大湾水电站新型螺旋阻抗式调压井设计研究

2018-12-21陆新佳

中国新技术新产品 2018年20期

关键词：调压井

陆新佳

摘要：大湾水电站调压井部位地质条件差，无法大面积开挖，采用新型螺旋阻抗式调压井，减少开挖断面，增大水面面积，有效地降低了涌浪高度，并可兼做交通洞，节省投资。

关键词：调压井；螺旋阻抗式；大湾水电站

中图分类号：TV732 文献标志码：A

1 工程概况

大湾水电站位于云南省楚雄州双柏县礼社江上，是礼社江规划河段的最后一个梯级。正常蓄水位748.0m，最大坝高44m，相应库容2244×104m3，校核洪水位为750.65m，总库容2885×104m3。具有日调节性能，总装机容量49.8MW。引水系统由右岸岸边进水口、压力引水隧洞、调压井、压力钢管道组成。

2 螺旋阻抗式调压井设计由来

2.1 可研阶段调压井方案

可研设计阶段，调压井布置在引水隧洞1+300.00m处的右岸山梁上，调压井井筒直径16m，断面面积为201 m2，最高涌波水位为EL.761.100m，最低涌波水位为EL.726.834m，确定调压井井筒顶高程为EL.765.000m，穹顶高程为EL.770.000m，压力管道进口轴线高程EL.720.625m。阻抗孔直径为3.5m，面积约为引水隧洞面积的34%，可以有效抑制调压室的波动幅度及加速波动的衰减。在穹顶设置水平通风洞（宽×高=4m×5m），底板高程为EL.765.000m。

根据调压井结构及围岩条件，初步确定调压井底板厚1m，井壁厚0.5m，钢筋混凝土衬砌，顶拱一次支护为挂网喷锚支护，井壁一次支护为喷锚支护。

初步拟定一次支护设计方案为：喷C20混凝土0.15m，布置系统锚杆Φ22@2000×2000，L=4.5m；衬砌结构及配筋方案为：衬砌厚度0.5m，环向受力钢筋采用双层对称配置，单侧Φ22@200，纵向分布筋Φ16@200，利用数值计算成果进行验算。

2.2 存在的问题和设计变更的必要性

调压井在开挖通风洞（兼施工支洞）时，在进洞不久就出现大面积塌方，支护采用钢支撑强支护强行开挖，但在接近调压井处出现大塌方，隧道被堵死，工程被迫停工。

根据调压井处地质条件、工程设计方案，以及工程施工实际情况，分析原设计方案主要存在如下问题：

（1）直径16m的调压井穹顶处于地质变化复杂的强风化岩层中，即使采用强支护也难以成形，安全隐患较大。调压井井筒处于较差的围岩中，开挖施工安全隐患大。

（2）原支护设计仅用喷锚支护，井筒钢筋混凝土结构厚度仅0.5m，不满足结构设计要求，运行期安全隐患大。同时工程量缺口较大。

据此认为调压井设计变更是十分必要的。

3 螺旋阻抗式调压井设计研究

3.1 调压井方案比选

根据调压井处地形地质条件，按照如下原则进行调压井布置方案研究：

（1）调压井应布置于较好围岩中。

（2）不影响已施工的工作面和工程。

（3）方便施工和为后续工作提供方便。

设计根据上述原则提出了4个比较方案，布置方案及简单比较如下：

（1）前移方案：将调压井前移90m，布置于围岩较完整的砂岩中，可以保证调压井围岩稳定及施工顺利进行，但缺点是延长钢管道长度，已施工的部分引水隧洞和施工支洞废弃，需重新开挖施工支洞。

（2）后移方案：将调压井后移60m，采用明挖调压井方案，这样可以保证调压施工安全，但缺点是调压井井口将形成100m以上的高边坡，开挖支护工程量较大，工期及投资均不利。另外钢管道仅能在地质条件较差的围岩中布置竖井。

