熊 瑜,張正香
(1.重慶市巴南區(qū)水利局,重慶 巴南 401320;2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)
尼泊爾和中國作為“一帶一路”倡議的擁護者,為發(fā)揮中國的技術(shù)、建設優(yōu)勢,改善尼泊爾的基礎設施、提高人民生活水平,尼中兩國積極推進水利水電工程的合作,尼泊爾某水電站就是其中的代表項目。
尼泊爾某水電站位于卡利甘達基河流上游,開發(fā)任務為調(diào)峰發(fā)電。某水電站采用引水式開發(fā),正常蓄水位2 530 m,電站裝機3臺,總?cè)萘考s為160 MW。
某水電站樞紐建筑物主要由首部擋水、泄水建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸,引水建筑物由電站進水口、引水隧洞、調(diào)壓斜井、蝶閥室、壓力豎井、壓力鋼管、地下廠房和尾水洞等主要建筑物組成。
本電站前期招標設計時,引水系統(tǒng)采用低壓引水隧洞、調(diào)壓斜井、蝶閥室、兩級壓力豎井、壓力鋼管的布置方式。根據(jù)相關(guān)資料,為了降低施工難度,節(jié)約工程投資,提高經(jīng)濟效益,開展了引水系統(tǒng)優(yōu)化設計研究。
某水電站引水系統(tǒng)位于高喜馬拉雅帶,沿線山高坡陡,分水嶺高程4 000~5 000 m,谷坡基巖多裸露,坡度一般30°~50°。沿線發(fā)育2條切割較深的沖溝,溝內(nèi)常年有流水。
引水隧洞埋深大,埋深基本大于300 m,最大埋深為800 m,具有中等-高地應力,沿線剪切帶較發(fā)育,多為張性結(jié)構(gòu)面。引水隧洞主要為條帶狀片麻巖,巖石多新鮮堅硬,推測基本穩(wěn)定(Ⅱ類)圍巖、局部穩(wěn)定性差(Ⅲ類)圍巖、不穩(wěn)定(Ⅳ類)圍巖、極不穩(wěn)定(Ⅴ類)圍巖分別占隧洞長度的25%、40%、25%、10%。
調(diào)壓井、壓力管道主要為條帶狀片麻巖,巖石多新鮮堅硬,推測基本穩(wěn)定(Ⅱ類)圍巖、局部穩(wěn)定性差(Ⅲ類)圍巖、不穩(wěn)定(Ⅳ類)圍巖、極不穩(wěn)定(Ⅴ類)圍巖分別占其長度的40%、50%、5%、5%。
(1)原設計方案引水隧洞底坡僅0.65%左右,引水隧洞底坡較小,導致壓力豎井高差大,高差約為550 m,壓力豎井為兩級豎井,施工難度大,工程量較大。
(2)原設計方案采用調(diào)壓斜井[1],調(diào)壓井底坡為1∶7,調(diào)壓斜井總長度約725 m,實際施工難度大,工程量較大。
(3)原設計方案調(diào)壓斜井下游設蝶閥室,引水隧洞不襯砌段距離調(diào)壓斜井、蝶閥室較近,這會導致運行期蝶閥室滲水嚴重,維護工作量大。
(1)優(yōu)化壓力豎井,考慮減少一級豎井。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較,考慮調(diào)整引水隧洞洞線下壓引水隧洞,引水隧洞采用5%左右的底坡,壓力豎井由兩級減少為一級,高差減少約320 m以降低施工難度,節(jié)約工程投資。
(2)研究取消調(diào)壓斜井的可行性。經(jīng)研究和計算,引水系統(tǒng)滿足取消調(diào)壓井的條件,優(yōu)化方案如取消調(diào)壓井,將大大減小工程量,提高經(jīng)濟效益。
(3)研究取消蝶閥室的可行性。由于本工程引水隧洞長度相對較短,且在引水隧洞前端的進水口設置了檢修閘門,參考類似電站的設計及運行經(jīng)驗,取消蝶閥室是可行的。
引水隧洞沿河道右岸布置,洞線在滿足埋深的前提下,兼顧施工支洞布置和工期平衡盡量裁彎取直,大部分洞段洞線近似平行于河道。原設計方案引水隧洞在平面上設置5個轉(zhuǎn)點。優(yōu)化方案取消了引水隧洞平面的最后一個轉(zhuǎn)點,在平面上僅設置4個轉(zhuǎn)點,截彎取直[2],引水系統(tǒng)過流更為順暢,增加了行洪能力,如圖1所示。
圖1 引水系統(tǒng)平面布置
原設計方案在引水隧洞末端設置兩級壓力豎井,由于引水隧洞底坡僅為0.65%左右,底坡較小,導致壓力豎井高差大,高差約為550 m,施工難度大,工程量較大。優(yōu)化方案調(diào)整引水隧洞洞線,下壓引水隧洞,增加引水隧洞底坡坡度,底坡增加5%左右;同時減少壓力管道長度,取消一級壓力豎井,高差減少約320 m,以降低工程難度,節(jié)約工程量,減少工程投資。原方案及優(yōu)化方案對比如圖2所示。
