水电站厂房变顶高尾水闸设计研究

水电站厂房变顶高尾水闸设计研究

彭水水库位于彭水县上游11公里处，是乌江污水渠的第十个阶段。其开发任务是以发电为主,其次为航运,兼顾防洪、灌溉等。电站装机5台,单机容量280MW,总装机容量1400MW,单机最大过水流量466.7m3/s,最大水头80.1m,极端最小水头37m,额定水头67m。彭水坝址处于高山峡谷地区,厂房布置方案受坝址地形、地质、水文、水能等特定因素以及枢纽总布置的制约和影响。自开展可行性研究以来,针对厂房型式曾考虑过河床溢流式、岸边式、部分河床部分地下式、全地下式等。经多年研究论证,认为采用隧洞引水式地下厂房较为合适。由于地下厂房规模较大,对地质条件要求高,在彭水特定的地质地形条件下,地下厂房只可能布置在流道中部或尾部两处,即中部开发方案和尾部开发方案。1中央发展计划1.1调压室方案研究中部开发方案的电站输水系统,以1号机组最长,约为860m,由引水洞、压力管道及蜗壳尾水管和尾水洞3部分组成,其水流加速时间常数值Tw在6s左右。依据水电站调压室设计规范规定,当Tw≥2~4s时须设置调压室。由于以上3部分的Tw值各占Tw总值的1/3(即各为2s),因而单独设置上游调压室或是单独设置下游调压室,Tw仍有4s,不能满足调压室设计规范要求。由于彭水电站设计流量较大,水头相对较低,故要求调压室规模大。上游调压室高度在50m以上,托马临界稳定断面积约为1000m2(两机一调压室),调压室直径为35m;而且彭水电站下游水位变幅很大,下游调压室的规模更大,其高度达90m,托马稳定断面积为2000m2(两机一调压室),调压室直径为50m。如果上下游均设调压室,不但经济上不合理,布置上较困难,对围岩稳定也极为不利。为了减小调压室布置难度,上游引水系统采用单机单洞的型式,尾水系统则分别研究了一机一洞(设阻抗式调压室)、二机一洞(2-1-2,设阻抗式调压室)及三机一洞(2-3,设长廊式调压室)3个方案(以下分别简称T1、T2、T3方案)。彭水电站机组间距仅有28m,T1方案调压室宽度为24.0m,开挖尺寸达26.4m,而根据下游最高水位及尾水闸门启闭机布置等要求,尾水调压室的高度约90m,比主厂房洞室高出36.0m。调压室位于主厂房下游约41.0m处,两者间距小于2倍洞宽,对围岩稳定不利。调压室后接尾水隧洞,尾水洞均为有压式圆形断面,隧洞直径由洞内经济流速控制。T1、T2、T33方案的尾水洞直径分别为12.4、17.2、21.2m,洞内流速分别为3.86、4.02、3.97m/s,相应5台机组的平均水头损失分别为1.008、1.659、1.981m。分析以上3方案的水力过渡过程的计算结果有如下特点。(1)仅T3方案压力钢管末端蜗壳进口处最大动水压力超过规范上限,最大值发生在1号机组,其值为1.26MPa,相对值为61.3%,需进一步采取措施解决。其余指标均满足规范要求。(2)当1台机组满负荷发电时,在下游最低水位及额定水头下甩负荷,为尾水管进口处最小绝对压力的控制性工况,其值为0.075MPa(>0.02MPa),满足规范要求。(3)彭水电站在千年一遇校核洪水时,其毛水头32.92m,小于水轮机极端最小工作水头(37.0m),无法运行。百年一遇设计洪水位时,毛水头也仅有36.11m,能否运行还需研究。百年一遇设计洪水位条件下,无论是甩负荷,还是增负荷工况,甚至波动叠加工况,尾水调压室向上涌浪水位均低于千年一遇校核水位。因而尾水调压室最高水位取决于不能发电的千年一遇下游洪水位,这一结论对3种尾水系统布置方案都成立。(4)尾水调压室最低涌浪水位取决于对应本单元所有机组发电的最低下游水位、额定水头下甩负荷。