崔留杰

【摘要】地下雙室式調(diào)壓井在水電站中應(yīng)用廣泛，尤其是在長(zhǎng)引水電站中應(yīng)用最多。雙室式調(diào)壓井由豎井、擴(kuò)大斷面的上、下室組成，相比簡(jiǎn)單圓筒式調(diào)壓井而言，其斷面較小，在地下工程開挖中易保證洞室的穩(wěn)定。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故調(diào)壓井內(nèi)水位波動(dòng)計(jì)算分析一直是工程界比較有難度的水力學(xué)難題，需進(jìn)行復(fù)雜的水力學(xué)計(jì)算，必要時(shí)輔以水工模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。但在工程預(yù)可研階段，設(shè)計(jì)周期倉促的情況下， 需采用簡(jiǎn)便但較為準(zhǔn)確的計(jì)算方法，在短時(shí)間內(nèi)擬定調(diào)壓井各個(gè)斷面尺寸并確定最高、最低涌波，以便確定調(diào)壓井結(jié)構(gòu)布置，經(jīng)典的解析法能滿足此要求。本文以云南保山檳榔江某水電站地下雙室式調(diào)壓井為例，闡述該類型調(diào)壓井水位波動(dòng)計(jì)算及相應(yīng)的調(diào)壓井?dāng)嗝娉叽邕x取方法。

【關(guān)鍵詞】地下雙室式調(diào)壓井；解析法；水位波動(dòng)計(jì)算；斷面尺寸選取；

1. 電站引水系統(tǒng)布置概況

該電站引水系統(tǒng)采用一洞（管）三機(jī)的布置方式，引水系統(tǒng)建筑物布置在左岸，包括電站進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道等。設(shè)計(jì)引用流量在不考慮電站綜合利用（城市供水、灌區(qū)供水）流量（3.97m3/s）時(shí)為56.6m3/s，考慮電站綜合利用時(shí)引用流量時(shí)為60.57m3/s。

進(jìn)水口為岸塔式，底板高程1837.00m；塔頂高程為1900.00m，塔高63m。塔前正常蓄水位EL.1895.000m，設(shè)計(jì)洪水位EL.1895.429m，校核洪水位EL.1896.301m，死水位EL.1848.000m。

引水隧洞為有壓隧洞，長(zhǎng)度1.678km，洞徑4.4m；調(diào)壓井為地下雙室式；鋼管道采用全埋管方式布置，主管長(zhǎng)446.532m，內(nèi)徑4.0m，剖面上采用兩平一斜段布置，為一管三機(jī)供水。

2. 計(jì)算采用基本參數(shù)

（1）上游庫水位

正常蓄水位：1895.000m

設(shè)計(jì)洪水位：1895.010m

校核洪水位：1895.370m

死水位：1848.000m

（2）裝機(jī)臺(tái)數(shù)：3臺(tái)

（3）設(shè)計(jì)引用流量

不考慮下游生態(tài)供水，僅發(fā)電，引用流量為56.6m3/s，單臺(tái)機(jī)引用流量：18.867m3/s。

考慮下游生態(tài)供水，引用流量為60.57m3/s，單臺(tái)機(jī)引用流量：20.19m3/s。

（4）流道參數(shù)

引水隧洞斷面為圓形，直徑4.4m，全長(zhǎng)1639m，含進(jìn)水口段全長(zhǎng)1678.375m。

壓力管道主管、支管斷面均為圓形，主管直徑4m，全長(zhǎng)447.637m，支管直徑2.2m，長(zhǎng)約30m。

3. 調(diào)壓井穩(wěn)定斷面面積計(jì)算

計(jì)算時(shí)，先計(jì)算出自水庫至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)α值，再計(jì)算出調(diào)壓井水位波動(dòng)所需最小斷面面積，各項(xiàng)參數(shù)取值及具體計(jì)算成果詳見表1。

調(diào)壓井豎井?dāng)嗝娌捎脠A形，根據(jù)上述托馬穩(wěn)定斷面計(jì)算成果，調(diào)壓井豎井直徑初擬采用D=8m。

4. 調(diào)壓井最高涌波水位計(jì)算

4.1 最高涌波計(jì)算

計(jì)算工況：上游水庫正常蓄水位1895.000m，全部機(jī)組瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷。

計(jì)算時(shí)不考慮上室通風(fēng)兼交通洞對(duì)水位涌高的抑制作用，將其作為安全儲(chǔ)備。采用先限定最高涌波Zmax，反算上室斷面面積的方式計(jì)算。

