清河水庫(kù)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(kù)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(kù)水電站工程位于鐵嶺市清河區(qū)清河水庫(kù)攔河壩下游，清河水庫(kù)控制流域面積2 376 km2。清河水庫(kù)是一座以防洪、灌溉為主，兼顧工業(yè)供水、養(yǎng)魚(yú)、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。本次改造對(duì)調(diào)壓井及管道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以全保水庫(kù)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(kù)水電站工程地處鐵嶺市清河區(qū)，清河水庫(kù)攔河壩下游，附近開(kāi)草公路通過(guò)。本工程布置在清河水庫(kù)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(kù)攔河壩，取水頭部和部分壓力鋼管利用清河水庫(kù)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(kù)水電站工程采用有壓隧洞引水，壓力隧洞總長(zhǎng)796.70 m，其中原回水泵站調(diào)壓井前壓力隧洞長(zhǎng)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(duì)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(kāi)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(jiǎn)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(jiǎn)單圓筒式調(diào)壓井結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(méi)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(jiàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)廠房上游邊坡的影響，對(duì)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)確定。

3 壓力管道

清河水庫(kù)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(zhǎng)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(kù)右岸輸水洞改造工程連接段壓力鋼管，利用管道長(zhǎng)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(zhǎng)度32.5 m，內(nèi)徑仍為φ3 600 mm，通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度見(jiàn)表3。

3.3.3 抗外壓承載能力校核

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(yǔ)

通過(guò)對(duì)清河水庫(kù)水電站調(diào)壓井改造進(jìn)行分析與計(jì)算，利用清河水庫(kù)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(jiǎn)單，反射水錘波條件較好的簡(jiǎn)單圓筒式調(diào)壓井，電站蓄水以來(lái)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(kāi)發(fā)條件，又可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)揮水庫(kù)綜合效能。

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

[2]陳捷平,楊建東,郭文成,等.超長(zhǎng)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(guó).水電站調(diào)壓井形式比選研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電.2013(04).

[4]洪振國(guó).六郎洞電站溢流式調(diào)壓井型式比選研究[J].中國(guó)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(zhǎng)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(cè)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