喜儿沟水电站调压井设计

高 珍 段 彬 刘军鹏

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065； 2.西安国际陆港投资发展集团有限公司，陕西 西安 710026)

1 工程概况

喜儿沟水电站为引水式电站，位于甘肃省舟曲县的白龙江干流上，工程任务是发电，枢纽主要建筑物包括：混凝土闸坝、引水发电洞、调压井及压力钢管、电站厂房及GIS开关站等。最大闸坝高20.50 m，为径流式水电站，水库正常蓄水位1 538.00 m。电站设计水头57.8 m，装机容量72 MW，保证出力15.7 MW，年发电量3.13亿kW·h。本工程为Ⅲ等中型工程，电站工程主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。本工程地震基本烈度为8度，地震设防烈度按8度计。

该调压井布置于厂房后山坡上，上游接引水隧洞，下游与压力管道相连，阻抗式调压井顶部为敞开式，顶部高程为1 590.2 m，底部高程为1 516.00 m。根据工程地质条件，高程1 524.0 m以上采用沉井法开挖。调压井井筒下部直径为18.0 m，高9.5 m，上部沉井直径为22.0 m，高65.0 m，总高度为74.5 m，阻抗孔直径为4.0 m，高度为27.6 m。有压引水隧洞洞径为7.5 m，岔管采用“卜”形，分别与三条进厂支管连接[1]。

本工程调压井布置在Ⅵ级基座阶地的前缘，地面高程为1 622 m，河水位为1 471.63 m，相对高差约150 m。覆盖层很厚，达97 m，上部分布淡黄色粉土以及块碎石土，厚为33.4 m；下部是冲洪积含漂石砂卵砾石层，厚为63.6 m。在1 565 m～1 575 m高程段，有孤石层，孤石粒径较大，一般为2 m～3 m，大的可达4 m～5 m，岩性为灰岩，多呈浑圆状，岩性较硬；基岩顶部高程为1 525.0 m，由绢英千枚岩、炭质千枚岩夹花岗闪长岩岩脉组成，岩层产状NW327°SW∠81°，岩体内中、陡倾角裂隙较发育；岩体呈薄层状结构，岩体完整性较差，围岩为Ⅳ类、Ⅴ类，井壁岩性主要为绢英千枚岩、炭质千枚岩及花岗岩条带组成，由于岩层倾角高陡，在施工过程中，调压井井壁容易产生坍塌破坏，应及时采取锚固和混凝土衬砌措施[1]。

调压井地质素描见图1。

2 调压井布置设计

2.1 调压井设置条件

设置调压井的条件按下式进行[2]：

Tw>[Tw]。

Tw=∑LiVi/gHp。

其中，[Tw]为Tw的允许值，一般取2 s～4 s，本工程取4 s。

经计算，水流惯性时间常数Tw=49 s，大于[Tw]允许值4 s，因此，引水系统必须设置调压室。

2.2 调压井断面设计

1)调压井稳定断面面积计算。

调压室稳定断面面积按托马(Thoma)计算公式计算并乘以系数K决定：

其中，K为系数，采用1.0～1.1，本工程取1.0。

经计算，上游水位1 536.00 m时，调压井所需稳定断面面积为709 m2，调压井直径为30.0 m。

2)调压井井筒直径选择。

本电站装机容量占系统容量的比例很小，在系统中不参加调频，有减小调压井断面的先决条件。我国已建水电站中，大幅度减小调压室面积的工程统计见表1。可以看出，如按托马公式计算，调压井面积均很大，而实际采用的值却相应地减小。莲花电站在确定调压井面积时充分考虑了该电站在电力系统中所占比重(按0.4考虑)，因此，相应面积也大幅度减小，这些电站自建成至目前运行稳定[3]。

表1 国内几座水电站调压井特性

从以上分析及国内几座电站的实际运行实践，可认为水电站调压井面积是可以小于托马公式求得的面积，而面积的大小由调压井的布置及涌浪容积、工程量及地形地质条件综合考虑确定。根据调压井部位的地形地质条件和机组安装高程的限制，经计算分析，确定调压井直径D=18.0 m为较优断面。因调压井井筒下部布置在岩石内，上部布置在覆盖层内，由于结构布置的需要，布置在基岩内的井筒直径为18.0 m，布置在覆盖层内的井筒直径为22.0 m。

3)调压井涌浪计算。

调压井涌浪计算是根据水电站调压井内水位振荡基本微分方程采用龙格—库塔法计算求解。经计算，最高涌浪水位1 560.91 m，最低涌浪水位1 520.75 m。

4)结构设计。

根据调压井涌浪计算成果，取调压井大井底板高程为1 516.00 m，低于最低涌浪水位约6.00 m。调压井处隧洞顶板高程1 485.92 m，阻抗孔高度为27.7 m。

2.3 调压井型式及施工方法选择

长隧洞引水式水电站通常都设有调压井，调压井型式分为敞开式和地下式两种。地下式调压井对井筒处的地质条件要求较高，往往因为将调压井布置在围岩较好处而增加隧洞长度，同时交通洞(兼通风洞)长度也要大幅增加，造成投资增加和工期延长；敞开式调压井也往往因为要把井筒布置在基岩里，需要把上部的覆盖层全部挖掉，开挖量大、边坡高，造成植被破坏，同时，开挖的弃渣也要占用大量的耕地，造成水土流失，且工程投资较大[4]。

喜儿沟水电站调压井上部地质条件为冲洪积漂卵砾石层，开挖中如果采用锚杆或锚筋束辅以喷混凝土方式加固井壁，不仅很难找到合适锚固段，而且成孔困难，施工安全风险很大，工期难以保证。

