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亞曼蘇水電站廠區(qū)輸水建筑物布置優(yōu)化研究

2021-07-01 02:37:48蒙富強(qiáng)趙桂連
水電站設(shè)計(jì) 2021年2期
關(guān)鍵詞:調(diào)壓室前池氣墊

蒙富強(qiáng),趙桂連

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 前 言

在電站水力過渡過程中,機(jī)組丟棄負(fù)荷時(shí)水力系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生水擊壓強(qiáng),機(jī)組轉(zhuǎn)速升高,設(shè)計(jì)中必須對兩者加以限制,滿足規(guī)范要求,達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)目的。因此,廠區(qū)輸水建筑物須結(jié)合地形地質(zhì)條件進(jìn)行布置,既保證經(jīng)濟(jì)合理,又滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。

調(diào)壓室是水電站工程中最常用、最可靠的調(diào)壓室設(shè)施。一般在靠近廠房、地形地質(zhì)條件較適當(dāng)部位設(shè)置與有壓管道相連的調(diào)壓室,以縮短壓力管道長度、減小水流慣性,并使水擊波在此處發(fā)生較充分的反射,以達(dá)到減小水擊壓強(qiáng)的目的。

在亞曼蘇水電站設(shè)計(jì)過程中,為解決強(qiáng)震區(qū)常規(guī)調(diào)壓室高聳帶來的穩(wěn)定安全問題,原設(shè)計(jì)方案通過縮短壓力管道長度滿足調(diào)保計(jì)算要求,既不經(jīng)濟(jì),又產(chǎn)生其他填筑及開挖相關(guān)的穩(wěn)定安全問題,因此,優(yōu)化方案創(chuàng)新性地采用地面氣墊式調(diào)壓室,很好地解決了工程中存在的問題,減少了投資,又保證了工程的安全。

1 工程概述

亞曼蘇水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)烏什縣亞曼蘇鄉(xiāng)境內(nèi)的托什干河上,是托什干河“2庫11級”的第9級克克機(jī)格代和第10級牙滿蘇合并而成的亞曼蘇梯級,工程等別為三等中型。亞曼蘇水電站開發(fā)任務(wù)為在滿足灌溉和河道生態(tài)用水的前提下發(fā)電,采用引水式開發(fā),電站進(jìn)水閘接上游別迭里二級水電站的尾水,利用別迭里電站尾水發(fā)電,裝機(jī)4臺,總?cè)萘繛?44 MW。

因此,在技施設(shè)計(jì)階段有必要研究采用地面氣墊式調(diào)壓室等方案對廠區(qū)輸水建筑物布置進(jìn)行優(yōu)化。

2 輸水建筑物原設(shè)計(jì)方案

2.1 原設(shè)計(jì)方案布置

工程廠區(qū)輸水建筑物包括壓力前池及壓力管道段。壓力前池接引水渠道末端,前池頂高程1 707.33 m,底高程1 691.13 m,設(shè)計(jì)水位1 705.15 m,池身斷面為矩形,池長51 m,寬23.2 m,最大池深16.2 m。壓力管道上接前池,采用單管單機(jī)的布置型式,均采用鋼襯鋼筋混凝土管,大機(jī)組單機(jī)設(shè)計(jì)引用流量40.2 m3/s,小機(jī)組為19.4 m3/s;大機(jī)組(70 MW)壓力管道共3條,管徑由4.5 m漸變到3.8 m,4.5 m管徑管長1 399 m,3.8 m管徑管長419 m。小機(jī)組(34 MW)壓力管道共1條,管徑由3.8 m漸變到2.7 m,3.8 m管徑管長1 399 m,2.7 m管徑管長419 m。地面廠房尺寸87.00 m×23.00 m×44.00 m(長×寬×高),安裝3臺單機(jī)功率70 MW和1臺單機(jī)功率34 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量244 MW。

2.2 原設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)思路及主要問題

亞曼蘇水電站若設(shè)置地面常規(guī)調(diào)壓室,調(diào)壓室高度達(dá)130 m,結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)難度極大,因此受技術(shù)水平所限,原廠區(qū)輸水建筑物設(shè)計(jì)思路為盡量縮短壓力前池與廠房之間壓力管道長度,即采用下移前池、上移廠房、增大單機(jī)單管管徑減小其流速等工程措施達(dá)到不設(shè)置調(diào)壓室的目的。通過計(jì)算分析,大機(jī)組Tw=2.77 s,小機(jī)組Tw=2.30 s,滿足規(guī)范規(guī)定“Tw<4 s時(shí),壓力管道可不設(shè)置調(diào)壓室”的要求,且機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算的最大轉(zhuǎn)速升高率和蝸殼最大壓力上升率也滿足規(guī)范要求。

由此引水發(fā)電樞紐布置采用了“高筑前池、縮短管道、深挖廠房”的布置型式,其前池基礎(chǔ)填方高度達(dá)23 m,廠房最大開挖深度達(dá)89 m。導(dǎo)致廠區(qū)建筑物布置不可避免地存在如下主要問題:

