某水电站引水调压井设计

       摘要：本文结合某水电站工程实例，分析其引水调压井的设计方案，介绍工程概况，分析引水系统的线路布置方案，并给出调压井的设计方案与施工方案。 

　　关键词：水电站；引水调压井；设计 

　　中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 　　 

　　某水电站为引水式日调节水电站，其主要任务为发电，电站总装机容量56MW，主厂房共设置三台混流式水轮发电机组，其中两台容量为23MW，一台为10MW；电站保证出力10.2MW，装机年利用3805小时。该水电站有效改善了当地的电网结构，缓解用电紧张的局面，一般情况下电站承担系统基荷，如果不在汛期也承担系统峰荷，水库按照日调节的方式运行。 

　　一、引水系统线路布置 

　　在枢纽左岸坝体内设置发电引水隧洞进口，在设计引水线路时，要与施工过程中的辅助支洞的设置方案相结合，为了控制工程的施工周期，要尽量缩短主洞与支洞之间的洞线长度；设置引水线路时采取隧洞与明洞相结合折设计方案，可以最大程度上降低工程成本。实际施工过程中，埋深在14m到29m的工段由于埋深相对较浅，所以选择明洞方案，进行全段面开挖；开挖时，明洞底宽为9.3m，砾石层开挖边坡为1:0.75；碎石及碎石土开挖边坡为1:1.0，如果边坡高度超过8m，要注意预留2m宽的马道。明洞数面为圆形，采用C20钢筋混凝土现浇而成，完成浇筑后要用开挖料回填土对其顶部进行回填，土层厚度至少在10m左右。在本水电站中，隧洞的总长为5.148千米，占总长为7.044千米引水线路的73.1%，明洞总长为1.896千米，占整条引水线路的26.9%。 

　　二、调压井的设计方案 

　　（一）调压井设计原则 

　　在进行水电站调压井设计时要结合工程的实际情况，对设计方案的技术性与经济性进行全面比较，然后再确定下来。在选择调压井的形式时要遵循几点原则：首先，要可以有效的反射通过高压管道传来的水击波；其次，在无限小负荷发生变化时，要可以保持自身的稳定性；如果大负荷发生变化的情况下，要求水面保持较小振幅，并且波动要快速衰减；再次，水电站处于正常运转状态时，经过调压井与压力水道连接位置的水头损失不得过大；最后，调压井的结构设计要尽量简单化，便于施工，并且要合理控制成本。 

　　（二）调压井形式比较 

　　本文中介绍的某水电站的调压井位于厂房上游330m处，其总高度为51.5m，其中地面以下深41.5m，地面以上高度为10m，因此该调压井属于半地下式；地面以下的竖井段，其外径为13m，内径为10m，从上到下的围岩分别为11m的洪积块与碎石土，结构相对松散；30m的洪积块与碎石土，为中密-密实结构，而调压井的基础便位于洪积块碎石土之上。分析相关参数可知，在该调压井高度与直径条件下，其所处地质条件相对较差，设计地震防烈度III度，这些均会增加施工难度。 

　　该水电站引水线路的总长为7.044千米，设计引流量为每秒50.1方，设计水头为117m；计算出调压井水力及最高涌波水位等参数，然后按照调压井的相关设计规范比较几种设计方案。调压井的形式分为简单式、阻抗式、水室式及溢流式等四种。其中简单式是四种形式中结构最简单的，施工比较方便，不过反射压力管道所传送的水机波的能力相对较差，最高涌波水位也相对较高；简单式调压井的波动振幅最大，只有通过增加容积的方法减小振幅，从而导致工程成本的增加；此外，简单式调压井的水位波动衰减速度慢，当调压井处于正常运行状态时，调压井与引水系统连接位置会有较大的水头损失。由此可见，本设计中简单式调压井不适用。而阻抗式调压井在反射压力管道传输的水机波方面效果较好，高出地面的高度在20m左右，并且容积小，结构相对简单，而且波动衰减迅速，当调压井处于正常运行状态时，水头损失相对较小；不过在该工程中，由于地震设防烈度为III度，并且调压井的基础位于碎石土层，因此要求其超出地面的高度不得过高，所以阻抗式调压井也不适用。而水室式调压井，由于丢弃负荷的涌水量由上室容纳，因此最高涌波水位就受到限制，所以其超过地面的高度与阻抗式调压井相当，也不适用。最后一种种溢流式调压井，由于本水电站受地形条件的限制，无法向其它渠道溢流，所以也不适用。 

