红岩水库引水发电系统关键建筑物设计浅析

汪 罗，李茜希，邵红艳

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳550002)

0 前言

红岩水库工程位于马铃河上革楼电站下游3 km～4 km，水库坝型为面板堆石坝，水库总库容1464万m3，本工程等别为III等，工程规模属中型。所处地质地形条件较为复杂，主要工程任务是供水、农田灌溉和发电。水库校核洪水位1071.49 m，正常蓄水位1070 m。水库年供水量3299万m3，下放生态水量896万m3，电站装机容量800 kW。

引水发电系统布置于大坝左岸，由岸塔式取水口、有压引水隧洞、发电厂房组成。水电站发电厂房布置于大坝下游左岸坝脚，为岸边引水式厂房，电站设计引用流量2.37 m3/s，装机规模为800 kW，多年平均发电量293万kW·h，该取水系统除发电功能外还兼有下放环境水的功能。

引水发电系统的设计关系到整个工程发电效益的发挥，采用合理且安全的工程设计方案是工程建设的基础，也是充分实现工程建设任务的保证。红岩水库工程具有结构复杂，地形地质条件复杂等特点，工程引水发电系统的设计关系到整个工程发电效益的发挥。本文结合工程地质地形条件，对引水发电系统关键建筑物方案设计进行探讨。

1 电站取水口与引水道设计

发电引水系统的取水口布置于左岸坝段上游面，进水口位于距坝轴线上游约58 m处，取水口型式为岸塔式取水口，同供水取水口重叠布置。发电系统取水口的底板高程1042.0 m，进口设拦污栅（共用）、平面工作闸门各一扇，拦污栅孔口尺寸4.0 m×6.0 m（宽×高），闸门孔口尺寸2.0 m×2.0 m（宽×高），后接隧洞段，隧洞水平总长228.58 m，其中与供水系统合用的隧洞段长134.53 m，该段隧洞为城门洞型，断面2.8 m×5.05 m，该隧洞内下部为发电引水部分，洞径为2.0 m。上部为供水管道埋管段，该隧洞为有压洞，全段回填C25钢筋混凝土，厚段约为400 mm。与供水系统合用段分岔后，桩号0+146.53～0+210.07段隧洞采用圆形有压断面，洞径D=2.0 m，洞长78.6 m，桩号0+210.07～0+240.58段为压力钢管隧洞段，内设D=2 m的压力钢管，长30.5m，出洞后接电站厂房。

在发电引水钢管主管上接三分岔管，左右两边岔管接电站机组，中间岔管接一生态放水管，管径DN600，放水管中心高程为1022.8 m，出口用流量控制阀控制，放水管从厂房底部穿过中间尾水墩接入尾水渠。根据生态需水量的计算，蓄水期和枯水期水库应下放生态用水量0.286 m3/s，放水管流速为1.01 m3/s。

1.1 水力计算

（1）取水口底板高程计算。为防止出现漩涡和吸气漏斗，有压进水口的最小淹没深度S按戈登公式计算[1～2]：

式中：C 为系数，C=0.55～0.73；V 为闸孔断面平均流速，m/s；d为闸孔高度，m。

经计算，最小淹没深度S=0.587 m，因此发电取水口的底板高程不能高于1046.4 m。考虑到发电取水与供水取水重叠布置，供水取水的底板高程为1045.0 m，因此，需发电取水布置于供水取水下部。经过布置发电取水口的底板高程为1042.0 m。经复核1042 m低于1046.4 m，满足发电的最小淹没深度。

（2）水头损失计算。引水发电系统水头损失计算从取水口起，至蝶阀中心止，其中取水口段长8 m，引水隧洞段长250 m，压力钢管主管长10 m，压力钢管支管长2×10.64 m。引水道进口中心高程1046 m，出口中心高程1022.8 m，引水流量2.37 m3/s。水头损失按△h=hf＋hm计算。

沿程水头损失hf按下式计算：

（3）调压井判别。引水隧洞段长250 m，洞径为2.0 m，根据下式判别：

式中：TW为压力水道惯性时间常数；L为压力水道长度，m；v为流速，m/s；H 为设计水头，m。

经计算，TW=0.42 s＜2 s，故不需要修建调压井。

1.2 水锤计算

电站为坝后式电站，引水系统包括引水隧洞、引水压力钢管。引水隧洞长度为240 m，管径为2.0 m；压力钢管主管长度为30.5 m，直径2.0 m。二台机组在额定水头下运行，并同时甩额定负荷，计算最大转速上升和压力上升值，并验算机组在最大水头下同时甩额定负荷时的最大压力上升值。计算结果见表1。

