水電站廠房變頂高尾水閘設(shè)計(jì)研究

彭水水庫(kù)位于彭水縣上游11公里處，是烏江污水渠的第十個(gè)階段。其開(kāi)發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主,其次為航運(yùn),兼顧防洪、灌溉等。電站裝機(jī)5臺(tái),單機(jī)容量280MW,總裝機(jī)容量1400MW,單機(jī)最大過(guò)水流量466.7m3/s,最大水頭80.1m,極端最小水頭37m,額定水頭67m。彭水壩址處于高山峽谷地區(qū),廠房布置方案受壩址地形、地質(zhì)、水文、水能等特定因素以及樞紐總布置的制約和影響。自開(kāi)展可行性研究以來(lái),針對(duì)廠房型式曾考慮過(guò)河床溢流式、岸邊式、部分河床部分地下式、全地下式等。經(jīng)多年研究論證,認(rèn)為采用隧洞引水式地下廠房較為合適。由于地下廠房規(guī)模較大,對(duì)地質(zhì)條件要求高,在彭水特定的地質(zhì)地形條件下,地下廠房只可能布置在流道中部或尾部?jī)商?即中部開(kāi)發(fā)方案和尾部開(kāi)發(fā)方案。1中央發(fā)展計(jì)劃1.1調(diào)壓室方案研究中部開(kāi)發(fā)方案的電站輸水系統(tǒng),以1號(hào)機(jī)組最長(zhǎng),約為860m,由引水洞、壓力管道及蝸殼尾水管和尾水洞3部分組成,其水流加速時(shí)間常數(shù)值Tw在6s左右。依據(jù)水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,當(dāng)Tw≥2~4s時(shí)須設(shè)置調(diào)壓室。由于以上3部分的Tw值各占Tw總值的1/3(即各為2s),因而單獨(dú)設(shè)置上游調(diào)壓室或是單獨(dú)設(shè)置下游調(diào)壓室,Tw仍有4s,不能滿足調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范要求。由于彭水電站設(shè)計(jì)流量較大,水頭相對(duì)較低,故要求調(diào)壓室規(guī)模大。上游調(diào)壓室高度在50m以上,托馬臨界穩(wěn)定斷面積約為1000m2(兩機(jī)一調(diào)壓室),調(diào)壓室直徑為35m;而且彭水電站下游水位變幅很大,下游調(diào)壓室的規(guī)模更大,其高度達(dá)90m,托馬穩(wěn)定斷面積為2000m2(兩機(jī)一調(diào)壓室),調(diào)壓室直徑為50m。如果上下游均設(shè)調(diào)壓室,不但經(jīng)濟(jì)上不合理,布置上較困難,對(duì)圍巖穩(wěn)定也極為不利。為了減小調(diào)壓室布置難度,上游引水系統(tǒng)采用單機(jī)單洞的型式,尾水系統(tǒng)則分別研究了一機(jī)一洞(設(shè)阻抗式調(diào)壓室)、二機(jī)一洞(2-1-2,設(shè)阻抗式調(diào)壓室)及三機(jī)一洞(2-3,設(shè)長(zhǎng)廊式調(diào)壓室)3個(gè)方案(以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)T1、T2、T3方案)。彭水電站機(jī)組間距僅有28m,T1方案調(diào)壓室寬度為24.0m,開(kāi)挖尺寸達(dá)26.4m,而根據(jù)下游最高水位及尾水閘門(mén)啟閉機(jī)布置等要求,尾水調(diào)壓室的高度約90m,比主廠房洞室高出36.0m。調(diào)壓室位于主廠房下游約41.0m處,兩者間距小于2倍洞寬,對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。調(diào)壓室后接尾水隧洞,尾水洞均為有壓式圓形斷面,隧洞直徑由洞內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速控制。T1、T2、T33方案的尾水洞直徑分別為12.4、17.2、21.2m,洞內(nèi)流速分別為3.86、4.02、3.97m/s,相應(yīng)5臺(tái)機(jī)組的平均水頭損失分別為1.008、1.659、1.981m。分析以上3方案的水力過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算結(jié)果有如下特點(diǎn)。