水电站调压井优化设计分析

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司， 北京 100024)

一、调压井的作用

水电站在运行过程中常常会遇到负荷突然变化的情况，例如因事故突然丢弃负荷，或在较短时间内启动机组，这时，由于导水叶的快速开启和关闭，将不可避免的在水电站有压引水管道中出现“水锤”现象。它是由水流的动能引起的，当管道末端流量急剧变化时，压力也随之变化。导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则压力下降，导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳中引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。

为了改善水锤现象，减小水锤压力在引水道中的传播，常在有压引水隧洞或有压引水管与压力管道衔接处建造调压井。在较长管道中设置调压井，缩短了管道长度，减小相长，可以缓和水击，减低水击压强。由于调压井利用扩大的断面和自由水面反射水锤波，将有压引水系统分成两段：上游段为有压引水隧洞，调压井使隧洞基本上避免了水锤压力的影响;下游段为压力管道，由于长度缩短了，从而降低了压力管道中的水锤值，改善了机组的运行条件。

二、调压井优化设计原则

1.优化设计满足原有调压井布置的要求，通过调整断面来对调压井的面积进行减少，从而使得工程量降低，从而节约建设的成本。

2、调压井断面的改变，需要满足相应力学的要求。不得影响原有布置，确保调节的要求。

3、对于调压井结构的设计，应该施工方便、结构简单。

4、施工期应力分析。调压井围岩构造应力已基本释放，所以地应力很小，施工开挖所引起的调压井壁和隧洞洞壁的附加应力（二次应力）也很小。施工期井壁的最大主应力在竖直方向，为拉应力，最大值为0.18MPa，最小主应力在水平方向，为压应力，沿井壁的拉应力随高度而减少，故施工期井筒开挖是安全的，其径向应力均为压应力，开挖中关键位置在底洞扩大断面。

8.在进行水电站调压井设计时要结合工程的实际情况，对设计方案的技术性与经济性进行全面比较，然后再确定下来。在选择调压井的形式时要遵循几点原则：首先，要可以有效的反射通过高压管道传来的水击波；其次，在无限小负荷发生变化时，要可以保持自身的稳定性；如果大负荷发生变化的情况下，要求水面保持较小振幅，并且波动要快速衰减；再次，水电站处于正常运转状态时，经过调压井与压力水道连接位置的水头损失不得过大；最后，调压井的结构设计要尽量简单化，便于施工，并且要合理控制成本。

三、案例分析

某水电站为引水式日调节水电站，其主要任务为发电，电站总装机容量56MW，主厂房共设置三台混流式水轮发电机组，其中两台容量为23MW，一台为10MW；电站保证出力10.2MW，装机年利用3805小时。该水电站有效改善了当地的电网结构，缓解用电紧张的局面，一般情况下电站承担系统基荷，如果不在汛期也承担系统峰荷，水库按照日调节的方式运行。 该水电站的调压井位于厂房上游330m处，其总高度为51.5m，其中地面以下深41.5m，地面以上高度为10m，因此该调压井属于半地下式；地面以下的竖井段，其外径为 13m，内径为 10m，从上到下的围岩分别为11m的洪积块与碎石土，结构相对松散；30m的洪积块与碎石土，为中密-密实结构，而调压井的基础便位于洪积块碎石土之上。分析相关参数可知，在该调压井高度与直径条件下，其所处地质条件相对较差，设计地震防烈度III度，这些均会增加施工难度。

该水电站引水线路的总长为7.044千米，设计引流量为每秒50.1方，设计水头为117m；计算出调压井水力及最高涌波水位等参数，然后按照调压井的相关设计规范比较几种设计方案。调压井的形式分为简单式、阻抗式、水室式及溢流式等四种。其中简单式是四种形式中结构最简单的，施工比较方便，不过反射压力管道所传送的水机波的能力相对较差，最高涌波水位也相对较高；简单式调压井的波动振幅最大，只有通过增加容积的方法减小振幅，从而导致工程成本的增加；此外，简单式调压井的水位波动衰减速度慢，当调压井处于正常运行状态时，调压井与引水系统连接位置会有较大的水头损失。由此可见，本设计中简单式调压井不适用。而阻抗式调压井在反射压力管道传输的水机波方面效果较好，高出地面的高度在20m左右，并且容积小，结构相对简单，而且波动衰减迅速，当调压井处于正常运行状态时，水头损失相对较小；不过在该工程中，由于地震设防烈度为III度，并且调压井的基础位于碎石土层，因此要求其超出地面的高度不得过高，所以阻抗式调压井也不适用。而水室式调压井，由于丢弃负荷的涌水量由上室容纳，因此最高涌波水位就受到限制，所以其超过地面的高度与阻抗式调压井相当，也不适用。最后一种种溢流式调压井，由于本水电站受地形条件的限制，无法向其它渠道溢流，所以也不适用。

经过综合分析与计算后，该水电站的调压井决定采用综合型的设计方案，即底部为阻抗式，顶部则设计一个圆形的开敞溢流式上室水池，水池底板位于原地面高程上，在阻抗孔与上室之间设置一个高41.5m、内径为 10m的简单的圆筒竖井。

四、总结

水电站调压井的设计应该根据周围具体地质情况做出合理的设计方案，确保水电站整体的安全系数得到提升。

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