魏剛文

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

舟壩水電站位于四川樂山市沐川縣舟壩鎮(zhèn)，系馬邊河干流梯級開發(fā)的第五級電站，電站主要任務(wù)是發(fā)電。舟壩水電站正常蓄水位429.00m，水庫總庫容1.84億m3，調(diào)節(jié)庫容1.137億m3，具備季調(diào)節(jié)能力。電站裝機容量102MW，裝2臺51萬MW的發(fā)電機組，尾水直接與黃丹水電站庫尾相連。電站工程規(guī)模屬大(2)型，工程等別為二等工程。永久性主要建筑物按2級建筑物設(shè)計，次要建筑物按3級建筑物設(shè)計。

電站為重力壩引水式電站，壩軸線位于舟壩大橋上游約270m處，大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高72.50m，壩頂長度172m，洪水全部由溢流壩5個表孔下泄，采用臺階溢流面結(jié)合寬尾墩、消力池聯(lián)合消能工進行消能。岸塔式進水口布置在左岸，距大壩約70m，兩條有壓引水隧洞穿越左岸山脊接廠房，分別長約294m及269m。發(fā)電廠房布置在舟壩大橋下游左岸約600m處。

1995年4月，舟壩水電站可行性研究報告(等同初步設(shè)計)通過審查，由于多種原因，可行性研究報告審查通過后電站未能開工建設(shè)。

2003年9月8日，成都海能電業(yè)有限公司作為業(yè)主委托我院進行舟壩電站招標及施工圖設(shè)計。鑒于原舟壩電站可行性研究報告(等同初步設(shè)計)完成于1995年已超過8年，成都海能電業(yè)有限公司同時委托我院進行舟壩水電站可行性研究報告(等同初步設(shè)計)修編，2004年3月4日，修編可行性研究報告通過審查。

2003年12月電站導(dǎo)流洞開工，2004年10月18日河床截流，2006年6月通過了四川省經(jīng)濟委員會委托四川省電力局大壩安全鑒定中心的蓄水安全鑒定，2006年10月通過了四川省電力局舟壩水電站工程蓄水及機組啟動驗收委員會的驗收，于2006年10月第一臺機組正式并網(wǎng)發(fā)電，同年12月第二臺機組并網(wǎng)發(fā)電。

樞紐區(qū)地層主要為三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)，與工程密切相關(guān)的地層為T5～83xj。其中單數(shù)層以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾薄煤層或煤線;砂質(zhì)泥巖層理發(fā)育，失水崩解呈片狀;泥巖遇軟化、失水干裂崩解呈碎粒狀。巖石礦物成份以泥質(zhì)為主，強度低，屬軟巖。雙數(shù)層以砂巖為主，夾泥巖或煤線，呈厚～巨厚層狀，完整性較好，巖石中等堅硬。樞紐區(qū)地質(zhì)構(gòu)造形式主要表現(xiàn)為順層發(fā)育的層內(nèi)擠壓帶。根據(jù)壩區(qū)勘探揭露的層內(nèi)擠壓帶共有5條(j1～j5)，其中j1、j2發(fā)育在層內(nèi)上部及底部，j3、j4在層內(nèi)部，j5在頂部。

2 取消調(diào)壓井的優(yōu)化

2.1 優(yōu)化取消調(diào)壓井的緣由

根據(jù)樞紐區(qū)的河灣地形特點，舟壩電站攔河壩和廠房分別布置于左岸山體的兩側(cè)?？裳须A段的引水系統(tǒng)布置為:進水口為岸塔式，進水口后緊接圓形壓力引水道，穿過SE向凸出河灣的單薄山脊，全長164.844m。壓力引水道末端設(shè)置31m×15.8m矩形斷面調(diào)壓井，調(diào)壓井總高度67m。壓力管道為從調(diào)壓井處引出的兩條內(nèi)徑為6.4m的平行支管，水平布置，1號支管長102.814m，2號支管長82.242m。

另外舟壩電站引水隧洞較短，長度小于300m，具有取消調(diào)壓井的可能性。

2.2 取消調(diào)壓井的研究

由于引水系統(tǒng)具備取消調(diào)壓井的可能性，故在修編可研階段，對取消調(diào)壓井的引水系統(tǒng)布置方案進行了研究，應(yīng)滿足的設(shè)計規(guī)范為:

(1)DL/T5058－1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》要求

規(guī)范規(guī)定，水流慣性時間常數(shù)Tw=2～4s，且規(guī)定，當(dāng)水電站在電力系統(tǒng)中比重小于10%～20%時可取大值。當(dāng)有機電資料時，可按規(guī)范中的圖3.1.2，由Tw、Ta與調(diào)速性能關(guān)系進行判斷。

壓力水道中水流慣性時間常數(shù)計算公式如下:

式中 Tw——壓力水道中水流慣性時間常數(shù)，s;

Li——壓力水道及蝸殼和尾水管(無下游調(diào)壓室時應(yīng)包括壓力尾水道)各分段長度，m;

vi——各分段內(nèi)相應(yīng)的流速，m/s;

g——重力加速度，m/s;

