水利枢纽工程有压引水发电隧洞综合比较浅析

王红帅

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

水利枢纽工程有压引水发电隧洞综合比较浅析

王红帅

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

根据河段的水能资源特点，修建控制性的水利枢纽工程。介绍了枢纽工程中长发电隧洞的洞径计算方法，通过洞径、水头损失、多年平均发电量、工程量、投资及经济净现值的比选分析，论述了长距离发电隧洞洞径的选取对发电效益和工程投资的影响。

发电洞引水隧洞；洞径；经济比选；发电效益

由我国已建的大量引水式水电站可知，隧洞洞线越来越长，隧洞投资占总投资比重越来越大。在流量基本确定的情况下，采用不同的洞径，其水头损失也不同，将直接影响到发电效益及工程投资。因此，选择合理的经济洞径对整个工程的发电效益及工程投资尤为重要。本工程有压引水发电隧洞全长18.13 km，为典型的长引水发电隧洞，因此，如何选定合理的洞径，既满足水头损失小，保证电站动能经济效益，又能使投资较小，是非常重要的问题。

1 工程概况

新疆某水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区西南部，拟建在A河中游河段。该规划河段落差大，河段平均比降15.59‰，水能资源较丰富，水能理论蕴藏量164.6 MW，开发水电资源符合国家节能减排、发展可再生能源的政策，可以改善当地的基础设施，提高居民生活水平，对于推动边疆少数民族地区经济发展具有积极作用。

某水利枢纽工程是A河上的控制性工程，在满足下游生态要求前提下，主要承担灌溉、防洪，并兼顾发电等综合利用任务。正常蓄水位下库容1.21 亿m3，死库容0.15 亿m3，总库容1.25 亿m3。主坝最大坝高86 m。电站装机容量110 MW，多年平均发电量3.153 亿kW·h。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)的规定，确定工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型。

枢纽主要由沥青混凝土心墙坝、右岸溢洪道、左岸有压导流兼泄洪冲砂洞、发电引水发电系统以及岸边式厂房组成。水电站发电引水系统布置在左岸，根据上坝址枢纽区地形地质条件和施工条件，表孔溢洪道布置在右岸，为满足发电洞进水口“门前清”的要求，导流兼泄洪冲砂洞和发电洞进口联合布置。泄洪采用表孔溢洪道和导流兼泄洪冲砂洞组合泄洪方式，导流兼泄洪冲砂洞布置在左岸，为有压洞，在施工期承担导流任务，后期作为永久泄洪冲沙洞；发电厂房为岸边地面式厂房，布置在河道左岸阶地上。

2 发电引水隧洞布置

发电引水系统布置在河床左岸，发电引水系统由引水渠、进口段、洞身段、调压井、高压管道、岔管和支管等组成，设计引水流量54.7 m3/s，最大水头306 m，系统总长18.13 km。

进水口闸井为岸塔式，引渠段长30.5 m，底宽14 m。闸井段长24 m，进口设清污机抓斗轨道、拦污栅门槽各一道，闸井设事故检修门1孔。

引水隧洞通过10 m渐变段与进水闸井相接。引水隧洞上平洞洞身段长17.09 km，洞身断面为圆形，隧洞直径为4.3 m，纵坡1/821.5，洞内流速3.77 m/s。洞身段除石膏岩外均采用C25钢筋混凝土衬砌，洞身顶拱120°范围内回填灌浆，全断面进行固结灌浆。隧洞开挖后分两次支护，临时支护采用顶拱240°挂网(Φ8@200)+喷护(C25混凝土厚100 mm)+砂浆锚杆(Φ25，L=3 m，间排距2 m)支护。永久支护采用C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度0.4 m。其中上平洞段共有四处出露，地层岩性为第三系石膏岩，总长984.4 m。石膏岩段洞身衬砌、固结灌浆、回填灌浆以及临时支护喷护混凝土均采用C35抗硫酸混凝土，洞身衬砌厚度也为0.4 m。石膏岩段及Ⅴ类岩石临时支护增加钢拱架支护，间距分别为0.5 m、0.8 m。

调压井布置在压力引水洞末端，调压井段长38.8 m，前后各接10 m渐变段。调压井为阻抗式，阻抗孔为圆形断面，直径为2.1 m，调压井内径为16 m。调压井后接压力钢管。

压力钢管由斜井段、下平洞段组成，全长946.4 m，斜井段长371.9 m，下平洞段长574.5 m，均为圆形断面，直径3.5 m，流速5.69 m/s。压力钢管共有两处出露，地层岩性为第三系石膏岩，总长429.1 m。发电洞压力钢管出口接岔管，岔管及支管段长118.8 m，采用一管三机的布置型式，采用非对称卜形，结构型式为内加强月牙肋岔管，通过两次分岔，将一根主管分为三根支管接入主厂房内。

