王作華

（新疆瑞祥農(nóng)牧設計院有限公司 新疆 烏魯木齊 830000）

【摘 要】根據(jù)某水利樞紐工程的規(guī)模和特點、結合地形地質(zhì)條件進行發(fā)電引水洞的設計，使其布置結構安全、合理、經(jīng)濟，滿足運行要求。

【關鍵詞】發(fā)電引水洞；設計

1. 工程概況

（1）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級建筑物；發(fā)電引水系統(tǒng)、廠房及次要建筑物為3級建筑物，發(fā)電洞進水口閘井按1級建筑物設計；臨時建筑物為4級。

（2）發(fā)電引水洞及電站地面廠房布置于右岸。電站采用一洞四機供水方式，發(fā)電引用流量為207.28 m3/s。進口閘井與碾壓混凝土壩結合布置，閘井后直接接高壓鋼管。發(fā)電引水系統(tǒng)由進口引渠段、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 進口閘井結合壩體布置。 發(fā)電洞進水口閘井與右岸臺地上壩體結合，閘井后部緊靠壩體上游面，對閘井整體穩(wěn)定有利。右岸臺地上靠近河床壩段的壩體建基面高程677m，壩高約65m，發(fā)電洞進水口底板高程665m，由于閘井漸變段后直接接斜井，所以通過適當長度的過渡明洞即可在壩下進洞，并保證壩體建基面以下的洞臉厚度滿足進洞要求，即洞臉厚度為1～2倍的洞徑。

2.1.2 洞線布置。

（1）經(jīng)壩址區(qū)地表測繪、鉆孔及探坑取巖塊進行巖相法和“X”衍射法測定資料結果分析表明，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較為集中。

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

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)電洞最大洞長約450m，滿足水機調(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對尾水的不利影響。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)，并結合相應的地形、地質(zhì)條件進行。

2.2 發(fā)電洞布置方案比選。

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

（1）方案一：發(fā)電洞進口閘井布置于右岸臺地壩段，與壩體結合。洞線靠岸里布置，最大洞長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。

（2）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453m。其它同方案一。

（3）方案三：出口岔管采用“卜”形月牙肋岔管。最大洞長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。

2.2.2 綜合分析，方案一的進口閘井與壩體結合整體穩(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。電站運行、維護管理方便，基本不受泄洪雨霧的影響。廠房尾水出流順暢。受泄洪波動影響小。通過比選發(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。

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

3.1.2 該水庫水位：校核洪水位743.61m；設計洪水位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。

3.1.3 本工程的主要特點：

（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，超過了國內(nèi)所有電站。該特點將會對水電站過渡過程等有所影響。

（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行比選，根據(jù)經(jīng)驗公式計算本階段擬定洞徑：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）蝸殼末端最大動水壓力：135m。

（2）機組最高轉速上升率：50%。

（3）尾水管進口最大真空度：8m。

3.2.2 根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范》（DL/T5186-2004）的規(guī)定，機組甩負荷時的最大轉速上升率保證值，按以下不同情況選?。?當機組容量占電力系統(tǒng)工作總容量的比重較大，或擔負調(diào)頻任務時，宜小于50%。 當機組容量占系統(tǒng)工作總容量的比重不大，或不擔負調(diào)頻時，宜小于60%。

3.3 洞徑確定。 根據(jù)武漢大學《某水電站水力過渡過程研究》報告，通過大波動、小波動及水力干擾過渡過程的計算與分析，結論如下：

（1）經(jīng)計算得慣性時間常數(shù)Tw=3.21s，根據(jù)規(guī)范，當Tw<2s～4s時，通過數(shù)值計算分析驗證，可不設調(diào)壓室。

（2）由大波動過渡過程計算可知，采用折線關閉規(guī)律能夠滿足調(diào)保參數(shù)的要求。機組蝸殼最大動水壓力為134.47m，小于135m。尾水管最小壓力值為-3.02m，大于-8m。轉速最大上升率為49.39%小于50%。通過對引水洞的直徑進行敏感性分析，隧洞的直徑7.6m是合理可行的，不宜再減小。