(1)僅T3方案壓力鋼管末端蝸殼進(jìn)口處最大動(dòng)水壓力超過(guò)規(guī)范上限,最大值發(fā)生在1號(hào)機(jī)組,其值為1.26MPa,相對(duì)值為61.3%,需進(jìn)一步采取措施解決。其余指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。(2)當(dāng)1臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電時(shí),在下游最低水位及額定水頭下甩負(fù)荷,為尾水管進(jìn)口處最小絕對(duì)壓力的控制性工況,其值為0.075MPa(>0.02MPa),滿足規(guī)范要求。(3)彭水電站在千年一遇校核洪水時(shí),其毛水頭32.92m,小于水輪機(jī)極端最小工作水頭(37.0m),無(wú)法運(yùn)行。百年一遇設(shè)計(jì)洪水位時(shí),毛水頭也僅有36.11m,能否運(yùn)行還需研究。百年一遇設(shè)計(jì)洪水位條件下,無(wú)論是甩負(fù)荷,還是增負(fù)荷工況,甚至波動(dòng)疊加工況,尾水調(diào)壓室向上涌浪水位均低于千年一遇校核水位。因而尾水調(diào)壓室最高水位取決于不能發(fā)電的千年一遇下游洪水位,這一結(jié)論對(duì)3種尾水系統(tǒng)布置方案都成立。(4)尾水調(diào)壓室最低涌浪水位取決于對(duì)應(yīng)本單元所有機(jī)組發(fā)電的最低下游水位、額定水頭下甩負(fù)荷。對(duì)于T2方案,尾水調(diào)壓室最低涌浪水位由2臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷確定,最小值分別是207.16m和206.67m。對(duì)于T3方案,無(wú)論是1號(hào)還是2號(hào)尾水調(diào)壓室,其最低涌浪水位均發(fā)生在2臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電并在下游最低水位及額定水頭下甩負(fù)荷時(shí),其最低涌浪水位分別為207.08m、208.72m,比該尾水調(diào)壓室底板高出3.78m,能滿足阻抗孔口淹沒(méi)水深的要求。1.2變頂高尾鞣條件下的全尾排水設(shè)計(jì)由于中部開(kāi)發(fā)方案于圍巖穩(wěn)定不利,為此研究了不設(shè)調(diào)壓室的方案。隨著長(zhǎng)尾水道理論及工程實(shí)踐的發(fā)展,結(jié)合彭水電站的地質(zhì)條件,初步研究提出了變頂高尾水洞方案,以適應(yīng)下游尾水位的變化,并始終滿足電站大小波動(dòng)的穩(wěn)定運(yùn)行和調(diào)節(jié)保證要求。當(dāng)下游為低水位時(shí),尾水洞有壓滿流段較短,無(wú)壓明流段較長(zhǎng),尾水管進(jìn)口處負(fù)壓以及機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行容易滿足規(guī)范要求;隨著下游水位升高,盡管有壓滿流段漸長(zhǎng),無(wú)壓明流段漸短,直至尾水洞全部呈有壓流,但有壓段的平均流速卻逐漸減小,而且機(jī)組的淹沒(méi)深度也逐漸加大。正負(fù)兩方面的作用使得尾水管進(jìn)口處負(fù)壓能控制在規(guī)范的范圍之內(nèi),并且保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,從而起到取代尾水調(diào)壓室的作用。為了保證變頂高尾水洞能發(fā)揮其應(yīng)有的作用,在體形設(shè)計(jì)上的基本思路包括以下幾方面:(1)下游最低水位時(shí),無(wú)壓明流段延伸到尾水管出口斷面之前,讓有壓滿流段盡可能減短;(2)由尾水洞出口斷面允許的最大流速,確定其底板高程和底寬;(3)選擇出口斷面的頂部高程,以及尾水洞頂坡和底坡斜率,以滿足尾水洞全部呈有壓流時(shí)的調(diào)節(jié)保證要求;頂坡的大小要有利于解決明滿流交替問(wèn)題,防止出現(xiàn)滯氣和明顯的明滿流交替等現(xiàn)象;(4)尾水洞與尾水管之間的高差以及底寬的差別等設(shè)過(guò)渡段銜接,過(guò)渡段的頂拱應(yīng)使尾水管始終保持有壓流,避免對(duì)機(jī)組運(yùn)行效率產(chǎn)生影響。根據(jù)以上基本思路,確定變頂高尾水洞總長(zhǎng)376.96m,其中過(guò)渡段長(zhǎng)60.13m,斷面型式均為城門(mén)洞型,底寬10m。