尼泊尔某水电站引水系统优化设计

2021-09-26张正香

水电站设计 2021年3期

关键词：蝶阀竖井隧洞

熊瑜，张正香

（1.重庆市巴南区水利局，重庆巴南 401320；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前言

尼泊尔和中国作为“一带一路”倡议的拥护者，为发挥中国的技术、建设优势，改善尼泊尔的基础设施、提高人民生活水平，尼中两国积极推进水利水电工程的合作，尼泊尔某水电站就是其中的代表项目。

尼泊尔某水电站位于卡利甘达基河流上游，开发任务为调峰发电。某水电站采用引水式开发，正常蓄水位2 530 m，电站装机3台，总容量约为160 MW。

某水电站枢纽建筑物主要由首部挡水、泄水建筑物和引水发电系统组成。引水发电系统布置在右岸，引水建筑物由电站进水口、引水隧洞、调压斜井、蝶阀室、压力竖井、压力钢管、地下厂房和尾水洞等主要建筑物组成。

本电站前期招标设计时，引水系统采用低压引水隧洞、调压斜井、蝶阀室、两级压力竖井、压力钢管的布置方式。根据相关资料，为了降低施工难度，节约工程投资，提高经济效益，开展了引水系统优化设计研究。

1 基本地质条件

某水电站引水系统位于高喜马拉雅带，沿线山高坡陡，分水岭高程4 000～5 000 m，谷坡基岩多裸露，坡度一般30°～50°。沿线发育2条切割较深的冲沟，沟内常年有流水。

引水隧洞埋深大，埋深基本大于300 m，最大埋深为800 m，具有中等-高地应力，沿线剪切带较发育，多为张性结构面。引水隧洞主要为条带状片麻岩，岩石多新鲜坚硬，推测基本稳定（Ⅱ类）围岩、局部稳定性差（Ⅲ类）围岩、不稳定（Ⅳ类）围岩、极不稳定（Ⅴ类）围岩分别占隧洞长度的25%、40%、25%、10%。

调压井、压力管道主要为条带状片麻岩，岩石多新鲜坚硬，推测基本稳定（Ⅱ类）围岩、局部稳定性差（Ⅲ类）围岩、不稳定（Ⅳ类）围岩、极不稳定（Ⅴ类）围岩分别占其长度的40%、50%、5%、5%。

2 原设计方案存在问题及优化思路

2.1 原设计方案主要问题

（1）原设计方案引水隧洞底坡仅0.65%左右，引水隧洞底坡较小，导致压力竖井高差大，高差约为550 m，压力竖井为两级竖井，施工难度大，工程量较大。

（2）原设计方案采用调压斜井［1］，调压井底坡为1∶7，调压斜井总长度约725 m，实际施工难度大，工程量较大。

（3）原设计方案调压斜井下游设蝶阀室，引水隧洞不衬砌段距离调压斜井、蝶阀室较近，这会导致运行期蝶阀室渗水严重，维护工作量大。

2.2 优化方案优化思路

（1）优化压力竖井，考虑减少一级竖井。经技术经济比较，考虑调整引水隧洞洞线下压引水隧洞，引水隧洞采用5%左右的底坡，压力竖井由两级减少为一级，高差减少约320 m以降低施工难度，节约工程投资。

（2）研究取消调压斜井的可行性。经研究和计算，引水系统满足取消调压井的条件，优化方案如取消调压井，将大大减小工程量，提高经济效益。

（3）研究取消蝶阀室的可行性。由于本工程引水隧洞长度相对较短，且在引水隧洞前端的进水口设置了检修闸门，参考类似电站的设计及运行经验，取消蝶阀室是可行的。

3 优化设计

3.1 调整引水系统洞线

引水隧洞沿河道右岸布置，洞线在满足埋深的前提下，兼顾施工支洞布置和工期平衡尽量裁弯取直，大部分洞段洞线近似平行于河道。原设计方案引水隧洞在平面上设置5个转点。优化方案取消了引水隧洞平面的最后一个转点，在平面上仅设置4个转点，截弯取直［2］，引水系统过流更为顺畅，增加了行洪能力，如图1所示。

图1 引水系统平面布置

原设计方案在引水隧洞末端设置两级压力竖井，由于引水隧洞底坡仅为0.65%左右，底坡较小，导致压力竖井高差大，高差约为550 m，施工难度大，工程量较大。优化方案调整引水隧洞洞线，下压引水隧洞，增加引水隧洞底坡坡度，底坡增加5%左右；同时减少压力管道长度，取消一级压力竖井，高差减少约320 m，以降低工程难度，节约工程量，减少工程投资。原方案及优化方案对比如图2所示。

图2 引水系统纵剖面示意

引水隧洞上平段纵向坡度变陡，取消一段竖井后，钢衬段起点水头约370 m，形成高压引水隧洞。隧洞沿线围岩条件好，高压引水隧洞采用不衬砌或透水衬砌。已建成的多个高水头水电站，高压引水隧洞采用不衬砌或透水衬砌，多年运行情况良好。国内已建成的高压引水隧洞概况［3］如表1所示。

表1 国内已建成的高压引水隧洞概况

3.2 取消调压井、蝶阀室

某水电站正常蓄水位2 530 m，死水位2 528 m，额定水头602.2 m，引用流量31.8 m3／s，机组安装高程1 910 m。调整引水系统轴线后，进口底板高程2 505.00 m，至压力管道处底板降为2 135.94 m。

优化方案引水隧洞为马蹄形有压洞，分为喷混凝土和钢筋混凝土两种衬砌形式，引水隧洞全长约7.2 km。引水隧洞Q1、Q2、Q3、Q4类围岩采用喷混凝土衬砌，衬砌厚度10～20 cm不等，隧洞长度约为5.8 km，隧洞内径为5.4 m，流速为1.3 m／s。引水隧洞Q5类围岩采用钢筋混凝土衬砌，Q5围岩洞段先采用喷钢纤维混凝土支护，厚度20 cm，后采用钢筋混凝土衬砌，厚度40 cm；隧洞长度约为1.4 km，隧洞内径为4.6 m，流速为1.8 m／s。

优化方案压力钢管位于厂房前端，压力管道由平段、竖井段组成，平段有两段，由竖井连接，竖井与平段夹角为90°。主管经主岔分为一条支管和一条主支管，主支管经次岔后分为两条支管，支管向厂房供水，主管、主支管、支管、岔管均为地下埋管。压力钢管主管内径为2.5 m，主管总长约为586 m，流速为6.5 m／s。单条支管直径1.5 m，最长支管长度约为59 m，流速为6.0 m／s。

根据优化方案引水建筑物、机组特征参数，计算水流惯性时间常数Tw为2.42 s。本电站装机容量在电网容量中所占比例较小，机组加速时间常数Ta为7.38 s，Tw／Ta为0.328，满足规程［4］中规定的可不设置调压井的要求。参考已竣工发电的玛依纳电站和南湃电站（未设置调压室），其Tw／Ta均大于或接近不设置调压室临界值0.4，两电站运行情况良好，见表2所示。