（3）由小波動過渡過程計算結果可知，機組轉速進入±0.4%帶寬的最大調(diào)節(jié)時間為56.0s，發(fā)生在最小水頭，4臺機滿負荷，同時甩10%額定出力的工況，且機組在空載附近的穩(wěn)定性很好，在不設調(diào)壓室的情況下，小波動過渡過程是滿足要求的。

（4）水力干擾工況比較多，一般情況下都能滿足要求，不會造成運行機組甩負荷，但是工況為額定水頭，一臺機組甩負荷，一臺機組增負荷時比較危險，要盡量避免。正常運行機組調(diào)速器參與調(diào)節(jié)可減少水力干擾。

4. 發(fā)電洞進水口選擇

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

（2）該水庫正常蓄水位739.00m，死水位680.00m。根據(jù)庫水溫分布情況，結合水庫運行，擬定發(fā)電洞進口采用進水口分層取水方案和疊梁門分層取水方案。

（3）生態(tài)保護要求發(fā)電洞進口盡可能引取壩前水庫表層水發(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)水庫的運行調(diào)度情況，發(fā)電洞進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下泄水溫的要求。原進水口方案無法滿足這一要求。

（4）進口分層取水方案閘井結構布置形式與原閘井一致，結構受力條件好。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”形結構復雜。進口分層取水方案閘井結構抗震性能較好。

（5）運行方面，進口分層取水方案除攔污柵的清污機公用外，各進水口均設置有各自的一套攔污柵和事故門，發(fā)電運行操作較方便。疊梁門方案隨著庫水位變化需啟閉操作，運行不靈活。夏季漂浮物較多時影響疊梁門的啟閉。水庫地處嚴寒地區(qū)，冬季疊梁門前后及外圍均存在井體結構大范圍防冰凍問題，冬季疊梁門的啟閉也較困難。

（6）通過上述生態(tài)、運行及結構方面的比較，推薦采用發(fā)電洞進口分層取水方案，即上、中、下三層進水口引水。

5. 發(fā)電引水洞結構布置

發(fā)電引水洞及電站地面廠房布置于右岸。電站采用一洞四機供水方式。進口閘井與碾壓混凝土壩結合布置，閘井后直接接高壓鋼管。發(fā)電引用流量為207.28m3/s，機組安裝高程636.30m。 發(fā)電引水系統(tǒng)由進口引渠段、閘井段、斜井段、下平洞段和岔管段組成。最大洞長約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 進口引水渠。 發(fā)電洞進口引水渠布置于進口閘井前的臺地上，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。

5.2 進水口。 發(fā)電洞進口布置于右岸臺地上大壩0+767.000m樁號處，進口閘井與壩體結合為一體。 閘井段由攔污柵段、事故門井段和豎井段組成。閘井總長度45.5m。閘井頂高程與壩頂同高為745.5m。各進水口最大引水流量均為207.82m3/s。 進水口閘井采取上、中、下三層引水，上、中、下層進水口上下垂直布置，上層進水口底板高程為715.00m，中層進水口底板高程為690.00m，下層進水口底板高程為665m。各進水口后接豎井，水流由豎井底部進入發(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）閘井后漸變段長度15m，斷面由b×h=7m×8m的長方形斷面漸變?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）壓力鋼管起襯點位置主要根據(jù)“上抬理論”準則、“水力劈裂”準則和地質(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)電洞進水口后直接壓力管道。壓力管道全長413.488m，斜井段長60.571m，縱坡i=1：1，下平洞段長度332.433m，縱坡i=1/200，斷面中心點高程637.962m～636.300m（水輪機安裝高程）。

（4）斜井段及下平洞段洞室圍巖均進行固結灌漿、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。

（1）主管出洞后通過1#岔管一分為二，再通過兩個2#岔管分為四個支管。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。

（2）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)電機層高程651.600m，均回填石碴。以做為廠區(qū)其他設施布置及交通使用。

6. 結語

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