清河水库水电站调压井改造设计

林长茂

(辽宁省清河水库管理局，辽宁 铁岭　112003)



清河水库水电站调压井改造设计

林长茂

(辽宁省清河水库管理局，辽宁 铁岭112003)

【摘要】清河水库通过新配套电站，实现了环境生态和企业效益双赢，保障了河道生态流量，增加了可再生能源供应。在电站输水系统调压井改造设计中，合理利用了工程现有建筑物，节省了投资和工期，为同类项目提供了设计参考案例。

【关键词】清河水库电站;生态修复；可再生能源；调压井改造

清河水库为1966年竣工的大(2)型水利枢纽工程，工程主要任务是辽河中下游农业灌溉、防洪等，经过除险加固后的设计洪水标准为500年一遇，相应库容7.97亿m3,校核洪水标准为10000年一遇，相应库容9.68亿m3。清河水库原设计没有配套电站，随着调水工程的实施，将有4.41亿m3的水量调入水库。清河水库下泄水量7.54亿m3，其中农业灌溉水量2.64亿m3、环境水量2.25亿m3、水库弃水2.65亿m3。清河水库除了防洪和保障灌溉用水，还将肩负起辽河生态补水任务，通过配套电站，保障河道生态流量，修复河道生态，增加可再生能源供应，节能减排。电站主要利用灌溉用水、生态放流、水库弃水发电，电站总装机容量15000kW,设计年发电量3377万kW·h。由于水库建成多年，电站设计的难点是输水系统的改造设计，特别是调压井的布置、改造设计尤为关键。

1调压井布置

清河水库原设计中，右岸建有输水隧洞，作为清河火电厂冷却水泵站回水隧洞，2006年，清河电厂技术改造，电厂回水设施(回水渠道、回水泵站、回水隧洞、回水调压井、回水闸门)停止使用，回水隧洞处于闲置状态。结合地形地质条件及电站各建筑物布置，对改造回水隧洞作为电站输水隧洞、改造原回水调压井作为电站调压井方案进行了比较论证，这个方案不仅节省电站投资和工期，而且有利于电站枢纽取水头部、输水隧洞及调压井、压力管道、厂房、尾水渠等布置。改造后的电站输水隧洞总长647m、洞径4m，压力管道长73m。调压井设在距离隧洞出口115m处，距离电站厂房187m。调压井型式为钢筋混凝土阻抗式。

2调压井工程地质

调压井井址地面高程143.69m,建基面坐落于弱风化花岗岩基上，井筒围岩自上而下分别是：139.49～142.49m为强风化Ⅴ类围岩；124.79～139.49m弱风化Ⅲ～Ⅳ类围岩，Ⅲ、Ⅳ类围岩各占50%；124.79m以下为微风化Ⅱ～Ⅲ类围岩，Ⅱ、Ⅲ类围岩各占50%。

3调压井设置条件判断

清河水库电站压力引水系统较长，调压井是输水系统的重要组成部分，其作用是减少水轮发电机组负荷变化引起的输水系统内正负水压力，保证输水管道中压力升高、降低不超出设计允许的范围，以保证水轮发电机组安全稳定运行。

按照《水电站调压室设计规范》(DL/T 5058—1996)，设置调压井条件为：

式中Tw——压力水道中水流惯性时间常数，s；

Li——压力水道及蜗壳和尾水管各分段的长度，m；

vi——各分段内相应的流速，m/s；

HP——设计水头，m；

[Tw]——Tw允许值，一般取2～4s，该电站Tw取4s。

经计算，Tw≈12.55s>4s，清河水库电站需要设置调压井。

4调压井水力计算

4.1调压井断面设计

调压井稳定断面按托马准则计算，即：

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，s2/m，α=hw0/v2；

v——压力引水道流速，m/s；

hw0——压力引水道水头损失，m；

hwn——压力管道水头损失，m；

K——系数，一般可采用1.0～1.1，此处取1.05。

经计算，调压井的托马临界稳定断面面积Ath=173.22m2，相应半径R=7.43m。规范规定调压井竖井设计断面面积应不小于稳定断面面积，调压井设计半径R=7.5m，相应设计断面面积A=176.63m2。