(1)“高筑前池,深挖廠房”的布置型式導(dǎo)致廠區(qū)樞紐開挖量巨大,覆蓋層高邊坡問題突出。廠區(qū)樞紐靠近亞曼蘇斷層,工程施工及運(yùn)行期間高邊坡抗震安全問題突出,風(fēng)險(xiǎn)巨大。

(2) “縮短管道”的布置型式導(dǎo)致前池與廠房間距過短,前池漏水對廠房有直接影響。

(3)壓力管道“單機(jī)單管”布置,導(dǎo)致管內(nèi)流速非經(jīng)濟(jì)流速,工程投資較大。

(4)廠房深挖設(shè)計(jì)導(dǎo)致開挖棄渣量大,環(huán)保、水保工程處理量大。

3 廠區(qū)輸水建筑物優(yōu)化調(diào)整分析

為解決壓力前池高填方、廠區(qū)深挖方導(dǎo)致的穩(wěn)定安全問題,優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中對前池、壓力管道、調(diào)壓室及廠房的布置進(jìn)行了深入研究。

3.1 壓力前池布置優(yōu)化調(diào)整

針對原設(shè)計(jì)方案壓力前池布置存在的問題,經(jīng)分析研究確定優(yōu)化設(shè)計(jì)思路為:在原前池工程規(guī)?;静蛔兊幕A(chǔ)上,沿原軸線上移前池位置,減少前池基礎(chǔ)填方高度,從而保證前池的穩(wěn)定安全。結(jié)合前池上下游地質(zhì)、地形條件,確定三個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案:

(1)優(yōu)化方案一(少填方案)。前池位置向上游移約220 m,取水口段、左側(cè)溢流堰及右側(cè)扶壁式擋墻等部分的基礎(chǔ)回填高度約3.5 m,前池池身底板基礎(chǔ)回填高度約3.5~12 m。

(2)優(yōu)化方案二(不填方案)。前池位置向上游移約380 m,基礎(chǔ)基本沒有回填,局部少量開挖。

(3)優(yōu)化方案三(開挖方案)。前池位置向上游移約600 m,需開挖基礎(chǔ),最大開挖高度約20 m。

三個(gè)方案壓力前池的布置及穩(wěn)定要求均滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求,總體上是可行的,工程量均比原設(shè)計(jì)方案略有減少;各方案經(jīng)濟(jì)投資受壓力管道長度變化控制,其中方案一增加的壓力管道工程量最少,方案二、三次之。因此,經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,推薦采用最優(yōu)的方案一。

3.2 廠房位置優(yōu)化調(diào)整

原廠房位置下游約750 m左右地形相對較陡,750 m后為農(nóng)田,地形較平緩,因此廠房位置可在下游750 m范圍內(nèi)選擇,降低其開挖深度的效果相對明顯。結(jié)合地質(zhì)地形條件及設(shè)置氣墊室調(diào)壓室后調(diào)保成果要求,將廠房移至下游730 m的位置,下移后廠區(qū)最大開挖深度由89 m降低到63 m左右,開挖量減少約600萬m3。

3.3 壓力管道布置優(yōu)化調(diào)整

將前池向上游移約220 m、廠房向下游移730 m后,壓力管道長度增加,在不改變管道布置及結(jié)構(gòu)尺寸前提下,機(jī)組的調(diào)保計(jì)算成果必然不滿足規(guī)范要求。為此,考慮采取了兩種可能的方案解決該問題:

(1)設(shè)置氣墊式調(diào)壓室方案

若采用常規(guī)調(diào)壓塔,露出地面的調(diào)壓塔直徑約9 m,高度達(dá)130 m,地震工況下其整體穩(wěn)定存在較大問題,對基礎(chǔ)承載能力的要求也較高。因此需尋求另外一種可靠的調(diào)壓室型式,即氣墊式調(diào)壓室,該型式可利用氣體的可壓縮性降低調(diào)壓室在高度方向的規(guī)模。

我國已建氣墊式調(diào)壓室水電站有自一里、小天都、陰坪等,這些電站建成發(fā)電以來均運(yùn)行正常。本電站裝機(jī)容量244 MW,額定水頭約199 m,若設(shè)置氣墊式調(diào)壓室,初步計(jì)算其氣室氣體體積12 685 m3,氣墊壓力1.31~1.70 MPa,與上述電站調(diào)壓室相比,其規(guī)模是合適的。因此,結(jié)合本工程廠區(qū)地形地質(zhì)條件,可采用明顯優(yōu)于常規(guī)調(diào)壓塔的氣墊式調(diào)壓室。

(2)不設(shè)置調(diào)壓室方案

壓力管道加長后,若不增設(shè)調(diào)壓室,為滿足電站調(diào)節(jié)保證要求,勢必要增加壓力管道管徑,以致相應(yīng)管內(nèi)流速相對原方案更小,從而使壓力管道工程投資較大。

