舟壩水電站引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

魏剛文

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

舟壩水電站位于四川樂(lè)山市沐川縣舟壩鎮(zhèn)，系馬邊河干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第五級(jí)電站，電站主要任務(wù)是發(fā)電。舟壩水電站正常蓄水位429.00m，水庫(kù)總庫(kù)容1.84億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1.137億m3，具備季調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量102MW，裝2臺(tái)51萬(wàn)MW的發(fā)電機(jī)組，尾水直接與黃丹水電站庫(kù)尾相連。電站工程規(guī)模屬大(2)型，工程等別為二等工程。永久性主要建筑物按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

電站為重力壩引水式電站，壩軸線位于舟壩大橋上游約270m處，大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高72.50m，壩頂長(zhǎng)度172m，洪水全部由溢流壩5個(gè)表孔下泄，采用臺(tái)階溢流面結(jié)合寬尾墩、消力池聯(lián)合消能工進(jìn)行消能。岸塔式進(jìn)水口布置在左岸，距大壩約70m，兩條有壓引水隧洞穿越左岸山脊接廠房，分別長(zhǎng)約294m及269m。發(fā)電廠房布置在舟壩大橋下游左岸約600m處。

1995年4月，舟壩水電站可行性研究報(bào)告(等同初步設(shè)計(jì))通過(guò)審查，由于多種原因，可行性研究報(bào)告審查通過(guò)后電站未能開(kāi)工建設(shè)。

2003年9月8日，成都海能電業(yè)有限公司作為業(yè)主委托我院進(jìn)行舟壩電站招標(biāo)及施工圖設(shè)計(jì)。鑒于原舟壩電站可行性研究報(bào)告(等同初步設(shè)計(jì))完成于1995年已超過(guò)8年，成都海能電業(yè)有限公司同時(shí)委托我院進(jìn)行舟壩水電站可行性研究報(bào)告(等同初步設(shè)計(jì))修編，2004年3月4日，修編可行性研究報(bào)告通過(guò)審查。

2003年12月電站導(dǎo)流洞開(kāi)工，2004年10月18日河床截流，2006年6月通過(guò)了四川省經(jīng)濟(jì)委員會(huì)委托四川省電力局大壩安全鑒定中心的蓄水安全鑒定，2006年10月通過(guò)了四川省電力局舟壩水電站工程蓄水及機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收委員會(huì)的驗(yàn)收，于2006年10月第一臺(tái)機(jī)組正式并網(wǎng)發(fā)電，同年12月第二臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

樞紐區(qū)地層主要為三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)，與工程密切相關(guān)的地層為T(mén)5～83xj。其中單數(shù)層以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾薄煤層或煤線;砂質(zhì)泥巖層理發(fā)育，失水崩解呈片狀;泥巖遇軟化、失水干裂崩解呈碎粒狀。巖石礦物成份以泥質(zhì)為主，強(qiáng)度低，屬軟巖。雙數(shù)層以砂巖為主，夾泥巖或煤線，呈厚～巨厚層狀，完整性較好，巖石中等堅(jiān)硬。樞紐區(qū)地質(zhì)構(gòu)造形式主要表現(xiàn)為順層發(fā)育的層內(nèi)擠壓帶。根據(jù)壩區(qū)勘探揭露的層內(nèi)擠壓帶共有5條(j1～j5)，其中j1、j2發(fā)育在層內(nèi)上部及底部，j3、j4在層內(nèi)部，j5在頂部。

2 取消調(diào)壓井的優(yōu)化

2.1 優(yōu)化取消調(diào)壓井的緣由

根據(jù)樞紐區(qū)的河灣地形特點(diǎn)，舟壩電站攔河壩和廠房分別布置于左岸山體的兩側(cè)。可研階段的引水系統(tǒng)布置為:進(jìn)水口為岸塔式，進(jìn)水口后緊接圓形壓力引水道，穿過(guò)SE向凸出河灣的單薄山脊，全長(zhǎng)164.844m。壓力引水道末端設(shè)置31m×15.8m矩形斷面調(diào)壓井，調(diào)壓井總高度67m。壓力管道為從調(diào)壓井處引出的兩條內(nèi)徑為6.4m的平行支管，水平布置，1號(hào)支管長(zhǎng)102.814m，2號(hào)支管長(zhǎng)82.242m。

