西部某引水式水電站調壓室群布置研究

鮑世虎

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概述

西部某水電站為長距離引水式日調節(jié)水電站，主要任務為發(fā)電，電站總裝機1 100 MW（4×275 MW），額定水頭129.00 m，單機發(fā)電流量241.90 m3/s，水庫正常蓄水位1 997.00 m，死水位1 992.00 m。電站主要建筑物有攔河閘壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開關站等，廠壩之間通過引水隧洞連接。攔河閘壩最大壩高38.50 m，引水系統(tǒng)總長約17.40 km，發(fā)電廠房為地面廠房，共安裝4臺混流式發(fā)電機組。引水系統(tǒng)位于河道左岸，洞線沿江布置，為2洞4機布置形式，主要建筑物由首部進水口、引水隧洞、上游調壓室、壓力管道等部分組成。

2 引水系統(tǒng)布置

電站進水口為洞外岸塔式結構，緊鄰攔河閘壩沖沙閘布置，形成“正向泄洪沖沙，側向取水發(fā)電”的布置格局。2條引水隧洞單洞長約16.70 km，立面為緩坡一坡到底布置，縱坡為0.25%。引水隧洞沿線埋深在120.00～1 295.00 m之間，尾部埋深較大。隧洞采用鉆爆法開挖，圓形斷面，全長采用鋼筋混凝土襯砌，襯后直徑11.50～12.50 m，開挖直徑13.50 m，相應流速4.66～3.94 m/s。上游調壓室位于引水隧洞末端，每個水力單元的2臺機組共用1個調壓室。調壓室位于Smx4-1硬質巖或Smx4-2軟質巖地層，為阻抗式+擴大上室形式調壓室，調壓室內布置1道事故檢修閘門保護壓力鋼管及廠房。2條引水隧洞分別在最末一個調壓室底部“Y型”分岔，分出4條壓力管道，壓力管道長488.00～514.00 m，由上平洞、豎井、下平洞組成，采用鋼筋混凝土襯砌和鋼板襯砌形式，襯后為直徑分別為8.00，7.10 m的圓形，相應流速4.81～6.10 m/s。

3 調壓室穩(wěn)定斷面面積

受地質條件和樞紐布置限制，調壓室布置無法避開Smx4-2地層，在軟質巖地層中建設如此大規(guī)模的圓筒形和長廊形調壓室均有巨大難度，為降低安全風險，有必要將調壓室布置為多個地下圓形豎井組合布置的形式。多個調壓室組合時，引水系統(tǒng)波動衰減由主、副調壓室共同擔當，增加一個調壓室的斷面，可以減小另一個調壓室的斷面，但兩個調壓室所需要的斷面之和大于只設置一個調壓室時所需要的斷面[1]。為了便于方案比選，多調壓室方案中調壓室總過水斷面面積之和取1 150 m2，通過數(shù)值仿真計算求出調壓室涌波水位隨時間變化的過程，據(jù)此可以判斷調壓室水位波動是否衰減，論證調壓室實際過水斷面面積選擇的合理性[2]。

4 調壓室布置方案擬定

4.1 方案擬定

電站采用地面式發(fā)電廠房，調壓室宜靠近廠房布置，以更好地反射水錘波，壓力管道水流慣性時間常數(shù)Tw必須滿足規(guī)范要求，取2.0～4.0 s。引水系統(tǒng)末端、廠房上游主要分布Smx4-1和Smx4-2地層，順發(fā)電水流方向，Smx4-1地層厚約780.00 m，Smx4-2地層厚約790.00 m。多個圓筒形組合式的調壓室可分別布置在上述兩個地層中。

Smx4-1地層巖性主要以云母石英片巖、變粒巖為主，調壓室布置區(qū)域地應力約20 MPa，屬中等偏高～高應力量級，圍巖可能產生輕微巖爆、結構面切割掉塊，局部鼓脹破裂、板裂破壞等；Smx4-2地層巖性主要以石英云母片巖為主，調壓室布置區(qū)域地應力約17 MPa，以構造應力為主，屬中等地應力，圍巖可能產生塑性變形、鼓脹破裂、板裂破壞及結構面切割掉塊等。

考慮到以下因素：調壓室數(shù)量2～4個；調壓室可布置在引水隧洞主洞或支洞上；調壓室與引水隧洞末端岔管結合或不結合；調壓室與事故檢修閘門結合或不結合；調壓室可布置在Smx4-1地層或Smx4-2地層，調壓室群布置有多達十余種組合方式。受限于篇幅，文中僅選取兩個代表性方案進行分析對比。