如此地质条件，常规的调压井竖井开挖难以实施，经过类似地质条件下的工程调研，推荐采用适应该地质条件的沉井方案。采用沉井法施工，能有效避免井壁坍塌，施工安全风险大大降低，工期得到有效控制。

2.4 沉井设计

喜儿沟水电站调压井为阻抗式，顶部为敞开式。调压井大井位于基岩的部分，直径18.00 m，壁厚1.50 m，井筒高度8.00 m，大井采用二级配C25钢筋混凝土衬砌，厚度为1.50 m。上部位于砂砾石中的井筒，采用沉井方法施工，沉井内径为22.00 m，沉井壁厚取为1.50 m，上部沉井采用钢筋混凝土结构。阻抗孔直径为4.0 m，高度30.08 m，采用钢筋混凝土衬砌，厚度为1.00 m。

沉井顶高程取为1 889.00 m，位于上部淡黄色粉土和块碎石土底缘，1 889.00 m以上为1.80 m高的栏板，沉井底部高程为1 824.00 m，取在基岩分界线以下1.0 m，沉井总高度为65.00 m，沉井井壁为冲洪积含漂石砂卵砾石层。

沉井井筒混凝土要求达到调压井井筒永久钢筋混凝土标准，沉井施工完成后不再进行衬砌。钢筋采用Ⅱ级钢，连接方式可采用套筒或搭接焊连接，不允许绑扎连接，环筋可螺旋型布置。沉井施工的刃脚钢板材质为Q235。沉井混凝土应分层浇筑，第一层和第二层混凝土达到设计强度后方可浇筑第三层混凝土，其他层混凝土达到70%设计强度后可浇筑上一层混凝土。每节沉井井壁不再设横缝，要求开仓后一次浇筑完。下一层浇筑前，每层横缝均须进行凿毛处理[5]。

沉井第一层和第二层混凝土达到设计强度后可开挖下沉，沉井下沉开挖应该分段、对称、跳仓进行，防止下沉倾斜。为了沉井顺利施工，要求对沉井下沉过程的井筒位移、倾斜、偏转等动态观测，以便于及时纠偏。

为提高调压井井壁周围岩石的整体性，拟对井壁周围岩石进行固结灌浆，固结灌浆孔间、排距3.0 m，孔深5.0 m，呈梅花形布置。

上部沉井下沉到位后，用3Φ32，L=12.0 m锚筋桩锁定。

调压井顶部为覆盖层，按1∶1.25边坡开挖后，形成约30 m高的边坡，按照规范要求20 m设置一级马道。

3 施工技术主要难点

喜儿沟调压井沉井施工难度大，技术要求高，主要存在如下施工技术难点：

1)本调压井工程沉井作为调压井开挖支护的安全措施，同时作为调压井井筒的一部分，对沉井下沉过程中的偏移和倾斜有严格的限制，如何保证复杂地层条件下深65 m、内径22.0 m的沉井顺利下沉、准确就位，满足相关质量要求，是本工程的一大难点。

2)沉井直径非常大，所处地质条件为冲洪积含漂石的砂卵砾石层，地质条件复杂，特别是面临地质条件改变等不可预见因素，沉井下沉过程中可能出现停沉、下沉困难或突沉等不利情况。

3)沉井直径大，内径22.0 m，首节外径达到25.2 m，上部各节外径25.0 m，下沉过程中井壁可能出现地层特性不对称、孤石等情况，沉井开挖下沉中难免出现下沉不均匀、偏移或者倾斜，需要采取合理的施工工序以及纠偏措施，同时沉井本身的应力变形状况也非常值得关注，避免出现沉井开裂破坏等状况。

4)结合本工程特点，施工期间随着沉井开挖深度增加形成高空作业，施工安全问题也尤为突出[6]。

4 结语

1)本文依托的喜儿沟水电站调压井工程，采用沉井作为调压井开挖安全措施和井筒永久结构，沉井为圆筒形，内直径22.0 m，底节外直径25.2 m，上部各节直径25.0 m和24.4 m，井内漂石砂卵石开挖约29 475 m3，胶结砂砾石开挖3 799 m3，沉井最大下沉深度65 m。

2)喜儿沟水电站调压井沉井工程于2008年3月7日开挖调压井沉井刃脚部位，2011年6月2日下沉65 m，达到设计高程，根据最终测量成果，沉井达到设计高程后，中心偏移为46.3 cm、倾斜角度为25′18″，均符合设计要求。

3)通过观察喜儿沟65 m沉井下沉施工过程，漂卵砾石地层中，沉井井壁并不是同步下沉，下沉不均衡，虽间隔时间极短，但是沉降的断续性十分明显。

4)通过研究沉井的裂缝成因和开挖施工方法，喜儿沟水电站调压井沉井开挖施工严格按照先中间后预留、先硬基后软基、先其他部位后支撑点的顺序进行，以保证沉井开挖、下沉对称、匀速。

喜儿沟水电站调压井工程采用沉井施工方法，将原设计中的覆盖层土方明挖由34.2万m3减少到15.7万m3，减少了18.5万m3，降低工程投资166.68万元。减少征地及弃渣场占地约30亩，该项节省投资共计为180万元。同时，直接节约调压井工程施工措施费约463万元。该项目采用的大型沉井施工方法为今后调压井布置突破环境保护及移民征地制约等方面提供了借鉴依据。同时为调压井在软弱地质条件下开挖的安全支护措施提供了新的思路，拓展沉井在类似竖井工程建设领域的应用范围，在国民经济建设中具有广泛的应用前景。