另外舟壩電站引水隧洞較短，長(zhǎng)度小于300m，具有取消調(diào)壓井的可能性。

2.2 取消調(diào)壓井的研究

由于引水系統(tǒng)具備取消調(diào)壓井的可能性，故在修編可研階段，對(duì)取消調(diào)壓井的引水系統(tǒng)布置方案進(jìn)行了研究，應(yīng)滿足的設(shè)計(jì)規(guī)范為:

(1)DL/T5058－1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》要求

規(guī)范規(guī)定，水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw=2～4s，且規(guī)定，當(dāng)水電站在電力系統(tǒng)中比重小于10%～20%時(shí)可取大值。當(dāng)有機(jī)電資料時(shí)，可按規(guī)范中的圖3.1.2，由Tw、Ta與調(diào)速性能關(guān)系進(jìn)行判斷。

壓力水道中水流慣性時(shí)間常數(shù)計(jì)算公式如下:

式中 Tw——壓力水道中水流慣性時(shí)間常數(shù)，s;

Li——壓力水道及蝸殼和尾水管(無(wú)下游調(diào)壓室時(shí)應(yīng)包括壓力尾水道)各分段長(zhǎng)度，m;

vi——各分段內(nèi)相應(yīng)的流速，m/s;

g——重力加速度，m/s;

Hp—— 設(shè)計(jì)水頭，m;

［Tw］——Tw的允許值，一般取2～ 4s。機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta的計(jì)算公式如下:

式中 GD2——機(jī)組的飛輪力矩，kg·m2;

N——機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速，r/min;

P——機(jī)組的額定出力，W。

(2)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》要求

電站設(shè)計(jì)水頭 Hr＜40m，蝸殼壓力上升ζmax(%)＜70～50，當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)運(yùn)行總?cè)萘康谋戎夭淮髸r(shí)，規(guī)范要求機(jī)組速率上升值β宜小于55%。

(3)《水電廠電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》要求

水輪機(jī)過(guò)水系統(tǒng)的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw:對(duì)于配用PID型電液調(diào)節(jié)裝置的機(jī)組不大于4s;對(duì)于配用PI型電液調(diào)節(jié)裝置的機(jī)組不大于2.5s。

機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta:對(duì)于反擊式機(jī)組不小于4s;對(duì)于沖擊式機(jī)組不小于2s。

比值Tw/Ta≤0.4。

(4)SL279－2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》要求

相鄰兩隧洞間的巖體厚度，不宜小于2.0倍開(kāi)挖洞徑，巖體較好時(shí)，經(jīng)分析巖體厚度可適當(dāng)減小，但不應(yīng)小于1.0倍開(kāi)挖洞徑。

取消調(diào)壓井后的引水洞采用單機(jī)單管引水龍落尾的布置形式，前130m(底高程為395.00m)為水平布置，之后沿幾乎與地面平行的坡度由底高程395m降到374.54m。引水洞平面布置的原則是，在立面轉(zhuǎn)彎段布置完成后再進(jìn)行平面轉(zhuǎn)彎段布置，將平面轉(zhuǎn)彎段與立面轉(zhuǎn)彎段錯(cuò)開(kāi)。

漸變段布置有兩種方案:

方案一:在平面轉(zhuǎn)彎段后再將引水洞直徑漸變到水輪機(jī)進(jìn)水口直徑。優(yōu)點(diǎn):由于在額定水頭及水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw一定的情況下，整個(gè)引水系統(tǒng)的∑LiVi是確定的，不能超過(guò)。此種布置方式由于大直徑隧洞較長(zhǎng)，隧洞內(nèi)水流流速小，漸變段前的引水隧洞直徑就可相對(duì)小一些。缺點(diǎn):由于機(jī)組間距一定(機(jī)組間距22m)，平面彎段處及之后兩條引水洞間距較小，不易滿足隧洞規(guī)范對(duì)相鄰兩隧洞間巖體厚度的要求。

