李鍇鋒

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

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清河水庫水電站調壓井改造設計探討

李鍇鋒

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

清河水庫水電站工程位于鐵嶺市清河區(qū)清河水庫攔河壩下游，清河水庫控制流域面積2 376 km2。清河水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧工業(yè)供水、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。本次改造對調壓井及管道進行了設計，以全保水庫能夠正常運行。

調壓井；管道；水電站；改造

1 概述

清河水庫水電站工程地處鐵嶺市清河區(qū)，清河水庫攔河壩下游，附近開草公路通過。本工程布置在清河水庫攔河壩右端、右岸輸水洞下游，電站為一管三機布置形式，共安裝3臺混流式水輪發(fā)電機組，額定水頭30.95 m，設計引用總流量57.03 m3/s。工程由攔河壩、取水頭部、輸水洞、調壓井、壓力鋼管、發(fā)電廠房、升壓站、辦公樓和尾水渠組成。其中攔河壩利用原清河水庫攔河壩，取水頭部和部分壓力鋼管利用清河水庫右岸輸水工程取水頭部和壓力鋼管。

2 調壓井計算

清河水庫水電站工程采用有壓隧洞引水，壓力隧洞總長796.70 m，其中原回水泵站調壓井前壓力隧洞長646.71 m。原調壓井井址地面高程滿足設計要求，本次對原調壓井進行改造，調壓井右側約95 m處為已建上山公路。

2.1 調壓井設置條件判斷

按照《水電站調壓井設計規(guī)范》DL/T5058-1996，設置上游調壓井的條件，應以下滿足：

Tw>[Tw]

計算如下：

式中：HP為設計水頭，取30.95 m；[Tw]為Tw允許值，本電站機組容量在電力系統(tǒng)中所占比重較小，Tw取4 s。

經計算，Tw≈14.42 s>4 s，本電站必須設置上游調壓井。

2.2 調壓井水力計算

按照《水電站調壓井設計規(guī)范》DL/T5058-1996 3.2.1條，調壓井宜靠近廠房布置，調壓井宜設在地下，避開不利地質條件等原則，根據本工程的實際情況和地形地質條件，調壓井布置在原回水泵站調壓井處，調壓井位于樁號0+646.71。調壓井的結構型式有簡單圓筒式、阻抗式、雙室式、溢流式和差動式五種基本型式。在以上幾種調壓井型式中，簡單圓筒式調壓井結構簡單，反射水錘波條件較好，多適用于低水頭小水電站。本電站水頭范圍14.55～36.19 m，屬低水頭電站，考慮采用簡單圓筒式調壓井。

2.3 調壓室穩(wěn)定斷面計算

調壓井穩(wěn)定斷面按托準則計算并乘以系數K決定：

式中：K為系數，一般可采用1.0～1.1，取1.05。

代入有關數據計算得調壓井的為Ath為194.32 m2，相應半徑R=7.87 m。根據規(guī)范調壓井豎井斷面面積應不小于穩(wěn)定斷面面積，因此，在此計算基礎上取調壓井半徑積R=8.05 m，相應面積A=203.48 m2。

2.4 調壓井涌波計算

調壓井涌浪計算按照《水電站調壓井設計規(guī)范》DL/T 5058-1996附錄B的公式計算，其中最高涌浪計算工況采用上游正常蓄水位時，全部機組滿載運行瞬時丟棄全部負荷，作為工況I；校核水位時丟棄全部負荷，作為工況II。最低涌浪計算工況采用輸水洞最小淹沒高程時，由2臺機組增至3臺為工況III；全部機組丟棄全負荷的的第二振幅，為工況IV。計算結果見表1和表2：

表1 調壓井最高涌浪計算成果表 m

表2 調壓井最底涌浪計算成果表 m

2.5 調壓井工程地質

本工程老調壓井井址地面高程142.49 m，井筒分別坐落在④強風化花崗巖層、⑤中風化花崗巖層和⑥弱風化花崗巖層。井筒下部圍巖139.49～142.49 m為④強風化花崗巖，節(jié)理裂隙強烈發(fā)育，巖芯呈砂土狀或碎塊狀，粒狀結構，塊狀構造，巖體基本質量等級為Ⅴ級；124.79～139.49 m為⑤中風化花崗巖層，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，巖芯呈短柱狀，粒狀結構，塊狀構造，巖體基本質量等級為Ⅱ級；124.79 m以下為⑥微風化花崗巖層，結構完整，巖芯呈長柱狀，粒狀結構，塊狀構造，巖體基本質量等級為Ⅰ級。

