某大型多岔调压井设计

2020-11-20张利平朱颖儒

陕西水利 2020年8期

张利平，朱颖儒

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

1 工程概况

某水电站为混合式电站，主要工程任务是发电。水库正常运行水位为579.00 m，相应库容为82.96×106m3，最低运行水位为530 m，相应的调节库容为61.20×106m3；电站总装机容量750 MW（5×150 MW），多年平均净电量2439 GWh，年利用时间3653 h[1]。

该电站引水系统主要建筑物包括进水口、引水隧洞、调压井和压力管道。引水系统总长约5.2 km，引水隧洞衬砌后直径11.4 m，在引水隧洞末端约4.5 km 处设置调压井。引水隧洞通过调压井分岔为五条压力管道，每条压力管道各设置一道检修门，一道事故闸门，孔口尺寸均为4.8 m×4.8 m。调压井采用阻抗式，阻抗的作用在于减小调压井水位升高值和降低值，从而减小调压井的容积，本工程设计检修门门槽与调压井联通，检修门槽兼做阻抗孔[2～3]。调压井采用2 m 厚钢筋混凝土衬砌，调压井大室断面内径32.00 m，开挖底部高程481.50 m，井顶高程615.00 m。为了调压井事故闸门的检修维护，调压井下游设置事故闸室，并通过一条永久交通洞与外部交通相接，交通洞断面为城门洞型，尺寸为6 m×7 m。调压井布置见图1。

图1 调压井布置

2 工程地质条件

调压井位于山梁部位，其地下水排泄条件较好，调压井整体位于地下水位以上。调压井高程570.00 m 以上井壁稳定性差，为Ⅳ类围岩，506.00 m～570.00 m 段井壁稳定性一般，围岩为Ⅲ类，断层破碎带及裂隙密集带段为Ⅳ类围岩。

调压井段岩体中裂隙主要分为3 组，第①组产状NW 276°～300°SW∠53°～69°，裂隙一般宽0.2 cm～0.3 cm，充填岩粉，钙膜，局部为石英脉，地表裂隙张开，无充填，胶结一般，该组倾角陡，对调压井井壁稳定不利；第②组产状NE35°～73°SE∠60°～80°，宽0.1 cm～0.3 cm，充填岩片、岩屑，面平直较光滑，倾角陡，对调压井井壁稳定不利。第③组为片麻理面裂隙，NE50°～85°NW∠15°～25°，充填岩屑，局部充填石英脉，胶结一般，面平直稍粗糙。调压井围岩物理力学参数见表1，裂隙结构面力学参数见表2。

表1 调压井围岩物理力学参数表

表2 结构面力学参数

3 调压井岔管水头损失计算

引水隧洞经调压井分岔后与五条压力管道相接，此部位的水头损失无法按照相关规范计算。为了明确该部位局部水头损失，保证总水头损失满足标书要求，通过模型试验对调压井及岔管局部水头损失进行了验证。

分别选取从单台机发电直到五台机同时发电时其余不同机组组合发电的所有工况进行了试验，模型按重力相似和阻力相似准则设计，根据试验内容要求、原型水流特性、建筑物尺寸并结合试验场地及仪器设备等条件，确定模型几何比尺为：Lr=40，则相应的其它水力要素比尺为：流量比尺：Qr＝Lr2.5＝10119.29；流速比尺：Vr＝Lr0.5＝6.32；糙率比尺：nr=Lr1/6＝1.85[4]。分别在引水隧洞及发电洞选取截面布置测压孔，截面选取位置见图2。

图2 模型试验布置图

同时在假定描述水流运动的控制方程是连续性基础上，根据经典牛顿力学建立的连续性方程以及Navier-Stokes 方程（N-S 方程）对结构水力学进行数值模拟分析。计算中视水流为不可压缩流体，密度为常数[5～6]。上游库区为定水位边界条件，出口设置为自由出流。计算时通过改变出口断面的开度及上游库区水位，控制各岔管出口的流量。数值分析模型见图3，表3 及表4 给出了1 台机及5 台机发电时模型试验与数值模拟分析的结果。

图3 水力学数值分析模型

表3 1 台机发电时模型试验与数值模拟分析结果

表4 5 台机发电时模型试验与数值模拟分析结果

（1）试验和模拟结果表明，1#、2#、3#、4#、5#岔管的最大局部水头损失系数分别为0.524、0.449、0.320、0.445、0.520。其中1#和5#岔管轴线与主管中心线的夹角最大（60°）且平面转弯最大，局部水头损失系数较大；2#和4#岔管轴线与主管中心线的夹角较小（30°）且平面转角较小，局部水头损失系数较小；3#岔管与主管中心线的夹角为0°，平面无转弯，因此局部水头损失系数最小。正常发电工况下各岔管的最大局部水头损失依次为0.74 m、0.64 m、0.45 m、0.63 m、0.74 m。