圖2 引水系統(tǒng)縱剖面示意
引水隧洞上平段縱向坡度變陡,取消一段豎井后,鋼襯段起點水頭約370 m,形成高壓引水隧洞。隧洞沿線圍巖條件好,高壓引水隧洞采用不襯砌或透水襯砌。已建成的多個高水頭水電站,高壓引水隧洞采用不襯砌或透水襯砌,多年運行情況良好。國內(nèi)已建成的高壓引水隧洞概況[3]如表1所示。
表1 國內(nèi)已建成的高壓引水隧洞概況
某水電站正常蓄水位2 530 m,死水位2 528 m,額定水頭602.2 m,引用流量31.8 m3/s,機組安裝高程1 910 m。調(diào)整引水系統(tǒng)軸線后,進口底板高程2 505.00 m,至壓力管道處底板降為2 135.94 m。
優(yōu)化方案引水隧洞為馬蹄形有壓洞,分為噴混凝土和鋼筋混凝土兩種襯砌形式,引水隧洞全長約7.2 km。引水隧洞Q1、Q2、Q3、Q4類圍巖采用噴混凝土襯砌,襯砌厚度10~20 cm不等,隧洞長度約為5.8 km,隧洞內(nèi)徑為5.4 m,流速為1.3 m/s。引水隧洞Q5類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌,Q5圍巖洞段先采用噴鋼纖維混凝土支護,厚度20 cm,后采用鋼筋混凝土襯砌,厚度40 cm;隧洞長度約為1.4 km,隧洞內(nèi)徑為4.6 m,流速為1.8 m/s。
優(yōu)化方案壓力鋼管位于廠房前端,壓力管道由平段、豎井段組成,平段有兩段,由豎井連接,豎井與平段夾角為90°。主管經(jīng)主岔分為一條支管和一條主支管,主支管經(jīng)次岔后分為兩條支管,支管向廠房供水,主管、主支管、支管、岔管均為地下埋管。壓力鋼管主管內(nèi)徑為2.5 m,主管總長約為586 m,流速為6.5 m/s。單條支管直徑1.5 m,最長支管長度約為59 m,流速為6.0 m/s。
根據(jù)優(yōu)化方案引水建筑物、機組特征參數(shù),計算水流慣性時間常數(shù)Tw為2.42 s。本電站裝機容量在電網(wǎng)容量中所占比例較小,機組加速時間常數(shù)Ta為7.38 s,Tw/Ta為0.328,滿足規(guī)程[4]中規(guī)定的可不設置調(diào)壓井的要求。參考已竣工發(fā)電的瑪依納電站和南湃電站(未設置調(diào)壓室),其Tw/Ta均大于或接近不設置調(diào)壓室臨界值0.4,兩電站運行情況良好,見表2所示。
表2 未設置調(diào)壓井項目主要參數(shù)
由于某水電站引水隧洞長度相對較短,且在引水隧洞前端的進水口設置了檢修閘門,參考類似電站的設計及運行經(jīng)驗,取消蝶閥室是可行的。綜上所述,優(yōu)化方案取消了調(diào)壓井和蝶閥室。取消蝶閥室,相應取消了壓力管道首端的蝶閥,電站運行過程中就沒有對蝶閥的維護和操作等工作內(nèi)容,進一步提高了工程的安全性。
(1)根據(jù)某水電站動能指標,引水系統(tǒng)最大水頭損失為15.79 m,優(yōu)化方案引水系統(tǒng)水頭損失合計15.72 m(平均值),水頭損失滿足要求。
(2)優(yōu)化方案取消了調(diào)壓井、蝶閥室,取消一級壓力豎井,調(diào)整了引水隧洞底坡及洞線,相較于原設計方案提高了工程安全性,降低了施工難度,減少了工程投資。
(3)通過引水系統(tǒng)優(yōu)化設計,工程靜態(tài)投資減少了1 100萬美元;減低引水隧洞沿線施工支洞的高程,減短了施工公路的長度,減少了施工占地和對環(huán)境的破壞。
結(jié)合尼泊爾某水電站的實際情況,提出優(yōu)化設計方案,提高了工程安全性,降低了工程施工難度,大幅減少了工程投資,做到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理,為項目的中標取得了優(yōu)勢。某水電站的優(yōu)化設計是發(fā)展國際業(yè)務、積極拓展基礎設施領(lǐng)域,鞏固傳統(tǒng)水電業(yè)務思想的體現(xiàn),同時對提速進軍尼泊爾到東南亞廣闊市場具有重要意義。