（3）扁圆方案：维持原调压井中心线位置不变，将圆形断面改为扁圆形（8m×32m），减少开挖跨度，这在一定程度上降低了施工难度，且已施工工程均可正常使用。但缺点是：通风洞及顶拱施工难度大，安全隐患大。

（4）螺旋方案：采用底坡13%的螺旋形调压井，净空尺寸6m×6m，這一方案具有如下明显优点：

①避开地质复杂的强风化区域，增强了施工安全性。

②调压井底坡满足了施工出渣及进料运输要求，可两端同时开挖和同时浇注混凝土，对工程进度有利。

③调压井可兼具钢管运输通道。

缺点是增加了工程量。

综上，经综合考虑，技施阶段大湾水电站采用螺旋阻抗式调压井方案。该方案调压井水平面积248.8m2，大于原设计的206m2。

3.2 施工组织优势

调压井由井筒直径为16m的调压井变更为城门洞型（底宽6m，高6m）、螺旋形上升（坡度i=13%）的调压井。调整后的调压井有以下特点：

（1）调整后的调压井避开了原调压井穹顶的不良地质段，城门洞型隧洞式调压井采用引水隧洞的施工方案和施工机械进行施工，施工方法简单、安全保证度高。

（2）利用原通风洞进口及道路，不需另行修建，方便了施工。

（3）原设计利用2#施工支洞作为压力钢管运输通道，但施工期2#施工支洞采用钢支撑强支护，断面较小，不满足钢管运输要求，扩挖困难且有安全隐患。变更的调压井结合满足压力钢管运输的需要进行布置，巧妙地解决了压力钢管的运输问题。

（4）阻抗孔创造性布置于隧洞侧墙，使调压井底板与隧洞底板平接，因而变更后的调压井可两端同时施工，进度满足工期要求，且有富裕。

（4）变更后的调压井洞挖工程量增加约12000m3，原设计下游沿江弃渣场即可满足其堆存要求，不需增加新的弃渣场，无须调整征地范围和施工总布置。

从施工组织设计方面看，调压井变更不影响施工组设计的实施，而且变更后较为有利。

3.3推荐方案

调压井布置于引水隧洞桩号1+310.000m处，阻抗孔布置于隧洞左侧，直径3.5m；调压井采用城门洞型（底宽6m，高6m），螺旋上升（纵向坡度i=13%），上接已开挖的通风洞。

推荐方案调压井各类围岩情况如下：Ⅱ类围岩占17.8%，Ⅲ类围岩占24.4%，Ⅳ类围岩占41.9%，Ⅴ类围岩占15.9%。调压井下段主要为微风化～新鲜的砂质板岩，中段为微风化～新鲜的长石石英砂岩，上段为弱风化的砂质板岩，总体地质条件较好。

调压井一次支护设计方案为：喷C20混凝土0.15m，布置系统锚杆Φ25@2000×2000，L=4.5m，视围岩情况挂钢筋网Φ6.5@200×200；衬砌混凝土厚度0.6m，混凝土等级为C25，环向受力钢筋采用双层对称配置，根据围岩类别分别采用Φ22和Φ28，纵向分布筋Φ18@200。

可以看出结构方面比可研方案加强较多，提高了工程安全性。

3.4 水力计算复核

（1）可研阶段成果

电站引水系统水头损失包括局部水头损失及沿程水头损失。局部水头损失包括入口损失、拦污栅损失、门槽损失及渐变段损失等。当按平均糙率（衬砌混凝土n=0.014，喷混凝土n=0.028，钢衬n=0.012）计算时，本工程引水系统水头总损失为4.598m。

调压井直径16m，断面积约201m2，阻抗孔口直径3.498m（实际设计取3.5m），调压井最高涌浪水位为EL. 761.100m，最低涌浪水位为EL. 726.834m。

（2）设计变更复核

①水头损失复核

根据施工详图阶段的引水隧洞设计，按平均糙率，衬砌混凝土n=0.014，喷混凝土n=0.0255，经复核计算调压井前引水隧洞水头损失为3.022m，比可研报告的3.064m略小。

