劉海峰，張紅梅

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

吉沙水電站位于云南省迪慶藏族自治州小中甸鎮(zhèn)上吉沙村東側(cè)1.5 km處的碩多崗河主河道上，總裝機容量為120 MW(2×60 MW)，采用沖擊式水輪發(fā)電機組，電站采用引水式開發(fā)，額定水頭485 m，單機發(fā)電流量14.37 m3/s，水庫正常蓄水位3132 m，死水位3123 m，引水系統(tǒng)總長約15.58 km，為長距離引水發(fā)電工程，采用一管兩機的供水方式，引水系統(tǒng)建筑物由首部進水口、壓力引水隧洞、調(diào)壓井及高壓管道 （包括岔管）等部分組成。

電站進水口采用岸塔式結(jié)構(gòu)。壓力引水隧洞縱坡i=0.0038，設計內(nèi)水壓力水頭16～105 m，圓形斷面，采用鋼筋混凝土和噴混凝土兩種襯砌型式，內(nèi)徑分別為3.3、3.9 m，相應流速3.36 m/s、2.41 m/s。阻抗式調(diào)壓井布置于引水隧洞末端，圓形斷面，內(nèi)徑7.5 m，井高104.11 m，阻抗孔直徑1.6 m。高壓管道全長約1074 m，采用斜井布置，設2條中平段，最大設計內(nèi)水壓力水頭652.2 m，圓形斷面，采用鋼板襯砌型式，主管內(nèi)徑分別為2.6、2.3 m，相應流速5.41、6.92 m/s，支管內(nèi)徑1.4 m，流速9.33 m/s。

2 調(diào)壓井的設置判別及其位置選擇

根據(jù)DL/T 5058—1996 《水電站調(diào)壓室設計規(guī)范》 （以下簡稱 “規(guī)范”）規(guī)定，符合不等式（1）時，應考慮設置上游調(diào)壓室。

式中，Li為壓力水道及蝸殼和尾水管 （無下游調(diào)壓室時應包括壓力尾水道）各分段的長度，m；H為電站設計水頭，485 m。

本電站∑LiVi=54130， 40H=19400＜∑LiVi， 需設置上游調(diào)壓室。

調(diào)壓井位置宜靠近廠房，本電站將調(diào)壓井的位置設于長引水隧洞的末端。

引水隧洞末端從地面地形上看，位于上、下兩個陡崖之間，上部陡崖巖體有卸荷張拉現(xiàn)象，調(diào)壓井布置應避開，選在上部陡崖偏下游位置，該位置圍巖以結(jié)晶灰?guī)r為主，巖石堅硬，弱風化，巖體穩(wěn)定性較好，具備成井條件。

3 調(diào)壓井的形式選擇

調(diào)壓井的形式應進行技術經(jīng)濟比較后確定。調(diào)壓井選型的基本原則為:①能有效地反射由高壓管道傳來的水擊波；②在無限小負荷變化時，能保持穩(wěn)定；③大負荷變化時，水面振幅小，波動衰減快；④在正常運轉(zhuǎn)時，經(jīng)過調(diào)壓井與壓力水道連接處的水頭損失較?。虎萁Y(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟合理，施工方便。

基于以上原則，調(diào)壓井設計比較了簡單式、水室式和阻抗式3種形式。

（1）調(diào)壓井小波動穩(wěn)定分析。小波動穩(wěn)定根據(jù)“規(guī)范”按式（2）計算托馬穩(wěn)定斷面面積

式中，L為壓力引水道長度；A1為壓力引水道斷面面積；α為調(diào)壓井水頭損失系數(shù)；H0為發(fā)電最小凈水頭；hw0為壓力引水道水頭損失；hwn為高壓管道水頭損失。取安全系數(shù)1.1，經(jīng)計算調(diào)壓井托馬穩(wěn)定斷面面積為5.70 m2。由于本電站設計水頭較高，如按計算所得托馬穩(wěn)定斷面取值，調(diào)壓井最高涌浪較高，同時為保證最低涌浪時不產(chǎn)生補水不足而出現(xiàn)露底現(xiàn)象，調(diào)壓井高度增加較多，引水隧洞及高壓管道設計水頭也相應增加。因此，調(diào)壓井井筒斷面面積主要根據(jù)不同類型調(diào)壓井的涌浪計算由限制波動振幅的要求控制。