出口斷面10m×22.5m,底板高程202.0m,非過(guò)渡段的頂坡3%,底坡2%;過(guò)渡段的底坡18.56%,頂坡呈二次曲線,平均坡大于3%。對(duì)下游低水位(212.49m)、中水位(218.95m)、高水位(224.50m)下甩負(fù)荷和增負(fù)荷工況的研究,可以得出如下結(jié)果。(1)變頂高尾水洞能起到取代尾水調(diào)壓室的作用,較好地解決了長(zhǎng)尾水道在水力過(guò)渡過(guò)程中尾水管進(jìn)口處負(fù)壓不易滿足規(guī)范的問(wèn)題。尾水洞的體型較為合理,富裕程度較大。在導(dǎo)葉直線關(guān)閉,Ts等于8.5s的前提下,尾水管進(jìn)口處最小絕對(duì)壓力隨下游水位升高而增大。低水位時(shí),該絕對(duì)壓力為0.081MPa,高水位滿流時(shí),為0.15MPa。由此可以判定,即使導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間減至7.0s,此項(xiàng)調(diào)保參數(shù)也能滿足規(guī)范要求。(2)變頂高尾水洞能較好地適應(yīng)下游水位變化。低水位時(shí)工作狀態(tài)與一般明流洞相同;中水位時(shí)具有明滿流的特征,但因洞頂有著3%的倒坡,洞內(nèi)平均流速很小,所以無(wú)明顯的“拍擊”現(xiàn)象,對(duì)洞頂結(jié)構(gòu)和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行均無(wú)影響。此外,3%的洞頂?shù)蛊聦?duì)排氣非常有效,完全避免了工程上最擔(dān)心的明滿流交替問(wèn)題;高水位時(shí)呈有壓流,但因其洞徑大、流速低,不僅有效地減小了水流慣性的影響,而且也減小了水頭損失,增加了發(fā)電效益。(3)由于明渠非恒定流波動(dòng)周期很長(zhǎng),與水擊波周期不是同一個(gè)量級(jí),因此水擊波引起的調(diào)速器動(dòng)作,可作為載波疊加在明渠非恒定流的涌波中,故不存在小波動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題。1.3變頂高尾水壓調(diào)壓室方案調(diào)壓室方案在技術(shù)上和工程實(shí)踐上均較為成熟,在國(guó)內(nèi)外已積累較為豐富的經(jīng)驗(yàn);變頂高尾水洞方案為一種新型結(jié)構(gòu),在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。越南和平電站(8臺(tái)機(jī)組總裝機(jī)1920MW)系采用變頂高尾水洞,該電站已于1994年投入運(yùn)行,情況良好,其設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可供本工程研究借鑒。針對(duì)調(diào)壓室方案,在各種計(jì)算工況下,機(jī)組調(diào)保參數(shù)、尾水調(diào)壓室的涌浪和阻抗損失值均能滿足要求。雖然蝸殼處的最大動(dòng)水壓力超過(guò)規(guī)范要求,但可以采取相應(yīng)的工程措施解決。輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析的成果表明:變頂高尾水洞可起到尾水調(diào)壓室的作用,調(diào)保參數(shù)滿足規(guī)范要求;變頂高尾水洞能較好地適應(yīng)下游不同水位的變化,水力學(xué)條件很好。從圍巖穩(wěn)定上考慮,調(diào)壓室方案開(kāi)挖寬度約33m,高88m。地下廠房最大開(kāi)挖寬度約30m,高70m,兩者相距約46m,對(duì)洞室群的穩(wěn)定不利;變頂高尾水洞方案地下洞室結(jié)構(gòu)較為單一,根據(jù)有限元分析,圍巖應(yīng)力和變形均不大,穩(wěn)定性良好。兩方案的工程量差別不大,調(diào)壓室方案的土石方和混凝土工程量略大,但在能量損失方面,調(diào)壓室方案的保證出力較變頂高尾水洞方案每年多損失約0.4萬(wàn)kW,發(fā)電量約少7000萬(wàn)kW·h。綜合比較,推薦變頂高尾水洞方案,其布置參見(jiàn)圖1、圖2。2調(diào)壓室安全方案比選該方案只能采用設(shè)置上游調(diào)壓室來(lái)保證機(jī)組安全運(yùn)行要求。