（2）试验值比模拟值略大。岔管体型中的弯道渐变段计算中难以实现，模拟中5 个岔管均简化为渐变段加直段，尽管按照弯道进行了修正，但是与实际仍然存在差异，所以局部水头损失系数略小。

（3）1 台机组发电时水头损失系数比5 台机组发电时略大，正常发电工况时1 台机发电时水头损失最大，试验值为0.74 m，计算值为0.61 m。这是由于两方面的原因引起的，一是因为1 台机发电时水流从直径为11.4 m 的圆管突缩为直径为4.8 m 的圆管，突缩严重，水头损失较大；二是1 台机发电时水流发生绕流，而5 台机发电时水流比较平顺，所以1 台机发电时水头损失系数略大。因此，设计时选取了1 台机发电时的试验结果，引水系统布置方案满足标书规定的水头损失要求。

4 调压井围岩稳定及衬砌结构分析

4.1 围岩稳定分析

调压井一期支护采用锚喷支护型式。挂网喷混凝土，厚10 cm；513.00 m 以上的系统锚杆采用直径32 mm，长度6.0 m/4.5 m间隔布置，间距2 m×2 m（水平向×竖直向）矩形布置；481.50 m～513.00 m的系统锚杆采用直径32 mm，长度9 m，间距2 m×2 m（水平向×竖直向）矩形布置，采用Midas GTS NX 专业岩土软件建立调压井围岩稳定三维有限元模型，调压井围岩稳定分析整体模型见图4。初始地应力按自重应力场考虑，计算围岩在初始地应力下调压井开挖后的围岩塑性区、变形、应力、锚杆应力等，针对不同的侧压力系数k=0.6、0.8、1.0、1.2，分析调压井开挖对围岩塑性区和围岩变形、锚杆应力的影响。依据块体理论对几组裂隙可能组成的块体进行块体稳定分析。

图4 调压井围岩稳定分析整体模型

（1）由自重产生的地应力场环境下，调压井周围的主应力σ1=-0.48×103kPa～-3.58×103kPa，σ2=-0.22×103kPa～-1.40×103kPa，σ3=-0.14×103kPa～-1.06×103kPa。侧压系数k≈0.4。

（2）在自重初始应力场下，调压井开挖结束后，围岩塑性区主要集中在高程513.00 m 以下，塑性区在围岩中的最大延伸深度约13.5 m，水平变形为8.1 mm，是竖井开挖洞径36 m 的0.023%。98%的锚杆拉应力在250 MPa 以下，锚杆最大拉应力值为384.9 MPa，小于锚杆屈服强度450 MPa。

（3）围岩侧压力系数k=0.6、0.8、1.0、1.2 时，围岩塑性区最大深度13.8 m～14.1 m。最大水平变形为8.6 mm～16.1 mm，是竖井开挖洞径36 m 的0.024%～0.045%。锚杆最大拉应力为265.5 MPa～366.7 MPa，小于钢筋屈服强度450 MPa。

（4）由块体稳定分析可得：

1）在围岩中延伸深度较大的块体，自然状态下即不考虑支护，安全系数大于1.5。

2）在喷锚系统支护下，井壁上所有楔形体安全系数大于1.5，说明一期支护措施满足要求。

3）在施工开挖过程中，如果一期系统支护措施不及时或不支护，由于开挖卸荷，岩体松弛的影响，岩体的结构面凝聚会大幅度降低，甚至降到0，当c'=0 时，部分块体的安全系数小于1.0，因此，若不及时施加一期系统支护措施，围岩就会发生渐进性的剥落或塌落破坏，拖延的时间过长，甚至会导致较大的塌方。

（5）三维有限元计算出高程513.00 m 以下的塑性区部分深度已经大于锚杆深度，但90%锚杆长度已经穿过围岩塑性区或大于70%的塑性区深度；块体稳定分析时，该部位块体处于稳定状态。高程513.00 m 以上的锚杆长度基本穿过塑性区深度。整个调压井的开挖期，喷锚支护措施下不稳定块体的安全系数均大于允许安全系数，因此，可以认为一期系统支护措施基本能够维护围岩整体稳定，支护参数是基本合理的，但要注意开挖揭露地质条件变化，依据揭露的地质特性，做好竖井开挖支护的动态调整。

4.2 衬砌结构分析

调压井二期永久支护采用2 m 厚混凝土衬砌，井壁固结灌浆入岩4 m，间排距3 m。调压井承受最大内水压力128.30 m，水头高，结构尺寸大，衬砌结构计算难度大。根据《Tunnels and Shafts In Rock》（EM 1110-2-2901）[7]所列工况对调压井结构进行三维整体有限元计算分析。针对不同结构型式，对事故闸室及井筒分高程进行计算结果分析，给出不同断面的配筋原则。结果表明，阻抗板配置双层T32-150 钢筋；事故闸室上游墙单独承担内水压力，在该荷载作用下，需配置双层T32-150+单层T40-150 钢筋；井筒部位高程由低到高钢筋配置由三层T32-150 到双层T25-150。