（2） 調(diào)壓井涌浪計算比較。根據(jù) “規(guī)范”，簡單式、水室式和阻抗式3種形式的最高、最低涌浪計算結(jié)果如表1。

（3）調(diào)壓井形式比選。①簡單式調(diào)壓井，結(jié)構(gòu)簡單，水擊反射條件好，但由涌浪計算可知，在3種類型調(diào)壓井中，波動振幅最大，若要減小振幅，必須加大調(diào)壓井的容積，增加工程造價。另外，簡單式調(diào)壓井水位波動衰減也較慢，而且在正常運行時，引水系統(tǒng)與調(diào)壓井連接處水力損失較大，本電站為長引水、高水頭電站不宜采用簡單式調(diào)壓井。②水室式調(diào)壓井在，由1個上室、1個下室和1個斷面較小的豎井組成。若上室底部與上游靜水位在同一高程，上室最高涌浪取30 m，近似計算上室容積需7449.3 m3，與阻抗式調(diào)壓井比，最高涌浪降低了2.7 m，但工程量增加很多。從施工角度來分析，調(diào)壓井采用反井鉆機開挖導井，自下而上擴挖，由調(diào)壓井下部出渣，正常蓄水位以上未設施工支洞，所以專設上室將增加工程造價。同理，下室也不能有效減小涌浪振幅，卻將增加工程造價。③阻抗式調(diào)壓井，具有容積小、波動衰減較快、結(jié)構(gòu)簡單，正常運行時水頭損失小等優(yōu)點。從涌浪計算結(jié)果看，與水室式相比，最高涌浪相差不大，而工程量最?。蛔畹陀坷苏穹m較大，但由于電站引水隧洞長，調(diào)壓井底板高程與隧洞進口高差較大，故無需下室，亦能滿足補水要求。調(diào)壓井位置的地面高程高于最高涌浪水位，因此調(diào)壓井可以采用露頂結(jié)構(gòu)，施工和運行管理都較方便。

表1 不同形式調(diào)壓井涌浪計算結(jié)果匯總

綜上所述，調(diào)壓井推薦阻抗式。

4 調(diào)壓井的水力計算

4.1 過渡過程及涌浪計算

根據(jù) “規(guī)范”涌浪計算公式初步計算，阻抗式調(diào)壓井圓井斷面初擬為內(nèi)徑D=7.0 m，斷面面積A=38.485 m2，阻抗孔面積采用引水隧洞斷面面積的23.5%，內(nèi)徑為D=1.6 m的圓形斷面，引水隧洞縱坡i=0.0038，調(diào)壓井布置基本滿足穩(wěn)定、涌浪及補水要求。

調(diào)壓井在 “規(guī)范”第5.2.2及5.2.3條規(guī)定的計算工況下，最高及最低涌浪計算值見表2。

表2 調(diào)壓井最高及最低涌浪計算值m

根據(jù)水輪機特性，對過渡過程中水擊和涌浪的組合工況產(chǎn)生的調(diào)壓井涌浪情況，進行了水力機械過渡過程仿真計算，計算采用優(yōu)化方法進行了水輪機水壓力和轉(zhuǎn)速的迭代計算，先用進退法求出包含解的區(qū)域，然后用區(qū)域分割法求出解，初擬方案主要控制工況涌浪計算結(jié)果見表3。

