亚曼苏水电站厂区输水建筑物布置优化研究

2021-07-01蒙富强赵桂连

水电站设计 2021年2期

关键词：调压室前池气垫

蒙富强，赵桂连

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

在电站水力过渡过程中，机组丢弃负荷时水力系统内产生水击压强，机组转速升高，设计中必须对两者加以限制，满足规范要求，达到安全可靠、经济合理的设计目的。因此，厂区输水建筑物须结合地形地质条件进行布置，既保证经济合理，又满足调节保证计算要求。

调压室是水电站工程中最常用、最可靠的调压室设施。一般在靠近厂房、地形地质条件较适当部位设置与有压管道相连的调压室，以缩短压力管道长度、减小水流惯性，并使水击波在此处发生较充分的反射，以达到减小水击压强的目的。

在亚曼苏水电站设计过程中，为解决强震区常规调压室高耸带来的稳定安全问题，原设计方案通过缩短压力管道长度满足调保计算要求，既不经济，又产生其他填筑及开挖相关的稳定安全问题，因此，优化方案创新性地采用地面气垫式调压室，很好地解决了工程中存在的问题，减少了投资，又保证了工程的安全。

1 工程概述

亚曼苏水电站位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区乌什县亚曼苏乡境内的托什干河上，是托什干河“2库11级”的第9级克克机格代和第10级牙满苏合并而成的亚曼苏梯级，工程等别为三等中型。亚曼苏水电站开发任务为在满足灌溉和河道生态用水的前提下发电，采用引水式开发，电站进水闸接上游别迭里二级水电站的尾水，利用别迭里电站尾水发电，装机4台，总容量为244 MW。

因此，在技施设计阶段有必要研究采用地面气垫式调压室等方案对厂区输水建筑物布置进行优化。

2 输水建筑物原设计方案

2.1 原设计方案布置

工程厂区输水建筑物包括压力前池及压力管道段。压力前池接引水渠道末端，前池顶高程1 707.33 m，底高程1 691.13 m，设计水位1 705.15 m，池身断面为矩形，池长51 m，宽23.2 m，最大池深16.2 m。压力管道上接前池，采用单管单机的布置型式，均采用钢衬钢筋混凝土管，大机组单机设计引用流量40.2 m3/s，小机组为19.4 m3/s；大机组(70 MW)压力管道共3条，管径由4.5 m渐变到3.8 m，4.5 m管径管长1 399 m，3.8 m管径管长419 m。小机组(34 MW)压力管道共1条，管径由3.8 m渐变到2.7 m，3.8 m管径管长1 399 m，2.7 m管径管长419 m。地面厂房尺寸87.00 m×23.00 m×44.00 m(长×宽×高)，安装3台单机功率70 MW和1台单机功率34 MW的混流式水轮发电机组，总装机容量244 MW。

2.2 原设计方案设计思路及主要问题

亚曼苏水电站若设置地面常规调压室，调压室高度达130 m，结构布置设计难度极大，因此受技术水平所限，原厂区输水建筑物设计思路为尽量缩短压力前池与厂房之间压力管道长度，即采用下移前池、上移厂房、增大单机单管管径减小其流速等工程措施达到不设置调压室的目的。通过计算分析，大机组Tw=2.77 s，小机组Tw=2.30 s，满足规范规定“Tw<4 s时，压力管道可不设置调压室”的要求，且机组调节保证计算的最大转速升高率和蜗壳最大压力上升率也满足规范要求。

由此引水发电枢纽布置采用了“高筑前池、缩短管道、深挖厂房”的布置型式，其前池基础填方高度达23 m，厂房最大开挖深度达89 m。导致厂区建筑物布置不可避免地存在如下主要问题：

(1)“高筑前池，深挖厂房”的布置型式导致厂区枢纽开挖量巨大，覆盖层高边坡问题突出。厂区枢纽靠近亚曼苏断层，工程施工及运行期间高边坡抗震安全问题突出，风险巨大。

(2) “缩短管道”的布置型式导致前池与厂房间距过短，前池漏水对厂房有直接影响。

(3)压力管道“单机单管”布置，导致管内流速非经济流速，工程投资较大。

(4)厂房深挖设计导致开挖弃渣量大，环保、水保工程处理量大。

3 厂区输水建筑物优化调整分析

为解决压力前池高填方、厂区深挖方导致的稳定安全问题，优化设计过程中对前池、压力管道、调压室及厂房的布置进行了深入研究。

3.1 压力前池布置优化调整

针对原设计方案压力前池布置存在的问题，经分析研究确定优化设计思路为：在原前池工程规模基本不变的基础上，沿原轴线上移前池位置，减少前池基础填方高度，从而保证前池的稳定安全。结合前池上下游地质、地形条件，确定三个优化设计方案：

(1)优化方案一(少填方案)。前池位置向上游移约220 m，取水口段、左侧溢流堰及右侧扶壁式挡墙等部分的基础回填高度约3.5 m，前池池身底板基础回填高度约3.5～12 m。

(2)优化方案二(不填方案)。前池位置向上游移约380 m，基础基本没有回填，局部少量开挖。

(3)优化方案三(开挖方案)。前池位置向上游移约600 m，需开挖基础，最大开挖高度约20 m。

三个方案压力前池的布置及稳定要求均满足相关规程规范要求，总体上是可行的，工程量均比原设计方案略有减少；各方案经济投资受压力管道长度变化控制，其中方案一增加的压力管道工程量最少，方案二、三次之。因此，经综合技术经济比较，推荐采用最优的方案一。