方案二:在平面轉(zhuǎn)彎段前就將引水洞直徑變到與水輪機(jī)的進(jìn)水口同直徑。優(yōu)點(diǎn):由于機(jī)組間距一定，在平面轉(zhuǎn)彎前變到與水輪機(jī)進(jìn)水口同直徑，轉(zhuǎn)彎后兩條引水隧洞間距可以盡量大一些。缺點(diǎn):由于引水洞直徑在平面轉(zhuǎn)彎段前就變小，因此有較長(zhǎng)段的引水洞直徑較小，流速較大，將使小直徑的引水洞的LV較大，致使?jié)u變段前的引水隧洞直徑較大。

由于在修編可研階段機(jī)組尚未確定，機(jī)組飛輪力矩(GD2)、額定轉(zhuǎn)速等計(jì)算參數(shù)只能按常規(guī)初估，估算時(shí)飛輪力矩采用10000t·m2，據(jù)此計(jì)算，Ta=6.92s。對(duì)應(yīng)于取消調(diào)壓井后的上述引水道兩種布置方案，要求的引水隧洞直徑(內(nèi)徑)分別為12m和17m，不僅不能滿足隧洞規(guī)范對(duì)相鄰兩隧洞間巖體厚度的要求，而且工程量較大。因此，在修編可行性研究階段，取消調(diào)壓井在技術(shù)上不具備可行性。有必要待技施階段機(jī)組參數(shù)基本確定后再進(jìn)行研究。

在技施設(shè)計(jì)階段機(jī)組參數(shù)確定后，對(duì)引水系統(tǒng)取消調(diào)壓井的方案又進(jìn)行了研究。機(jī)組參數(shù)如下:發(fā)電機(jī)最大容量63MW，額定容量51MW，GD2采用10500t·m2，額定轉(zhuǎn)速125r/min，機(jī)組蝸殼部分的∑LV=230m2/s，機(jī)組尾水管部分的∑LV=135m2/s。采用以上參數(shù)計(jì)算，機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta=7.35s。

采用上述機(jī)組參數(shù)，在同時(shí)滿足前述規(guī)范(隧洞規(guī)范除外)條件下，對(duì)應(yīng)前述兩種取消調(diào)壓井后的壓力引水洞布置方案，方案一漸變段前引水隧洞直徑為9.6m，隧洞間距最窄處12.3m，若開(kāi)挖洞徑按11m考慮，隧洞間最小巖體厚度為10.9m，接近隧洞直徑;方案二漸變段前引水隧洞直徑為12.5m，引水隧洞(漸變段前)間巖體厚度24.3m，若開(kāi)挖直徑按14m考慮，引水隧洞間巖體厚度為1.63倍開(kāi)挖洞徑。第一種布置方案由于隧洞間距較小，施工中存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn);第二種布置方案引水洞洞徑較大，工程量較大。但兩種方案技術(shù)上均可行。

技施設(shè)計(jì)階段的深入研究表明，引水系統(tǒng)取消調(diào)壓井在技術(shù)上是可行的，但取消調(diào)壓井后所需引水洞洞徑較大。

3 對(duì)取消調(diào)壓井后減小引水洞洞徑的深化研究

DL/T563－95《水電廠電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，要求Tw/Ta＜0.4，在機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta=7.35s確定的情況下，要求Tw＜2.94s。查DL/T5058－1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》圖3.1.2 可知，當(dāng)Ta=7.35s、Tw=2.94s時(shí)，該點(diǎn)位于②區(qū)(調(diào)速性能較好的區(qū)域，適用于占電力系統(tǒng)比重較小的電站)偏下。若不考慮調(diào)速器規(guī)范要求的Tw/Ta＜0.4，僅按DL/T5058－1996進(jìn)行控制，即Ta與Tw的關(guān)系在圖3.1.2②區(qū)即可，對(duì)Tw的要求可以放寬至小于3.5s，則可按Tw/Ta＜0.49進(jìn)行控制。