表1 调保计算结果表

局部水头损失hm按下式计算：式中：A为水道过水断面面积，m2；L为水道计算长度，m；C为谢才系数；Q为发电流量，m3/s；n为糙率，引水隧洞段取0.015、压力钢管段取0.012；R为水力半径；ξ为局部水头损失值；v为发电流量下的隧洞流速，m/s。

经计算，发电流量为2.37 m3/s时，水道（含进水口、隧洞、压力钢管）水头损失△h=0.305 m。

结论：1）接力器关闭时间为3 s；2）要求机组转动惯量不小于800 kg·m2；3）机组最大转速上升为47%，引水系统管道压力最大值为54.1 m3。

1.3 结构计算

1.3.1 取水口井筒结构计算

1）井筒抗浮稳定计算公式如下：

式中：Kf为抗浮稳定安全系数；ΣV为建基面上垂直力总和，t；U为建基面上扬压力力总和，t。

抗浮稳定计算结果：基本组合计算工况，正常蓄水位Kf＝2.89，大于规范最小安全系数值1.1；特殊组合计算工况，校核洪水位Kf＝2.13，大于规范最小安全系数值1.05。由结果可知：井筒抗浮稳定满足规范要求。

2）井筒抗滑、抗倾覆稳定计算：因井筒基础为切向坡且无不利的裂隙和断层，所以不存在沿层面或断层滑动的滑移面，故不需进行抗滑稳定计算；水库蓄水后井筒淹没在水中，井筒四周都承受相同的水压力，不存在井筒倾覆的条件，所以也不需进行抗倾稳定计算。

3）建基面应力计算：底板及上部结构竣工时，水库无水，仅有建筑物自重，此时地基压应力最大。考虑施工完建未蓄水的情况为最不利工况，计算建基面的平均应力，公式如下：式中：δ为建基面上计算点垂直应力，MPa；W为建基面上垂直力总和，kN；A 为建基面面积，m2。

经计算，基础平均应力为0.81 MPa，小于强风化基岩允许承载力1.0 MPa，满足基础允许承载力要求。为了工程安全提高地基承载力，在井筒基础考虑间排距3 m，孔深10 m的基础固结灌浆。

1.3.2 进水钢管结构计算

本工程进水钢管主要是埋管段，因管道管径不是太大且钢管段位于隧洞出口段，考虑管道安全富余，全管道均按明管来计算。

1）管壁厚度的拟定：计算断面的中心水头，结合电站调保计算的水击压力初步确定。管材选用Q235-C，屈服强度σs＝235 N/mm2，允许应力 [σ]＝0.55σs，弹性模量 Es=2.06×105N/mm2、泊松比vs＝0.3，焊缝系数φ＝0.95。按锅炉公式：

式中：p 为计算水压力，kPa；[σ]为 Q235 钢材的允许应力，MPa；φ为钢管焊缝的焊接系数，取0.95；C为锈蚀裕量，mm，取2.0 mm。

钢管管壁厚度除应满足强度要求外，还需满足稳定性要求。按保证钢管不丧失稳定的条件：δ/D≥1/130。若取壁厚为16 mm，则：δ/D=16/2000=1/125＞1/130，满足稳定性要求，故钢管壁厚取16 mm。

满足刚管制造、安装及运输要求的最小管壁厚度按下式计算：式中：D为钢管内径，mm。通过计算最小的管壁厚度为8 mm，根据结构计算所得壁厚16 mm，满足最小管壁厚度要求。

2）管壁抗外压稳定计算：本工程管道位于帷幕后段且在隧洞末端，考虑工程安全性外水头按洞顶最高山体厚度来考虑，即为20 m。对于明管，钢管管壁和加劲环抗外压稳定安全系数不得小于2,即：K＝Pcr/0.1＞2,考虑设置加劲环增强抗外压稳定，加劲环高度150 mm，厚度10 mm。

作用于加劲环间管壁的临界外压，采用米赛斯公式计算，计算公式为：

式中：Es为钢材弹性模量，N/mm2；t为钢管管壁厚度，mm；n 为最小临界压力的波数，取相邻的整数；l为加劲环间距mm；r为钢管半径，mm；vs为钢材泊桑比，取0.3。

