西部某引水式水电站调压室群布置研究

鲍世虎

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概述

西部某水电站为长距离引水式日调节水电站，主要任务为发电，电站总装机1 100 MW（4×275 MW），额定水头129.00 m，单机发电流量241.90 m3/s，水库正常蓄水位1 997.00 m，死水位1 992.00 m。电站主要建筑物有拦河闸坝、引水系统、发电厂房及开关站等，厂坝之间通过引水隧洞连接。拦河闸坝最大坝高38.50 m，引水系统总长约17.40 km，发电厂房为地面厂房，共安装4台混流式发电机组。引水系统位于河道左岸，洞线沿江布置，为2洞4机布置形式，主要建筑物由首部进水口、引水隧洞、上游调压室、压力管道等部分组成。

2 引水系统布置

电站进水口为洞外岸塔式结构，紧邻拦河闸坝冲沙闸布置，形成“正向泄洪冲沙，侧向取水发电”的布置格局。2条引水隧洞单洞长约16.70 km，立面为缓坡一坡到底布置，纵坡为0.25%。引水隧洞沿线埋深在120.00～1 295.00 m之间，尾部埋深较大。隧洞采用钻爆法开挖，圆形断面，全长采用钢筋混凝土衬砌，衬后直径11.50～12.50 m，开挖直径13.50 m，相应流速4.66～3.94 m/s。上游调压室位于引水隧洞末端，每个水力单元的2台机组共用1个调压室。调压室位于Smx4-1硬质岩或Smx4-2软质岩地层，为阻抗式+扩大上室形式调压室，调压室内布置1道事故检修闸门保护压力钢管及厂房。2条引水隧洞分别在最末一个调压室底部“Y型”分岔，分出4条压力管道，压力管道长488.00～514.00 m，由上平洞、竖井、下平洞组成，采用钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌形式，衬后为直径分别为8.00，7.10 m的圆形，相应流速4.81～6.10 m/s。

3 调压室稳定断面面积

受地质条件和枢纽布置限制，调压室布置无法避开Smx4-2地层，在软质岩地层中建设如此大规模的圆筒形和长廊形调压室均有巨大难度，为降低安全风险，有必要将调压室布置为多个地下圆形竖井组合布置的形式。多个调压室组合时，引水系统波动衰减由主、副调压室共同担当，增加一个调压室的断面，可以减小另一个调压室的断面，但两个调压室所需要的断面之和大于只设置一个调压室时所需要的断面[1]。为了便于方案比选，多调压室方案中调压室总过水断面面积之和取1 150 m2，通过数值仿真计算求出调压室涌波水位随时间变化的过程，据此可以判断调压室水位波动是否衰减，论证调压室实际过水断面面积选择的合理性[2]。

4 调压室布置方案拟定

4.1 方案拟定

电站采用地面式发电厂房，调压室宜靠近厂房布置，以更好地反射水锤波，压力管道水流惯性时间常数Tw必须满足规范要求，取2.0～4.0 s。引水系统末端、厂房上游主要分布Smx4-1和Smx4-2地层，顺发电水流方向，Smx4-1地层厚约780.00 m，Smx4-2地层厚约790.00 m。多个圆筒形组合式的调压室可分别布置在上述两个地层中。

Smx4-1地层岩性主要以云母石英片岩、变粒岩为主，调压室布置区域地应力约20 MPa，属中等偏高～高应力量级，围岩可能产生轻微岩爆、结构面切割掉块，局部鼓胀破裂、板裂破坏等；Smx4-2地层岩性主要以石英云母片岩为主，调压室布置区域地应力约17 MPa，以构造应力为主，属中等地应力，围岩可能产生塑性变形、鼓胀破裂、板裂破坏及结构面切割掉块等。

考虑到以下因素：调压室数量2～4个；调压室可布置在引水隧洞主洞或支洞上；调压室与引水隧洞末端岔管结合或不结合；调压室与事故检修闸门结合或不结合；调压室可布置在Smx4-1地层或Smx4-2地层，调压室群布置有多达十余种组合方式。受限于篇幅，文中仅选取两个代表性方案进行分析对比。

