白水江三级水电站调压井设计优化

张泽辉 娄绍撑 余学彦

（浙江省水利水电勘测设计院 杭州 310 002）

1 问题的提出

白水江三级水电站位于云南省昭通市盐津县境内，发电引水建筑物布置在白水江右岸，由进水口、发电引水隧洞、调压井、压力管道等组成。电站装机容量48MW，额定水头45m，发电引水流量125.2m3/s。

原设计调压井布置在厂后边坡上，地形平缓，为明挖阻抗孔式矩形调压井，井筒衬后尺寸50m×10m×35m（长×宽×高），顶部高程 498.0m。根据钻孔揭露情况，原调压井处出露的岩土层有：（1）砂土夹灰岩碎屑、孤石，钻孔揭露表层松散堆积层厚度22.5m；（2）灰岩，为二迭系下统栖霞组地层，完整性好，钻孔RQD值达85%以上，节理裂隙不发育。

2005年 8月，原调压井在开挖至高程494.0m，距设计底高程还有 32m时，已进行锚喷支护的调压井后边坡和坡上居民房出现大量裂缝，附近电线杆倾斜，而此时井筒靠下游侧尚未挖到完整基岩。当时正值雨季，继续往下开挖随时可能发生滑坡。故立即停止开挖，搬迁坡上居民，调整设计方案。

2 优化思路

我院接手设计后，立即进行了补充勘探，发现整个厂后边坡表层松散堆积层范围广、覆盖深，没有合适的位置进行调压井移位。如果采用倒挂井方式明挖，则须采用圈梁锁口、井周岩体预固结灌浆和锚筋索预加固等强支护措施。该方案工程量大、费用高，对已出现裂缝的边坡可能造成新的破坏，施工存在较大的风险和难度，不宜采用。

当时位于原调压井上游约172m的2#施工支洞已经贯通，整个支洞及上下游已开挖的主洞均为完整的灰岩，地质条件较好，是布置大尺寸地下洞室的理想之地。调压井优化调整的思路之一应该是移往地质条件较好的上游位置。

2#施工支洞与主洞交点附近的山坡高程为560m，弱风化基岩底界线高程535m左右。借鉴抽水蓄能电站尾水调压室和气垫式调压室的布置方式，将调压室主室放在地质条件较好的山体围岩中，从而避开表层深厚松散堆积层是本工程调压井优化调整的思路之二。

3 优化过程

经复核计算，调压井波动稳定断面为470m2。选取发电建筑物校核洪水位（480.0m）加2台机全甩负荷的工况计算调压井最高涌浪；选取发电死水位(473.0m)加 1台机满发，1台机由空转增荷至满发的工况计算调压井最低涌浪。

调压井优化一开始仍采用阻抗式调压井，拟采用受力条件较好的圆形单井形式。为满足波动稳定条件，衬后洞径须25m。根据涌浪计算成果，穹顶高程495.0m，底高程464.5m，井筒高30.5m，通过内径5m、长9.5m的阻抗孔与引水隧洞相连。穹顶开挖面距弱风化基岩底界线约38m，开挖跨度达29m，而岩体厚度仅为洞径的1.3倍，且上覆约25m厚的松散堆积层，有失稳的风险。

为减小开挖跨度，考虑采用双井形式，衬后洞径均为17m，一个布置在引水隧洞上，另一个布置在2#施工支洞上，上下各通过内径5m的连通洞相连，平面布置详见图1。双井穹顶岩体厚度也仅为开挖洞径的2.0倍，与单井形式没有本质区别，且双室式调压井水流条件复杂，洞室较多，施工较复杂，对引水隧洞施工干扰较大，不宜采用。

图1 双井式调压井平面布置图

4 优化后结构布置

从上面的分析可以看出，为确保施工安全，一方面应减小调压井跨度，放弃圆形结构断面形式，采用跨度较小的窄长矩形断面；另一方面应降低穹顶高程，增加上覆岩体厚度，考虑布置溢流洞，降低最高涌浪，同时为了进一步减小井筒高度，最低涌浪补水由下室补充。因此，设计最终采用带双室的溢流式调压井。

