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        某水電站引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

        2018-10-22 10:11:34
        四川水力發(fā)電 2018年5期
        關(guān)鍵詞:沉沙池調(diào)壓室支管

        陳 子 河

        (四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

        1 概 述

        某水電站采用低閘長(zhǎng)引水開發(fā)方式,設(shè)計(jì)引用流量為9.99 m3/s,裝機(jī)容量為78 MW,年平均發(fā)電量為4.127億kW·h ,年利用小時(shí)數(shù)為5 291 h。

        該水電站主要樞紐建筑物由首部樞紐建筑物和左岸引水發(fā)電建筑物組成。其中首部樞紐建筑物包括溢流壩、泄洪沖沙閘、取水口、前池(兼作一級(jí)沉沙池)及側(cè)堰、進(jìn)水口等,左岸引水發(fā)電建筑物包括引水隧洞、地下沉沙池、調(diào)壓室、壓力管道、地下廠房等。

        該電站前期設(shè)計(jì)時(shí)因缺少勘探資料,引水系統(tǒng)采用了低壓引水隧洞、阻抗式上游調(diào)壓室、高壓壓力鋼管的常規(guī)布置方式。

        2 原設(shè)計(jì)方案存在的主要問題及優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

        (1)原方案中引水系統(tǒng)上游調(diào)壓室布置在較高的位置,通往調(diào)壓室頂部的道路布置困難;

        (2)引水系統(tǒng)水流慣性時(shí)間常數(shù)與機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)的比值Tw/Ta接近0.4,且考慮到電站裝機(jī)容量在電網(wǎng)容量中所占的比例小,研究通過適當(dāng)調(diào)整機(jī)組參數(shù)、取消上游調(diào)壓室的可行性;

        (3)取消上游調(diào)壓室后,增大了引水隧洞縱坡,壓低了隧洞末端和鋼管起點(diǎn)高程,減少了引水隧洞與壓力管道總長(zhǎng)度;

        (4)Ⅱ類圍巖洞段采用錨噴作為永久支護(hù),Ⅲ類、Ⅳ類和V類圍巖隧洞段采用鋼筋混凝土襯砌,研究將Ⅲ類圍巖洞段改為錨噴支護(hù);

        (5)壓力鋼管采用Q345R和Q690D兩種鋼材,而Q690D鋼襯焊接要求較高、造價(jià)偏高;考慮到圍巖承載能力,研究了壓力鋼管全部采用Q345R鋼材的可行性。

        3 引水系統(tǒng)的基本地質(zhì)條件

        根據(jù)進(jìn)一步勘探和現(xiàn)場(chǎng)查勘取得的地質(zhì)資料,得知該電站具有引水系統(tǒng)沿線地質(zhì)條件好的特點(diǎn)。

        該引水系統(tǒng)沿線地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,為穩(wěn)定的單斜構(gòu)造區(qū),未見較大規(guī)模的斷裂與褶皺發(fā)育。巖體風(fēng)化不強(qiáng)烈,未見強(qiáng)風(fēng)化巖體;弱風(fēng)化巖體厚度一般埋深40~50 m,且引水系統(tǒng)大部分處于微風(fēng)化~新鮮巖體中。

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        引水隧洞所處的山體雄厚,洞室埋深為50~600 m,巖石主要為石英巖、片麻巖,高地應(yīng)力不突出;以Ⅲ類圍巖(70%)為主,Ⅱ類圍巖約占10%,Ⅳ類圍巖約占20%,V類圍巖占比很小。

        調(diào)壓室、壓力管道所處的巖體主要為石英巖、片麻巖, Ⅱ類圍巖約占40%,Ⅲ類圍巖約占55%,Ⅳ類圍巖約占5%。

        4 引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

        根據(jù)新取得的地質(zhì)資料,結(jié)合近年來水電站引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)取得的技術(shù)進(jìn)步成果,開展了引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究工作。

        (1)該電站裝機(jī)容量為78 MW,額定水頭為940 m,引用流量為9.99 m3/s,具有額定水頭高、引用流量小的特點(diǎn)。原設(shè)計(jì)方案中的引水隧洞全長(zhǎng)4 546.508 m(含地下有壓沉沙池)。隧洞開挖斷面為城門洞型,斷面尺寸均為3 m×3 m。根據(jù)圍巖類別的不同,隧洞分為兩種不同的支護(hù)襯砌型式:Ⅱ類、部分Ⅲ類圍巖洞段采用錨噴支護(hù),過水?dāng)嗝?.8 m×2.7 m,流速1.45 m/s;部分Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖洞段采用鋼筋混凝土襯砌, 過水?dāng)嗝?.2 m×2.3 m,流速為2.13 m/s。原設(shè)計(jì)方案中壓力管道全長(zhǎng)2 307.654 m,其中主管 段 長(zhǎng)2 279.861 m,支管段長(zhǎng)27.793 m。主管管徑分為5級(jí),由1.6 m逐級(jí)調(diào)整到1.2 m,流速為4.97~8.83 m/s。支管分為主支管和支管,主支管管徑為1.1 m,流速為7.01 m/s;支管管徑為0.8 m,流速為6.62 m/s。

        根據(jù)原設(shè)計(jì)方案中的引水建筑物、機(jī)組特征參數(shù),計(jì)算水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw為2.12 s。因該電站裝機(jī)容量?jī)H為78 MW,在電網(wǎng)容量中所占比例較小。筆者參考已竣工發(fā)電的瑪依納電站和南湃電站(未設(shè)置調(diào)壓室),其Tw/Ta均大于或接近不設(shè)置調(diào)壓室臨界值0.4,兩電站運(yùn)行情況良好(表1)。

