李鍇鋒

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

?

清河水庫水電站調(diào)壓井改造設(shè)計(jì)探討

李鍇鋒

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

清河水庫水電站工程位于鐵嶺市清河區(qū)清河水庫攔河壩下游，清河水庫控制流域面積2 376 km2。清河水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧工業(yè)供水、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。本次改造對調(diào)壓井及管道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以全保水庫能夠正常運(yùn)行。

調(diào)壓井；管道；水電站；改造

1 概述

清河水庫水電站工程地處鐵嶺市清河區(qū)，清河水庫攔河壩下游，附近開草公路通過。本工程布置在清河水庫攔河壩右端、右岸輸水洞下游，電站為一管三機(jī)布置形式，共安裝3臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭30.95 m，設(shè)計(jì)引用總流量57.03 m3/s。工程由攔河壩、取水頭部、輸水洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、發(fā)電廠房、升壓站、辦公樓和尾水渠組成。其中攔河壩利用原清河水庫攔河壩，取水頭部和部分壓力鋼管利用清河水庫右岸輸水工程取水頭部和壓力鋼管。

2 調(diào)壓井計(jì)算

清河水庫水電站工程采用有壓隧洞引水，壓力隧洞總長796.70 m，其中原回水泵站調(diào)壓井前壓力隧洞長646.71 m。原調(diào)壓井井址地面高程滿足設(shè)計(jì)要求，本次對原調(diào)壓井進(jìn)行改造，調(diào)壓井右側(cè)約95 m處為已建上山公路。

2.1 調(diào)壓井設(shè)置條件判斷

按照《水電站調(diào)壓井設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5058-1996，設(shè)置上游調(diào)壓井的條件，應(yīng)以下滿足：

Tw>[Tw]

計(jì)算如下：

式中：HP為設(shè)計(jì)水頭，取30.95 m；[Tw]為Tw允許值，本電站機(jī)組容量在電力系統(tǒng)中所占比重較小，Tw取4 s。

經(jīng)計(jì)算，Tw≈14.42 s>4 s，本電站必須設(shè)置上游調(diào)壓井。

2.2 調(diào)壓井水力計(jì)算

按照《水電站調(diào)壓井設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5058-1996 3.2.1條，調(diào)壓井宜靠近廠房布置，調(diào)壓井宜設(shè)在地下，避開不利地質(zhì)條件等原則，根據(jù)本工程的實(shí)際情況和地形地質(zhì)條件，調(diào)壓井布置在原回水泵站調(diào)壓井處，調(diào)壓井位于樁號(hào)0+646.71。調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)型式有簡單圓筒式、阻抗式、雙室式、溢流式和差動(dòng)式五種基本型式。在以上幾種調(diào)壓井型式中，簡單圓筒式調(diào)壓井結(jié)構(gòu)簡單，反射水錘波條件較好，多適用于低水頭小水電站。本電站水頭范圍14.55～36.19 m，屬低水頭電站，考慮采用簡單圓筒式調(diào)壓井。

2.3 調(diào)壓室穩(wěn)定斷面計(jì)算

調(diào)壓井穩(wěn)定斷面按托準(zhǔn)則計(jì)算并乘以系數(shù)K決定：

式中：K為系數(shù)，一般可采用1.0～1.1，取1.05。

代入有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得調(diào)壓井的為Ath為194.32 m2，相應(yīng)半徑R=7.87 m。根據(jù)規(guī)范調(diào)壓井豎井?dāng)嗝婷娣e應(yīng)不小于穩(wěn)定斷面面積，因此，在此計(jì)算基礎(chǔ)上取調(diào)壓井半徑積R=8.05 m，相應(yīng)面積A=203.48 m2。