方案一，單個水力單元共布置3個調壓室，分為1個副調壓室和2個主調壓室。主洞調壓室布置在引水隧洞主洞上，與末端岔管結合布置。主調壓室分別布置在2條支洞上，調壓室內各布置1扇事故檢修閘門。3個調壓室均位于Smx4-2地層，襯后直徑23.80 m。

方案二，單個水力單元共布置2個調壓室，分別為1個副調壓室和1個主調壓室。副調壓室布置在引水隧洞主洞上，位于Smx4-1地層，襯后直徑23.20 m。主調壓室布置在引水隧洞末端岔管上，調壓室內布置2扇事故檢修閘門，位于Smx4-2地層，襯后直徑23.20 m。岔管與主調壓室結合布置，位于Smx4-2地層。方案二調壓室群布置示意圖見圖1。

圖1 方案二布置示意圖

4.2 方案比選

1）水力條件。蝸殼壓力最大217.81 m，機組轉速最大升高48.05%，涌波水位2 030.42～1 962.99 m，小波動穩(wěn)定調節(jié)時間21.8～37.8 s，衰減度93.20%～94.36%。方案二，蝸殼壓力最大211.13 m，機組轉速最大升高48.18%，涌波水位2 036.56～1 970.70 m，小 波 動 穩(wěn) 定 調 節(jié) 時 間34.4～34.8 s，衰 減 度88.75%～89.65%。兩方案水力條件基本相當，支洞方案二略優(yōu)。

2）圍巖穩(wěn)定性。調壓室均位于Smx4-2軟質巖地層，開挖洞徑27.40 m，無支護條件下調壓室中部1 975.00 m高程處最大變形和松弛深度分別為11.50 cm、4.80 m。方案二，主調壓室位于Smx4-2軟質巖地層，開挖洞徑26.80 m，無支護條件下調壓室中部1 975.00 m高程處最大變形和松弛深度分別為11.25 cm、4.60 m；副調壓室位于Smx4-1中硬巖地層，開挖洞徑36.80 m，無支護條件下調壓室中部1 975.00 m高程處最大變形和松弛深度分別為10.45 cm、5.90 m。兩方案調壓室尺寸并無明顯差別，方案二副調壓室尺寸略大，圍巖穩(wěn)定性相當。

3）施工組織。2個水力單元共6個調壓室，最大直徑27.40 m。方案二，2個水力單元共4個調壓室，最大直徑36.80 m。方案一調壓室數(shù)量多且布置集中，施工干擾問題突出，方案二較優(yōu)。

4）工程投資。方案一和方案二可比投資分別為13.9，13.4億元，方案一調壓室數(shù)量多，可比投資略高0.5億元，方案二略優(yōu)。

綜上所述，方案二可作為設計推薦方案。

4.3 推薦方案

上游調壓室由2個圓筒式調壓室（單個水力單元內）組成，沿發(fā)電水流方向依次為副調壓室和主調壓室[3]。

主調壓室平面距離發(fā)電廠房422.00～438.00 m，井高120.70 m。調壓室主要由阻抗孔、調壓室豎井，以及與事故檢修閘門有關的閘墩、閘門檢修和啟閉機平臺、閘門后通氣孔組成，每個調壓室豎井內的下游側布置2扇壓力管道事故檢修閘門，閘門槽孔口兼作調壓室阻抗孔，單個阻抗孔面積約21.0 m2。調壓室豎井內徑為23.20 m，底板高程為1 943.40 m。

副調壓室平面距離發(fā)電廠房968.00～1 120.00 m，井高99.10 m。調壓室主要由阻抗孔、調壓室豎井和上室組成，阻抗孔直徑為5.00 m的圓形。調壓室豎井內徑為33.20 m，豎井底板高程為1 947.90 m。調壓室上室底板高程2 016.00 m，沿引水隧洞方向布置長約190.00 m、底坡i=1%、橫斷面凈尺寸為10.00 m×（11.00～12.90）m（寬×高）的變高度城門洞型，兩相鄰副調壓室上室相互連通，互為通氣洞。相鄰調壓室連通上室的中間設置混凝土分隔墩，分隔墩頂高程為2 023.00 m。

5 結語

調壓室作為引水式水電站中重要的建筑物，在設計階段，有必要對其布置進行詳細論證研究。在該工程中，調壓室規(guī)模巨大且選址中無法避開軟質巖地層，水力學和圍巖穩(wěn)定性均為關鍵技術問題。經(jīng)研究，單個引水系統(tǒng)中多個圓筒式調壓群組合方案是安全、經(jīng)濟、合理、可行的。調壓室群布置研究的方法和結論，能為類似工程設計時提供借鑒。