表3 初擬方案調(diào)壓井主要控制工況涌浪計算結(jié)果m

從表3可見，最低涌浪水位均高于按 “規(guī)范”規(guī)定計算工況的計算值，但最高涌浪水位比規(guī)范第5.2.2及5.2.3條規(guī)定計算工況的計算值高出約6 m，為降低最高涌浪水位一般可采取兩種措施:增加阻抗孔水力損失系數(shù)和擴大調(diào)壓井斷面。計算分析表明，縮小阻抗孔，在引水隧洞內(nèi)產(chǎn)生較大的水擊壓力，從而增加了引水隧洞投資。如將調(diào)壓井直徑增加到7.5 m（阻抗孔水力損失系數(shù)不變），則最高涌浪水位降低近5 m。當調(diào)壓井直徑為7.5 m時，把事故閘門井作為調(diào)壓井處理，調(diào)整方案調(diào)壓井的主要控制工況涌浪計算結(jié)果如表4所示。

表4 調(diào)整方案調(diào)壓井主要控制工況涌浪計算結(jié)果 m

根據(jù)過渡過程仿真計算結(jié)果，調(diào)壓井斷面內(nèi)徑確定為7.5 m，斷面面積44.18 m2，阻抗孔采用內(nèi)徑為1.6 m的圓形斷面，面積為引水隧洞斷面面積的23.5%。由表4可見，作為調(diào)壓井的事故閘門井最高涌浪水位為3167.40 m，調(diào)壓井最高涌浪水位為3167.31 m，發(fā)生在上游為校核洪水位，2臺機同時從空載增至噴嘴全開帶全負荷，當流入調(diào)壓井流量最大時2臺機同時事故甩全負荷運行工況。閘門井最低涌浪水位為3070.83 m，調(diào)壓井最低涌浪水位為3070.91 m，發(fā)生在上游為死水位，2臺機噴嘴全開，同時事故甩全負荷運行工況。調(diào)壓井底板最小設計水頭為6.4 m，滿足規(guī)范要求。

調(diào)壓井和事故閘門井的最高涌浪水位出現(xiàn)時間相差約1.5 s，最高涌浪水位差最大為0.09 m。因此，在調(diào)壓井和事故閘門井之間不會長時間存在較大的壓力差。

4.2 機組調(diào)節(jié)保證計算成果

經(jīng)機組調(diào)節(jié)保證計算，機組的最大轉(zhuǎn)速升高和配水管最大水壓力升高均滿足調(diào)節(jié)保證計算的要求。最大轉(zhuǎn)速 （升高為23.94%），發(fā)生在上游校核洪水位，1臺停機，1臺事故甩66.0 MW負荷的工況。配水管最大水壓力 （升高為599.87 m水頭）發(fā)生在上游校核洪水位，2臺同時事故甩額定負荷的工況。

根據(jù)計算結(jié)果，機組增加負荷控制的規(guī)則為:

（1）在任何上游水位時，2臺機同時甩全負荷后，不允許兩臺機同時開始增負荷；在第1臺機開始增負荷后131 s，第2臺機可以開始增負荷。

（2）當上游水位高于3128 m時，2臺機可以同時從空載開始增負荷。

（3）在上游水位低于3128 m時，機組必須相繼開始增負荷，第2臺機的等待時間大約在150 s左右。

小波動計算表明，本電站水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。應該指出，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性還與許多計算中無法考慮的因素有關。因此，投運時仍然應該先整定保證能穩(wěn)定的參數(shù)，然后通過試驗確定合適的調(diào)節(jié)參數(shù)。

由于2臺機組共用有壓引水道、調(diào)壓井和壓力管道，由此相互之間會產(chǎn)生水力干擾。計算表明，機組間水力干擾明顯，但因為本電站水頭高，因此水壓力波動和功率波動的相對值較小。

引水系統(tǒng)動態(tài)測壓管水位計算表明，根據(jù)現(xiàn)有引水系統(tǒng)的布置情況，在引水隧洞和高壓管道中均不會產(chǎn)生負壓。值得注意的是高壓管道的測壓管水位變化情況與管道的損失系數(shù)、調(diào)壓井的型式、阻抗孔的水力損失系數(shù)都有很大的關系。

