新疆某山口枢纽引水调压井计算分析

王天伟

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

北疆某山口枢纽为Ⅱ等工程，工程规模为大（2）型。水库正常蓄水位646 m，总库容2.20 亿m3，主坝最大坝高94 m。电站装机22万kW，多年平均发电量6.64亿度。发电引水建筑物由进口、低压隧洞、调压井、管道、电站厂房组成。发电引水洞总长665 m。

2 调压井布置及形式

根据山口枢纽复杂的地形地质条件以及调压井布置原则，调压井在低压隧洞末端（中心桩号0+406.893 m）布置，井径25.60 m，垂直开挖近50 m，围岩为Ⅲ-Ⅱ类；该处高程约665.50 m。地层为片麻岩，岩体强风化层厚1.50～2 m，弱风化层厚7～9 m。

调压井为阻抗式（底板高程614.61 m，顶高程654.83 m），阻抗孔为直径4.50 m的圆形断面，调压室断面内径为12 m，调压室最高涌浪水位652.67 m，最低涌浪水位617.59 m。调压室井壁采用C25 钢筋混凝土衬砌，壁厚1.50～1 m，底板厚度2 m。井壁进行喷锚支护，φ8钢筋挂网，喷射C25混凝土10 cm厚；采用的φ25系统砂浆锚杆长3 m，间距1.50 m。局部进行固结灌浆，间排距4 m，梅花型布置，深入围岩4 m。

3 调压井计算

3.1 调压井的设置条件

根据《水利水电工程调压室设计规范》，调压室的设置条件公式。

式中：TW—压力水道的惯性时间常数（s）；L—压力水道各段长度（m）；V—压力水道各段相应的流速（m/s）；g—重力加速度（9.81 m/s2）；H—设计水头，取78.80 m；［TW］—2-4 s。

经计算TW=4.6＞［TW］=4 s；此电站引水系统拟设调压井。

3.2 调压井的稳定断面面积计算

调压井稳定断面面积按托马公式计算。

式中：Ath—托马临界稳定断面面积，m2；L—压力引水道长度，m；A1—压力引水道断面面积，m2；H0—发电最小静水头，m；α—自水库至调压室水头损失系数；v—压力引水道流速，m/s；hw0—压力引水道水头损失，m；hwm—压力管道水头损失，m；K—系数，一般取1～1.1。

计算结果见表1。

表1 调压室稳定断面面积计算成果表

经计算调压井稳定断面面积453.80 m2，规范规定调压井竖井断面面积应不小于稳定断面面积，因此，取竖井断面半径13 m，断面面积530.93 m2。

3.3 调压井涌波计算

3.3.1 阻抗孔水头损失及阻抗孔面积计算。

式中：hc—通过阻抗孔的水头损失值；Q0—流量；S—阻抗孔断面面积，初步计算时可在0.60-0.80 之间选择；g—重力加速度，m/s2。

3.3.2 调压井最高涌波计算

当λ'hco＜1时按下式计算

当λ'hco＞1时按下式计算

式中：Zmax—丢弃全负荷时的最高涌波水位，m；hc0—全部流量通过阻抗孔的水头损失值；A1—压力管道断面面积，m2；A—调压室断面面积，m2；hw0—压力引（尾）水道总水头损失；v—对应于流量为Q0时的压力道的流速；g—重力加速度，m/s2；L—压力引水道长度。

设计甩负荷时，在上游校核洪水位647.15 m情况下，共用同一调压室的全部机组满载运行瞬时丢弃全部负荷，引水流量由Q＝365.62 m3/s甩关至0。引水道和尾水道的糙率取最小值计算n=0.012。

3.3.3 调压井最低涌波计算

调压室增加负荷时的最低涌波按下列公式计算：

式中：Zmax—增加负荷时的最低涌波，m；Q—增加负荷前的流量，m3/s；Q0—增加负荷后的流量，m3/s；ε—无因次系数，表示压力水道－调压室系统的特性；Α1—压力管道断面面积，m2；Α—调压室断面面积，m2；hw0—压力引（尾）水道总水头损失；v0—对应于流量为Q0时的压力道的流速；g—重力加速度，m/s2；L—压力引水道长度。

