涵管冲击消能箱在某电站引水技术改造工程中的应用

唐志波，周家文，朱 熙

（四川大学水利水电学院,四川 成都 610044）

1 工程概况

1.1 项目背景

某电站系无调节性能的引水径流式电站,电站装机3×630 kW。根据2017 年政府相关文件的要求：地处集中式饮用水水源保护地一级保护区内的某电站应立即关停,停止一切生产、经营活动（保留现有水流导向）。

2017 年7 月31 日某电站停产,停产前首部枢纽、无压引水隧洞、压力管道、主厂房、尾水渠等建筑物运行良好。停产后除电站不再发电外,仍然保留原有水流导向,采用首部枢纽、无压引水隧洞、压力管道、尾水渠等跨流域引水。

本次改造工程是响应政府有关环境保护的指示,将电站厂房及机组全部拆除,只保留现有水流导向跨流域引水。为确保压力管道等结构的安全运行和尾水能量得到有效消减,本次工作主要有：对压力管道明管段采用混凝土包管加固处理,压力管道引水后在原机组位置采用涵管冲击消能箱进行消能处理。

1.2 原设计项目概况

某电站由首部枢纽、无压引水隧洞、压力管道、主厂房、尾水渠等部分组成。

首部枢纽由底格拦栅坝、进水控制闸等部分组成。底格拦栅坝坝顶高程1108.10 m,建基面高程1100.60 m,最大坝高7.5 m,坝底宽15.24 m,坝轴线长27 m。进水口控制闸布置在左坝肩,设B×H=1.5 m×3.0 m潜孔式平面钢闸门一道,进水闸底板高程1104.90 m。

无压引水隧洞总长1995 m,纵坡为1/1000,隧洞断面为城门洞型,采用C20 砼衬砌,厚度为30 cm,净宽2.0 m,净高3.0 m。

压力管道进口中心线高程为1101.60 m,出口中心线高程为1056.30 m,主管长100.5 m,管径为1.4 m（壁厚12 mm钢管）。原设计压力管道平面布置图见图1,原设计压力管道纵剖面图见图2。

图1 原设计压力管道平面布置图

图2 原设计压力管道纵剖面图

某电站主厂房机组轴线与厂房纵轴线平行、管道卜型分岔,主厂房安装三台卧式水轮发电机组,机组间距8.4 m,主厂房长34.40 m,宽10.0 m,地坪高程1057.40 m。原设计厂房纵剖面图见图3,原设计厂房横剖面图见图4。

图3 原设计厂房纵剖面图

图4 原设计厂房横剖面图

尾水渠首端底板高程为1056.25 m,坡度为1∶200,为M7.5 浆砌卵石渠道,净宽2 m,净高0.95 m。

2 工程地质

2.1 地层岩性

工程区内出露的地层主要有：三迭系须家河组和第四系全新统冲洪积地层现由老至新简述如下。

三迭系须家河组下段,主要岩性为厚－中厚层状长石石英砂,含泥质灰岩夹黑灰色炭质页岩、粉砂岩。灰质页岩中常夹有煤线及薄煤层。弱风化,岩石较坚硬,主要分布于压力管道边坡及厂区。

第四系全新统河流冲积,岩性为砂卵石层,卵石成分主要为花岗岩、砂岩、灰岩等,冲积层厚5 m~7 m。

2.2 建筑物区工程地质条件及评价

本次技改工程主要有两项内容,一是对压力管道明管段进行混凝土包管处理以加强压力管道的稳定性,二是在厂房区对压力管道出口水流进行消能,在厂房内原机组位置设置3 个涵管冲击消能箱。

消能箱位于电站厂房内原机组位置,1#、2#、3#机涵管冲击消能箱净空尺寸均为B×L×H=3.5 m×2.0 m×3.94 m,外轮廓尺寸为B×L×H=4.3 m×2.8 m×4.59 m,采用C30 砼浇筑,边墙厚40 cm,底板厚50 cm,顶板厚15 cm。厂房基础为砂卵石层,中密,允许承载力为0.4 MPa,本次消能箱基础为砂卵石层,承载力均能满足设计要求,工程地质条件较好。

