涵管沖擊消能箱在某電站引水技術改造工程中的應用

唐志波，周家文，朱 熙

（四川大學水利水電學院,四川 成都 610044）

1 工程概況

1.1 項目背景

某電站系無調節(jié)性能的引水徑流式電站,電站裝機3×630 kW。根據(jù)2017 年政府相關文件的要求：地處集中式飲用水水源保護地一級保護區(qū)內的某電站應立即關停,停止一切生產、經營活動（保留現(xiàn)有水流導向）。

2017 年7 月31 日某電站停產,停產前首部樞紐、無壓引水隧洞、壓力管道、主廠房、尾水渠等建筑物運行良好。停產后除電站不再發(fā)電外,仍然保留原有水流導向,采用首部樞紐、無壓引水隧洞、壓力管道、尾水渠等跨流域引水。

本次改造工程是響應政府有關環(huán)境保護的指示,將電站廠房及機組全部拆除,只保留現(xiàn)有水流導向跨流域引水。為確保壓力管道等結構的安全運行和尾水能量得到有效消減,本次工作主要有：對壓力管道明管段采用混凝土包管加固處理,壓力管道引水后在原機組位置采用涵管沖擊消能箱進行消能處理。

1.2 原設計項目概況

某電站由首部樞紐、無壓引水隧洞、壓力管道、主廠房、尾水渠等部分組成。

首部樞紐由底格攔柵壩、進水控制閘等部分組成。底格攔柵壩壩頂高程1108.10 m,建基面高程1100.60 m,最大壩高7.5 m,壩底寬15.24 m,壩軸線長27 m。進水口控制閘布置在左壩肩,設B×H=1.5 m×3.0 m潛孔式平面鋼閘門一道,進水閘底板高程1104.90 m。

無壓引水隧洞總長1995 m,縱坡為1/1000,隧洞斷面為城門洞型,采用C20 砼襯砌,厚度為30 cm,凈寬2.0 m,凈高3.0 m。

壓力管道進口中心線高程為1101.60 m,出口中心線高程為1056.30 m,主管長100.5 m,管徑為1.4 m（壁厚12 mm鋼管）。原設計壓力管道平面布置圖見圖1,原設計壓力管道縱剖面圖見圖2。

圖1 原設計壓力管道平面布置圖

圖2 原設計壓力管道縱剖面圖

某電站主廠房機組軸線與廠房縱軸線平行、管道卜型分岔,主廠房安裝三臺臥式水輪發(fā)電機組,機組間距8.4 m,主廠房長34.40 m,寬10.0 m,地坪高程1057.40 m。原設計廠房縱剖面圖見圖3,原設計廠房橫剖面圖見圖4。

圖3 原設計廠房縱剖面圖

圖4 原設計廠房橫剖面圖

尾水渠首端底板高程為1056.25 m,坡度為1∶200,為M7.5 漿砌卵石渠道,凈寬2 m,凈高0.95 m。

2 工程地質

2.1 地層巖性

工程區(qū)內出露的地層主要有：三迭系須家河組和第四系全新統(tǒng)沖洪積地層現(xiàn)由老至新簡述如下。

三迭系須家河組下段,主要巖性為厚－中厚層狀長石石英砂,含泥質灰?guī)r夾黑灰色炭質頁巖、粉砂巖?；屹|頁巖中常夾有煤線及薄煤層。弱風化,巖石較堅硬,主要分布于壓力管道邊坡及廠區(qū)。

第四系全新統(tǒng)河流沖積,巖性為砂卵石層,卵石成分主要為花崗巖、砂巖、灰?guī)r等,沖積層厚5 m~7 m。

2.2 建筑物區(qū)工程地質條件及評價

本次技改工程主要有兩項內容,一是對壓力管道明管段進行混凝土包管處理以加強壓力管道的穩(wěn)定性,二是在廠房區(qū)對壓力管道出口水流進行消能,在廠房內原機組位置設置3 個涵管沖擊消能箱。

消能箱位于電站廠房內原機組位置,1#、2#、3#機涵管沖擊消能箱凈空尺寸均為B×L×H=3.5 m×2.0 m×3.94 m,外輪廓尺寸為B×L×H=4.3 m×2.8 m×4.59 m,采用C30 砼澆筑,邊墻厚40 cm,底板厚50 cm,頂板厚15 cm。廠房基礎為砂卵石層,中密,允許承載力為0.4 MPa,本次消能箱基礎為砂卵石層,承載力均能滿足設計要求,工程地質條件較好。