方案一，单个水力单元共布置3个调压室，分为1个副调压室和2个主调压室。主洞调压室布置在引水隧洞主洞上，与末端岔管结合布置。主调压室分别布置在2条支洞上，调压室内各布置1扇事故检修闸门。3个调压室均位于Smx4-2地层，衬后直径23.80 m。

方案二，单个水力单元共布置2个调压室，分别为1个副调压室和1个主调压室。副调压室布置在引水隧洞主洞上，位于Smx4-1地层，衬后直径23.20 m。主调压室布置在引水隧洞末端岔管上，调压室内布置2扇事故检修闸门，位于Smx4-2地层，衬后直径23.20 m。岔管与主调压室结合布置，位于Smx4-2地层。方案二调压室群布置示意图见图1。

图1 方案二布置示意图

4.2 方案比选

1）水力条件。蜗壳压力最大217.81 m，机组转速最大升高48.05%，涌波水位2 030.42～1 962.99 m，小波动稳定调节时间21.8～37.8 s，衰减度93.20%～94.36%。方案二，蜗壳压力最大211.13 m，机组转速最大升高48.18%，涌波水位2 036.56～1 970.70 m，小 波 动 稳 定 调 节 时 间34.4～34.8 s，衰 减 度88.75%～89.65%。两方案水力条件基本相当，支洞方案二略优。

2）围岩稳定性。调压室均位于Smx4-2软质岩地层，开挖洞径27.40 m，无支护条件下调压室中部1 975.00 m高程处最大变形和松弛深度分别为11.50 cm、4.80 m。方案二，主调压室位于Smx4-2软质岩地层，开挖洞径26.80 m，无支护条件下调压室中部1 975.00 m高程处最大变形和松弛深度分别为11.25 cm、4.60 m；副调压室位于Smx4-1中硬岩地层，开挖洞径36.80 m，无支护条件下调压室中部1 975.00 m高程处最大变形和松弛深度分别为10.45 cm、5.90 m。两方案调压室尺寸并无明显差别，方案二副调压室尺寸略大，围岩稳定性相当。

3）施工组织。2个水力单元共6个调压室，最大直径27.40 m。方案二，2个水力单元共4个调压室，最大直径36.80 m。方案一调压室数量多且布置集中，施工干扰问题突出，方案二较优。

4）工程投资。方案一和方案二可比投资分别为13.9，13.4亿元，方案一调压室数量多，可比投资略高0.5亿元，方案二略优。

综上所述，方案二可作为设计推荐方案。

4.3 推荐方案

上游调压室由2个圆筒式调压室（单个水力单元内）组成，沿发电水流方向依次为副调压室和主调压室[3]。

主调压室平面距离发电厂房422.00～438.00 m，井高120.70 m。调压室主要由阻抗孔、调压室竖井，以及与事故检修闸门有关的闸墩、闸门检修和启闭机平台、闸门后通气孔组成，每个调压室竖井内的下游侧布置2扇压力管道事故检修闸门，闸门槽孔口兼作调压室阻抗孔，单个阻抗孔面积约21.0 m2。调压室竖井内径为23.20 m，底板高程为1 943.40 m。

副调压室平面距离发电厂房968.00～1 120.00 m，井高99.10 m。调压室主要由阻抗孔、调压室竖井和上室组成，阻抗孔直径为5.00 m的圆形。调压室竖井内径为33.20 m，竖井底板高程为1 947.90 m。调压室上室底板高程2 016.00 m，沿引水隧洞方向布置长约190.00 m、底坡i=1%、横断面净尺寸为10.00 m×（11.00～12.90）m（宽×高）的变高度城门洞型，两相邻副调压室上室相互连通，互为通气洞。相邻调压室连通上室的中间设置混凝土分隔墩，分隔墩顶高程为2 023.00 m。

5 结语

调压室作为引水式水电站中重要的建筑物，在设计阶段，有必要对其布置进行详细论证研究。在该工程中，调压室规模巨大且选址中无法避开软质岩地层，水力学和围岩稳定性均为关键技术问题。经研究，单个引水系统中多个圆筒式调压群组合方案是安全、经济、合理、可行的。调压室群布置研究的方法和结论，能为类似工程设计时提供借鉴。