清河水庫水電站調(diào)壓井改造設(shè)計

林長茂

(遼寧省清河水庫管理局，遼寧 鐵嶺　112003)

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清河水庫水電站調(diào)壓井改造設(shè)計

林長茂

(遼寧省清河水庫管理局，遼寧 鐵嶺112003)

【摘要】清河水庫通過新配套電站，實現(xiàn)了環(huán)境生態(tài)和企業(yè)效益雙贏，保障了河道生態(tài)流量，增加了可再生能源供應(yīng)。在電站輸水系統(tǒng)調(diào)壓井改造設(shè)計中，合理利用了工程現(xiàn)有建筑物，節(jié)省了投資和工期，為同類項目提供了設(shè)計參考案例。

【關(guān)鍵詞】清河水庫電站;生態(tài)修復(fù)；可再生能源；調(diào)壓井改造

清河水庫為1966年竣工的大(2)型水利樞紐工程，工程主要任務(wù)是遼河中下游農(nóng)業(yè)灌溉、防洪等，經(jīng)過除險加固后的設(shè)計洪水標準為500年一遇，相應(yīng)庫容7.97億m3,校核洪水標準為10000年一遇，相應(yīng)庫容9.68億m3。清河水庫原設(shè)計沒有配套電站，隨著調(diào)水工程的實施，將有4.41億m3的水量調(diào)入水庫。清河水庫下泄水量7.54億m3，其中農(nóng)業(yè)灌溉水量2.64億m3、環(huán)境水量2.25億m3、水庫棄水2.65億m3。清河水庫除了防洪和保障灌溉用水，還將肩負起遼河生態(tài)補水任務(wù)，通過配套電站，保障河道生態(tài)流量，修復(fù)河道生態(tài)，增加可再生能源供應(yīng)，節(jié)能減排。電站主要利用灌溉用水、生態(tài)放流、水庫棄水發(fā)電，電站總裝機容量15000kW,設(shè)計年發(fā)電量3377萬kW·h。由于水庫建成多年，電站設(shè)計的難點是輸水系統(tǒng)的改造設(shè)計，特別是調(diào)壓井的布置、改造設(shè)計尤為關(guān)鍵。

1調(diào)壓井布置

清河水庫原設(shè)計中，右岸建有輸水隧洞，作為清河火電廠冷卻水泵站回水隧洞，2006年，清河電廠技術(shù)改造，電廠回水設(shè)施(回水渠道、回水泵站、回水隧洞、回水調(diào)壓井、回水閘門)停止使用，回水隧洞處于閑置狀態(tài)。結(jié)合地形地質(zhì)條件及電站各建筑物布置，對改造回水隧洞作為電站輸水隧洞、改造原回水調(diào)壓井作為電站調(diào)壓井方案進行了比較論證，這個方案不僅節(jié)省電站投資和工期，而且有利于電站樞紐取水頭部、輸水隧洞及調(diào)壓井、壓力管道、廠房、尾水渠等布置。改造后的電站輸水隧洞總長647m、洞徑4m，壓力管道長73m。調(diào)壓井設(shè)在距離隧洞出口115m處，距離電站廠房187m。調(diào)壓井型式為鋼筋混凝土阻抗式。

2調(diào)壓井工程地質(zhì)

調(diào)壓井井址地面高程143.69m,建基面坐落于弱風(fēng)化花崗巖基上，井筒圍巖自上而下分別是：139.49～142.49m為強風(fēng)化Ⅴ類圍巖；124.79～139.49m弱風(fēng)化Ⅲ～Ⅳ類圍巖，Ⅲ、Ⅳ類圍巖各占50%；124.79m以下為微風(fēng)化Ⅱ～Ⅲ類圍巖，Ⅱ、Ⅲ類圍巖各占50%。

3調(diào)壓井設(shè)置條件判斷

清河水庫電站壓力引水系統(tǒng)較長，調(diào)壓井是輸水系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是減少水輪發(fā)電機組負荷變化引起的輸水系統(tǒng)內(nèi)正負水壓力，保證輸水管道中壓力升高、降低不超出設(shè)計允許的范圍，以保證水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行。

按照《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5058—1996)，設(shè)置調(diào)壓井條件為：

式中Tw——壓力水道中水流慣性時間常數(shù)，s；

Li——壓力水道及蝸殼和尾水管各分段的長度，m；

vi——各分段內(nèi)相應(yīng)的流速，m/s；

HP——設(shè)計水頭，m；

[Tw]——Tw允許值，一般取2～4s，該電站Tw取4s。

經(jīng)計算，Tw≈12.55s>4s，清河水庫電站需要設(shè)置調(diào)壓井。

4調(diào)壓井水力計算

4.1調(diào)壓井?dāng)嗝嬖O(shè)計

調(diào)壓井穩(wěn)定斷面按托馬準則計算，即：

式中Ath——托馬臨界穩(wěn)定斷面面積，m2；

L——壓力引水道長度，m；

A1——壓力引水道斷面面積，m2；

H0——發(fā)電最小靜水頭，m；

α——自水庫至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)，s2/m，α=hw0/v2；

v——壓力引水道流速，m/s；

hw0——壓力引水道水頭損失，m；

hwn——壓力管道水頭損失，m；

K——系數(shù)，一般可采用1.0～1.1，此處取1.05。

經(jīng)計算，調(diào)壓井的托馬臨界穩(wěn)定斷面面積Ath=173.22m2，相應(yīng)半徑R=7.43m。規(guī)范規(guī)定調(diào)壓井豎井設(shè)計斷面面積應(yīng)不小于穩(wěn)定斷面面積，調(diào)壓井設(shè)計半徑R=7.5m，相應(yīng)設(shè)計斷面面積A=176.63m2。

