巴基斯坦Balakot 水電站隧洞式尾水調(diào)壓設(shè)施設(shè)計(jì)

姚德生 王守甲

水電站作為最重要的清潔能源之一，其開發(fā)形式多種多樣，其中，長距離引水式電站由于可減少庫區(qū)淹沒范圍，減少移民數(shù)量，減輕筑壩帶來的環(huán)境負(fù)面影響，得到廣泛應(yīng)用。長距離引水電站在運(yùn)行過程中經(jīng)常會遇到負(fù)荷突然變化的情況，將不可避免的在有壓輸水管道中出現(xiàn)“水錘”現(xiàn)象，并在壓力水道中傳播。為改善水錘現(xiàn)象，減小水錘在引水道中的傳播，常常在有壓輸水隧洞內(nèi)設(shè)置調(diào)壓設(shè)施，從而降低壓力管道中的水錘值，改善機(jī)組的運(yùn)行條件。

常規(guī)調(diào)壓設(shè)施的基本形式有簡單式、阻抗式、水室式、溢流式、差動式及氣墊式。另外，隧洞式調(diào)壓設(shè)施在國內(nèi)外也常有應(yīng)用，隧洞式調(diào)壓設(shè)施不僅可以解決水錘的問題，還可解決施工難度大以及施工風(fēng)險(xiǎn)問題，在工程項(xiàng)目中取得了良好的效果。巴基斯坦的NEELUM JHELUM水電站工程的尾水調(diào)壓設(shè)施就是采用的隧洞式，目前已運(yùn)行了多年，運(yùn)行狀況良好。

隧洞式調(diào)壓設(shè)施適用于受地形地質(zhì)條件限制，調(diào)壓井布置存在一定困難的工程。在長距離引水電站中，調(diào)壓井的斷面尺寸一般較大，調(diào)壓豎井的高度一般較高，當(dāng)遇到地形比較復(fù)雜，地質(zhì)條件比較差的情況，調(diào)壓井的施工會遇到很大挑戰(zhàn)，如經(jīng)常發(fā)生豎井塌方等安全事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及工期延誤。這種情況下，隧洞式調(diào)壓設(shè)施可能具有極大的優(yōu)勢，可降低施工風(fēng)險(xiǎn)及難度。

從本質(zhì)上講，隧洞式調(diào)壓設(shè)施屬于簡單式調(diào)壓井的一種，只是將傳統(tǒng)的圓筒式調(diào)壓井替換為緩傾的隧洞，以獲得相當(dāng)?shù)恼{(diào)壓井?dāng)嗝婕叭莘e。隧洞式調(diào)壓設(shè)施除了具有調(diào)保作用以確保電站安全運(yùn)行外，在施工過程中還可作為施工支洞，節(jié)省了工程投資及工期。

巴基斯坦Balakot水電站的尾水調(diào)壓設(shè)施采用隧洞式調(diào)壓設(shè)施，隧洞式調(diào)壓洞在施工期作為施工支洞通往尾水隧洞、壓力鋼管下平段，并承擔(dān)壓力鋼管及鋼岔管的運(yùn)輸任務(wù)。

1 工程概況

巴基斯坦Balakot水電站為引水式水電站，壩址以上控制流域面積約1 939 km2，多年平均流量83.5 m3/s，水庫正常蓄水位1 288.000 m，相應(yīng)庫容365 萬m3，死水位1 283.000 m，調(diào)節(jié)庫容120萬m3。混凝土重力壩最大壩高49 m，壩頂高程1 292.000 m。

大壩設(shè)計(jì)泄流標(biāo)準(zhǔn)為10 000年一遇洪水，校核標(biāo)準(zhǔn)為可能最大洪水。消能標(biāo)準(zhǔn)為1 000 年一遇洪水。廠房區(qū)域設(shè)計(jì)運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）加速度為0.27g，安全評估地震（SEE）加速度為0.87g。

工程主要建筑物包括：混凝土重力壩、引水發(fā)電系統(tǒng)（電站進(jìn)水口、引水隧洞、上游調(diào)壓井、壓力豎井、壓力鋼管、尾水調(diào)壓隧洞及尾水洞）、地下廠房系統(tǒng)（主機(jī)洞、主變洞、電纜洞及主交通洞等）、地面開關(guān)站及輸變電線路等。地下廠房內(nèi)安裝3 臺單機(jī)100 MW 的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量300 MW，設(shè)計(jì)發(fā)電引水流量153.9 m3/s，發(fā)電額定水頭約217.6 m。

Balakot 水電站尾水隧洞總長約1 730 m，尾水隧洞斷面為直徑8.0 m 的圓形斷面。尾水調(diào)壓隧洞基巖地層為新近系穆里組，主要巖性為泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂巖及中細(xì)砂巖，泥質(zhì)粉砂巖一般為呈薄-中厚層狀，屬中硬巖。粉砂巖和中細(xì)砂巖多以夾層形式出現(xiàn)。地質(zhì)構(gòu)造以單斜構(gòu)造為主，層間擠壓破碎帶較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀一般為NW280°~310°NE∠60°~80°，局部傾向SW。地下水類型主要為基巖裂隙水，大部分洞段位于地下水位以下，較完整的微新巖體透水性多為弱透水，局部破碎巖體透水性較大。