3 技術改造方案設計

3.1 方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場踏勘,由于技術改造,需將電站廠房及機組全部拆除,仍然保留原有水流導向跨流域引水。根據(jù)現(xiàn)場情況,現(xiàn)提出三種方案進行技術經濟比較。

方案一：壓力管道末端設置流量調節(jié)閥,管道出口設置涵管沖擊消能箱進行消能。

方案二：對原有壓力管道明管段采用包管處理進行加固,管道出口采用常規(guī)消力池進行消能。

方案三：對原有壓力管道明管段采用包管處理進行加固,管道出口采用涵管沖擊消能箱進行消能。

根據(jù)技術經濟比較,若采用方案三較之方案一投資更省,更安全可靠,運行管理更方便。較之方案二因涵管沖擊消能箱為封閉結構較之常規(guī)露天消力池更加安全,更加節(jié)省空間,與前后建筑物銜接更協(xié)調,且在相同弗勞德數(shù)下,涵管沖擊消能箱較底流消力池消能效率增加12%～30%[1]。

因此此次選擇對原有壓力管道明管段采用包管處理進行加固,管道出口采用涵管沖擊消能箱進行消能的方案（方案三）。

3.2 支管設計

（1）支管改造設計

因水輪機組拆除后,原壓力管道末端流態(tài)發(fā)生變化,且為方便運行管理,管道末端未設流量調節(jié)裝置。根據(jù)有壓管流公式[2],由表1 計算可知,機組拆除后壓力管道最大過流能力為20.93 m3/s。

表1 機組拆除后壓力管道最大過流能力計算表

而設計引水流量僅為5.25 m3/s,為使壓力管道流態(tài)更好,三支管分流能力相當,在1#、2#、3#機支管末端接長1550 mm錐管（DN800/ DN500 mm）。設置椎管后3 支管總過流能力為9.92 m3/s,見表2。

表2 1#、2#、3#機支管設置椎管后總過流能力計算表

（2）支管流速校核

根據(jù)《水力計算手冊》（第六章 幾種特殊消能工的水力計算）對于涵管沖擊消能箱出口流速一般應小于9 m/s[1]。在1#、2#、3#機支管末端設置管徑為0.5 m錐管后,在設計流量為5.25 m3/s情況下各支管分流能力計算見表3,各支管末端流速計算見表4。

表3 1#、2#、3#機設置椎管后分流能力計算表

表4 1#、2#、3#機支管末端流速計算表

經校核在設計流量為5.25 m3/s情況下,三支管分流能力相當,1#、2#、3#機支管分流能力分別為1.74 m3/s、1.74 m3/s、1.77 m3/s,最大流速為9.01 m/s,滿足要求。

3.3 涵管沖擊消能箱設計

（1）涵管沖擊消能箱尺寸計算

根據(jù)明渠均勻流公式[2],由表5 和表6 計算得知,無壓引水隧洞最大過流能力（85%最大過流斷面）為8.6 m3/s,單個尾水渠最大過流能力（85%最大過流斷面）為2.98 m3/s,總過流能力為2.98×3=8.94 m3/s。

表5 無壓引水隧洞最大過流能力計算表

表6 單個尾水渠最大過流能力計算表

由表2 知,改造后壓力管道最大過流能力為9.92 m3/s,改造后壓力管道、尾水渠最大過流能力均大于引水隧洞最大過流能力。由于首部樞紐、進水控制閘等部分無人值守,為避免汛期臨時出現(xiàn)實際引水流量大于設計流量的突發(fā)情況,因此,最大引水能力按隧洞最大過流能力控制,單個支管涵管沖擊消能箱按引水隧洞最大過流能力的三分之一計算,為8.6÷3=2.87 m3/s,設計按3 m3/s進行尺寸設計。

根據(jù)《水力計算手冊》（第六章 幾種特殊消能工的水力計算）[1]計算得涵管沖擊消能箱尺寸見表7。

表7 涵管沖擊消能箱尺寸計算表

考慮到此次設計場地的影響對涵管沖擊消能箱形式作了優(yōu)化,取涵管沖擊消能箱凈空尺寸為B×L×H=3.5 m×2.0 m×3.94 m。消能箱平面布置圖見圖5。