Hp—— 設(shè)計水頭，m;

［Tw］——Tw的允許值，一般取2～ 4s。機組加速時間常數(shù)Ta的計算公式如下:

式中 GD2——機組的飛輪力矩，kg·m2;

N——機組的額定轉(zhuǎn)速，r/min;

P——機組的額定出力，W。

(2)《水力發(fā)電廠機電設(shè)計技術(shù)規(guī)范》要求

電站設(shè)計水頭 Hr＜40m，蝸殼壓力上升ζmax(%)＜70～50，當(dāng)機組容量占電力系統(tǒng)運行總?cè)萘康谋戎夭淮髸r，規(guī)范要求機組速率上升值β宜小于55%。

(3)《水電廠電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》要求

水輪機過水系統(tǒng)的水流慣性時間常數(shù)Tw:對于配用PID型電液調(diào)節(jié)裝置的機組不大于4s;對于配用PI型電液調(diào)節(jié)裝置的機組不大于2.5s。

機組加速時間常數(shù)Ta:對于反擊式機組不小于4s;對于沖擊式機組不小于2s。

比值Tw/Ta≤0.4。

(4)SL279－2002《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》要求

相鄰兩隧洞間的巖體厚度，不宜小于2.0倍開挖洞徑，巖體較好時，經(jīng)分析巖體厚度可適當(dāng)減小，但不應(yīng)小于1.0倍開挖洞徑。

取消調(diào)壓井后的引水洞采用單機單管引水龍落尾的布置形式，前130m(底高程為395.00m)為水平布置，之后沿幾乎與地面平行的坡度由底高程395m降到374.54m。引水洞平面布置的原則是，在立面轉(zhuǎn)彎段布置完成后再進行平面轉(zhuǎn)彎段布置，將平面轉(zhuǎn)彎段與立面轉(zhuǎn)彎段錯開。

漸變段布置有兩種方案:

方案一:在平面轉(zhuǎn)彎段后再將引水洞直徑漸變到水輪機進水口直徑。優(yōu)點:由于在額定水頭及水流慣性時間常數(shù)Tw一定的情況下，整個引水系統(tǒng)的∑LiVi是確定的，不能超過。此種布置方式由于大直徑隧洞較長，隧洞內(nèi)水流流速小，漸變段前的引水隧洞直徑就可相對小一些。缺點:由于機組間距一定(機組間距22m)，平面彎段處及之后兩條引水洞間距較小，不易滿足隧洞規(guī)范對相鄰兩隧洞間巖體厚度的要求。

方案二:在平面轉(zhuǎn)彎段前就將引水洞直徑變到與水輪機的進水口同直徑。優(yōu)點:由于機組間距一定，在平面轉(zhuǎn)彎前變到與水輪機進水口同直徑，轉(zhuǎn)彎后兩條引水隧洞間距可以盡量大一些。缺點:由于引水洞直徑在平面轉(zhuǎn)彎段前就變小，因此有較長段的引水洞直徑較小，流速較大，將使小直徑的引水洞的LV較大，致使?jié)u變段前的引水隧洞直徑較大。

由于在修編可研階段機組尚未確定，機組飛輪力矩(GD2)、額定轉(zhuǎn)速等計算參數(shù)只能按常規(guī)初估，估算時飛輪力矩采用10000t·m2，據(jù)此計算，Ta=6.92s。對應(yīng)于取消調(diào)壓井后的上述引水道兩種布置方案，要求的引水隧洞直徑(內(nèi)徑)分別為12m和17m，不僅不能滿足隧洞規(guī)范對相鄰兩隧洞間巖體厚度的要求，而且工程量較大。因此，在修編可行性研究階段，取消調(diào)壓井在技術(shù)上不具備可行性。有必要待技施階段機組參數(shù)基本確定后再進行研究。

在技施設(shè)計階段機組參數(shù)確定后，對引水系統(tǒng)取消調(diào)壓井的方案又進行了研究。機組參數(shù)如下:發(fā)電機最大容量63MW，額定容量51MW，GD2采用10500t·m2，額定轉(zhuǎn)速125r/min，機組蝸殼部分的∑LV=230m2/s，機組尾水管部分的∑LV=135m2/s。采用以上參數(shù)計算，機組加速時間常數(shù)Ta=7.35s。

采用上述機組參數(shù)，在同時滿足前述規(guī)范(隧洞規(guī)范除外)條件下，對應(yīng)前述兩種取消調(diào)壓井后的壓力引水洞布置方案，方案一漸變段前引水隧洞直徑為9.6m，隧洞間距最窄處12.3m，若開挖洞徑按11m考慮，隧洞間最小巖體厚度為10.9m，接近隧洞直徑;方案二漸變段前引水隧洞直徑為12.5m，引水隧洞(漸變段前)間巖體厚度24.3m，若開挖直徑按14m考慮，引水隧洞間巖體厚度為1.63倍開挖洞徑。第一種布置方案由于隧洞間距較小，施工中存在一定的安全風(fēng)險;第二種布置方案引水洞洞徑較大，工程量較大。但兩種方案技術(shù)上均可行。

