王作華

【摘要】根據(jù)某水利樞紐工程的規(guī)模和特點(diǎn)、結(jié)合地形地質(zhì)條件進(jìn)行發(fā)電引水洞的設(shè)計(jì)，使其布置結(jié)構(gòu)安全、合理、經(jīng)濟(jì)，滿足運(yùn)行要求。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電引水洞；設(shè)計(jì)

1. 工程概況

某水利樞紐工程等別為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大（1）型。其主要建筑物大壩、1#、2#副壩、泄水建筑物為1級(jí)建筑物；發(fā)電引水系統(tǒng)、廠房及次要建筑物為3級(jí)建筑物，發(fā)電洞進(jìn)水口閘井按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)；臨時(shí)建筑物為4級(jí)。

發(fā)電引水洞及電站地面廠房布置于右岸。電站采用一洞四機(jī)供水方式，發(fā)電引用流量為207.28 m3/s。進(jìn)口閘井與碾壓混凝土壩結(jié)合布置，閘井后直接接高壓鋼管。發(fā)電引水系統(tǒng)由進(jìn)口引渠段、閘井段、斜井段、下平洞段和岔管段組成。

2. 發(fā)電引水洞洞線的布置比選

2.1發(fā)電引水洞的布置原則：

2.1.1進(jìn)口閘井結(jié)合壩體布置。

發(fā)電洞進(jìn)水口閘井與右岸臺(tái)地上壩體結(jié)合，閘井后部緊靠壩體上游面，對(duì)閘井整體穩(wěn)定有利。右岸臺(tái)地上靠近河床壩段的壩體建基面高程677m，壩高約65m，發(fā)電洞進(jìn)水口底板高程665m，由于閘井漸變段后直接接斜井，所以通過(guò)適當(dāng)長(zhǎng)度的過(guò)渡明洞即可在壩下進(jìn)洞，并保證壩體建基面以下的洞臉厚度滿足進(jìn)洞要求，即洞臉厚度為1～2倍的洞徑。

2.1.2洞線布置。

經(jīng)壩址區(qū)地表測(cè)繪、鉆孔及探坑取巖塊進(jìn)行巖相法和“X”衍射法測(cè)定資料結(jié)果分析表明，壩址區(qū)地表基巖面埋深60m以內(nèi)，節(jié)理裂隙表面普遍存在有不同程度黃鐵礦氧化物，特別是地表基巖面埋深35m以內(nèi)節(jié)理裂隙面黃鐵礦氧化物相對(duì)較為集中。

所以，發(fā)電洞洞室結(jié)構(gòu)混凝土等除采取防滲及抗硫酸鹽侵蝕等處理措施外，洞室布置應(yīng)盡量減少黃鐵礦的氧化物的不利影響。初步設(shè)計(jì)階段發(fā)電洞軸線向山內(nèi)移，洞身巖石埋深及旁山厚度可適當(dāng)增加，同時(shí)對(duì)抗侵蝕處理有利。

2.1.3電站廠區(qū)布置。

水電站廠址布置于壩下游460m處的沖溝溝口處，此處地形較為開闊，便于主、副廠房的布置。高壓管道出口軸線與溝邊坡交角較大，便于出洞。發(fā)電洞最大洞長(zhǎng)約450m，滿足水機(jī)調(diào)保的要求，且廠房及尾水距離壩下游的泄洪沖坑約200m～300m，可較好地避免廠區(qū)的霧化及泄洪水流波動(dòng)對(duì)尾水的不利影響。廠區(qū)布置要與發(fā)電洞洞線、岔管形式及主、副廠房布置形式相協(xié)調(diào)，并結(jié)合相應(yīng)的地形、地質(zhì)條件進(jìn)行。

2.2發(fā)電洞布置方案比選。

發(fā)電洞及電站廠房各方案根據(jù)地形、地質(zhì)條件及運(yùn)行條件擬定了三個(gè)方案。

方案一：發(fā)電洞進(jìn)口閘井布置于右岸臺(tái)地壩段，與壩體結(jié)合。洞線靠岸里布置，最大洞長(zhǎng)466m，出口岔管采用“Y”形月牙肋岔管。電站廠房布置在右岸岸邊，主廠房大致垂直河道布置。