按规定瞬时增加负荷时，共一调压室的全部机组由2/3负荷突增至满载。电站为四台机组，拟定三台增至四台，即引水流量由Q＝232.85 m3/s 增至Q0=365.62 m3/s。此时上游水库死水位620 m。引水道和尾水道的糙率取最大值计算n=0.016。计算结果见表2。

表2 调压井最高最低涌波计算成果表

确定调压室的断面尺寸分别为：底板高程615.11 m，顶高程654.19 m，阻抗孔半径2.75 m，调压室断面面积530.93 m2，调压室最高水位652.69 m，最低水位617.59 m。

3.4 调压井结构计算

①基本参数：调压室的基本参数见表3、表4。

表3 调压井尺寸、水位特性表

表4 调压井围岩、材料特性表

②荷载组合：a.最高内水压力+内水重+最低外水及围岩压力；b.最低内水压力（放空检修）+最高外水压力、围岩压力或灌浆压力+上托力。

③计算方法及公式：调压室井筒衬砌包于围岩中，计算井壁时考虑围岩的弹性抗力作用，底板按承受均布荷载，外缘固定的环形板计算。

a.圆筒计算

式中：D1—挠曲刚度，kN/m；R—至衬砌中线的调压室半径，m；E—混凝土弹性模量，kN/m；t1—衬砌厚度，m；K1—岩石弹抗系数，kN/m；M1F—圆筒定端力矩，kN·m/m；M1F—圆筒定端剪力，kN/m。

b.底板

④计算结果

初拟调压井井壁厚1 m，底板厚2 m 进行计算。由调压井内力表计算配筋，代入承载力计算公式，通过试算满足正截面裂缝宽度要求。结果表明调压室井壁厚取1.00 m，底板厚取2 m，是合适的。

4 水力过渡过程计算分析与结果

4.1 计算工况

①大机组及小机组机组最大转速上升率控制工况。工况D1：下游最高尾水位572.90 m，大机组额定水头69 m，四台机正常运行时同时甩全负荷。工况D2：上下游最高尾水位572.90 m，小机组额定水头69 m，四台机正常运行时同时甩全负荷。②机组蜗壳最大动水压力控制工况。工况D3：上游校核洪水位647.12 m，下游最高尾水位572.90 m，四台机正常运行时同时甩全负荷。工况D4：上游正常蓄水位646 m，下游最高尾水位572.90 m，四台机正常运行时同时甩全负荷。③设置调压室方案调压室最高涌浪控制工况。工况D3 及工况D4 也有可能是调压室最高涌浪控制工况。④设置调压室方案调压室最低涌浪控制工况。工况D5：上游死水位620 m，下游最低尾水位564.45 m，四台机正常运行时同时甩全负荷。工况D6：上游死水位620 m，下游最低尾水位564.45 m，三台机组正常运行，一台大机组同时增全负荷。

4.2 水力过渡过程计算分析

引水压力主管管径11 m，大机组GD2 11 460 t·m2，小机组GD2 1 410.10 t·m2，采用图1导叶关闭规律，对蜗壳动水压力、机组转速上升率、调压室最高涌浪控制工况（D1～D4）及最低涌浪控制工况（D5～D6）进行大波动过渡过程计算。

图1 设调压室原方案大、小机组导叶关闭规律图

当设置调压室时，采用图1所示的导叶关闭规律进行大波动过渡过程计算，结果表明：①机组调保参数均能满足设计要求：大机组最大转速上升率为53.36%，小机组最大转速上升率为52.29%，均小于调保参数控制值55%，满足要求；蜗壳最大动水压力值为110.80 m，小于调保参数控制值113.50 m，满足要求。②调压室涌浪计算结果：调压室最高涌浪水位为652.64 m，调压室最低涌浪水位为617.59 m，满足设计要求。

5 结语

调压井的选择，首先结合地形地质情况，应充分利用围岩的有力条件，减小结构的厚度。调压井位置确定后，再根据运行方便和投资较少两个原则来判定调压井的类型。山口枢纽布置调压井方式，降低了整个发电引水系统的成本，有利于运行管理。通过水力学、机组调保计算提供的成果，证明水电站调压井设计所取得各项参数是合理的，确定结构型式的尺寸是合适的。