　　经过综合分析与计算后，该水电站的调压井决定采用综合型的设计方案，即底部为阻抗式，顶部则设计一个圆形的开敞溢流式上室水池，水池底板位于原地面高程上，在阻抗孔与上室之间设置一个高41.5m、内径为10m的简单的圆筒竖井。下图1即为该水电站调压井结构图： 

　　图1：某水电站调压井结构示意图 

　　经过计算可知，该方案采用了阻抗式与上室式相结合的方法，不仅可以保证反射压力管道传送的水机波的效果，而且可以防止发生上游引水隧洞水击穿透，并且调压井井内的水位波动也受到限制，调压井的总高度有所下降，降低水锤压强的效果也相对较好。 

　　三、调压井的开挖施工 

　　在本工程中，调压井的围岩主要是碎石土与砂砾石，按照常规的施工方法需要采用大开挖的方案，这种方法便于施工，不过工程量相对较大，特别是本水电站调压井的最小埋深也有41.5m，因此不适用大开挖的方案。如果采用竖井开挖的方法，需要投入较强的一次超强支护，不过与开挖方案相比，这种施工方法的工程总量、总投资还是相对较低，所以竖井方案的优势相对较大。不过由于该调压井处于碎石土及砂砾石围岩，并且需要开挖的高度达到了41.5m，因此要对具体的施工方案再进行论证。如果施工过程中可以保证一次开挖支护设计方案的稳定性，并能保证施工质量及安全性，则竖井施工方案的可行性就比较高。经过分析后最终决定采用竖井一次支护方案进行施工。为提高井壁口的稳定性，竖井顶部设置一道C20钢筋混凝土锁口圈梁；井身也要喷射200mm厚的C20混凝土，紧贴岩面的位置要设置重型工字钢拱架，间距设置半米左右，工字钢之间的连接采用钢筋焊接的方法，全断面喷层中部也要挂设钢筋网；还要在全断面采用菱形布置的方案设置系统长锚杆，锚杆长为4-5m，直径22mm，间距为0.5m，一共34根。不过需要注意一点，在砂砾石围岩中设置系统长锚杆可能会降低锚杆的支护效果，这种情况下锚杆只是起到固定钢拱架的作用，因此要增加注浆钢管，采用梅花形设置，注浆钢管的长度为6m，直径为42mm，注浆扩散到岩体中，可以将松散的岩体固结起来，使得锚杆、锚管、钢拱架等结构连接起来，大幅提升围岩的稳定性与整体性；要注意把注浆钢管、钢拱架焊接成一个整体，可以进一步保证施工质量。 

　　在本工程中，与水电站所在地的地形条件相结合，采用小导井法进行竖井开挖。先在调压井竖井中部沿竖直方向开挖一个小导井，直径为1.8m，并在调压井底部挖出一条施工支洞，将有利的地形条件充分发挥出来，竖直贯通小导井后，就可以把小导井底部的出渣从支洞中运出。施工过程中，小导井直径相对较小，自稳性较好，所以开挖施工比较容易，也可以进一步保证施工的安全性；并且利用小导井进行底部出渣大大降低了施工难度，提高了施工效果。由此可见，采用小导井法进行施工十分有效，大大提高了竖井开挖方案的可行性。 

　　参考文献 

　　[1] 赵天来. 反井钻机在杂木寺水电站调压井施工中的应用[J]. 农业科技与信息. 2010(22): 34-35. 

　　[2] 张志明，孙明. 露天无钢衬调压井在布巴哈水电站的应用[J]. 云南科技管理. 2012(05): 211-214. 

　　[3] 向斌，叶井亮. 某水电站深厚残坡积层的调压井边坡处理方法研究[J]. 中国水运(下半月). 2011(09): 149-150. 

　　[4] 马丽慧. 调压井固结灌浆“超前钻孔预埋灌浆管”施工技术[J]. 四川水力发电. 2011(04): 99-100. 

　　[5] 金宏安，宋会红，丁秀霞. 老挝Nam Ngum 5水电站深调压井井筒开挖设计与施工实践[J]. 水利水电工程设计. 2011(03): 11-14. 

　　[6] 水电七局柳坪水电站调压井QC小组获国家级奖项[J]. 四川水力发电. 2008(04): 144.