某水电站引水系统优化设计研究

2018-10-22陈子河

四川水力发电 2018年5期

关键词：沉沙池调压室支管

陈子河

(四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 概述

某水电站采用低闸长引水开发方式，设计引用流量为9.99 m3/s，装机容量为78 MW，年平均发电量为4.127亿kW·h ，年利用小时数为5 291 h。

该水电站主要枢纽建筑物由首部枢纽建筑物和左岸引水发电建筑物组成。其中首部枢纽建筑物包括溢流坝、泄洪冲沙闸、取水口、前池(兼作一级沉沙池)及侧堰、进水口等，左岸引水发电建筑物包括引水隧洞、地下沉沙池、调压室、压力管道、地下厂房等。

该电站前期设计时因缺少勘探资料，引水系统采用了低压引水隧洞、阻抗式上游调压室、高压压力钢管的常规布置方式。

2 原设计方案存在的主要问题及优化设计思路

(1)原方案中引水系统上游调压室布置在较高的位置，通往调压室顶部的道路布置困难；

(2)引水系统水流惯性时间常数与机组加速时间常数的比值Tw/Ta接近0.4，且考虑到电站装机容量在电网容量中所占的比例小，研究通过适当调整机组参数、取消上游调压室的可行性；

(3)取消上游调压室后，增大了引水隧洞纵坡，压低了隧洞末端和钢管起点高程，减少了引水隧洞与压力管道总长度；

(4)Ⅱ类围岩洞段采用锚喷作为永久支护，Ⅲ类、Ⅳ类和V类围岩隧洞段采用钢筋混凝土衬砌，研究将Ⅲ类围岩洞段改为锚喷支护；

(5)压力钢管采用Q345R和Q690D两种钢材，而Q690D钢衬焊接要求较高、造价偏高；考虑到围岩承载能力，研究了压力钢管全部采用Q345R钢材的可行性。

3 引水系统的基本地质条件

根据进一步勘探和现场查勘取得的地质资料，得知该电站具有引水系统沿线地质条件好的特点。

该引水系统沿线地质构造简单，为稳定的单斜构造区，未见较大规模的断裂与褶皱发育。岩体风化不强烈，未见强风化岩体；弱风化岩体厚度一般埋深40～50 m，且引水系统大部分处于微风化～新鲜岩体中。

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引水隧洞所处的山体雄厚，洞室埋深为50～600 m，岩石主要为石英岩、片麻岩，高地应力不突出;以Ⅲ类围岩(70%)为主，Ⅱ类围岩约占10%，Ⅳ类围岩约占20%，V类围岩占比很小。

调压室、压力管道所处的岩体主要为石英岩、片麻岩， Ⅱ类围岩约占40%，Ⅲ类围岩约占55%，Ⅳ类围岩约占5%。

4 引水系统的设计优化

根据新取得的地质资料，结合近年来水电站引水系统设计取得的技术进步成果，开展了引水系统优化设计研究工作。

(1)该电站装机容量为78 MW，额定水头为940 m，引用流量为9.99 m3/s，具有额定水头高、引用流量小的特点。原设计方案中的引水隧洞全长4 546.508 m(含地下有压沉沙池)。隧洞开挖断面为城门洞型，断面尺寸均为3 m×3 m。根据围岩类别的不同，隧洞分为两种不同的支护衬砌型式：Ⅱ类、部分Ⅲ类围岩洞段采用锚喷支护，过水断面2.8 m×2.7 m，流速1.45 m/s；部分Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类围岩洞段采用钢筋混凝土衬砌, 过水断面2.2 m×2.3 m，流速为2.13 m/s。原设计方案中压力管道全长2 307.654 m，其中主管段长2 279.861 m，支管段长27.793 m。主管管径分为5级，由1.6 m逐级调整到1.2 m，流速为4.97～8.83 m/s。支管分为主支管和支管，主支管管径为1.1 m，流速为7.01 m/s；支管管径为0.8 m，流速为6.62 m/s。

根据原设计方案中的引水建筑物、机组特征参数，计算水流惯性时间常数Tw为2.12 s。因该电站装机容量仅为78 MW，在电网容量中所占比例较小。笔者参考已竣工发电的玛依纳电站和南湃电站(未设置调压室)，其Tw/Ta均大于或接近不设置调压室临界值0.4，两电站运行情况良好(表1)。

表1 未设置调压室水电站主要参数表

采用优化后的引水建筑物、机组特征参数，计算出的水流惯性时间常数Tw为2.06 s，机组加速时间常数Ta为5.31 s，Tw/Ta为0.39，满足规范中规定的可不设置调压室的要求。

优化后的项目若不设调压室，采用以下措施能够确保机组运行的稳定性和安全性：

①将水轮发电机组的GD2由90 t·m2增加至95 t·m2，通过增加Ta值，使Tw/Ta<0.4；

(2)原设计方案中引水隧洞坡度较缓，进水口至沉沙池段的纵坡为2%，沉沙池至调压井段的纵坡为0.25%，引水隧洞全长4 546.508 m。压力管道采用单管三机方案，由五段平段、四段斜井段组成，平段由斜井连接，主管全长2 279.861 m，支管段长27.793 m。引水线路全长6 854.162 m。

设计优化按隧洞最大施工坡度不超过8%作为控制条件对引水线路纵坡进行了调整。引水隧洞进水口至沉沙池段的纵坡为2%，沉沙池至调压井段的纵坡为7.743%，引水隧洞全长4 674.911 m。压力管道采用单管三机方案，由四段平段、三段斜井段组成，平段由斜井连接，主管全长1 986.12 m，支管段长27.793 m。引水线路全长为6 688.824 m，较原设计方案引水线路短165.338 m。

(3)引水隧洞沿线埋深为50～600 m，除进口段20～25 m为弱风化岩体外，其余段均为微风化～新鲜岩体，隧洞沿线围岩为石英岩夹片麻岩、片麻岩。隧洞中前段节理为中等发育～较发育，岩体完整性差～较完整，岩体以镶嵌结构～次块状结构为主，少部分为块状结构。隧洞中后段节理轻度发育～不发育，岩体较完整～完整，岩体以块状为主，少部分为次块状与整体状。

原设计方案中对Ⅱ类、部分Ⅲ类围岩洞段采用边顶拱喷锚(厚10 cm)与底板素混凝土支护(厚20 cm)，部分Ⅲ类、Ⅳ类和V类围岩洞段采用钢筋混凝土衬砌(厚30 cm，限裂设计)。

笔者分析了国内已投产发电的高水头电站，由于大多数隧洞沿线围岩条件好，引水隧洞多采用透水衬砌，从而大大节约了工程投资(表2)。