超出的投资额占主要投资额比例约为10%，虽然前者在甩荷时对水锤波反射效果更好，但后者在合理增设阻抗孔后，更有利于抑制水位的波动幅度和加速波动的衰减进程。

调压室主要工程量投资统计表

因此，通过以上对简单圆筒式、设上室的简单圆筒式和设上室的阻抗式调压室从技术和投资角度的分析研究，设上室的阻抗式调压室，不仅是从投资还是技术方面都是比较合理、可行的。因此，油房沟水电站选择带上室的阻抗式调压室。

4 带上室阻抗式调压室布置设计

4.1 井筒与阻抗孔尺寸设计

由于带上室阻抗式调压室的数学模型计算极为复杂，水力边界条件不确定性因素较多，选择合适的阻抗孔尺寸又非常重要。因此，数学模型计算根据电站水库水位的特征参数、引水系统隧洞长度、洞径及隧洞衬砌型式和发电机组的相关特性参数[2]，计算结果以满足调压室稳定要求为前提，经初步计算调压室稳定断面直径为6m，为进一步验证调压室直径取值的合理性和设置的阻抗孔断面是否可行，通过水工模型试验进一步进行了论证，水工模型试验的成果调压室稳定断面尺寸可优化为直径5.5m，较数学模型计算的结果值略小，并且优化后稳定断面对引水系统小波动仍然是稳定的，因此结合水力模型试验的成果建议，最终选择调压室井筒断面直径为5.5m作为设计成果。

另外，阻抗式调压室选择合适的阻抗孔口尺寸直接关系到机组丢弃负荷后调压室涌浪水位和水轮机蜗壳内水压力升高值。根据水电站调压室设计规范，阻抗孔口面积与调压室底部引水道面积比不应小于15%。按照油房沟水电站引水隧洞衬砌后洞径4.4m，设计水头为210m略偏高的特点，设计考虑适当增大阻抗孔口面积，不仅有利于水锤波在调压室的反射，同时有利于机组丢弃负荷后降低对蜗壳产生最大的水锤压力。因此，基于以上各方面的因素，选定阻抗孔口直径范围为2.0～2.8m对调压室最高涌浪水位、蜗壳最大压力和调压室底板压力差进行数学模型计算和水力模型试验进一步验证，通过对主要过渡工况的计算和试验[4]，最高涌浪水位在931.6～932.9m之间，蜗壳最大压力值在238.5～229.4m之间，阻抗孔向上的最大压力值在22.6～6.9m之间(以上三项结果是按上室长度100m实施的计算)，其中阻抗孔口直径为2.3m时，最高涌浪水位932.2m，蜗壳压力值为232.6m，阻抗孔向上的压力值为14.2m，具体详见图2～图4。从三个不同特征曲线图可以看出，以阻抗孔直径2.3m为分界点，当阻抗孔口尺寸等量减小或增加，调压室最高涌浪水位、蜗壳最大压力和阻抗孔向上的最大压力变幅值在一定程度均出现不等量变化，尤其是蜗壳产生的最大压力值不等量变化较为明显，在阻抗孔口直径为2.2m和2.4m时，其蜗壳压力值分别为234m和232m，2.2m阻抗孔直径对蜗壳压力值的影响是明显的。因此，结合机组特性要求，选2.3m作为油房沟水电站调压室阻抗孔直径的设计值更趋于合理。

