尼泊爾TNH水電站調(diào)壓室優(yōu)化設(shè)計(jì)

祖 威

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

2023年是“一帶一路”倡議提出十周年,尼泊爾和中國(guó)政府于2017年簽署了“一帶一路”合作備忘錄。如今,在“一帶一路”倡議框架下,中尼兩國(guó)合作共建的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目已初具規(guī)模,尼泊爾TNH水電站是“一帶一路”倡議的典型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一。

尼泊爾TNH水電站位于加德滿(mǎn)都-博卡拉的國(guó)家公路南側(cè),緊鄰達(dá)茂里市;距加德滿(mǎn)都150 km,距博卡拉50 km。項(xiàng)目位于Seti河下游,開(kāi)發(fā)任務(wù)為調(diào)峰發(fā)電。

尼泊爾TNH水電站樞紐建筑物主要由混凝土重力壩、引水隧洞、調(diào)壓室、地下廠(chǎng)房等組成。電站采用引水式開(kāi)發(fā),裝機(jī)容量146.4 MW,安裝2臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組;壩后生態(tài)電站裝機(jī)容量1.79 MW,安裝1臺(tái)臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。電站正常蓄水位為415.00 m,死水位為378.00 m,機(jī)組安裝高程為277.00 m,正常運(yùn)行尾水位為289.64 m。

調(diào)壓室作為長(zhǎng)引水系統(tǒng)的主要水工建筑物,可以有效減小壓力水管中的水擊壓力,從而改善機(jī)組的運(yùn)行條件[1]。對(duì)招標(biāo)文件調(diào)壓室設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)核,為降低施工難度和節(jié)約工程投資,開(kāi)展了調(diào)壓室設(shè)計(jì)調(diào)整和優(yōu)化研究工作。

1 調(diào)壓室概況

根據(jù)招標(biāo)文件,TNH水電站調(diào)壓室位于引水隧洞末端,為埋藏阻抗式調(diào)壓室,頂拱埋深約231 m,圍巖為微新的薄～中厚層板巖,巖性中硬,以Ⅲ類(lèi)巖體為主,Ⅳ類(lèi)巖體次之,少量Ⅴ類(lèi)巖體,總體具備成洞條件。

招標(biāo)階段,調(diào)壓室穹頂高程437.4 m,井筒底板基礎(chǔ)高程362.40 m,井筒高75 m;井底板阻抗孔直徑5.0m,隧洞與井筒之間通過(guò)阻抗井相連,高度23 m,招標(biāo)階段調(diào)壓室剖面見(jiàn)圖1(圖中高程單位和尺寸單位以m計(jì))。調(diào)壓井井筒過(guò)水?dāng)嗝鏋閳A形,直徑28 m,C25混凝土襯厚1.0 m;阻抗井內(nèi)徑7.4 m,襯厚0.5 m。調(diào)壓室穹頂開(kāi)挖跨度35 m,高度12.5 m,系統(tǒng)錨桿C32,長(zhǎng)6.0 m,間排距2 m,掛網(wǎng)噴混凝土厚15 cm;井筒開(kāi)挖直徑30 m,錨桿C25,長(zhǎng)3.0 m,間排距1.5 m,掛網(wǎng)噴混凝土厚10 cm;阻抗孔開(kāi)挖直徑8.4 m,錨桿C25,長(zhǎng)2.0 m,間排距1.2 m,掛網(wǎng)噴混凝土厚10 cm。

圖1 招標(biāo)階段調(diào)壓室剖面圖

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

(1)減小調(diào)壓室穹頂開(kāi)挖跨度。招標(biāo)階段,TNH水電站調(diào)壓室穹頂開(kāi)挖跨度達(dá)35 m,規(guī)模較大,較一般地下廠(chǎng)房洞室跨度大,施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。為降低穹頂施工難度,有必要對(duì)調(diào)壓室穹頂開(kāi)挖尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)。

(2)穹頂鋼筋混凝土襯砌調(diào)整為噴錨支護(hù)。鑒于調(diào)壓室穹頂開(kāi)挖尺寸較大,混凝土襯砌施工困難,建議將鋼筋混凝土襯砌調(diào)整為噴錨支護(hù)襯砌,適當(dāng)調(diào)整調(diào)壓室穹頂支護(hù)參數(shù),并采用有限元法對(duì)開(kāi)挖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證工作。

(3)調(diào)壓室井筒內(nèi)徑為28 m,襯砌厚度為1.0 m。建議根據(jù)調(diào)壓室井筒承受內(nèi)水壓力大小,進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)壓室井筒襯砌厚度,以節(jié)省工程量。

3 優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)方案

(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。考慮到調(diào)壓室穹頂最大開(kāi)挖跨度35 m,穹頂開(kāi)挖和混凝土襯砌施工難度較大。施工詳圖設(shè)計(jì)階段,對(duì)調(diào)壓室穹頂進(jìn)行重新設(shè)計(jì),取消調(diào)壓室穹頂混凝土襯砌,調(diào)整為噴錨支護(hù)作為永久支護(hù)。穹頂開(kāi)挖跨度從35.0 m調(diào)整到33.3 m,穹頂支護(hù)參數(shù)從“厚度1.0 m鋼筋混凝土襯砌+噴錨支護(hù)”調(diào)整為噴錨支護(hù)作為永久支護(hù)措施。