方案二：洞線靠岸外布置，較方案一洞線前部外移30m。最大洞長(zhǎng)453m。其它同方案一。

方案三：出口岔管采用“卜”形月牙肋岔管。最大洞長(zhǎng)472m。電站廠房布置在右岸岸邊，主廠房大致平行河道布置。其它同方案一。

綜合分析，方案一的進(jìn)口閘井與壩體結(jié)合整體穩(wěn)定性好。洞身上覆巖體厚度較大（40m～60m），降低了抗侵蝕處理難度。岔管為明管，施工方便。電站運(yùn)行、維護(hù)管理方便，基本不受泄洪雨霧的影響。廠房尾水出流順暢。受泄洪波動(dòng)影響小。通過(guò)比選發(fā)電洞及電站廠房布置推薦方案一。

3. 引水洞洞徑選擇

3.1引水系統(tǒng)布置及特點(diǎn)。

水電站采用一洞四機(jī)的引水布置形式?？傃b機(jī)容量4×35MW，最大引用流量4×51.82m3/s。最大洞長(zhǎng)約為466m（進(jìn)口閘井后沿洞軸線至主廠房上游側(cè)），主壓力鋼管內(nèi)徑7.6m；鋼岔管之后支管內(nèi)徑3.4m。

該水庫(kù)水位：校核洪水位743.61m；設(shè)計(jì)洪水位741.68m；正常蓄水位739.00m；死水位680.00m。下游廠房尾水位：最高尾水位650.24m；正常尾水位645.10m；最低尾水位640.48m。

本工程的主要特點(diǎn)：（1）水頭變幅太大，額定水頭79.5m，最大水頭96.0m，最小水頭32.0m，比值為1.23～0.44，超過(guò)了國(guó)內(nèi)所有電站。該特點(diǎn)將會(huì)對(duì)水電站過(guò)渡過(guò)程等有所影響。（2）電站在地區(qū)電網(wǎng)中比重很大，自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性不僅影響該電站的調(diào)節(jié)品質(zhì)，而且影響整個(gè)電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

3.2調(diào)保要求。

3.2.1根據(jù)所推薦的發(fā)電洞洞線布置方案，擬定各種洞徑的方案進(jìn)行比選，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算本階段擬定洞徑：主管段洞徑為6.0m～8.0m，支管段管徑均為3.4m。

調(diào)保參數(shù)要求：

（1）蝸殼末端最大動(dòng)水壓力：135m。

（2）機(jī)組最高轉(zhuǎn)速上升率：50%。

（3）尾水管進(jìn)口最大真空度：8m。

3.2.2根據(jù)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5186-2004）的規(guī)定，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的最大轉(zhuǎn)速上升率保證值，按以下不同情況選?。?/p>

當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎剌^大，或擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)，宜小于50%。

當(dāng)機(jī)組容量占系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎夭淮?，或不?dān)負(fù)調(diào)頻時(shí)，宜小于60%。

3.3洞徑確定。

根據(jù)武漢大學(xué)《某水電站水力過(guò)渡過(guò)程研究》報(bào)告，通過(guò)大波動(dòng)、小波動(dòng)及水力干擾過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算與分析，結(jié)論如下：

（1）經(jīng)計(jì)算得慣性時(shí)間常數(shù)Tw=3.21s，根據(jù)規(guī)范，當(dāng)Tw<2s～4s時(shí)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析驗(yàn)證，可不設(shè)調(diào)壓室。

（2）由大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算可知，采用折線關(guān)閉規(guī)律能夠滿足調(diào)保參數(shù)的要求。機(jī)組蝸殼最大動(dòng)水壓力為134.47m，小于135m。尾水管最小壓力值為-3.02m，大于-8m。轉(zhuǎn)速最大上升率為49.39%小于50%。通過(guò)對(duì)引水洞的直徑進(jìn)行敏感性分析，隧洞的直徑7.6m是合理可行的，不宜再減小。