对于T2方案,尾水调压室最低涌浪水位由2台机组甩负荷确定,最小值分别是207.16m和206.67m。对于T3方案,无论是1号还是2号尾水调压室,其最低涌浪水位均发生在2台机组满负荷发电并在下游最低水位及额定水头下甩负荷时,其最低涌浪水位分别为207.08m、208.72m,比该尾水调压室底板高出3.78m,能满足阻抗孔口淹没水深的要求。1.2变顶高尾鞣条件下的全尾排水设计由于中部开发方案于围岩稳定不利,为此研究了不设调压室的方案。随着长尾水道理论及工程实践的发展,结合彭水电站的地质条件,初步研究提出了变顶高尾水洞方案,以适应下游尾水位的变化,并始终满足电站大小波动的稳定运行和调节保证要求。当下游为低水位时,尾水洞有压满流段较短,无压明流段较长,尾水管进口处负压以及机组稳定运行容易满足规范要求;随着下游水位升高,尽管有压满流段渐长,无压明流段渐短,直至尾水洞全部呈有压流,但有压段的平均流速却逐渐减小,而且机组的淹没深度也逐渐加大。正负两方面的作用使得尾水管进口处负压能控制在规范的范围之内,并且保证机组运行稳定,从而起到取代尾水调压室的作用。为了保证变顶高尾水洞能发挥其应有的作用,在体形设计上的基本思路包括以下几方面:(1)下游最低水位时,无压明流段延伸到尾水管出口断面之前,让有压满流段尽可能减短;(2)由尾水洞出口断面允许的最大流速,确定其底板高程和底宽;(3)选择出口断面的顶部高程,以及尾水洞顶坡和底坡斜率,以满足尾水洞全部呈有压流时的调节保证要求;顶坡的大小要有利于解决明满流交替问题,防止出现滞气和明显的明满流交替等现象;(4)尾水洞与尾水管之间的高差以及底宽的差别等设过渡段衔接,过渡段的顶拱应使尾水管始终保持有压流,避免对机组运行效率产生影响。根据以上基本思路,确定变顶高尾水洞总长376.96m,其中过渡段长60.13m,断面型式均为城门洞型,底宽10m。出口断面10m×22.5m,底板高程202.0m,非过渡段的顶坡3%,底坡2%;过渡段的底坡18.56%,顶坡呈二次曲线,平均坡大于3%。对下游低水位(212.49m)、中水位(218.95m)、高水位(224.50m)下甩负荷和增负荷工况的研究,可以得出如下结果。(1)变顶高尾水洞能起到取代尾水调压室的作用,较好地解决了长尾水道在水力过渡过程中尾水管进口处负压不易满足规范的问题。尾水洞的体型较为合理,富裕程度较大。在导叶直线关闭,Ts等于8.5s的前提下,尾水管进口处最小绝对压力随下游水位升高而增大。低水位时,该绝对压力为0.081MPa,高水位满流时,为0.15MPa。由此可以判定,即使导叶关闭时间减至7.0s,此项调保参数也能满足规范要求。(2)变顶高尾水洞能较好地适应下游水位变化。低水位时工作状态与一般明流洞相同;中水位时具有明满流的特征,但因洞顶有着3%的倒坡,洞内平均流速很小,所以无明显的“拍击”现象,对洞顶结构和机组稳定运行均无影响。此外,3%的洞顶倒坡对排气非常有效,完全避免了工程上最担心的明满流交替问题;高水位时呈有压流,但因其洞径大、流速低,不仅有效地减小了水流惯性的影响,而且也减小了水头损失,增加了发电效益。(3)由于明渠非恒定流波动周期很长,与水击波周期不是同一个量级,因此水击波引起的调速器动作,可作为载波叠加在明渠非恒定流的涌波中,故不存在小波动稳定问题。1.3变顶高尾水压调压室方案调压室方案在技术上和工程实践上均较为成熟,在国内外已积累较为丰富的经验;变顶高尾水洞方案为一种新型结构,在国内尚无先例。