優(yōu)化調(diào)整后調(diào)壓室布置為:調(diào)壓室井筒穹頂高程436.55 m,井筒底板基礎(chǔ)高程在362.40 m,井筒高74.15 m;井底板阻抗孔直徑5.0 m,隧洞與井筒之間通過(guò)阻抗井相連,高度21 m。調(diào)壓井井筒過(guò)水?dāng)嗝鏋閳A形,直徑28 m,高程在403.90～425.90 m之間,混凝土C25襯厚0.6 m;高程在383.90～403.90 m之間,混凝土C25襯厚0.8 m;高程在362.40～383.90 m之間,混凝土C25襯厚1.0 m。阻抗孔內(nèi)徑7.4 m,襯厚0.5 m,施工詳圖階段調(diào)壓室剖面圖見(jiàn)圖2(圖中高程單位和尺寸單位以m計(jì),樁號(hào)單位以km+m計(jì))。

圖2 施工詳圖階段調(diào)壓室剖面圖

調(diào)壓室支護(hù)參數(shù)為:調(diào)壓室穹頂開(kāi)挖跨度33.3 m,高度10.65 m,系統(tǒng)錨桿C32,長(zhǎng)8.0 m,間排距2 m,預(yù)應(yīng)力錨索(DCP)φ47,長(zhǎng)16.0 m,間排距2.0 m,噴鋼纖維混凝土厚15 cm;井筒開(kāi)挖直徑29.20～30 .00 m,錨桿C32,長(zhǎng)8.0 m,間排距1.5 m,噴鋼纖維混凝土厚10 cm;阻抗孔開(kāi)挖直徑8.4 m,錨桿C25,長(zhǎng)5.0 m,間排距1.5 m,噴鋼纖維混凝土厚10 cm。

(2) 水力學(xué)復(fù)核。根據(jù)招標(biāo)階段合同要求,原報(bào)告中調(diào)壓室最高涌浪控制工況為:水庫(kù)正常蓄水位415.00 m,考慮一次偶發(fā)事件或設(shè)備故障的工況,丟棄全部荷載,每臺(tái)機(jī)組Q=126 m3/s減少為0,最高涌浪高程取值為423.90 m,最低涌浪高程取值為366.40 m。

施工詳圖階段,根據(jù)最新優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)方案進(jìn)行機(jī)組過(guò)渡過(guò)程計(jì)算。根據(jù)東芝公司提供的《Turbine hydraulic transient calculation report》[2]TNH水電站機(jī)組過(guò)渡過(guò)程計(jì)算成果,在水庫(kù)正常蓄水位415.00 m時(shí),下游尾水水位為289.64 m時(shí),考慮一次偶發(fā)事件或設(shè)備故障的工況,丟棄全部荷載,每臺(tái)機(jī)組Q=130 m3/s減少為0,計(jì)算最高涌浪高程取值為422.95 m,最低涌浪高程取值為400.47 m。

根據(jù)招標(biāo)合同要求,水力學(xué)計(jì)算成果除非特殊情況,不允許進(jìn)行調(diào)整。因此,施工詳圖階段,根據(jù)機(jī)組過(guò)渡過(guò)程計(jì)算成果及招標(biāo)階段設(shè)計(jì)成果,最高涌浪和最低涌浪高程取值與招標(biāo)文件一致,即最高涌浪高程取值為423.90 m,最低涌浪高程取值為366.40 m。

(3)調(diào)壓室開(kāi)挖支護(hù)有限元計(jì)算成果。根據(jù)優(yōu)化調(diào)整后調(diào)壓室設(shè)計(jì)圖紙,利用FLAC 3D軟件建立調(diào)壓室開(kāi)挖支護(hù)模型,模擬開(kāi)挖步驟并采用有限元數(shù)值計(jì)算[3],其計(jì)算成果用以驗(yàn)證調(diào)壓室洞室開(kāi)挖穩(wěn)定性,評(píng)價(jià)支護(hù)參數(shù)合理性[4]。

1)變形。調(diào)壓室開(kāi)挖后變形方向?yàn)橄蚨磧?nèi)。頂拱和豎井開(kāi)挖變形增量均較小,最大位移為86.1 mm,最大位移發(fā)生在井筒中下部。

2)塑性區(qū)。根據(jù)洞室開(kāi)挖后塑性區(qū)分布可知,頂拱部位塑性區(qū)深度大部分小于7 m,在系統(tǒng)錨桿錨固范圍內(nèi),并且絕大部分塑性區(qū)深度未超過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索(DCP)錨固范圍。豎井部位塑性區(qū)深度均小于5 m,未超過(guò)系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度。

3)錨桿應(yīng)力。大部分巖體,系統(tǒng)錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索(DCP)軸力均處于彈性狀態(tài);部分受節(jié)理發(fā)育影響巖體,系統(tǒng)錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索(DCP)軸力雖有所增加,但仍未超過(guò)設(shè)計(jì)值,處于彈性狀態(tài)內(nèi)。

經(jīng)計(jì)算分析,調(diào)壓室支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)滿(mǎn)足美標(biāo)規(guī)范[5]和中國(guó)規(guī)范的相關(guān)要求[6]。計(jì)算結(jié)果得到咨詢(xún)工程師審批通過(guò)。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者以尼泊爾TNH水電站為例,對(duì)調(diào)壓室布置優(yōu)化調(diào)整進(jìn)行了研究分析,并提出調(diào)整布置和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。經(jīng)進(jìn)一步水力學(xué)復(fù)核、穩(wěn)定分析成果驗(yàn)證分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)的調(diào)壓室布置滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,降低了調(diào)壓室頂拱施工難度,減少了工程投資,技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理。