巴基斯坦Balakot水電站尾水調(diào)壓設(shè)施原招標(biāo)文件設(shè)計(jì)為調(diào)壓豎井型式，采用的是簡單阻抗式，根據(jù)原設(shè)計(jì)，尾水調(diào)壓井的內(nèi)徑凈尺寸為15 m，高度為220 m。

尾水調(diào)壓井位于昆哈河左岸山體內(nèi)，屬中山地貌，地面坡度30°~40°。地表植被較茂密，以高大松樹為主。周圍有3條沖溝切割深度不大，周圍伴有滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。地面廣泛分布第四系坡積物、坡洪積物。

調(diào)壓豎井的基巖地層為新近系穆里組，巖性主要為中細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及頁巖。地層巖性由老至新主要為：（1）中細(xì)砂巖，厚度最大8 m。主要成分為陸源砂，以巖屑、石英為主，膠結(jié)物為鈣質(zhì)膠結(jié)物和少量黏土質(zhì)。（2）粉砂巖，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖石較堅(jiān)硬。多以夾層形式出現(xiàn)，鉆孔揭露單層最大厚度2~3 m。（3）泥質(zhì)粉砂巖，粉粒結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖石強(qiáng)度較低。該類巖石受層間及層內(nèi)擠壓破碎帶影響，順層向劈理發(fā)育，最大厚度9~11 m。（4）頁巖，青灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有定向構(gòu)造，頁理發(fā)育，主要成分為黏土質(zhì)。風(fēng)化巖石呈薄片狀。

根據(jù)原設(shè)計(jì)，尾水調(diào)壓井坐落在深厚覆蓋層上，井口邊坡面臨滑坡風(fēng)險(xiǎn)。豎井區(qū)內(nèi)巖石條件較差，成洞困難。加之尾水調(diào)壓井的斷面尺寸較大、高度較高，施工難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高。經(jīng)研究論證，為降低施工難度，將尾水調(diào)壓豎井改為隧洞式調(diào)壓洞，同時兼做通往壓力鋼管下平洞段的施工支洞。

2 隧洞式尾水調(diào)壓設(shè)施的設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)壓設(shè)施的布置

尾水調(diào)壓設(shè)施采用隧洞式，尾水調(diào)壓隧洞沿尾水洞反方向布置，如圖1 所示，尾水調(diào)壓隧洞出口高程為1 090 m，高于河道的10 000 年一遇洪水位。尾水調(diào)壓隧洞的長度約為507 m，隧洞底板坡度為13.04%，分為有壓段及無壓段，最高涌浪水位（1 068.30 m）以下為有壓段，最高涌浪水位以上的為無壓段。有壓段的長度約為355 m，斷面為城門洞形，凈尺寸為7.50 m×9.125 m（寬×高）；無壓段的長度約為152 m，斷面也為城門洞形，斷面凈尺寸為7.50 m×7.60 m（寬×高）。

圖1 尾水調(diào)壓隧洞布置

調(diào)壓隧洞縱剖面如圖2所示。

圖2 尾水調(diào)壓隧洞縱剖面

2.2 調(diào)壓設(shè)施調(diào)保計(jì)算

調(diào)保計(jì)算：通過計(jì)算3臺機(jī)組在額定水頭和最大水頭甩額定負(fù)荷等不同組合工況，從而確定導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律、關(guān)閉時間、機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量GD2、上下游調(diào)壓室塔高水位、上下游調(diào)壓室尺寸等參數(shù)。確保機(jī)組投入運(yùn)行后，水輪機(jī)調(diào)節(jié)過程中壓力和轉(zhuǎn)速變化在預(yù)期范圍內(nèi)，電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，調(diào)保計(jì)算需滿足以下要求：

（1）在各工況下，有壓引水系統(tǒng)全線各斷面最高點(diǎn)處的最小壓力不應(yīng)低于0.02 MPa，且不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)壓脫流現(xiàn)象。

（2）在各工況下，機(jī)組甩負(fù)荷時，在蝸殼進(jìn)口出現(xiàn)的最大壓力值不高于3.3 MPa。

（3）機(jī)組甩負(fù)荷時的最大轉(zhuǎn)速升高率保證值，設(shè)計(jì)工況按不超過50%控制。

（4）尾水管進(jìn)口的最大真空度應(yīng)不大于0.06 MPa，即尾水管出口最小水壓不小于-6.00 m。

調(diào)保計(jì)算輸入?yún)?shù)見表1。

表1 調(diào)保計(jì)算參數(shù)

2.2.1 SIMSEN軟件穩(wěn)定斷面分析

通過SIMSEN 軟件Generalized Surge Shaft 模型，對傾斜的調(diào)壓室進(jìn)行穩(wěn)定斷面分析。Generalized Surge Shaft 模型是一種更新的模型，可以通過調(diào)整慣性及斷面參數(shù)來模擬傾斜水柱的過渡過程，其模型如圖3所示。