最高涌波按下式計(jì)算：

4.2 上室容積WB計(jì)算（不計(jì)豎井面積FS）

4.3 結(jié)論

根據(jù)上述上室斷面面積FC及容積WB的計(jì)算結(jié)果，擬定調(diào)壓室上室尺寸為8m×9m×45m（寬×高×長(zhǎng)），型式為城門洞型。

確定調(diào)壓井最高涌波水位為1895+10.25=1905.25m。

5. 調(diào)壓井最低涌波計(jì)算

最低涌波需比較兩種情況，一是機(jī)組增負(fù)荷時(shí)的最低涌波，二是機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的第二波動(dòng)振幅，取二者中的最低值，下面分別進(jìn)行計(jì)算。

5.1機(jī)組增負(fù)荷時(shí)最低涌波計(jì)算

計(jì)算工況組合如下：

計(jì)算工況①：上游水庫死水位，兩臺(tái)機(jī)發(fā)電時(shí)，第三臺(tái)機(jī)開啟；

計(jì)算工況②：上游水庫死水位，三臺(tái)機(jī)依次開啟（第一臺(tái)機(jī)開啟，調(diào)壓井內(nèi)水位下降至最低時(shí)，第二臺(tái)機(jī)組開啟，調(diào)壓井內(nèi)水位再次下降至最低時(shí)，第三臺(tái)機(jī)組開啟）；

計(jì)算工況③：上游水庫死水位，一臺(tái)機(jī)發(fā)電，第二、三臺(tái)機(jī)依次開啟（第二臺(tái)機(jī)開啟，調(diào)壓井內(nèi)水位下降至最低時(shí)，第三臺(tái)機(jī)開啟）。

由上表可以看出，最低涌波出現(xiàn)在計(jì)算工況②（三臺(tái)機(jī)依次開啟），最低涌波水位1824.468m。

5.2 全部機(jī)組丟棄負(fù)荷時(shí)的第二振幅復(fù)核

計(jì)算時(shí)，先計(jì)算出S值、X0值，試算求解Xmax及X2。各項(xiàng)參數(shù)、第二振幅的及最低涌波計(jì)算成果詳見表6。

比較增荷時(shí)的最低涌波及丟棄全部負(fù)荷時(shí)的第二波動(dòng)振幅，可以看出最低涌波出現(xiàn)在機(jī)組增負(fù)荷時(shí)（計(jì)算工況②，三臺(tái)機(jī)依次開啟）。

最低水位下降至EL.1824.468m，低于壓力管道進(jìn)口頂板高程1828.896m，為保證壓力管道內(nèi)不進(jìn)入空氣，必需設(shè)置下室。

5.3 增加負(fù)荷時(shí)下室容積計(jì)算

計(jì)算下室容積時(shí)，需根據(jù)引水系統(tǒng)布置需要，先確定最低涌波Zmin值。

為保證增荷時(shí)壓力管道不進(jìn)入空氣，并考慮最低涌波與最大負(fù)水擊可能重疊時(shí)壓力鋼管不出現(xiàn)負(fù)壓，同時(shí)考慮調(diào)壓室內(nèi)水位適當(dāng)超高，擬定最低振幅值Zmin=11.705m。

根據(jù)上述計(jì)算成果，下室最低涌波水位為1848m-11.705m=1836.295m；

根據(jù)調(diào)壓室下室容積計(jì)算結(jié)果，擬定下室尺寸為8m×8m×10m（寬×高×長(zhǎng)）（城門洞型）。

6. 計(jì)算成果及結(jié)論

根據(jù)上述計(jì)算成果，確定調(diào)壓井體形尺寸及特征水位如下：

（1）調(diào)壓井豎井采用圓形斷面，直徑D=8m。

（2）調(diào)壓井上室斷面采用城門洞型，尺寸8m×8m×45m（寬×高×長(zhǎng)），底板高程EL.1899.700m。

（3）調(diào)壓井下室斷面采用城門洞型，尺寸8m×8m×10m（寬×高×長(zhǎng)），底板高程EL.1833.000m。

（4）涌波水位：

最高涌波水位：EL.1905.250m。

最低涌波水位：EL.1836.295m。

上述計(jì)算分析過程及方法就是利用經(jīng)典解析法快速確定調(diào)壓井各個(gè)斷面尺寸及相應(yīng)涌波水位的方法。后經(jīng)施工詳圖階段水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，調(diào)壓井?dāng)嗝娉叽绲倪x取時(shí)合適的，涌波水位亦與計(jì)算成果非常接近，由此可見上述計(jì)算方法是可行的。在工程的預(yù)可研階段需要快速敲定調(diào)壓井結(jié)構(gòu)布置時(shí)，使用上述方法能快速、準(zhǔn)確的得出結(jié)果，提高設(shè)計(jì)效率。