3 技术改造方案设计

3.1 方案选择

根据现场踏勘,由于技术改造,需将电站厂房及机组全部拆除,仍然保留原有水流导向跨流域引水。根据现场情况,现提出三种方案进行技术经济比较。

方案一：压力管道末端设置流量调节阀,管道出口设置涵管冲击消能箱进行消能。

方案二：对原有压力管道明管段采用包管处理进行加固,管道出口采用常规消力池进行消能。

方案三：对原有压力管道明管段采用包管处理进行加固,管道出口采用涵管冲击消能箱进行消能。

根据技术经济比较,若采用方案三较之方案一投资更省,更安全可靠,运行管理更方便。较之方案二因涵管冲击消能箱为封闭结构较之常规露天消力池更加安全,更加节省空间,与前后建筑物衔接更协调,且在相同弗劳德数下,涵管冲击消能箱较底流消力池消能效率增加12%～30%[1]。

因此此次选择对原有压力管道明管段采用包管处理进行加固,管道出口采用涵管冲击消能箱进行消能的方案（方案三）。

3.2 支管设计

（1）支管改造设计

因水轮机组拆除后,原压力管道末端流态发生变化,且为方便运行管理,管道末端未设流量调节装置。根据有压管流公式[2],由表1 计算可知,机组拆除后压力管道最大过流能力为20.93 m3/s。

表1 机组拆除后压力管道最大过流能力计算表

而设计引水流量仅为5.25 m3/s,为使压力管道流态更好,三支管分流能力相当,在1#、2#、3#机支管末端接长1550 mm锥管（DN800/ DN500 mm）。设置椎管后3 支管总过流能力为9.92 m3/s,见表2。

表2 1#、2#、3#机支管设置椎管后总过流能力计算表

（2）支管流速校核

根据《水力计算手册》（第六章 几种特殊消能工的水力计算）对于涵管冲击消能箱出口流速一般应小于9 m/s[1]。在1#、2#、3#机支管末端设置管径为0.5 m锥管后,在设计流量为5.25 m3/s情况下各支管分流能力计算见表3,各支管末端流速计算见表4。

表3 1#、2#、3#机设置椎管后分流能力计算表

表4 1#、2#、3#机支管末端流速计算表

经校核在设计流量为5.25 m3/s情况下,三支管分流能力相当,1#、2#、3#机支管分流能力分别为1.74 m3/s、1.74 m3/s、1.77 m3/s,最大流速为9.01 m/s,满足要求。

3.3 涵管冲击消能箱设计

（1）涵管冲击消能箱尺寸计算

根据明渠均匀流公式[2],由表5 和表6 计算得知,无压引水隧洞最大过流能力（85%最大过流断面）为8.6 m3/s,单个尾水渠最大过流能力（85%最大过流断面）为2.98 m3/s,总过流能力为2.98×3=8.94 m3/s。

表5 无压引水隧洞最大过流能力计算表

表6 单个尾水渠最大过流能力计算表

由表2 知,改造后压力管道最大过流能力为9.92 m3/s,改造后压力管道、尾水渠最大过流能力均大于引水隧洞最大过流能力。由于首部枢纽、进水控制闸等部分无人值守,为避免汛期临时出现实际引水流量大于设计流量的突发情况,因此,最大引水能力按隧洞最大过流能力控制,单个支管涵管冲击消能箱按引水隧洞最大过流能力的三分之一计算,为8.6÷3=2.87 m3/s,设计按3 m3/s进行尺寸设计。