3 发电引水隧洞设计

3.1 发电引水隧洞洞径计算

根据规范要求及参考已建工程，有压隧洞宜

采用圆形断面，圆形断面便于设计，配筋量小，节省投资，特别是与喷锚结合的情况下，便于施工[1]。本工程引水隧洞采用圆形断面。在隧洞过水流量已定的情况下，流速越大所需横断面尺寸愈小，但水头损失愈大，故发电隧洞的流速有一个经济值称为经济流速，有压隧洞约为2.5～4.5 m/s。根据《水工设计手册》[2]经验公式见式(1)，初步估算隧洞洞径：

(1)

式中：D为隧洞洞径，m;Qmax为通过有压引水隧洞的最大流量，取Qmax=54.7 m3/s；H为设计水头(包括静水头和水击压力)，水击压力初步拟定为静水头的20%～30%，H=306 m。

根据经济流速经验公式见式(2)复合以上计算洞径。

(2)

式中：Qmax为通过有压引水隧洞的最大流量，取Qmax=54.7 m3/s；Ve为经济流速，一般取值为2.5～4.5 m/s。

根据以上公式初步计算，隧洞内流速为3.5 m/s时，隧洞洞径为4.46 m，因此隧洞洞径初拟为4.5 m。

3.2 发电引水隧洞洞径比选

各类隧洞的技术经济计算通常都采用方案比较法。拟定一系列不同横断面尺寸的隧洞方案算出工程总造价，并且计算出各方案水头损失每年损耗的电能价值进行比选。表1为国内已建成的部分引水式水电站引水隧洞工程特性统计表[3]。

表1 国内部分水电站工程发电引水隧洞工程特性统计表

根据初拟隧洞洞径，并结合国内相似工程经验，本工程发电引水隧洞拟定洞径分别为4.1 m、4.3 m、4.5 m、4.7 m和4.9 m。发电引水系统采用一洞三机联合供水的布置型式，设计引用流量54.7 m3/s，额定水头232.0 m，电站共装三台机组，容量为110 MW(1×10.0MW+2×50.0 MW)。经调保计算五种洞径方案均须设置上游调压井。发电引水隧洞不同洞径工程量及发电引水隧洞洞径比选见表2、表3。

由表3发电洞引水隧洞洞径比选结果可知，在发电洞引水隧洞洞径由4.1 m增至4.9 m的情况下，工程总投资越来越大，水头损失越来越小，多年平均发电量越来越大，然而经济净现值却是方案二洞径取4.3 m时最大为9954万元，而当洞径取最大4.9 m时，经济净现值却为-2665万元。经济净现值没有随着洞径的变化而相对应变化，反而在本比选中洞径越大净现值越低，则说明发电洞引水隧洞所选洞径越大不代表经济效益越好，存在经济洞径，而经济净现值为确定发电洞引水隧洞经济洞径最关键的指标，经济净现值越高则说明经济效益越好。

根据上述比较分析可知洞径为4.3 m经济净现值最高为9954万元，同时参考同类工程，认为洞径为4.3 m是经济、合理的。

表2 发电引水隧洞不同洞径工程量汇总表

表3 发电引水隧洞洞径比选

4 结 论

影响压力引水隧洞的因素有很多，但是衡量一个工程可行与否最关键的指标是经济合理可行。隧洞洞径的大小直接决定着工程造价，并且影响着发电效益。隧洞洞径愈大则造价愈高，而电能损失愈小；反之电能损失就愈大，而造价愈低。但造价低不一定最经济，所以隧洞设计时，需进行多方案比选，选出洞径的最优值，既满足水头损失小，保证电站动能经济效益，又能使投资较小。根据上述比选结果可知，本工程发电引水隧洞洞径为4.3 m是经济、合理的。

[1] 李鹏科.三道湾水电站有压引水隧洞经济洞径确定[J].甘肃水利水电技术，2009，45(1):30-32.

[2] 王仁坤.张春生.水工设计手册.第8卷.水电站建筑物[M].北京:中国水利水电出版社，2013.

[3] 陈建里.波波娜水电站发电引水隧洞洞径选择及投资比选[J].水利科技与经济，2013，19(6):104-105.

Brief analysis on pressure diversion power tunnel of hydro-junction project by comprehensive comparison

WANG Hongshuai

(XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropower,Urumqi830000,China)

The controlled hydro-junction project was constructed according to the hydropower resources characteristics of reach. In this paper, the calculation method for long distance power tunnel diameter of hydro-junction project was introduced. Through the comparison and the analysis on tunnel diameter, head loss, multi-year average generating capacity, engineering quantity, investment and economic net present value, the influence of long distance power tunnel diameter selection on generating benefit and project investment was discussed.

pressure diversion power tunnel; tunnel diameter; economic comparison; generating benefit

王红帅(1988-)，男，新疆伊宁人，助理工程师，主要从事水利工程设计工作。E-mail:380408215@qq.com。

TV732

B

2096-0506(2017)03-0058-04