通過計(jì)算分析,上述兩方案的調(diào)保參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸見表1,相應(yīng)的主要工程量見表2。兩方案技術(shù)上均可行;但設(shè)置氣墊式調(diào)壓室方案工程投資明顯偏優(yōu)。因此,壓力管道布置推薦采用調(diào)壓室方案。

表1 兩方案的調(diào)保參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸對比

表2 兩方案的主要工程量對比

3.4 氣墊式調(diào)壓室型式及位置選擇

3.4.1 型式選擇

氣墊式調(diào)壓室可采用鋼球或鋼管型式。在滿足機(jī)組調(diào)保要求前提下,鋼球形氣墊式調(diào)壓室直徑約21 m,鋼管形氣墊式調(diào)壓室直徑12.0 m,長約165 m。相比而言,鋼球形結(jié)構(gòu)受力條件比鋼管形稍強(qiáng),但因其直徑較大,對鋼管的制造、安裝、焊接工藝等要求較高,現(xiàn)場施工難度也相對較大,抗震穩(wěn)定性相對較差。此外,鋼管形結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)接觸面積大,對基礎(chǔ)承載能力的要求相對較低。基于上述理由,推薦采用鋼管型式的氣墊式調(diào)壓室。

3.4.2 位置選擇

通常情況下,氣墊式調(diào)壓室離廠房機(jī)組越近,對水錘波反射的效果越好,并能一定程度上降低機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率。但就本工程而言,氣墊式調(diào)壓室離機(jī)組越近,對氣墊式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)要求越高:一方面,越靠近廠房調(diào)壓室受地形條件限制,其布置高程降低,氣室內(nèi)初始?xì)怏w壓力越高,氣室最大壓力越大,氣墊式調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越高;另一方面,布置位置高程降低,要求的穩(wěn)定體積也越大。此外,氣墊式調(diào)壓室越靠近廠房,調(diào)壓室上游側(cè)壓力鋼管承受內(nèi)水壓力越大,鋼管壁厚及鋼材量均有所增加。因此,需合理選擇調(diào)壓室位置,使其既能滿足電站調(diào)節(jié)保證要求,又能一定程度上控制工程投資。結(jié)合本工程地形地質(zhì)條件,綜合調(diào)壓室規(guī)模、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)保要求,確定調(diào)壓室位置距廠房機(jī)組約700 m。

4 廠區(qū)輸水建筑物優(yōu)化調(diào)整方案

通過以上優(yōu)化調(diào)整分析,亞曼蘇水電站輸水建筑物推薦采用“兩機(jī)一管,增設(shè)氣墊式調(diào)壓室”的布置型式。

前池布置在山前沖洪積傾斜平原地面中心高程1 682~1 688 m附近,由連接段、池身段、電站進(jìn)口閘、側(cè)堰及扶壁式擋墻等組成。引水渠道末端底高程1 700.32 m,前池底板最低高程1 685.20 m,前池正常水位為1 705.05 m,總?cè)莘e為31 092 m3,工作容積21 294 m3。

壓力管道采用“兩機(jī)一管、氣墊式調(diào)壓室”的布置型式,沿縱向依次分為氣室前管段、氣室管段、氣室后管段及支管段。壓力主管長約2 700 m,引用流量分別為80.2 m3/s、59.8 m3/s,管徑分別為5.0 m、4.4 m;支管長33~38 m,管徑分別為3.1 m、2.2 m。氣墊式調(diào)壓室平行于壓力管道縱軸線方向布置,2個(gè)調(diào)壓室與同側(cè)壓力管道的中心線間距均為20.0 m;1號調(diào)壓室總長180.00 m,其中主體室身長90.0 m,斷面直徑12.0 m,兩端漸變段均長45.0 m,由直徑12.0 m漸變至直徑6.5 m形成悶頭。2號調(diào)壓室總長135.00 m,其中主體室身長45.0 m,斷面直徑12.0 m,兩端漸變段與1號調(diào)壓室相同。2個(gè)調(diào)壓室底部高程均為1 565.00 m。壓力管道及氣墊式調(diào)壓室均采用“明鋼管+外包混凝土”型式,氣室前管段、氣室管段與氣室后低壓段鋼管采用Q345R鋼材,氣室后高壓段、支管段及氣室鋼管采用600 MPa高強(qiáng)鋼,鋼管外包鋼筋混凝土厚0.5 m??紤]到工程所處環(huán)境及冬季運(yùn)行防冰凍等要求,壓力管道采用淺埋回填方式,回填材料為砂礫石土。鋼管頂部回填土最小厚度為1.50 m。

5 結(jié) 語

亞曼蘇水電站采用地面氣墊式調(diào)壓室,很好地解決了強(qiáng)震區(qū)引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)問題。筆者結(jié)合工程區(qū)地形、地質(zhì)條件,所提出的“兩機(jī)一管、設(shè)置氣墊式調(diào)壓室”的輸水建筑物布置型式合理且可行,降低了工程風(fēng)險(xiǎn),減少了工程投資,可為類似引水發(fā)電工程提供借鑒與參考。

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