越南和平电站(8台机组总装机1920MW)系采用变顶高尾水洞,该电站已于1994年投入运行,情况良好,其设计、运行经验可供本工程研究借鉴。针对调压室方案,在各种计算工况下,机组调保参数、尾水调压室的涌浪和阻抗损失值均能满足要求。虽然蜗壳处的最大动水压力超过规范要求,但可以采取相应的工程措施解决。输水系统水力学模型试验和数值计算分析的成果表明:变顶高尾水洞可起到尾水调压室的作用,调保参数满足规范要求;变顶高尾水洞能较好地适应下游不同水位的变化,水力学条件很好。从围岩稳定上考虑,调压室方案开挖宽度约33m,高88m。地下厂房最大开挖宽度约30m,高70m,两者相距约46m,对洞室群的稳定不利;变顶高尾水洞方案地下洞室结构较为单一,根据有限元分析,围岩应力和变形均不大,稳定性良好。两方案的工程量差别不大,调压室方案的土石方和混凝土工程量略大,但在能量损失方面,调压室方案的保证出力较变顶高尾水洞方案每年多损失约0.4万kW,发电量约少7000万kW·h。综合比较,推荐变顶高尾水洞方案,其布置参见图1、图2。2调压室安全方案比选该方案只能采用设置上游调压室来保证机组安全运行要求。这是一种常见的布置型式,但在峡谷地区大流量大型地下水电站调压室的布置中,要妥善解决地下洞室群的稳定问题,以减轻施工难度,确保运行安全。因此着重研究了以下3种方案。(1)阻抗式调压室方案,采用1机1室,梅花型布置。其特点是:①调压室结构简单,洞径较大,但布置困难;②圆形结构受力条件较好;③室内闸门受水位波动影响,结构安全要求较高;④调压室内闸门不能直线布置,需配置2套吊装检修设备。(2)长廊式调压室方案,5机1室联合布置,平行厂房轴线,保持与主厂房水平投影距离120m,以策安全。其特点是:①调压室边墙较高,长期承受上游水位,渗漏问题及边墙稳定问题对主厂房安全可能构成威胁;②国内较少采用,国外也不多见;③边墙支护费用相对圆筒式要高;④机组相互连通,运行时受横向水流影响较大,闸门井处流态极为复杂;⑤某机组甩负荷时对其它运行机组有影响。(3)差动式调压室,1机1室,呈扇形布置,可较好地解决调压室的间距问题,最大限度地拉开距离。其特点是:①差动式调压室结构复杂,调压室较多,地下洞室应力复杂;②大井在升管之外布置灵活,可避免地质缺陷,拉开井距,改善应力条件;③适用于中等水头电站,国内中小型水电站运行经验较多;④水位波动振幅比圆筒式小,衰减要快。从上述特性比较可以看出,尾部方案设上游长廊式调压室是不可取的;圆筒型调压室水位波动振幅较大,衰减较慢;差动式调压室适合彭水电站的具体情况,采用大小井分开布置方式拉开井距,减小大井内径,改善应力条件。因此地下厂房尾部布置方案宜选择差动式调压室。3大土民族内洞室群和基层组织、调保及高尾水压系统联合调保方案从地质条件看,中部开发变顶高尾水洞方案中主厂房的岩体强度高、岩溶不发育、夹层少、岩体完整性好,主厂房轴线与最大主应力方位角的交角最小,地质条件清楚。从厂房布置上,可利用地表有利地形,将变压器移至地表鸭公溪溶槽中,大大简化地下洞室群的布置,有利于围岩稳定。尾部开发方案岩体单一、强度高、岩体相对完整,但由于存在f1断层的影响,裂隙或次生断层较多,岩溶有一定程度发育。在布置上,主厂房、主变室、调压室、尾水洞等构成复杂的地下洞室群。f1断层穿过1、2号调压室,围岩稳定较差,是该方案的重大难点之一。从水力学条件看,调压室能较好地满足“理想”差动的要求。蜗壳处最大动水压力、尾水管进口处最小绝对压力、机组最大转速升高等调保参数均满足规范要求。变顶高尾水洞可以起到调压室的作用,调保参数满足规范要求,同时能较好地适应下游水位变化,其水力学条件很好。两方案工程量差别不大,以变顶高尾水洞