技施設(shè)計階段的深入研究表明，引水系統(tǒng)取消調(diào)壓井在技術(shù)上是可行的，但取消調(diào)壓井后所需引水洞洞徑較大。

3 對取消調(diào)壓井后減小引水洞洞徑的深化研究

DL/T563－95《水電廠電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，要求Tw/Ta＜0.4，在機組加速時間常數(shù)Ta=7.35s確定的情況下，要求Tw＜2.94s。查DL/T5058－1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》圖3.1.2 可知，當(dāng)Ta=7.35s、Tw=2.94s時，該點位于②區(qū)(調(diào)速性能較好的區(qū)域，適用于占電力系統(tǒng)比重較小的電站)偏下。若不考慮調(diào)速器規(guī)范要求的Tw/Ta＜0.4，僅按DL/T5058－1996進行控制，即Ta與Tw的關(guān)系在圖3.1.2②區(qū)即可，對Tw的要求可以放寬至小于3.5s，則可按Tw/Ta＜0.49進行控制。

按Tw/Ta＜0.49進行控制，采用第一種隧洞布置方式(即平面轉(zhuǎn)彎后再變到水輪機進水口直徑6.0m)，漸變段前引水隧洞直徑為8.2m，隧洞間距最窄處13.8m，若開挖洞徑按10m考慮，隧洞間最小巖體厚度為隧洞直徑的1.2倍;采用第二種隧洞布置形式時(即平面轉(zhuǎn)彎前先變到水輪機進水口直徑6.0m)，漸變段前引水隧洞直徑為9.6m，引水隧洞(漸變段前)間巖體厚度23m，若開挖直徑按11m考慮，引水隧洞間巖體厚度為1.96倍開挖洞徑。

第一種隧洞布置方案較優(yōu)，滿足《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》的要求，工程量較小，同時滿足隧洞布置的間距要求，但Tw與Ta關(guān)系在DL/T5058－1996中處于②區(qū)的邊界，能否滿足機組運行期的穩(wěn)定安全要求存在疑問，為此進行了進一步研究。根據(jù)水輪發(fā)電機組的實際參數(shù)進行的引水發(fā)電系統(tǒng)過渡過程計算成果表明，取消調(diào)壓井后，采用方案一的引水隧洞布置方案，引水隧洞直徑采用8.5m，電站小波動是穩(wěn)定的，從水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性和過渡過程品質(zhì)出發(fā)，引水隧洞采用8.5m方案是可行的，此時空載和并大網(wǎng)的穩(wěn)定性是可以保證的;同時，對該方案引水、尾水系統(tǒng)進行的大波動、壓力引水道最大水擊升壓、蝸殼壓力上升、機組轉(zhuǎn)速上升等的深入研究表明，該方案滿足電站安全運行要求。

通過深入研究后，在舟壩水電站技施設(shè)計階段取消了調(diào)壓井，采用單機單洞引水的設(shè)計方案，引水隧洞內(nèi)徑采用8.5m，此時的Tw/Ta=0.41。

4 取消引水隧洞壓力鋼管的研究

考慮到電站最大工作水頭50.8m，具有取消壓力鋼管的條件，對此進行了進一步研究。引水系統(tǒng)取消調(diào)壓井后，兩臺機組采用單機單管引水，有壓引水隧洞洞徑8.5m，洞身圍巖為T63xj，圍巖分類主要為Ⅲ～Ⅳ類。

1號引水隧洞長為兩條引水道中較長的，故對該洞進行研究。計算中水輪機導(dǎo)葉關(guān)閉時間采用7s，引水隧洞最大水擊升壓出現(xiàn)在水庫正常蓄水位429m，一臺機組滿負荷運行，電站引用流量為最大引用流量164.5m3/s，突然丟棄全部負荷時，此時引水隧洞中出現(xiàn)間接極限水擊，引水隧洞末端承受的最大內(nèi)水壓力為0.680MPa，引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌可滿足工程安全運行需要。考慮到廠后公路以下引水洞埋深較淺，故對下彎段起點至蝸殼的鋼管予以保留。優(yōu)化后的引水隧洞下彎段起點前采用0.5m厚鋼筋混凝土襯砌，之后采用鋼板襯護，鋼襯厚22mm。

5 結(jié)束語

舟壩水電站引水系統(tǒng)最終施工的方案取消了調(diào)壓井，引水隧洞采用了較小的洞徑，同時取消了引水隧洞的部分鋼襯。引水系統(tǒng)進行上述調(diào)整后，在滿足電站安全與穩(wěn)定運行要求的前提下，具有以下優(yōu)點:

(1)調(diào)壓井地質(zhì)條件及施工條件均較差，施工過程中存在較大安全隱患，取消調(diào)壓井后，簡化了施工，降低了工程風(fēng)險，為縮短工期創(chuàng)造了條件;

(2)取消調(diào)壓井，消除了調(diào)壓井處的明挖，使該處的植被不被破壞，保護了環(huán)境，減少了水土流失;

(3)取消調(diào)壓井，降低了電站建成后的運行維護成本;

(4)土建投資約減少400萬元，降低了工程成本。