調(diào)壓井有簡單圓筒式、阻抗式、雙室式、溢流式和差動式五種基本型式。經(jīng)比較分析，阻抗式調(diào)壓井能減小調(diào)壓室井水位升高值和降低值，減小調(diào)壓井的容積；阻抗式調(diào)壓室底部可以收縮，有利于和原隧洞連接。綜合分析采用阻抗式調(diào)壓井，設(shè)計阻抗孔直徑以3m較為經(jīng)濟合理。

4.2調(diào)壓井涌波計算

調(diào)壓井涌浪計算按照《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5058—1996)附錄B的公式計算。

工況Ⅰ：最高涌浪計算工況，采用上游正常蓄水位時，全部機組滿載運行瞬時丟棄全部負荷；

工況Ⅱ：校核水位時丟棄全部負荷；

工況Ⅲ：最低涌浪計算工況，采用輸水洞最小淹沒高程時，全部機組有2/3負荷突增至滿載；

工況Ⅳ：全部機組丟棄全部負荷的第二振幅。

計算成果見表1、表2。

表1　調(diào)壓井最高涌浪計算成果　單位：m

表2　調(diào)壓井最低涌浪計算成果　單位：m

5調(diào)壓井結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)造

調(diào)壓井結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。調(diào)壓井設(shè)計洪水標準為500年一遇，校核洪水標準為10000年一遇。調(diào)壓井最高涌浪水位為142.92m，最高涌波4.86m；最低涌浪水位為112.66m，最大負涌波4.84m。根據(jù)調(diào)壓井最高涌波水位和最低涌波水位及調(diào)保計算成果確定井頂高程145.00m，井底高程110.00m，井身高35m。調(diào)壓井采用圓形斷面，內(nèi)半徑7.5m，阻抗孔直徑3m。

根據(jù)調(diào)壓井地質(zhì)條件，井筒124.00m高程以上隨開挖及時進行錨噴及封閉支護，施工期支護采用8cm厚C20混凝土，錨桿φ22，長2.5m，間排距1.5m×1.5m；124.00m高程以下根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，采用隨機錨桿支護，及時有效。

根據(jù)地形條件確定調(diào)壓井平臺高程140.00m，該工程調(diào)壓井山體單薄，為加強圍巖的整體性、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)壓井進行固結(jié)灌漿，灌漿孔伸入巖石3m，間排距3m×3m，具體灌漿壓力值根據(jù)現(xiàn)場實驗確定。

調(diào)壓井結(jié)構(gòu)設(shè)計：設(shè)計工況考慮正常運行期和完建期，荷載主要考慮圍巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、自重等。計算圍巖彈性抗力，用圓形有壓隧洞公式，采用理正巖土隧道襯砌計算軟件計算，調(diào)壓井底板按理正結(jié)構(gòu)工具設(shè)計軟件圓形水池計算。

計算成果：調(diào)壓井井壁厚度：80cm。底板配筋：環(huán)向筋φ20@150，豎向筋φ25@150。井筒最危險斷面配筋：環(huán)向筋φ22@200，豎向筋φ22@200。

6結(jié)語

新時期對環(huán)境、對河流生態(tài)有了新期盼，水庫在承擔(dān)防洪、灌溉、供水的同時，還承擔(dān)著生態(tài)放流的新任務(wù)，然而有一些早期建成的水庫沒有配套電站，水能資源得不到充分利用。清河水庫電站輸水系統(tǒng)調(diào)壓井改造設(shè)計，為同類工程如何利用現(xiàn)有放流設(shè)施配套電站提供了案例,通過對現(xiàn)有輸水隧洞水力過渡過程模擬計算、設(shè)計改造，確定采用改造原回水隧洞及調(diào)壓井作為電站輸水系統(tǒng)，滿足了電站調(diào)節(jié)保證要求，改造方案因地制宜、經(jīng)濟合理、安全可靠，實現(xiàn)了環(huán)境生態(tài)和企業(yè)效益雙贏。

參考文獻

[1]GB 50071—2002小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]DL/T 5058—1996水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，1997.

The reformation design of surge tank in Qinghe Reservoir Hydropower Station

LIN Changmao

(LiaoningQingheReservoirAdministration,Tieling112003,China)

Abstract:Qinghe Reservoir realizes the win-win situation of ecological environment and enterprise benefit through newly-completed power station. The ecological flow of the river is guaranteed. Renewable energy supplies are increased. Existing buildings of the project are rationally utilized, investment and duration are saved, and design reference cases are provided for similar projects in the reformation design of power plant water transfer system surge tank.

Key words:Qinghe Reservoir Hydropower Station; ecological restoration; renewable energy; surge tank reformation

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.019

中圖分類號：TV732.5

文獻標識碼：B

文章編號：1673-8241(2016)06- 0067- 03