3.2 厂房位置优化调整

原厂房位置下游约750 m左右地形相对较陡，750 m后为农田，地形较平缓，因此厂房位置可在下游750 m范围内选择，降低其开挖深度的效果相对明显。结合地质地形条件及设置气垫室调压室后调保成果要求，将厂房移至下游730 m的位置，下移后厂区最大开挖深度由89 m降低到63 m左右，开挖量减少约600万m3。

3.3 压力管道布置优化调整

将前池向上游移约220 m、厂房向下游移730 m后，压力管道长度增加，在不改变管道布置及结构尺寸前提下，机组的调保计算成果必然不满足规范要求。为此，考虑采取了两种可能的方案解决该问题：

(1)设置气垫式调压室方案

若采用常规调压塔，露出地面的调压塔直径约9 m，高度达130 m，地震工况下其整体稳定存在较大问题，对基础承载能力的要求也较高。因此需寻求另外一种可靠的调压室型式，即气垫式调压室，该型式可利用气体的可压缩性降低调压室在高度方向的规模。

我国已建气垫式调压室水电站有自一里、小天都、阴坪等，这些电站建成发电以来均运行正常。本电站装机容量244 MW，额定水头约199 m，若设置气垫式调压室，初步计算其气室气体体积12 685 m3，气垫压力1.31～1.70 MPa，与上述电站调压室相比，其规模是合适的。因此，结合本工程厂区地形地质条件，可采用明显优于常规调压塔的气垫式调压室。

(2)不设置调压室方案

压力管道加长后，若不增设调压室，为满足电站调节保证要求，势必要增加压力管道管径，以致相应管内流速相对原方案更小，从而使压力管道工程投资较大。

通过计算分析，上述两方案的调保参数及结构尺寸见表1，相应的主要工程量见表2。两方案技术上均可行；但设置气垫式调压室方案工程投资明显偏优。因此，压力管道布置推荐采用调压室方案。

表1 两方案的调保参数及结构尺寸对比

表2 两方案的主要工程量对比

3.4 气垫式调压室型式及位置选择

3.4.1 型式选择

气垫式调压室可采用钢球或钢管型式。在满足机组调保要求前提下，钢球形气垫式调压室直径约21 m，钢管形气垫式调压室直径12.0 m，长约165 m。相比而言，钢球形结构受力条件比钢管形稍强，但因其直径较大，对钢管的制造、安装、焊接工艺等要求较高，现场施工难度也相对较大，抗震稳定性相对较差。此外，钢管形结构与基础接触面积大，对基础承载能力的要求相对较低。基于上述理由，推荐采用钢管型式的气垫式调压室。

3.4.2 位置选择

通常情况下，气垫式调压室离厂房机组越近，对水锤波反射的效果越好，并能一定程度上降低机组最大转速上升率。但就本工程而言，气垫式调压室离机组越近，对气垫式调压室的设计要求越高：一方面，越靠近厂房调压室受地形条件限制，其布置高程降低，气室内初始气体压力越高，气室最大压力越大，气垫式调压室的结构设计要求越高；另一方面，布置位置高程降低，要求的稳定体积也越大。此外，气垫式调压室越靠近厂房，调压室上游侧压力钢管承受内水压力越大，钢管壁厚及钢材量均有所增加。因此，需合理选择调压室位置，使其既能满足电站调节保证要求，又能一定程度上控制工程投资。结合本工程地形地质条件，综合调压室规模、结构设计和调保要求，确定调压室位置距厂房机组约700 m。

4 厂区输水建筑物优化调整方案

通过以上优化调整分析，亚曼苏水电站输水建筑物推荐采用“两机一管，增设气垫式调压室”的布置型式。

前池布置在山前冲洪积倾斜平原地面中心高程1 682～1 688 m附近，由连接段、池身段、电站进口闸、侧堰及扶壁式挡墙等组成。引水渠道末端底高程1 700.32 m，前池底板最低高程1 685.20 m，前池正常水位为1 705.05 m，总容积为31 092 m3，工作容积21 294 m3。

压力管道采用“两机一管、气垫式调压室”的布置型式，沿纵向依次分为气室前管段、气室管段、气室后管段及支管段。压力主管长约2 700 m，引用流量分别为80.2 m3/s、59.8 m3/s，管径分别为5.0 m、4.4 m；支管长33～38 m，管径分别为3.1 m、2.2 m。气垫式调压室平行于压力管道纵轴线方向布置，2个调压室与同侧压力管道的中心线间距均为20.0 m；1号调压室总长180.00 m，其中主体室身长90.0 m，断面直径12.0 m，两端渐变段均长45.0 m，由直径12.0 m渐变至直径6.5 m形成闷头。2号调压室总长135.00 m，其中主体室身长45.0 m，断面直径12.0 m，两端渐变段与1号调压室相同。2个调压室底部高程均为1 565.00 m。压力管道及气垫式调压室均采用“明钢管+外包混凝土”型式，气室前管段、气室管段与气室后低压段钢管采用Q345R钢材，气室后高压段、支管段及气室钢管采用600 MPa高强钢，钢管外包钢筋混凝土厚0.5 m。考虑到工程所处环境及冬季运行防冰冻等要求，压力管道采用浅埋回填方式，回填材料为砂砾石土。钢管顶部回填土最小厚度为1.50 m。