        表1 未設(shè)置調(diào)壓室水電站主要參數(shù)表

        采用優(yōu)化后的引水建筑物、機(jī)組特征參數(shù),計(jì)算出的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw為2.06 s,機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta為5.31 s,Tw/Ta為0.39,滿足規(guī)范中規(guī)定的可不設(shè)置調(diào)壓室的要求。

        優(yōu)化后的項(xiàng)目若不設(shè)調(diào)壓室,采用以下措施能夠確保機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性:

        ①將水輪發(fā)電機(jī)組的GD2由90 t·m2增加至95 t·m2,通過增加Ta值,使Tw/Ta<0.4;

        (2)原設(shè)計(jì)方案中引水隧洞坡度較緩,進(jìn)水口至沉沙池段的縱坡為2%,沉沙池至調(diào)壓井段的縱坡為0.25%,引水隧洞全長(zhǎng)4 546.508 m。壓力管道采用單管三機(jī)方案,由五段平段、四段斜井段組成,平段由斜井連接,主管全長(zhǎng)2 279.861 m,支管段長(zhǎng)27.793 m。引水線路全長(zhǎng)6 854.162 m。

        設(shè)計(jì)優(yōu)化按隧洞最大施工坡度不超過8%作為控制條件對(duì)引水線路縱坡進(jìn)行了調(diào)整。引水隧洞進(jìn)水口至沉沙池段的縱坡為2%,沉沙池至調(diào)壓井段的縱坡為7.743%,引水隧洞全長(zhǎng)4 674.911 m。壓力管道采用單管三機(jī)方案,由四段平段、三段斜井段組成,平段由斜井連接,主管全長(zhǎng)1 986.12 m,支管段長(zhǎng)27.793 m。引水線路全長(zhǎng)為6 688.824 m,較原設(shè)計(jì)方案引水線路短165.338 m。

        (3)引水隧洞沿線埋深為50~600 m,除進(jìn)口段20~25 m為弱風(fēng)化巖體外,其余段均為微風(fēng)化~新鮮巖體,隧洞沿線圍巖為石英巖夾片麻巖、片麻巖。隧洞中前段節(jié)理為中等發(fā)育~較發(fā)育,巖體完整性差~較完整,巖體以鑲嵌結(jié)構(gòu)~次塊狀結(jié)構(gòu)為主,少部分為塊狀結(jié)構(gòu)。隧洞中后段節(jié)理輕度發(fā)育~不發(fā)育,巖體較完整~完整,巖體以塊狀為主,少部分為次塊狀與整體狀。

        原設(shè)計(jì)方案中對(duì)Ⅱ類、部分Ⅲ類圍巖洞段采用邊頂拱噴錨(厚10 cm)與底板素混凝土支護(hù)(厚20 cm),部分Ⅲ類、Ⅳ類和V類圍巖洞段采用鋼筋混凝土襯砌(厚30 cm,限裂設(shè)計(jì))。

        筆者分析了國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)發(fā)電的高水頭電站,由于大多數(shù)隧洞沿線圍巖條件好,引水隧洞多采用透水襯砌,從而大大節(jié)約了工程投資(表2)。

        表2 國(guó)內(nèi)部分采用透水襯砌的引水隧洞表

        該電站優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中對(duì)Ⅱ類、Ⅲ類圍巖洞段采用邊頂拱噴錨(厚10 cm)與底板素混凝土支護(hù)(厚20 cm),Ⅳ類和V類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌(厚30 cm,透水襯砌)。

        (4)原設(shè)計(jì)方案中對(duì)壓力鋼管采用了Q345R和Q690D兩種鋼材。復(fù)勘后得知壓力管道沿線圍巖完整、地質(zhì)條件好,考慮到圍巖承載后鋼襯厚度不超過40 mm,故在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中將壓力鋼管全部采用Q345R鋼材。

        5 引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)取得的成果

        (1)原設(shè)計(jì)方案中引水系統(tǒng)的水頭損失合計(jì)63.68 m(平均值),優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中引水系統(tǒng)的水頭損失為63.04 m(平均值),水頭損失滿足要求。

        (2)通過設(shè)計(jì)優(yōu)化,取消了調(diào)壓室,減少了引水線路長(zhǎng)度,優(yōu)化了隧洞支護(hù)襯砌類型,減少了通往調(diào)壓室的施工交通道路,節(jié)約了工程投資。

        (3)對(duì)Ⅲ類圍巖洞段采用噴錨支護(hù)型式,對(duì)隧洞施工進(jìn)度保障有利。

        (4)考慮到圍巖承載能力后,將壓力鋼管全部采用Q345R鋼材,降低了施工難度,減少了工程投資。

        (5)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與原設(shè)計(jì)方案中的施工布置方案基本一致,但優(yōu)化設(shè)計(jì)方案較原設(shè)計(jì)方案節(jié)約場(chǎng)內(nèi)施工道路約4.3 km,征地范圍小于原設(shè)計(jì)方案,對(duì)工程區(qū)附近環(huán)境影響將有所降低。

        6 結(jié) 語

        該引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案得到了審查單位的認(rèn)可。在下一階段項(xiàng)目實(shí)施過程中,應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)展和揭示的實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)一步研究引水系統(tǒng)的布置、支護(hù)、襯砌方案,做到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理。

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