根据《水力计算手册》（第六章 几种特殊消能工的水力计算）[1]计算得涵管冲击消能箱尺寸见表7。

表7 涵管冲击消能箱尺寸计算表

考虑到此次设计场地的影响对涵管冲击消能箱形式作了优化,取涵管冲击消能箱净空尺寸为B×L×H=3.5 m×2.0 m×3.94 m。消能箱平面布置图见图5。

图5 涵管冲击消能箱平面布置图

（2）涵管冲击消能箱结构设计

涵管出口中心线高程为1056.30 m,1#、2#、3#机出口管径均为0.5 m。1#、2#、3#机涵管冲击消能箱净空尺寸均为B×L×H=3.5 m×2.0 m×3.94 m,外轮廓尺寸为B×L×H= 4.3 m×2.8 m×4.59 m,采用C30 砼浇筑,边墙厚40 cm,底板厚50 cm,顶板厚15 cm。消能箱底高程为1053.81 m,顶高程为1058.40 m。在顶板预留DN200 通气孔4 处,设置L×B=1.6 m×0.9 m进人检修孔,并采用C30 砼15 cm厚盖板覆盖并加设螺栓固定。为减少涵管出口流速过大对箱体的冲刷,将涵管出口正面墙体及L梁顶板60 cm范围内混凝土表面加设16 mm厚钢板（Q345 C）,并在钢板背侧每隔600 mm布设20 a工字钢与之焊接固定,单块工字钢长150 mm。边墙预留孔洞与尾水渠连通。

另在进人检修孔下部设置φ20 @200 mm爬梯,通气孔钢管、钢板、爬梯、螺栓等做好相应防腐处理。

涵管冲击消能箱剖面布置图见图6,涵管冲击消能箱剖面详图见图7。

图6 涵管冲击消能箱剖面布置图

图7 涵管冲击消能箱剖面详图

3.4 运行管理要求

1）技术改造后试运行期应对压力管道、涵管冲击消能箱、尾水渠等建筑物进行详细观测,一旦发现异常情况及时与相关单位联系并做好相应记录。

2）技术改造后,应定期对压力管道、涵管冲击消能箱、尾水渠等建筑物进行运行维护。

3）在涵管消能箱等位置设置安全警示牌,严禁非工作人员靠近。若需对涵管冲击消能箱、尾水渠等进行清淤或检修,应严格加强对上游来水截留控制,确保工作人员安全。

4 结论与建议

1）某电站技改工程,因地制宜选用涵管冲击消能箱的形式进行消能,充分利用了机组拆除后原尾水管位置,改造工程量小、投资省、消能效果好。涵管冲击消能箱对箱体的抗冲刷性能要求较高,因此在此次设计过程中为减少涵管出口流速过大对箱体的冲刷,将涵管出口正面墙体及L梁顶板60 cm范围内混凝土表面加设16 mm厚钢板（Q345 C）,并在钢板背侧每隔600 mm布设20 a工字钢与之焊接固定,使钢板与箱体混凝土更加可靠锚固。涵管冲击消能箱常规做法为露天开敞式,考虑到技术改造后消能箱顶部与原厂房地面高差较小,且消能箱将长期运行。为确保人员安全,对消能箱结构做了适当优化,将顶部改为封闭式结构,增设通气孔通气,增设进人检修孔方便清淤检修。

2）涵管冲击消能箱适用于小型涵管、涵洞、输放水管道出口等。一般下游无尾水,或有尾水而变动范围较大者。管洞出口断面为圆形、矩形或马蹄形均可。单管最大容许流量Q以不超过9.6 m3/s为限,出口流速一般应小于9.0 m/s。如流量超过限度,可增加消能箱的数目,建造两个或多个平行的消能箱,以保持Q<9.6 m3/s。

3）对于中小型水利工程取放水末端消能设施,当出口形式和末端流量、流速满足设置涵管冲击消能箱的情况下,可以优先考虑采用涵管冲击消能箱的形式代替常规消力池的做法进行消能。根据宾阳清平水库灌溉管出口消能形式由消力池改建为涵管冲击消能箱的成功经验,采用消能箱的形式较之常规消力池的做法,能有效降低水跃长度和高度,节省空间、降低投资,并减少对衔接渠道的冲刷,保证工程安全运行。