清河水库水电站调压井改造设计探讨

李锴锋

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)



清河水库水电站调压井改造设计探讨

李锴锋

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

清河水库水电站工程位于铁岭市清河区清河水库拦河坝下游，清河水库控制流域面积2 376 km2。清河水库是一座以防洪、灌溉为主，兼顾工业供水、养鱼、旅游等综合利用的大型水利枢纽工程。本次改造对调压井及管道进行了设计，以全保水库能够正常运行。

调压井；管道；水电站；改造

1 概述

清河水库水电站工程地处铁岭市清河区，清河水库拦河坝下游，附近开草公路通过。本工程布置在清河水库拦河坝右端、右岸输水洞下游，电站为一管三机布置形式，共安装3台混流式水轮发电机组，额定水头30.95 m，设计引用总流量57.03 m3/s。工程由拦河坝、取水头部、输水洞、调压井、压力钢管、发电厂房、升压站、办公楼和尾水渠组成。其中拦河坝利用原清河水库拦河坝，取水头部和部分压力钢管利用清河水库右岸输水工程取水头部和压力钢管。

2 调压井计算

清河水库水电站工程采用有压隧洞引水，压力隧洞总长796.70 m，其中原回水泵站调压井前压力隧洞长646.71 m。原调压井井址地面高程满足设计要求，本次对原调压井进行改造，调压井右侧约95 m处为已建上山公路。

2.1 调压井设置条件判断

按照《水电站调压井设计规范》DL/T5058-1996，设置上游调压井的条件，应以下满足：

Tw>[Tw]

计算如下：

式中：HP为设计水头，取30.95 m；[Tw]为Tw允许值，本电站机组容量在电力系统中所占比重较小，Tw取4 s。

经计算，Tw≈14.42 s>4 s，本电站必须设置上游调压井。

2.2 调压井水力计算

按照《水电站调压井设计规范》DL/T5058-1996 3.2.1条，调压井宜靠近厂房布置，调压井宜设在地下，避开不利地质条件等原则，根据本工程的实际情况和地形地质条件，调压井布置在原回水泵站调压井处，调压井位于桩号0+646.71。调压井的结构型式有简单圆筒式、阻抗式、双室式、溢流式和差动式五种基本型式。在以上几种调压井型式中，简单圆筒式调压井结构简单，反射水锤波条件较好，多适用于低水头小水电站。本电站水头范围14.55～36.19 m，属低水头电站，考虑采用简单圆筒式调压井。

2.3 调压室稳定断面计算

调压井稳定断面按托准则计算并乘以系数K决定：

式中：K为系数，一般可采用1.0～1.1，取1.05。

代入有关数据计算得调压井的为Ath为194.32 m2，相应半径R=7.87 m。根据规范调压井竖井断面面积应不小于稳定断面面积，因此，在此计算基础上取调压井半径积R=8.05 m，相应面积A=203.48 m2。

2.4 调压井涌波计算

调压井涌浪计算按照《水电站调压井设计规范》DL/T 5058-1996附录B的公式计算，其中最高涌浪计算工况采用上游正常蓄水位时，全部机组满载运行瞬时丢弃全部负荷，作为工况I；校核水位时丢弃全部负荷，作为工况II。最低涌浪计算工况采用输水洞最小淹没高程时，由2台机组增至3台为工况III；全部机组丢弃全负荷的的第二振幅，为工况IV。计算结果见表1和表2：

表1 调压井最高涌浪计算成果表 m

表2 调压井最底涌浪计算成果表 m

2.5 调压井工程地质

本工程老调压井井址地面高程142.49 m，井筒分别坐落在④强风化花岗岩层、⑤中风化花岗岩层和⑥弱风化花岗岩层。井筒下部围岩139.49～142.49 m为④强风化花岗岩，节理裂隙强烈发育，岩芯呈砂土状或碎块状，粒状结构，块状构造，岩体基本质量等级为Ⅴ级；124.79～139.49 m为⑤中风化花岗岩层，节理裂隙一般发育，岩芯呈短柱状，粒状结构，块状构造，岩体基本质量等级为Ⅱ级；124.79 m以下为⑥微风化花岗岩层，结构完整，岩芯呈长柱状，粒状结构，块状构造，岩体基本质量等级为Ⅰ级。