圖3 SIMSEN軟件Generalized Surge Shaft模型示意圖

式中H——隧洞的水頭，m；

z——隧洞中心高程，m；

A0——隧洞斷面面積，m2；

p——隧洞水壓力，m；

ρ——水密度，kg/m3；

Q——隧洞斷面流量，m3/s。

模擬計(jì)算過程中，調(diào)壓隧洞傾角及計(jì)算穩(wěn)定斷面面積之間關(guān)系如圖4所示。

圖4 Generalized Surge Shaft模型中隧洞傾角與穩(wěn)定斷面面積關(guān)系示意圖

式中α——傾斜式調(diào)壓設(shè)施的傾角，（°）；

Hc——調(diào)壓設(shè)施內(nèi)水面高程，m；

zd——調(diào)壓設(shè)施底板高程，m；

Lh——水力慣性，s2/m2；

AFT——傾斜式調(diào)壓設(shè)施斷面垂直方向的面積，m2；

A——傾斜式調(diào)壓設(shè)施斷面水平方向的面積，m2；

Qb——流量，m3/s；

Cd——流量系數(shù)，取0.42；

n——指數(shù)，取3/2；

pHd——水頭，m；

Aco——阻抗孔處的面積，m2；

Lwc——流道長度，m；

Rb——阻力系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，為滿足尾水管最小負(fù)壓要求、最大蝸殼壓力要求以及最大轉(zhuǎn)速上升的要求，尾水調(diào)壓隧洞的最小AFT為63.62 m2。

2.2.2 水力過渡過程仿真計(jì)算系統(tǒng)

水力過渡過程仿真計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用理論為有壓管道非恒定流數(shù)學(xué)模型和特征線法。

導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用6 s 直線關(guān)閉，機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量為2 700 t·m2，調(diào)節(jié)保證計(jì)算的機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率、蝸殼末端最大壓力、尾水管最小壓力極值按照水輪機(jī)設(shè)計(jì)工況控制，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。調(diào)保計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果

隧洞式尾水調(diào)壓洞的洞口高程為1 090.00 m，高于調(diào)保計(jì)算的最高涌浪水位1 068.30 m；尾水調(diào)壓隧洞的底高程為1 027.205 m，低于調(diào)保計(jì)算最低涌浪水位1 046.60 m，尾水調(diào)壓隧洞的設(shè)計(jì)滿足調(diào)保計(jì)算要求。

2.3 隧洞式尾水調(diào)壓設(shè)施的優(yōu)點(diǎn)

結(jié)合巴基斯坦Balakot水電站工程尾水調(diào)壓設(shè)施的前后兩個設(shè)計(jì)方案，經(jīng)對比，隧洞式尾水調(diào)壓設(shè)施具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可擺脫不良地形地質(zhì)條件的制約。對于內(nèi)徑15 m，豎井高度達(dá)220 m 的調(diào)壓豎井，對地形地質(zhì)條件要求較高。首先，調(diào)壓井井口處要有足夠的施工平臺，便于布置大型施工設(shè)備；其次，調(diào)壓井井口平臺的地質(zhì)條件要好，否則調(diào)壓井井口的穩(wěn)定性將受到影響；最后，調(diào)壓豎井圍巖條件要好，否則施工過程中容易出現(xiàn)塌方問題，或者需要額外的支護(hù)措施，增加工程投資及工期。隧洞式調(diào)壓洞洞口位置選擇較為靈活，受地形地質(zhì)條件影響較小。

（2）降低施工難度及施工風(fēng)險(xiǎn)。調(diào)壓豎井為垂直施工，普通施工設(shè)備無法使用。尤其對于地質(zhì)條件相對較差的深豎井，施工難度較大、施工進(jìn)度較慢。鉆導(dǎo)向孔時容易偏離，導(dǎo)向孔擴(kuò)挖溜渣時容易帶動孔壁滑塌，并且不容易被發(fā)現(xiàn)，塌方處理需投入大量精力和工期。隧洞式調(diào)壓設(shè)施的尺寸較小、隧洞坡度較緩、施工難度較低、施工風(fēng)險(xiǎn)較小，施工工期有保證。

（3）可作為施工支洞，節(jié)省工程投資。若單獨(dú)考慮調(diào)壓豎井及調(diào)壓隧洞，豎井的工程量會較少，但是其開挖單價卻遠(yuǎn)高于隧洞的開挖單價。另外，調(diào)壓隧洞在施工前期可兼做施工支洞，承擔(dān)壓力鋼管下平洞段的運(yùn)輸，而調(diào)壓豎井方案需另外做1條施工支洞滿足壓力鋼管的運(yùn)輸安裝要求。綜合分析，調(diào)壓隧洞可節(jié)省工程投資。

3 結(jié) 語

隧洞式調(diào)壓設(shè)施不僅可滿足調(diào)保要求，還具有施工便利等優(yōu)點(diǎn)，可適用地形地質(zhì)條件較差的工程中。隧洞式調(diào)壓設(shè)施可擺脫調(diào)壓設(shè)施受地質(zhì)條件的制約、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工進(jìn)度，同時調(diào)壓隧洞也可作為施工支洞等，進(jìn)而降低工程投資。