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时间:2023-03-16
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某水电站引水调压井设计 摘要:本文结合某水电站工程实例,分析其引水调压井的设计方案,介绍工程概况,分析引水系统的线路布置方案,并给出调压井的设计方案与施工方案。 关键词:水电站;引水调压井;设计 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。 一、引水系统线路布置 6
1 在枢纽左岸坝体内设置发电引水隧洞进口,在设计引水线路时,要与施工过程中的辅助支洞的设置方案相结合,为了控制工程的施工周期,要尽量缩短主洞与支洞之间的洞线长度;设置引水线路时采取隧洞与明洞相结合折设计方案,可以最大程度上降低工程成本。实际施工过程中,埋深在14m到29m的工段由于埋深相对较浅,所以选择明洞方案,进行全段面开挖;开挖时,明洞底宽为9.3m,砾石层开挖边坡为1:0.75;碎石及碎石土开挖边坡为1:1.0,如果边坡高度超过8m,要注意预留2m宽的马道。明洞数面为圆形,采用C20钢筋混凝土现浇而成,完成浇筑后要用开挖料回填土对其顶部进行回填,土层厚度至少在10m左右。在本水电站中,隧洞的总长为5.148千米,占总长为7.044千米引水线路的73.1%,明洞总长为1.896千米,占整条引水线路的26.9%。 二、调压井的设计方案 (一)调压井设计原则 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。 (二)调压井形式比较 本文中介绍的某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。 6
2 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。下图1即为该水电站调压井结构图: 6
3 图1:某水电站调压井结构示意图 经过计算可知,该方案采用了阻抗式与上室式相结合的方法,不仅可以保证反射压力管道传送的水机波的效果,而且可以防止发生上游引水隧洞水击穿透,并且调压井井内的水位波动也受到限制,调压井的总高度有所下降,降低水锤压强的效果也相对较好。 三、调压井的开挖施工 6
4 在本工程中,调压井的围岩主要是碎石土与砂砾石,按照常规的施工方法需要采用大开挖的方案,这种方法便于施工,不过工程量相对较大,特别是本水电站调压井的最小埋深也有41.5m,因此不适用大开挖的方案。如果采用竖井开挖的方法,需要投入较强的一次超强支护,不过与开挖方案相比,这种施工方法的工程总量、总投资还是相对较低,所以竖井方案的优势相对较大。不过由于该调压井处于碎石土及砂砾石围岩,并且需要开挖的高度达到了41.5m,因此要对具体的施工方案再进行论证。如果施工过程中可以保证一次开挖支护设计方案的稳定性,并能保证施工质量及安全性,则竖井施工方案的可行性就比较高。经过分析后最终决定采用竖井一次支护方案进行施工。为提高井壁口的稳定性,竖井顶部设置一道C20钢筋混凝土锁口圈梁;井身也要喷射200mm厚的C20混凝土,紧贴岩面的位置要设置重型工字钢拱架,间距设置半米左右,工字钢之间的连接采用钢筋焊接的方法,全断面喷层中部也要挂设钢筋网;还要在全断面采用菱形布置的方案设置系统长锚杆,锚杆长为4-5m,直径22mm,间距为0.5m,一共34根。不过需要注意一点,在砂砾石围岩中设置系统长锚杆可能会降低锚杆的支护效果,这种情况下锚杆只是起到固定钢拱架的作用,因此要增加注浆钢管,采用梅花形设置,注浆钢管的长度为6m,直径为42mm,注浆扩散到岩体中,可以将松散的岩体固结起来,使得锚杆、锚管、钢拱架等结构连接起来,大幅提升围岩的稳定性与整体性;要注意把注浆钢管、钢拱架焊接成一个整体,可以进一步保证施工质量。 在本工程中,与水电站所在地的地形条件相结合,采用小导井法进行竖井开挖。先在调压井竖井中部沿竖直方向开挖一个小导井,直径为1.8m,并在调压井底部挖出一条施工支洞,将有利的地形条件充分发挥出来,竖直贯通小导井后,就可以把小导井底部的出渣从支洞中运出。施工过程中,小导井直径相对较小,自稳性较好,所以开挖施工比较容易,也可以进一步保证施工的安全性;并且利用小导井进行底部出渣大大降低了施工难度,提高了施工效果。由此可见,采用小导井法进行施工十分有效,大大提高了竖井开挖方案的可行性。 参考文献 [1]赵天来.反井钻机在杂木寺水电站调压井施工中的应用[J].农业科技与信息.2010(22):34-35. [2]张志明,孙明.露天无钢衬调压井在布巴哈水电站的应用[J].云南科技管理.2012(05):211-214. [3]向斌,叶井亮.某水电站深厚残坡积层的调压井边坡处理方法研究[J].中国水运(下半月).2011(09):149-150. 6
5 [4]马丽慧.调压井固结灌浆“超前钻孔预埋灌浆管”施工技术[J].四川水力发电.2011(04):99-100. [5]金宏安,宋会红,丁秀霞.老挝NamNgum5水电站深调压井井筒开挖设计与施工实践[J].水利水电工程设计.2011(03):11-14. [6]水电七局柳坪水电站调压井QC小组获国家级奖项[J].四川水力发电.2008(04):144. 6
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