5 調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)設計

調(diào)壓井采用阻抗式，井頂平臺高程設為3170 m，底板高程3065.89 m，井身高104.11 m，中心樁號S14+467.393，調(diào)壓井采用圓形斷面，內(nèi)徑7.5 m，斷面面積44.18 m2，阻抗孔采用內(nèi)徑為1.6 m的圓形斷面。

調(diào)壓井井筒圍巖以結(jié)晶灰?guī)r為主，巖石堅硬，弱風化，巖體穩(wěn)定性較好，具備成井條件，圍巖以為Ⅱ～Ⅲ類為主，局部為Ⅳ～Ⅴ類巖石。

調(diào)壓井頂部及上部地面存在厚約8 m的崩坡積物，為了防止運行過程中崩坡積物滾落，破壞調(diào)壓井和閘門井上部結(jié)構(gòu)，設計對井頂上部崩坡積物進行清坡處理，清理方量約3.5萬m3。

調(diào)壓井下部圍巖以Ⅱ類為主，局部Ⅲ類，單位抗力系數(shù)8～10 kN/cm3，具備較大的承載能力。中部3131.09～3141.09 m高程間圍巖為Ⅲ～Ⅳ類，單位抗力系數(shù)2～5 kN/cm3，上部3141.09～3170 m高程間圍巖為Ⅳ～Ⅴ類，單位抗力系數(shù)0.6 kN/cm3。根據(jù)調(diào)壓井內(nèi)水壓力及圍巖條件，上部30 m范圍內(nèi)施工期支護采用噴厚8 cm C20混凝土，錨桿φ22，長2.5 m，間、排距1.5 m的支護形式。下部采用隨機錨桿支護。

為方便高壓管道的運行維修和避免事故擴大，高壓管道首部即調(diào)壓井后設有1道快速事故閘門，閘門井中心樁號S14+472.943，位于調(diào)壓井下游，與調(diào)壓井結(jié)構(gòu)連為一體。閘門檢修平臺與調(diào)壓井頂面同高，露于地面，閘門孔口尺寸為3.0 m×3.3 m。

調(diào)壓井采用厚80 cm鋼筋混凝土襯砌，雙層配筋。

對調(diào)壓井應進行固結(jié)灌漿，其目的是加強圍巖的整體性，提高圍巖的承載能力，封閉裂隙，增加圍巖抗?jié)B能力，防止內(nèi)水外滲，減少對廠房后邊坡穩(wěn)定及壓力鋼管安全的影響。固結(jié)灌漿設計根據(jù)圍巖承受的內(nèi)水壓力，分高程段確定灌漿壓力等級。固結(jié)灌漿孔孔徑5 cm,深入巖石3.0 m，間排距3 m×3 m，梅花形布置。固結(jié)灌漿由下至上進行，調(diào)壓井底座頂板的固結(jié)灌漿孔兼作回填灌漿孔功能，3141 m高程以上固結(jié)灌漿壓力采用0.5 MPa，3141～3109.4 m高程采用1.0 MPa，3109.4 m高程以下采用1.5 MPa，具體灌漿壓力值應根據(jù)技術規(guī)范要求通過現(xiàn)場試驗確定。

6 結(jié)語

吉沙水電站調(diào)壓井的過渡過程計算是在原設計高壓管道 （1條中平段方案）的基礎上進行的。開工后因受征地拆遷等眾多因素影響，原高壓管道工期已無法保證。為加快施工進度，保證發(fā)電工期，重新調(diào)整施工支洞的位置，增開進洞作業(yè)面，經(jīng)業(yè)主審核同意施工單位提出的增加1條中平段方案，設計對施工詳圖進行了修改 （改為2條中平段）；但考慮到修改管線后水頭損失變化不大，故未對修改方案進行過渡過程復核計算。