2.4 調(diào)壓井涌波計(jì)算

調(diào)壓井涌浪計(jì)算按照《水電站調(diào)壓井設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5058-1996附錄B的公式計(jì)算，其中最高涌浪計(jì)算工況采用上游正常蓄水位時(shí)，全部機(jī)組滿載運(yùn)行瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷，作為工況I；校核水位時(shí)丟棄全部負(fù)荷，作為工況II。最低涌浪計(jì)算工況采用輸水洞最小淹沒高程時(shí)，由2臺(tái)機(jī)組增至3臺(tái)為工況III；全部機(jī)組丟棄全負(fù)荷的的第二振幅，為工況IV。計(jì)算結(jié)果見表1和表2：

表1 調(diào)壓井最高涌浪計(jì)算成果表 m

表2 調(diào)壓井最底涌浪計(jì)算成果表 m

2.5 調(diào)壓井工程地質(zhì)

本工程老調(diào)壓井井址地面高程142.49 m，井筒分別坐落在④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、⑤中風(fēng)化花崗巖層和⑥弱風(fēng)化花崗巖層。井筒下部圍巖139.49～142.49 m為④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，巖芯呈砂土狀或碎塊狀，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)；124.79～139.49 m為⑤中風(fēng)化花崗巖層，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，巖芯呈短柱狀，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)；124.79 m以下為⑥微風(fēng)化花崗巖層，結(jié)構(gòu)完整，巖芯呈長柱狀，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

2.6 調(diào)壓井設(shè)計(jì)

調(diào)壓井結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用0.8 m厚鋼筋混凝土襯砌。井頂高程146 m，平臺(tái)尺寸仍沿用原平臺(tái)，平臺(tái)高程142.49 m，井身高39 m，中心樁號(hào)0+646.71，調(diào)壓井采用圓形斷面，內(nèi)徑16.1 m，斷面面積203.48 m2。調(diào)壓井最高涌波水位為144.88 m，最大涌波6.82 m；最低涌波水位為109.12 m，最大負(fù)涌波8.18 m。本工程調(diào)壓井下部圍巖少部為Ⅰ類巖石，多為Ⅱ類、Ⅳ類巖石，上部124 m高程以上范圍內(nèi)施工期支護(hù)采用8 cm厚C20混凝土，錨桿φ22，長2.5 m，間排距1.5×1.5 m，其余部分采用隨機(jī)錨桿支護(hù)。

本工程調(diào)壓井距坡腳較近，位于電站廠房上游側(cè)，山體單薄，為加強(qiáng)圍巖的整體性，提高圍巖的承載力，封閉裂隙，增加圍巖抗?jié)B能力，防止內(nèi)水外滲，減少對廠房上游邊坡的影響，對調(diào)壓井進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔伸入巖石3 m，間排距3×3 m，灌漿壓力暫定0.5 Mpa，具體灌漿壓力值根據(jù)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)確定。

3 壓力管道

清河水庫右岸輸水洞改造工程在新建輸水洞出口處設(shè)置一連接段，連接段母管總長67.00 m，采用DN4000鋼管，母管與隧洞垂直布置，在母管上由東向西依次布置DN3000泄洪孔口、DN3600生態(tài)放水母管、DN2000輸水母管(2個(gè))。

3.1 管道布置及型式

本工程電站采用多機(jī)單管供水方式，壓力鋼管利用清河水庫右岸輸水洞改造工程連接段壓力鋼管，利用管道長度32.10 m，內(nèi)徑φ4 m。新建電站壓力主干管與連接段生態(tài)放水管相接，電站壓力主干管和支管道管道型式仍采用壓力鋼管，其中主干管長度32.5 m，內(nèi)徑仍為φ3 600 mm，通過設(shè)計(jì)流量時(shí)的平均流速為5.69 m/s，滿足經(jīng)濟(jì)流速要求。在主干管0+838.76布置閥門室1座，其余為支管，管道直徑為φ2 300 mm，本次共新建支管107.1 m。