2.6 调压井设计

调压井结构型式为钢筋混凝土结构，采用0.8 m厚钢筋混凝土衬砌。井顶高程146 m，平台尺寸仍沿用原平台，平台高程142.49 m，井身高39 m，中心桩号0+646.71，调压井采用圆形断面，内径16.1 m，断面面积203.48 m2。调压井最高涌波水位为144.88 m，最大涌波6.82 m；最低涌波水位为109.12 m，最大负涌波8.18 m。本工程调压井下部围岩少部为Ⅰ类岩石，多为Ⅱ类、Ⅳ类岩石，上部124 m高程以上范围内施工期支护采用8 cm厚C20混凝土，锚杆φ22，长2.5 m，间排距1.5×1.5 m，其余部分采用随机锚杆支护。

本工程调压井距坡脚较近，位于电站厂房上游侧，山体单薄，为加强围岩的整体性，提高围岩的承载力，封闭裂隙，增加围岩抗渗能力，防止内水外渗，减少对厂房上游边坡的影响，对调压井进行固结灌浆，灌浆孔伸入岩石3 m，间排距3×3 m，灌浆压力暂定0.5 Mpa，具体灌浆压力值根据现场实现确定。

3 压力管道

清河水库右岸输水洞改造工程在新建输水洞出口处设置一连接段，连接段母管总长67.00 m，采用DN4000钢管，母管与隧洞垂直布置，在母管上由东向西依次布置DN3000泄洪孔口、DN3600生态放水母管、DN2000输水母管(2个)。

3.1 管道布置及型式

本工程电站采用多机单管供水方式，压力钢管利用清河水库右岸输水洞改造工程连接段压力钢管，利用管道长度32.10 m，内径φ4 m。新建电站压力主干管与连接段生态放水管相接，电站压力主干管和支管道管道型式仍采用压力钢管，其中主干管长度32.5 m，内径仍为φ3 600 mm，通过设计流量时的平均流速为5.69 m/s，满足经济流速要求。在主干管0+838.76布置阀门室1座，其余为支管，管道直径为φ2 300 mm，本次共新建支管107.1 m。

主管直经满足经济和调保计算，内径为3 600 mm，壁厚为18 mm。根据调保计算，当D=3 600 mm时，蜗壳外水击压力值为13.65 m，压力上升率为21%，满足规范要求。

3.2 管线工程工程地质

压力管道管线地面高程101.63～102.79 m，管道基础多坐落在②砂砾层，仅有少部坐落在④强风化花岗岩层和⑤中风化花岗岩层，②砂砾层层厚2.7～5.4 m，层底埋深6.5～9.5 m，层底标高96.29～92.13 m。饱和，中—密实，级配良好，颗粒呈次圆形，长石、石英质，含少量粘粒，局部为圆砾或粗砂薄层。④强风化花岗岩层层厚0.8～1.1 m，层底埋深7.3～10.6 m，层底标高95.49～91.03 m。节理裂隙强烈发育，岩芯呈砂土状或碎块状，粒状结构，块状构造，岩体基本质量等级为Ⅴ级。⑤中风化花岗岩层钻孔未穿透，节理裂隙一般发育，岩芯呈短柱状，粒状结构，块状构造，岩体基本质量等级为Ⅱ级。

3.3 管身稳定及应力

3.3.1 抗外压稳定验算

钢管抗外压稳定安全系数计算式为：

KcP0k≤Pcr

式中：KC为抗外压力稳定安全系数，本工程按取2.0；σs为钢材屈服点，本工程选用Q235C碳素钢，钢材屈服点为225 N/mm2。

主钢管以及1#、2#机组进水支管管壁厚度分别取16 mm和14 mm进行抗外压稳定计算，经计算，计算结果如表3。

表3 压力钢管稳定计算列表

备注：管道腐蚀厚度按2 mm考虑。

3.3.2 管壁厚度

根据内水压力按下式确定管壁厚度：

δ=t+2

算得各段管壁厚、长度见表3。

3.3.3 抗外压承载能力校核

计算结果见表4。

表4 钢材容许应力表

备注：表中δs=2.25×105kpa，为钢材的屈服应力。

经计算，管壁应力均满足要求。

4 结语

通过对清河水库水电站调压井改造进行分析与计算，利用清河水库右岸输水洞改造工程取水头部、输水洞进行引水，仅需扩建调压井，新建压力钢管。本电站属低水头电站，宜采用结构简单，反射水锤波条件较好的简单圆筒式调压井，电站蓄水以来调压井运行较为稳定，因此该水电站调压井改造设计方案是成功的。该工程的建设，不仅可以充分利用当地有利的水资源开发条件，又可以创造良好的经济效益，发挥水库综合效能。

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2016-10-28

李锴锋(1983-)，男，辽宁本溪人，工程师，主要从事水文站网监测规划，水文基础设施建设、水资源论证及评价等工作。

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