调压井位于施工支洞下游侧 13m处，由上室、溢流洞、下室、竖井、水平连接洞和通气洞组成，平面布置和纵剖面详见图2、图3。

上室为城门洞型，横断面衬后尺寸70m×7m，衬砌厚 1m。上室纵坡为 1.65%，底高程以发电死水位 473.0m减去引水隧洞最大水头损失，取469.0～470.155m。顶高程根据最高涌浪取483.5～484.655m。上覆岩体厚度为开挖跨度的5.6倍。上室井筒高 14.5m，采取全断面系统锚杆和固结灌浆的围岩加固措施，并间隔5m设两排横撑梁。

图2 溢流式调压井平面布置图

图3 溢流式调压井纵剖面图

调压井溢流采用两个衬后洞径 4.0m×4.0m的城门洞形断面，中心距 21m，溢流洞底高程480.125m，略高于正常蓄水位 480m。当发生校核洪水位两台机全甩负荷工况时，涌入调压井的瞬时最大流量为 110m3/s，刚好满溢流洞，弃水均经一段斜洞泄入2#施工支洞，再排入白水江。溢流洞和施工支洞均采用钢筋混凝土衬砌。

下室为圆形断面，衬后直径5.0m，长60.0m，底高程 458.0m，顶高程 463.0m，最低涌浪458.99m，压力余幅8.5m。下室之所以采用转弯形式，是为了与上游同一水平面的内昆铁路手扒岩隧洞保持最小 50m的距离，避免内水外渗造成对铁路的影响。若取消下室，根据最低涌浪计算，上室底高程须降低至 464.5m，则上室井筒高度增加至19.5m，增加石方开挖1544m3，增加钢筋混凝土衬砌319m3，故采用设下室而降低上室高度的结构布置形式。连通上室和下室的竖井衬后直径5.0m，通过一段7m的水平连接段与压力管道相通。如将竖井直接开在压力管道上，水流条件会更好。考虑到调压井施工拟采用导井挖通后经2#施工支洞出碴的方式，而压力管道开挖也是通过2#施工支洞，7m的水平连接段正是为调压井出碴用，避免与压力管道的施工相互干扰。

为给调压井补气，在上室顶部设一个3.0m×3.5m的城门洞形隧洞作为通气洞通往山坡，出口底高程 493.1m，通气洞兼作调压井的施工支洞。

由于调压井及相邻建筑物较多，空间结构交叉，距内昆铁路手扒岩隧洞最短距离仅50m，开挖过程中须严格控制装药量，采取短进尺、弱爆破的施工方法，并及时进行围岩支护。

5 优化要点

（1）将调压井布置在围岩条件较好的山体内部，避开表层深厚松散堆积层；

（2）波动稳定断面采用窄长矩形，开挖跨度仅9m，降低了支护难度；

（3）采用溢流式结构，利用现有的 2#施工支洞排泄弃水，降低穹顶高程，增加上覆岩体厚度，保证结构安全；

（4）增设下室，抬高上室地板高程，降低上室井筒高度；

（5）设水平连接段减少调压井和压力管道的施工干扰；

（6）通气洞兼作施工支洞，且在开挖过程中可根据地质情况进一步确定上室的位置。

调压井经过以上优化调整后，井筒高度由原设计的35m降到14.5m，施工较简单，施工安全有了保障，并比原设计方案节省投资212万元。调压井优化调整后，原调压井已开挖部分及坡脚进行了回填石渣处理，并做好排水措施，定期监测。至今没有发现新的裂缝和边坡变形，原计划迁移的居民也没有搬迁。

6 结语

白水江三级水电站2009年10月蓄水运行至今，调压井一切正常，设计优化是成功的。调压井优化的设计思路，在我院设计的类似工程，云南江边水电站、四川三岔水电站等工程中也得到了成功应用。对于低水头、大流量、波动稳定断面很大的中、小型水电站，特别是厂房后边坡覆盖层深厚，不宜采用大规模明挖施工，采用山体内双室溢流的调压井结构型式不失为一种可选方案。

1 DL/T5058—1996 水电站调压室设计规范

2 朱经祥,石瑞芳.中国水力发电工程──水工卷.北京：中国电力出版社，2000，545-554.

3 朱苦竹，李青麒，朱合华. 不良围岩条件下水电站调压井衬砌结构选型研究. 水力发电学报，2007（6）

4 覃建，孙怀昆. 崖羊山水电站大断面地下矩形调压室设计创新. 水力发电，2006（11）.