作用于加劲环的临界外压按以下两式计算，取两者中的小值：

式中：FR为加劲环有效截面面积，mm2；JR为加劲环有效截面对中心轴的惯性矩mm4；R为加劲环有效截面中心轴处的半径，mm；l为加劲环间距，mm。

经计算，管壁抗外压稳定的临界外压Pcr=0.14 MPa，管壁抗外压安全裕度K=Pcr/0.2=0.14/0.2=0.7＜2不满足要求，需设置加劲环。加劲环抗外压临界外压较小值Pcr1=0.496 Pa，加劲环管壁抗外压安全裕度K=Pcr1/0.2=0.496/0.2=2.48＞2满足要求；从而，取水钢管的直径为2.0 m，其管壁厚度16 mm和加劲环间距2.0 m满足规范要求。

2 发电厂房设计

2.1 发电厂房结构布置

发电厂房采用一管双机引水方案，管材选用Q345，主管长度6 m，壁厚12 mm，支管长度14.4 m，壁厚10 mm。电站主厂房装设二台单机容量均为400 kW的卧式混流式水轮发电机组，机组间距为10 m，主厂房安装间与主机间长31.46 m，宽13.0 m。厂房建基高程1018.5 m，水轮机安装高程1025.5 m，发电机层高程1024.86 m，尾水管底板高程1019.5 m，安装间高程1029.0 m。副厂房位于安装间的下层，一层布置，平面尺寸（长×宽）8.34 m×13.0 m。厂区地面高程1029.0 m，采用水平进厂方式，由下游公路至厂区回车场。

厂房位于坝后河床，厂房边坡开挖主要形成一面临坡，即厂房后边坡，场地自然地形坡度13°～25°。厂址基岩出露，覆盖层零星分布，地基岩体为（P2w2）的碳质、粉砂质泥岩,岩体强风化深度4 m～5 m。岩体中无断裂构造分布，主要结构面是

式中：Kf为抗浮稳定安全系数；ΣV为建基面上垂直力总和，t；U为建基面上扬压力力总和，t。

抗浮稳定计算结果：基本组合计算工况时，正常蓄水位下K＝7918/2082=3.80，大于规范最小安全系数值1.1；特殊组合计算工况时，校核洪水位K＝7918/3914=2.02，大于规范最小安全系数值1.05。由结果可知：厂房抗浮稳定满足规范要求[3～5]。

2.2.2 厂房抗滑稳定计算

厂房出口段自然地形坡度20°～23°。进、出口段岩质边坡均为切向坡，厂址基岩出露，覆盖层零星分布，地基岩体为（P2w2）的碳质、粉砂质泥岩，岩体强风化深度4 m～5 m，出口无不利结构面，综上分析厂房不存在整体滑动可能。

2.2.3 厂房建基面应力计算

底板及上部结构竣工时，水库无水，仅有建筑物自重，此时地基压应力最大。考虑施工完建未蓄水的情况为最不利工况，计算建基面的平均应力，公式如下：岩层面及裂隙，岩层产状：98°∠13°。岩质边坡主要为顺向坡，自然边坡相对稳定。边坡最大高度为14.5 m。边坡稳定性较好。

边坡处理措施为：开挖边坡为1∶1，常规喷锚支护，喷混凝土厚10 cm，系统锚杆φ25，L=3 m，间距为3.0 m×3.0 m。基础面开挖至弱风化基岩，若基础面达不到要求，需进行局部扩挖到新鲜基岩，然后扩挖部分采用C15埋石混凝土回填至设计基础高程。

为保证基岩体的完整性，提高基础承载力，对厂房基础作固结灌浆处理。灌浆孔布置于整个建基面，间排距均为3 m，孔深5 m，梅花型布置。固结灌浆总进尺935 m。

2.2 发电厂房结构计算

2.2.1 厂房抗浮稳定计算

厂房抗浮稳定计算公式如下：

式中：δ为建基面上计算点垂直应力，MPa；W为建基面上垂直力总和，kN；A 为建基面面积，m2。

经计算，基础平均应力为0.27 MPa，小于强风化基岩允许承载力0.8 MPa，满足基础允许承载力要求。

3 结语

结合地质地形条件，提出红岩水库引水发电系统关键建筑物布置的设计方案，通过结构稳定计算、抗倾覆稳定计算、水锤计算等方法验证方案的合理性，从而达到工程布置紧凑合理、运行管理安全、工程投资节省等目的。为本工程在日后正常工作环境下的安全运行提供了有力的技术保证，也能为同类工程提供借鉴作用。