根据规范要求，需计算按最大糙率及最小糙率的水头损失，计算结果如下：

最大水头损失（糙率衬砌混凝土n=0.016，喷混凝土n=0.0268）：3.48m

最小水头损失（糙率衬砌混凝土n=0.012，喷混凝土n=0.0242）：2.745m

②调压室稳定断面复核

调压室稳定断面按托马公式估算，跟可研成果相比，引水道水头损失略微减少，钢管道水头损失基本没变，按托马公式估算的最小断面面积基本相同，设计变更后的调压室水平投影面积为248.778m2，比可研估算断面206m2大，满足规范要求。

③调压室涌波复核

根据设计变更后调压室断面及引水管线布置，计算调压室最高涌浪和最低涌浪。因调压室涌波水位可不计压力管道水击的影响，本次涌波计算仅以上游水库相应水位为基准计算调压室的涌波水位，计算过程中，调压井前引水隧洞水头损失为3.022m。计算工况如下：

（a）最高涌波水位

工况一（设计工况）：水库正常蓄水位+机组满载运行丢弃全部负荷；

工况二（校核工况）：水库校核洪水位+机组满载运行丢弃全部负荷；

（b）最低涌波水位

工况三（第二振幅复核）：水库死水位+机组由两台机发电瞬时丢弃全部负荷；

工况四：水库死水位+机组由一台机发电突增至两台机发电；

工况五：水库死水位+机组突增至一台机发电再增至两台机发电；

计算成果见表1。

由表1可知，工况五是最低涌波水位较危险的工况，相应的最低涌波水位约为EL.730.041m，比交汇处隧洞洞顶高程723.55m高出6.491m，满足要求。工况二是最高涌波水位较危险的工况，相应的最高涌波水位约为EL.759.4310m。调压井最高涌浪比调压井顶高程762.0m低2.569m，满足要求。

3.5 调压井衬砌结构设计

调压室结构设计，遵循下列原则和基本假定：

（1）视支护、衬砌和围岩为统一的复合体，即考虑支护、衬砌和围岩共同作用。

（2）为了最大限度地利用围岩抵抗内水压力，同时又要考虑减少渗漏，衬砌结构按限裂设计，限裂宽度为0.25mm。

根据大湾水电站调压井内水荷载的分布规律、调压井布置、围岩特性和地下水分布等情况，以公式法计算配筋成果，具体配筋如下：

采用双层配筋，调0+000.000m～调0+084.000m范围内外层受力筋均为Φ28@200、分布筋Φ20@200；調0+084.000m～调0+217.000m范围内外层受力筋均为Φ22@200、分布筋Φ16@200；调0+217.000m～调0+307.000m范围内外层受力筋均为Φ25@200、分布筋Φ18@200。

3.6 新型调压井执行情况

调压井于2014年建成，施工期未出现任何安全事故，2014年年底发电至今，电站运行正常。

结论

本文通过工程实例，对螺旋阻抗式调压井进行了设计研究，螺旋式有以下特点：

（1）利用螺旋式隧洞水平面面积大这一特点，有效减小开挖断面，提高了施工期的安全性，同时可使用常规方法和常规机械施工，极大地方便了施工。

（2）适当加大截面面积，可明显加大作为调压井所需要的水平面面积，有效降低调压井涌浪高度。

（3）将阻抗孔布置于隧洞侧墙，使调压井底板与隧洞底板平接，可两端同时施工，在工期较紧的情况下尤为可贵。

（4）选择较大的水平半径和较缓的底坡的情况下，螺旋式调压井完全可以兼具施工支洞和运输通道，节约工程投资。

新型螺旋阻抗式调压井属国内首创，目前尚未推广。此型式的调压井可广泛适用于如下情况：

（1）调压井区域地质条件差，无法进行大断面开挖或开挖困难。

（2）山坡陡峭，修建道路困难，利用此型式调压井，可减少施工道路和施工支洞，节约投资。

原则上讲，螺旋式调压井可适用任何工程情况。