按Tw/Ta＜0.49進(jìn)行控制，采用第一種隧洞布置方式(即平面轉(zhuǎn)彎后再變到水輪機(jī)進(jìn)水口直徑6.0m)，漸變段前引水隧洞直徑為8.2m，隧洞間距最窄處13.8m，若開(kāi)挖洞徑按10m考慮，隧洞間最小巖體厚度為隧洞直徑的1.2倍;采用第二種隧洞布置形式時(shí)(即平面轉(zhuǎn)彎前先變到水輪機(jī)進(jìn)水口直徑6.0m)，漸變段前引水隧洞直徑為9.6m，引水隧洞(漸變段前)間巖體厚度23m，若開(kāi)挖直徑按11m考慮，引水隧洞間巖體厚度為1.96倍開(kāi)挖洞徑。

第一種隧洞布置方案較優(yōu)，滿足《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，工程量較小，同時(shí)滿足隧洞布置的間距要求，但Tw與Ta關(guān)系在DL/T5058－1996中處于②區(qū)的邊界，能否滿足機(jī)組運(yùn)行期的穩(wěn)定安全要求存在疑問(wèn)，為此進(jìn)行了進(jìn)一步研究。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行的引水發(fā)電系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算成果表明，取消調(diào)壓井后，采用方案一的引水隧洞布置方案，引水隧洞直徑采用8.5m，電站小波動(dòng)是穩(wěn)定的，從水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性和過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)出發(fā)，引水隧洞采用8.5m方案是可行的，此時(shí)空載和并大網(wǎng)的穩(wěn)定性是可以保證的;同時(shí)，對(duì)該方案引水、尾水系統(tǒng)進(jìn)行的大波動(dòng)、壓力引水道最大水擊升壓、蝸殼壓力上升、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升等的深入研究表明，該方案滿足電站安全運(yùn)行要求。

通過(guò)深入研究后，在舟壩水電站技施設(shè)計(jì)階段取消了調(diào)壓井，采用單機(jī)單洞引水的設(shè)計(jì)方案，引水隧洞內(nèi)徑采用8.5m，此時(shí)的Tw/Ta=0.41。

4 取消引水隧洞壓力鋼管的研究

考慮到電站最大工作水頭50.8m，具有取消壓力鋼管的條件，對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步研究。引水系統(tǒng)取消調(diào)壓井后，兩臺(tái)機(jī)組采用單機(jī)單管引水，有壓引水隧洞洞徑8.5m，洞身圍巖為T(mén)63xj，圍巖分類主要為Ⅲ～Ⅳ類。

1號(hào)引水隧洞長(zhǎng)為兩條引水道中較長(zhǎng)的，故對(duì)該洞進(jìn)行研究。計(jì)算中水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間采用7s，引水隧洞最大水擊升壓出現(xiàn)在水庫(kù)正常蓄水位429m，一臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，電站引用流量為最大引用流量164.5m3/s，突然丟棄全部負(fù)荷時(shí)，此時(shí)引水隧洞中出現(xiàn)間接極限水擊，引水隧洞末端承受的最大內(nèi)水壓力為0.680MPa，引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌可滿足工程安全運(yùn)行需要?？紤]到廠后公路以下引水洞埋深較淺，故對(duì)下彎段起點(diǎn)至蝸殼的鋼管予以保留。優(yōu)化后的引水隧洞下彎段起點(diǎn)前采用0.5m厚鋼筋混凝土襯砌，之后采用鋼板襯護(hù)，鋼襯厚22mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

舟壩水電站引水系統(tǒng)最終施工的方案取消了調(diào)壓井，引水隧洞采用了較小的洞徑，同時(shí)取消了引水隧洞的部分鋼襯。引水系統(tǒng)進(jìn)行上述調(diào)整后，在滿足電站安全與穩(wěn)定運(yùn)行要求的前提下，具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)調(diào)壓井地質(zhì)條件及施工條件均較差，施工過(guò)程中存在較大安全隱患，取消調(diào)壓井后，簡(jiǎn)化了施工，降低了工程風(fēng)險(xiǎn)，為縮短工期創(chuàng)造了條件;

(2)取消調(diào)壓井，消除了調(diào)壓井處的明挖，使該處的植被不被破壞，保護(hù)了環(huán)境，減少了水土流失;

(3)取消調(diào)壓井，降低了電站建成后的運(yùn)行維護(hù)成本;

(4)土建投資約減少400萬(wàn)元，降低了工程成本。