主管直經(jīng)滿足經(jīng)濟(jì)和調(diào)保計(jì)算，內(nèi)徑為3 600 mm，壁厚為18 mm。根據(jù)調(diào)保計(jì)算，當(dāng)D=3 600 mm時(shí)，蝸殼外水擊壓力值為13.65 m，壓力上升率為21%，滿足規(guī)范要求。

3.2 管線工程工程地質(zhì)

壓力管道管線地面高程101.63～102.79 m，管道基礎(chǔ)多坐落在②砂礫層，僅有少部坐落在④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層和⑤中風(fēng)化花崗巖層，②砂礫層層厚2.7～5.4 m，層底埋深6.5～9.5 m，層底標(biāo)高96.29～92.13 m。飽和，中—密實(shí)，級(jí)配良好，顆粒呈次圓形，長石、石英質(zhì)，含少量粘粒，局部為圓礫或粗砂薄層。④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層層厚0.8～1.1 m，層底埋深7.3～10.6 m，層底標(biāo)高95.49～91.03 m。節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，巖芯呈砂土狀或碎塊狀，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。⑤中風(fēng)化花崗巖層鉆孔未穿透，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，巖芯呈短柱狀，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

3.3 管身穩(wěn)定及應(yīng)力

3.3.1 抗外壓穩(wěn)定驗(yàn)算

鋼管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算式為：

KcP0k≤Pcr

式中：KC為抗外壓力穩(wěn)定安全系數(shù)，本工程按取2.0；σs為鋼材屈服點(diǎn)，本工程選用Q235C碳素鋼，鋼材屈服點(diǎn)為225 N/mm2。

主鋼管以及1#、2#機(jī)組進(jìn)水支管管壁厚度分別取16 mm和14 mm進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 壓力鋼管穩(wěn)定計(jì)算列表

備注：管道腐蝕厚度按2 mm考慮。

3.3.2 管壁厚度

根據(jù)內(nèi)水壓力按下式確定管壁厚度：

δ=t+2

算得各段管壁厚、長度見表3。

3.3.3 抗外壓承載能力校核

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 鋼材容許應(yīng)力表

備注：表中δs=2.25×105kpa，為鋼材的屈服應(yīng)力。

經(jīng)計(jì)算，管壁應(yīng)力均滿足要求。

4 結(jié)語

通過對清河水庫水電站調(diào)壓井改造進(jìn)行分析與計(jì)算，利用清河水庫右岸輸水洞改造工程取水頭部、輸水洞進(jìn)行引水，僅需擴(kuò)建調(diào)壓井，新建壓力鋼管。本電站屬低水頭電站，宜采用結(jié)構(gòu)簡單，反射水錘波條件較好的簡單圓筒式調(diào)壓井，電站蓄水以來調(diào)壓井運(yùn)行較為穩(wěn)定，因此該水電站調(diào)壓井改造設(shè)計(jì)方案是成功的。該工程的建設(shè)，不僅可以充分利用當(dāng)?shù)赜欣乃Y源開發(fā)條件，又可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)揮水庫綜合效能。

[1]洪振國,劉浩林.水電站調(diào)壓井特征線法水力計(jì)算研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電. 2015(04).

[2]陳捷平,楊建東,郭文成,等.超長引水隧洞水電站調(diào)壓室水力設(shè)計(jì)的探討[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版). 2016(02).

[3]洪振國.水電站調(diào)壓井形式比選研究[J].中國農(nóng)村水利水電.2013(04).

[4]洪振國.六郎洞電站溢流式調(diào)壓井型式比選研究[J].中國農(nóng)村水利水電.2013(02).

[5]韓前龍,張玉鳳,康金橋.沐若水電站調(diào)壓井設(shè)計(jì)[J].人民長江.2013(08).

2016-10-28

李鍇鋒(1983-)，男，遼寧本溪人，工程師，主要從事水文站網(wǎng)監(jiān)測規(guī)劃，水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、水資源論證及評(píng)價(jià)等工作。

TV732+.51

B

1004-1184(2017)02-0072-02