圖5 涵管沖擊消能箱平面布置圖

（2）涵管沖擊消能箱結構設計

涵管出口中心線高程為1056.30 m,1#、2#、3#機出口管徑均為0.5 m。1#、2#、3#機涵管沖擊消能箱凈空尺寸均為B×L×H=3.5 m×2.0 m×3.94 m,外輪廓尺寸為B×L×H= 4.3 m×2.8 m×4.59 m,采用C30 砼澆筑,邊墻厚40 cm,底板厚50 cm,頂板厚15 cm。消能箱底高程為1053.81 m,頂高程為1058.40 m。在頂板預留DN200 通氣孔4 處,設置L×B=1.6 m×0.9 m進人檢修孔,并采用C30 砼15 cm厚蓋板覆蓋并加設螺栓固定。為減少涵管出口流速過大對箱體的沖刷,將涵管出口正面墻體及L梁頂板60 cm范圍內混凝土表面加設16 mm厚鋼板（Q345 C）,并在鋼板背側每隔600 mm布設20 a工字鋼與之焊接固定,單塊工字鋼長150 mm。邊墻預留孔洞與尾水渠連通。

另在進人檢修孔下部設置φ20 @200 mm爬梯,通氣孔鋼管、鋼板、爬梯、螺栓等做好相應防腐處理。

涵管沖擊消能箱剖面布置圖見圖6,涵管沖擊消能箱剖面詳圖見圖7。

圖6 涵管沖擊消能箱剖面布置圖

圖7 涵管沖擊消能箱剖面詳圖

3.4 運行管理要求

1）技術改造后試運行期應對壓力管道、涵管沖擊消能箱、尾水渠等建筑物進行詳細觀測,一旦發(fā)現(xiàn)異常情況及時與相關單位聯(lián)系并做好相應記錄。

2）技術改造后,應定期對壓力管道、涵管沖擊消能箱、尾水渠等建筑物進行運行維護。

3）在涵管消能箱等位置設置安全警示牌,嚴禁非工作人員靠近。若需對涵管沖擊消能箱、尾水渠等進行清淤或檢修,應嚴格加強對上游來水截留控制,確保工作人員安全。

4 結論與建議

1）某電站技改工程,因地制宜選用涵管沖擊消能箱的形式進行消能,充分利用了機組拆除后原尾水管位置,改造工程量小、投資省、消能效果好。涵管沖擊消能箱對箱體的抗沖刷性能要求較高,因此在此次設計過程中為減少涵管出口流速過大對箱體的沖刷,將涵管出口正面墻體及L梁頂板60 cm范圍內混凝土表面加設16 mm厚鋼板（Q345 C）,并在鋼板背側每隔600 mm布設20 a工字鋼與之焊接固定,使鋼板與箱體混凝土更加可靠錨固。涵管沖擊消能箱常規(guī)做法為露天開敞式,考慮到技術改造后消能箱頂部與原廠房地面高差較小,且消能箱將長期運行。為確保人員安全,對消能箱結構做了適當優(yōu)化,將頂部改為封閉式結構,增設通氣孔通氣,增設進人檢修孔方便清淤檢修。

2）涵管沖擊消能箱適用于小型涵管、涵洞、輸放水管道出口等。一般下游無尾水,或有尾水而變動范圍較大者。管洞出口斷面為圓形、矩形或馬蹄形均可。單管最大容許流量Q以不超過9.6 m3/s為限,出口流速一般應小于9.0 m/s。如流量超過限度,可增加消能箱的數(shù)目,建造兩個或多個平行的消能箱,以保持Q<9.6 m3/s。

3）對于中小型水利工程取放水末端消能設施,當出口形式和末端流量、流速滿足設置涵管沖擊消能箱的情況下,可以優(yōu)先考慮采用涵管沖擊消能箱的形式代替常規(guī)消力池的做法進行消能。根據(jù)賓陽清平水庫灌溉管出口消能形式由消力池改建為涵管沖擊消能箱的成功經驗,采用消能箱的形式較之常規(guī)消力池的做法,能有效降低水躍長度和高度,節(jié)省空間、降低投資,并減少對銜接渠道的沖刷,保證工程安全運行。