地下双室式调压井涌波水位计算分析研究

崔留杰

【摘要】地下双室式调压井在水电站中应用广泛，尤其是在长引水电站中应用最多。双室式调压井由竖井、扩大断面的上、下室组成，相比简单圆筒式调压井而言，其断面较小，在地下工程开挖中易保证洞室的稳定。但由于其结构复杂，故调压井内水位波动计算分析一直是工程界比较有难度的水力学难题，需进行复杂的水力学计算，必要时辅以水工模型试验进行验证。但在工程预可研阶段，设计周期仓促的情况下， 需采用简便但较为准确的计算方法，在短时间内拟定调压井各个断面尺寸并确定最高、最低涌波，以便确定调压井结构布置，经典的解析法能满足此要求。本文以云南保山槟榔江某水电站地下双室式调压井为例，阐述该类型调压井水位波动计算及相应的调压井断面尺寸选取方法。

【关键词】地下双室式调压井；解析法；水位波动计算；断面尺寸选取；

1. 电站引水系统布置概况

该电站引水系统采用一洞（管）三机的布置方式，引水系统建筑物布置在左岸，包括电站进水口、引水隧洞、调压井、压力管道等。设计引用流量在不考虑电站综合利用（城市供水、灌区供水）流量（3.97m3/s）时为56.6m3/s，考虑电站综合利用时引用流量时为60.57m3/s。

进水口为岸塔式，底板高程1837.00m；塔顶高程为1900.00m，塔高63m。塔前正常蓄水位EL.1895.000m，设计洪水位EL.1895.429m，校核洪水位EL.1896.301m，死水位EL.1848.000m。

引水隧洞为有压隧洞，长度1.678km，洞径4.4m；调压井为地下双室式；钢管道采用全埋管方式布置，主管长446.532m，内径4.0m，剖面上采用两平一斜段布置，为一管三机供水。

2. 计算采用基本参数

（1）上游库水位

正常蓄水位：1895.000m

设计洪水位：1895.010m

校核洪水位：1895.370m

死水位：1848.000m

（2）装机台数：3台

（3）设计引用流量

不考虑下游生态供水，仅发电，引用流量为56.6m3/s，单台机引用流量：18.867m3/s。

考虑下游生态供水，引用流量为60.57m3/s，单台机引用流量：20.19m3/s。

（4）流道参数

引水隧洞断面为圆形，直径4.4m，全长1639m，含进水口段全长1678.375m。

压力管道主管、支管断面均为圆形，主管直径4m，全长447.637m，支管直径2.2m，长约30m。

3. 调压井稳定断面面积计算

计算时，先计算出自水库至调压室水头损失系数α值，再计算出调压井水位波动所需最小断面面积，各项参数取值及具体计算成果详见表1。

调压井竖井断面采用圆形，根据上述托马稳定断面计算成果，调压井竖井直径初拟采用D=8m。

4. 调压井最高涌波水位计算

4.1 最高涌波计算

计算工况：上游水库正常蓄水位1895.000m，全部机组瞬时丢弃全部负荷。

计算时不考虑上室通风兼交通洞对水位涌高的抑制作用，将其作为安全储备。采用先限定最高涌波Zmax，反算上室断面面积的方式计算。

最高涌波按下式计算：

4.2 上室容积WB计算（不计竖井面积FS）

4.3 结论

根据上述上室断面面积FC及容积WB的计算结果，拟定调压室上室尺寸为8m×9m×45m（宽×高×长），型式为城门洞型。

确定调压井最高涌波水位为1895+10.25=1905.25m。

5. 调压井最低涌波计算

最低涌波需比较两种情况，一是机组增负荷时的最低涌波，二是机组甩负荷时的第二波动振幅，取二者中的最低值，下面分别进行计算。

5.1机组增负荷时最低涌波计算

计算工况组合如下：

计算工况①：上游水库死水位，两台机发电时，第三台机开启；

计算工况②：上游水库死水位，三台机依次开启（第一台机开启，调压井内水位下降至最低时，第二台机组开启，调压井内水位再次下降至最低时，第三台机组开启）；

计算工况③：上游水库死水位，一台机发电，第二、三台机依次开启（第二台机开启，调压井内水位下降至最低时，第三台机开启）。

由上表可以看出，最低涌波出现在计算工况②（三台机依次开启），最低涌波水位1824.468m。

5.2 全部机组丢弃负荷时的第二振幅复核

计算时，先计算出S值、X0值，试算求解Xmax及X2。各项参数、第二振幅的及最低涌波计算成果详见表6。

比较增荷时的最低涌波及丢弃全部负荷时的第二波动振幅，可以看出最低涌波出现在机组增负荷时（计算工况②，三台机依次开启）。

最低水位下降至EL.1824.468m，低于压力管道进口顶板高程1828.896m，为保证压力管道内不进入空气，必需设置下室。

5.3 增加负荷时下室容积计算

计算下室容积时，需根据引水系统布置需要，先确定最低涌波Zmin值。

为保证增荷时压力管道不進入空气，并考虑最低涌波与最大负水击可能重叠时压力钢管不出现负压，同时考虑调压室内水位适当超高，拟定最低振幅值Zmin=11.705m。

根据上述计算成果，下室最低涌波水位为1848m-11.705m=1836.295m；

根据调压室下室容积计算结果，拟定下室尺寸为8m×8m×10m（宽×高×长）（城门洞型）。

6. 计算成果及结论

根据上述计算成果，确定调压井体形尺寸及特征水位如下：

（1）调压井竖井采用圆形断面，直径D=8m。

（2）调压井上室断面采用城门洞型，尺寸8m×8m×45m（宽×高×长），底板高程EL.1899.700m。

（3）调压井下室断面采用城门洞型，尺寸8m×8m×10m（宽×高×长），底板高程EL.1833.000m。

（4）涌波水位：

最高涌波水位：EL.1905.250m。

最低涌波水位：EL.1836.295m。

上述计算分析过程及方法就是利用经典解析法快速确定调压井各个断面尺寸及相应涌波水位的方法。后经施工详图阶段水工模型试验验证，调压井断面尺寸的选取时合适的，涌波水位亦与计算成果非常接近，由此可见上述计算方法是可行的。在工程的预可研阶段需要快速敲定调压井结构布置时，使用上述方法能快速、准确的得出结果，提高设计效率。