這是一種常見(jiàn)的布置型式,但在峽谷地區(qū)大流量大型地下水電站調(diào)壓室的布置中,要妥善解決地下洞室群的穩(wěn)定問(wèn)題,以減輕施工難度,確保運(yùn)行安全。因此著重研究了以下3種方案。(1)阻抗式調(diào)壓室方案,采用1機(jī)1室,梅花型布置。其特點(diǎn)是:①調(diào)壓室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,洞徑較大,但布置困難;②圓形結(jié)構(gòu)受力條件較好;③室內(nèi)閘門(mén)受水位波動(dòng)影響,結(jié)構(gòu)安全要求較高;④調(diào)壓室內(nèi)閘門(mén)不能直線布置,需配置2套吊裝檢修設(shè)備。(2)長(zhǎng)廊式調(diào)壓室方案,5機(jī)1室聯(lián)合布置,平行廠房軸線,保持與主廠房水平投影距離120m,以策安全。其特點(diǎn)是:①調(diào)壓室邊墻較高,長(zhǎng)期承受上游水位,滲漏問(wèn)題及邊墻穩(wěn)定問(wèn)題對(duì)主廠房安全可能構(gòu)成威脅;②國(guó)內(nèi)較少采用,國(guó)外也不多見(jiàn);③邊墻支護(hù)費(fèi)用相對(duì)圓筒式要高;④機(jī)組相互連通,運(yùn)行時(shí)受橫向水流影響較大,閘門(mén)井處流態(tài)極為復(fù)雜;⑤某機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)對(duì)其它運(yùn)行機(jī)組有影響。(3)差動(dòng)式調(diào)壓室,1機(jī)1室,呈扇形布置,可較好地解決調(diào)壓室的間距問(wèn)題,最大限度地拉開(kāi)距離。其特點(diǎn)是:①差動(dòng)式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)復(fù)雜,調(diào)壓室較多,地下洞室應(yīng)力復(fù)雜;②大井在升管之外布置靈活,可避免地質(zhì)缺陷,拉開(kāi)井距,改善應(yīng)力條件;③適用于中等水頭電站,國(guó)內(nèi)中小型水電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較多;④水位波動(dòng)振幅比圓筒式小,衰減要快。從上述特性比較可以看出,尾部方案設(shè)上游長(zhǎng)廊式調(diào)壓室是不可取的;圓筒型調(diào)壓室水位波動(dòng)振幅較大,衰減較慢;差動(dòng)式調(diào)壓室適合彭水電站的具體情況,采用大小井分開(kāi)布置方式拉開(kāi)井距,減小大井內(nèi)徑,改善應(yīng)力條件。因此地下廠房尾部布置方案宜選擇差動(dòng)式調(diào)壓室。3大土民族內(nèi)洞室群和基層組織、調(diào)保及高尾水壓系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)保方案從地質(zhì)條件看,中部開(kāi)發(fā)變頂高尾水洞方案中主廠房的巖體強(qiáng)度高、巖溶不發(fā)育、夾層少、巖體完整性好,主廠房軸線與最大主應(yīng)力方位角的交角最小,地質(zhì)條件清楚。從廠房布置上,可利用地表有利地形,將變壓器移至地表鴨公溪溶槽中,大大簡(jiǎn)化地下洞室群的布置,有利于圍巖穩(wěn)定。尾部開(kāi)發(fā)方案巖體單一、強(qiáng)度高、巖體相對(duì)完整,但由于存在f1斷層的影響,裂隙或次生斷層較多,巖溶有一定程度發(fā)育。在布置上,主廠房、主變室、調(diào)壓室、尾水洞等構(gòu)成復(fù)雜的地下洞室群。f1斷層穿過(guò)1、2號(hào)調(diào)壓室,圍巖穩(wěn)定較差,是該方案的重大難點(diǎn)之一。從水力學(xué)條件看,調(diào)壓室能較好地滿足“理想”差動(dòng)的要求。蝸殼處最大動(dòng)水壓力、尾水管進(jìn)口處最小絕對(duì)壓力、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高等調(diào)保參數(shù)均滿足規(guī)范要求。變頂高尾水洞可以起到調(diào)壓室的作用,調(diào)保參數(shù)滿足規(guī)范要求,同時(shí)能較好地適應(yīng)下游水位變化,其水力學(xué)條件很好。兩方案工程量差別不大,以變頂高尾水洞