2.6 調壓井設計

調壓井結構型式為鋼筋混凝土結構，采用0.8 m厚鋼筋混凝土襯砌。井頂高程146 m，平臺尺寸仍沿用原平臺，平臺高程142.49 m，井身高39 m，中心樁號0+646.71，調壓井采用圓形斷面，內徑16.1 m，斷面面積203.48 m2。調壓井最高涌波水位為144.88 m，最大涌波6.82 m；最低涌波水位為109.12 m，最大負涌波8.18 m。本工程調壓井下部圍巖少部為Ⅰ類巖石，多為Ⅱ類、Ⅳ類巖石，上部124 m高程以上范圍內施工期支護采用8 cm厚C20混凝土，錨桿φ22，長2.5 m，間排距1.5×1.5 m，其余部分采用隨機錨桿支護。

本工程調壓井距坡腳較近，位于電站廠房上游側，山體單薄，為加強圍巖的整體性，提高圍巖的承載力，封閉裂隙，增加圍巖抗?jié)B能力，防止內水外滲，減少對廠房上游邊坡的影響，對調壓井進行固結灌漿，灌漿孔伸入巖石3 m，間排距3×3 m，灌漿壓力暫定0.5 Mpa，具體灌漿壓力值根據現場實現確定。

3 壓力管道

清河水庫右岸輸水洞改造工程在新建輸水洞出口處設置一連接段，連接段母管總長67.00 m，采用DN4000鋼管，母管與隧洞垂直布置，在母管上由東向西依次布置DN3000泄洪孔口、DN3600生態(tài)放水母管、DN2000輸水母管(2個)。

3.1 管道布置及型式

本工程電站采用多機單管供水方式，壓力鋼管利用清河水庫右岸輸水洞改造工程連接段壓力鋼管，利用管道長度32.10 m，內徑φ4 m。新建電站壓力主干管與連接段生態(tài)放水管相接，電站壓力主干管和支管道管道型式仍采用壓力鋼管，其中主干管長度32.5 m，內徑仍為φ3 600 mm，通過設計流量時的平均流速為5.69 m/s，滿足經濟流速要求。在主干管0+838.76布置閥門室1座，其余為支管，管道直徑為φ2 300 mm，本次共新建支管107.1 m。

主管直經滿足經濟和調保計算，內徑為3 600 mm，壁厚為18 mm。根據調保計算，當D=3 600 mm時，蝸殼外水擊壓力值為13.65 m，壓力上升率為21%，滿足規(guī)范要求。

3.2 管線工程工程地質

壓力管道管線地面高程101.63～102.79 m，管道基礎多坐落在②砂礫層，僅有少部坐落在④強風化花崗巖層和⑤中風化花崗巖層，②砂礫層層厚2.7～5.4 m，層底埋深6.5～9.5 m，層底標高96.29～92.13 m。飽和，中—密實，級配良好，顆粒呈次圓形，長石、石英質，含少量粘粒，局部為圓礫或粗砂薄層。④強風化花崗巖層層厚0.8～1.1 m，層底埋深7.3～10.6 m，層底標高95.49～91.03 m。節(jié)理裂隙強烈發(fā)育，巖芯呈砂土狀或碎塊狀，粒狀結構，塊狀構造，巖體基本質量等級為Ⅴ級。⑤中風化花崗巖層鉆孔未穿透，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，巖芯呈短柱狀，粒狀結構，塊狀構造，巖體基本質量等級為Ⅱ級。

3.3 管身穩(wěn)定及應力

3.3.1 抗外壓穩(wěn)定驗算

鋼管抗外壓穩(wěn)定安全系數計算式為：

KcP0k≤Pcr

式中：KC為抗外壓力穩(wěn)定安全系數，本工程按取2.0；σs為鋼材屈服點，本工程選用Q235C碳素鋼，鋼材屈服點為225 N/mm2。

主鋼管以及1#、2#機組進水支管管壁厚度分別取16 mm和14 mm進行抗外壓穩(wěn)定計算，經計算，計算結果如表3。

表3 壓力鋼管穩(wěn)定計算列表

備注：管道腐蝕厚度按2 mm考慮。

3.3.2 管壁厚度

根據內水壓力按下式確定管壁厚度：

δ=t+2

算得各段管壁厚、長度見表3。

3.3.3 抗外壓承載能力校核

計算結果見表4。

表4 鋼材容許應力表

備注：表中δs=2.25×105kpa，為鋼材的屈服應力。

經計算，管壁應力均滿足要求。

4 結語

通過對清河水庫水電站調壓井改造進行分析與計算，利用清河水庫右岸輸水洞改造工程取水頭部、輸水洞進行引水，僅需擴建調壓井，新建壓力鋼管。本電站屬低水頭電站，宜采用結構簡單，反射水錘波條件較好的簡單圓筒式調壓井，電站蓄水以來調壓井運行較為穩(wěn)定，因此該水電站調壓井改造設計方案是成功的。該工程的建設，不僅可以充分利用當地有利的水資源開發(fā)條件，又可以創(chuàng)造良好的經濟效益，發(fā)揮水庫綜合效能。

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2016-10-28

李鍇鋒(1983-)，男，遼寧本溪人，工程師，主要從事水文站網監(jiān)測規(guī)劃，水文基礎設施建設、水資源論證及評價等工作。

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