（3）由小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果可知，機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)入±0.4%帶寬的最大調(diào)節(jié)時(shí)間為56.0s，發(fā)生在最小水頭，4臺(tái)機(jī)滿負(fù)荷，同時(shí)甩10%額定出力的工況，且機(jī)組在空載附近的穩(wěn)定性很好，在不設(shè)調(diào)壓室的情況下，小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程是滿足要求的。

（4）水力干擾工況比較多，一般情況下都能滿足要求，不會(huì)造成運(yùn)行機(jī)組甩負(fù)荷，但是工況為額定水頭，一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷，一臺(tái)機(jī)組增負(fù)荷時(shí)比較危險(xiǎn)，要盡量避免。正常運(yùn)行機(jī)組調(diào)速器參與調(diào)節(jié)可減少水力干擾。

4. 發(fā)電洞進(jìn)水口選擇

（1）該水利樞紐工程調(diào)節(jié)庫(kù)容19.18億m3，壩前水深約90m。水庫(kù)蓄水后，深層水較原河道水溫有較大的變化，為了減緩水庫(kù)蓄水后水溫分層對(duì)下游水生生態(tài)可能產(chǎn)生的不利影響，需在經(jīng)常過(guò)水的建筑物發(fā)電引水洞進(jìn)口設(shè)置分層引水口。在不同的庫(kù)水位時(shí)，分層進(jìn)水口盡量引取水庫(kù)表層水，以提高下游河道水溫，滿足水庫(kù)下游生態(tài)的要求。

（2）該水庫(kù)正常蓄水位739.00m，死水位680.00m。根據(jù)庫(kù)水溫分布情況，結(jié)合水庫(kù)運(yùn)行，擬定發(fā)電洞進(jìn)口采用進(jìn)水口分層取水方案和疊梁門分層取水方案。

（3）生態(tài)保護(hù)要求發(fā)電洞進(jìn)口盡可能引取壩前水庫(kù)表層水發(fā)電，使壩下游河道水溫接近原河道水溫，基本滿足水生物生存環(huán)境條件。根據(jù)水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度情況，發(fā)電洞進(jìn)口分層取水方案和疊梁門分層取水方案均能滿足下游水生物對(duì)下泄水溫的要求。原進(jìn)水口方案無(wú)法滿足這一要求。

（4）進(jìn)口分層取水方案閘井結(jié)構(gòu)布置形式與原閘井一致，結(jié)構(gòu)受力條件好。疊梁門分層取水方案閘井前部的豎井高度80m，斷面較大，b×h=22m×8.2m。前部水平“U”形結(jié)構(gòu)復(fù)雜。進(jìn)口分層取水方案閘井結(jié)構(gòu)抗震性能較好。

（5）運(yùn)行方面，進(jìn)口分層取水方案除攔污柵的清污機(jī)公用外，各進(jìn)水口均設(shè)置有各自的一套攔污柵和事故門，發(fā)電運(yùn)行操作較方便。疊梁門方案隨著庫(kù)水位變化需啟閉操作，運(yùn)行不靈活。夏季漂浮物較多時(shí)影響疊梁門的啟閉。水庫(kù)地處嚴(yán)寒地區(qū)，冬季疊梁門前后及外圍均存在井體結(jié)構(gòu)大范圍防冰凍問(wèn)題，冬季疊梁門的啟閉也較困難。

（6）通過(guò)上述生態(tài)、運(yùn)行及結(jié)構(gòu)方面的比較，推薦采用發(fā)電洞進(jìn)口分層取水方案，即上、中、下三層進(jìn)水口引水。

5. 發(fā)電引水洞結(jié)構(gòu)布置

發(fā)電引水洞及電站地面廠房布置于右岸。電站采用一洞四機(jī)供水方式。進(jìn)口閘井與碾壓混凝土壩結(jié)合布置，閘井后直接接高壓鋼管。發(fā)電引用流量為207.28m3/s，機(jī)組安裝高程636.30m。