调压井有简单圆筒式、阻抗式、双室式、溢流式和差动式五种基本型式。经比较分析，阻抗式调压井能减小调压室井水位升高值和降低值，减小调压井的容积；阻抗式调压室底部可以收缩，有利于和原隧洞连接。综合分析采用阻抗式调压井，设计阻抗孔直径以3m较为经济合理。

4.2调压井涌波计算

调压井涌浪计算按照《水电站调压室设计规范》(DL/T 5058—1996)附录B的公式计算。

工况Ⅰ：最高涌浪计算工况，采用上游正常蓄水位时，全部机组满载运行瞬时丢弃全部负荷；

工况Ⅱ：校核水位时丢弃全部负荷；

工况Ⅲ：最低涌浪计算工况，采用输水洞最小淹没高程时，全部机组有2/3负荷突增至满载；

工况Ⅳ：全部机组丢弃全部负荷的第二振幅。

计算成果见表1、表2。

表1　调压井最高涌浪计算成果　单位：m

表2　调压井最低涌浪计算成果　单位：m

5调压井结构设计和构造

调压井结构型式为钢筋混凝土结构。调压井设计洪水标准为500年一遇，校核洪水标准为10000年一遇。调压井最高涌浪水位为142.92m，最高涌波4.86m；最低涌浪水位为112.66m，最大负涌波4.84m。根据调压井最高涌波水位和最低涌波水位及调保计算成果确定井顶高程145.00m，井底高程110.00m，井身高35m。调压井采用圆形断面，内半径7.5m，阻抗孔直径3m。

根据调压井地质条件，井筒124.00m高程以上随开挖及时进行锚喷及封闭支护，施工期支护采用8cm厚C20混凝土，锚杆φ22，长2.5m，间排距1.5m×1.5m；124.00m高程以下根据现场地质条件，采用随机锚杆支护，及时有效。

根据地形条件确定调压井平台高程140.00m，该工程调压井山体单薄，为加强围岩的整体性、提高围岩的承载力，封闭裂隙、增加围岩抗渗能力，防止内水外渗、减少对厂房上游边坡的影响，对调压井进行固结灌浆，灌浆孔伸入岩石3m，间排距3m×3m，具体灌浆压力值根据现场实验确定。

调压井结构设计：设计工况考虑正常运行期和完建期，荷载主要考虑围岩压力、内水压力、外水压力、自重等。计算围岩弹性抗力，用圆形有压隧洞公式，采用理正岩土隧道衬砌计算软件计算，调压井底板按理正结构工具设计软件圆形水池计算。

计算成果：调压井井壁厚度：80cm。底板配筋：环向筋φ20@150，竖向筋φ25@150。井筒最危险断面配筋：环向筋φ22@200，竖向筋φ22@200。

6结语

新时期对环境、对河流生态有了新期盼，水库在承担防洪、灌溉、供水的同时，还承担着生态放流的新任务，然而有一些早期建成的水库没有配套电站，水能资源得不到充分利用。清河水库电站输水系统调压井改造设计，为同类工程如何利用现有放流设施配套电站提供了案例,通过对现有输水隧洞水力过渡过程模拟计算、设计改造，确定采用改造原回水隧洞及调压井作为电站输水系统，满足了电站调节保证要求，改造方案因地制宜、经济合理、安全可靠，实现了环境生态和企业效益双赢。

参考文献

[1]GB 50071—2002小型水力发电站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2]DL/T 5058—1996水电站调压室设计规范[S].北京：中国电力出版社，1997.

The reformation design of surge tank in Qinghe Reservoir Hydropower Station

LIN Changmao

(LiaoningQingheReservoirAdministration,Tieling112003,China)

Abstract:Qinghe Reservoir realizes the win-win situation of ecological environment and enterprise benefit through newly-completed power station. The ecological flow of the river is guaranteed. Renewable energy supplies are increased. Existing buildings of the project are rationally utilized, investment and duration are saved, and design reference cases are provided for similar projects in the reformation design of power plant water transfer system surge tank.

Key words:Qinghe Reservoir Hydropower Station; ecological restoration; renewable energy; surge tank reformation

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.019

中图分类号：TV732.5

文献标识码：B

文章编号：1673-8241(2016)06- 0067- 03