图2 油房沟水电站调压室主要过渡工况计算

图3 油房沟水电站主要过渡工况计算

图4 油房沟水电站调压室主要过渡工况计算

4.2 调压室上室布置设计

根据油房沟水电站调压室区域的地形情况，对上室采用三种方案进行综合比较，分别为沿地形“V”字型矩型断面布设、浅埋式城门型布设和非标准矩型大断面露天式布置。三种方案各有优缺点，对于浅埋式城门型方案，其优点是位于地下，建成后便于运行管理，经济安全，不足之处是该区域地表深度0～14m为崩坡积层覆盖，结构松散，稳定性差，施工期开挖难度较大，施工安全风险高，开挖一次支护及永久衬砌工程量较大；对于非标准矩型大断面露天式方案，其优点是地面开挖施工方便，安全风险小，缺点是地表断面积大，地质条件差，基础处理投资高，由于是露天式，建成后不利于管理，安全风险难以控制；对于“V”字型布设的矩型断面方案，根据实际地形情况，采用沿地形走向布局是最合理的，其开挖量小，施工难度低，建设成本更合理，由于矩型断面跨度小，顶板与边墙可一次性采用混凝土浇筑封闭，运营管理方便，安全可控。因此，综合分析确定采用“V”字型矩型断面布设作为设计方案。

根据初步拟定的上室结构断面和布置形式，结合各建筑物的水力边界条件，对调压室上室的主要过渡工况进行水力模型试验进行论证，确定采用净断面宽高为5.5m×6.2m长70m的矩型断面“V”字型布设。根据水力模型试验调节保证计算成果[4]，在上游水库校核洪水位926.5m时机组丢弃全负荷，调压室最高涌波水位为933.272m，上室中最大水深5.272m。其涌波图如图5所示。

图5 水库校核洪水位926.5m，2台→0台，调压室最高水位波动简图

在水库最低发电水位917.70m时，发电机组由1台→2台运行，最低涌波水位869.273m，其涌波图如图6所示。

图6 水库最低发电水位917.70m，1台→2台，调压室最低水位波动简图

蜗壳进口最大压力为234.93m，机组最大转速升高至57.8%，尾水管最小压力大于-8m，其压力升高图如7所示。

图7 水库正常水位926.0m，2台→0台，蜗壳压力升高简图

从以上调节保证计算成果，在各种不利组合工况下，调压室的最高最低水位和蜗壳压力升高值都能满足《水电站调压室设计规范》(NB/T 35021—2014)要求，因此油房沟水电站调压室上室的结构布设及尺寸确定的是可行的。

4.3 调压室井筒与上室结构的连接设计

根据确定的井筒位置和上室的布设情况，受地形条件的限制和F9断层的影响，对井筒与上室的连接采用了两种方案进行比选设计：ⓐ沿地形坡度采用混凝土有压斜管方式连接；ⓑ采用渡槽引渠方式连接。两种方案从技术上均是合理可行的，但从投资角度分析，由于渡槽引渠方案排架最大高度达到15m左右，排架基础处理投资增加，综合投资计算混凝土有压斜管更省，且便于运行管理。因此，连接段最终选用混凝土有压斜管进行连接。油房沟水电站调压室布置简图如图8所示。

图8 油房沟水电站调压室布置简图

5 结 语

油房沟水电站是长隧洞高水头复杂引水系统的水力发电站，调压室设计受长隧洞和地形地质条件的影响，结构布置和水力计算边界条件较为复杂，通过合理选型和独特的结构布设，并结合水力模型试验验证其合理可行，工程建成投运至今，引水系统运行正常、安全可靠，运行效果总体良好。对其他类似有压引水系统调压室设计具有一定的参考价值。同时有以下几点经验值得总结和应用分享：

ⓐ对于特长引水隧洞和高水头水电站，引水系统中调压室应设置成阻抗式+上室的混合型结构调压室，充分发挥基本单一性调压室的优点，这样的调压室既经济，运行又比较稳定。

ⓑ对于阻抗式带上室的复杂型式调压室布置设计，地形地质条件对上室的布置尤为重要，设置上室是为最大限度降低井筒的高度，但是要求的上室断面面积较大，从投资和运行安全的角度考虑，需要结合地形情况对上室进行综合分析比较，结构设计需要有创新。

ⓒ对于阻抗式带上室调压室，由于受水力边界条件的影响，数值计算较为复杂，不确定性因素较多，为保证计算过程中取值的合理性，建议对设计方案采用水力模型试验进行进一步验证，确保工程的运行安全。