發(fā)電引水系統(tǒng)由進(jìn)口引渠段、閘井段、斜井段、下平洞段和岔管段組成。最大洞長(zhǎng)約466m（沿洞軸線至主廠房上游）。斜井段及下平洞段洞徑D=7.6m。出口采用“Y”形、“卜”形月牙肋岔管，支管直徑D=3.4m。

5.1進(jìn)口引水渠。

發(fā)電洞進(jìn)口引水渠布置于進(jìn)口閘井前的臺(tái)地上，采用C20素混凝土襯砌，厚度為0.5m。引渠邊坡采用C30混凝土噴錨支護(hù)。

5.2進(jìn)水口。

發(fā)電洞進(jìn)口布置于右岸臺(tái)地上大壩0+767.000m樁號(hào)處，進(jìn)口閘井與壩體結(jié)合為一體。

閘井段由攔污柵段、事故門井段和豎井段組成。閘井總長(zhǎng)度45.5m。閘井頂高程與壩頂同高為745.5m。各進(jìn)水口最大引水流量均為207.82m3/s。

進(jìn)水口閘井采取上、中、下三層引水，上、中、下層進(jìn)水口上下垂直布置，上層進(jìn)水口底板高程為715.00m，中層進(jìn)水口底板高程為690.00m，下層進(jìn)水口底板高程為665m。各進(jìn)水口后接豎井，水流由豎井底部進(jìn)入發(fā)電洞。

5.3發(fā)電洞洞身。

發(fā)電洞由漸變段、斜井段及下平洞段組成。

（1）閘井后漸變段長(zhǎng)度15m，斷面由b×h=7m×8m的長(zhǎng)方形斷面漸變?yōu)閮?nèi)徑為7.6m的圓形斷面。

（2）由于漸變段及斜井上彎段頂部為碾壓混凝土壩（壩基礎(chǔ)高程677m），洞頂部巖層覆蓋厚度不具備成洞條件，因此漸變段及斜井上彎段采用明洞。漸變段及斜井上彎段頂部回填C20混凝土至碾壓混凝土壩底部。

（3）壓力鋼管起襯點(diǎn)位置主要根據(jù)“上抬理論”準(zhǔn)則、“水力劈裂”準(zhǔn)則和地質(zhì)條件等綜合確定?？紤]到發(fā)電洞上覆巖體厚度較薄，從安全角度出發(fā)，發(fā)電洞從發(fā)電洞進(jìn)水口后直接壓力管道。壓力管道全長(zhǎng)413.488m，斜井段長(zhǎng)60.571m，縱坡i=1：1，下平洞段長(zhǎng)度332.433m，縱坡i=1/200，斷面中心點(diǎn)高程637.962m～636.300m（水輪機(jī)安裝高程）。

（4）斜井段及下平洞段洞室圍巖均進(jìn)行固結(jié)灌漿、回填灌漿處理，回填灌漿范圍頂拱120°范圍內(nèi)。

5.4出口岔管及支管。

主管出洞后通過(guò)1#岔管一分為二，再通過(guò)兩個(gè)2#岔管分為四個(gè)支管。1#岔管采用“Y”形月牙肋岔管，2#岔管采用“卜”形月牙肋岔管，主管內(nèi)徑7.6m，支管內(nèi)徑3.4m。

主管、岔管及支管均采用C25鋼筋混凝土襯砌，外包混凝土厚度分別為1.0m、1.5m及0.7m。出口岔管、支管段外包混凝土上部至發(fā)電機(jī)層高程651.600m，均回填石碴。以做為廠區(qū)其他設(shè)施布置及交通使用。

6. 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)本工程的特點(diǎn)，結(jié)合地形、地質(zhì)條件布置了發(fā)電引水洞，進(jìn)水口采用分層取水的方式解決了下游水生物對(duì)下泄水溫的要求；洞身段采用壓力鋼管襯砌解決了上覆巖體不夠的特點(diǎn)；出口采用月牙肋岔管將主管一分為四個(gè)支管與廠房連接；結(jié)構(gòu)布置安全、合理、經(jīng)濟(jì)，滿足運(yùn)行要求。