黄南水库工程调压井优化设计研究

陈 强，王 强，赵新波，刘方超，史宇滨

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 工程概况

松阳县黄南水库工程位于松阳县境内，坝址位于松阴溪支流小港黄南村上游，距松阳县城约35.00 km。工程主要以供水、灌溉、防洪为主，结合改善水生态环境兼顾发电等综合利用。拦河坝位于黄南村上游500.00 m，采用钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高97.00 m，电站为引水式发电厂房。输水建筑物由进水口、输水隧洞、调压井及压力管道等组成，水平投影长度10.50 km，输水隧洞断面为圆形，衬砌后洞径2.80 m。

调压井布置于输水隧洞桩号输10+193.07 m 处，型式为简单圆筒式，衬后内径12.00 m，底高程252.00 m，顶高程345.00 m，以下部分内径取6.00 m 与输水隧洞连通。调压井总高度93.00 m，全断面采用C25F50 混凝土衬砌，衬砌厚度60 cm。调压井最高涌浪水位343.39 m，最低涌浪水位253.36 m。

调压井地层岩性为块状流纹质含角砾玻屑凝灰岩，局部流纹质玻屑熔结凝灰岩夹薄层粉砂岩。新鲜岩石致密坚硬，抗风化能力强。覆盖层为第四系全新统残坡积层粉质黏土夹碎块石，厚1.00 ～ 3.00 m，松散。强风化带厚0.50 ～1.50 m，弱风化带3.00 ～ 6.00 m。调压井井口处，覆盖层薄，厚1.00 ～ 2.50 m，调压井表部岩体比较破碎，完整性差。

2 设计优化总体方案

2.1 井口位置优化方案

根据施工图阶段设计方案，调压井井口高程345.00 m处位于半山坡，山势陡峻，边坡开挖高度达到50.00 m，明挖土石方量约2.76 万m3，需外运至指定弃渣场，施工爆破对山坡下方道路影响较大。根据现场情况若布置施工道路，道路长度为1.912 km，路宽4.50 m，最大坡度超过14%，道路征地约6.47 hm2，道路以下及调压井明挖影响范围约11.20 hm2。

经现场查勘，发现调压井上方山坡存在一处缓台地的有利地形，为井口优化提供了可能。综合考虑征地面积大、明挖施工难度大等因素，最终将调整调压井井口位置调整至缓台地，即向输水隧洞上游移动35.07 m，微调至桩号10+155.00 m 处，井口高程调整为386.00 m，井口抬高41.00 m，边坡高度降低40.00 m，明挖工程量仅1 100 m3。由于开挖量大大减少，基本不存在出渣，取消了施工道路布置，征地面积也大大减少。

本项优化极大程度的降低井口明挖的施工难度，减少边坡开挖爆破飞石对山坡下方的道路通行的影响，加快进口开挖的施工进度，同时节约建设用地，进一步响应工程区的环保节能要求。

优化调整对比断面见图1 ～ 2。

图1 原设计井口剖面图

图2 优化后井口剖面图

2.2 井口断面优化方案

调压井大井开挖直径为13.20 m，工程规模较大，费用较高，同时竖井大直径开挖需要多次扩挖完成，直径越大，扩挖次数越多，安全风险也越大。因此，为加快施工进度，减少竖井扩挖次数，降低施工风险，有必要对调压井规模进行优化。由于井口位置优化调整，井口高程抬高后，调压井井身高度增加了41.00 m，可利用升高的井身实现调压作用，为调压井断面优化提供条件。通过水力计算分析，对调压井托马稳定断面、大波动和小波动工况计算分析等方面进行综合复核，最终确定将调压井衬后直径由12.00 m调整为8.00 m，开挖直径由13.20 m 调整为9.20 m，减少了井挖工程量。

3 调压井体型复核计算

3.1 调压井托马稳定断面计算

要确定调压井内径选择范围，首先要计算小波动情况下调压井的稳定断面，因为小波动稳定不能保证，则大波动必然不能衰减[1]。根据SL 655 — 2014《水利水电工程调压室设计规范》，调压室的稳定断面面积的计算公式如下：

式中：Fth为托马临界稳定断面面积，m2；L为压力引水道长度，m；f为压力引水道断面面积，m2；H0为发电最小静水头，m；α为自水库至调压室水头损失系数，α=hwo/v2，s2/m；v为压力引水道流速，m/s；hw0为压力引水道水头损失，m；hwm为压力管道水头损失，m；K为系数，一般可采用1.0 ～ 1.1，本次计算取K= 1.1；g为重力加速度，m/s2。

根据本工程输水系统布置方案，得到各参数计算值（见表1）。

表1 托马稳定断面计算各参数取值表

由表1 中计算结果，托马稳定断面面积为13.67 m2，调压井小波动稳定断面直径为4.17 m，调压井大井直径为12.00 m，面积113.09 m2，大于托马面积，满足稳定断面的要求。

3.2 调压井大波动、小波动工况分析计算

调压室大井面积的大小对大波动工况调压室的水位波动以及小波动的调节品质均有较大影响[2]，本节分别从大波动工况和小波动工况进行分析，选取大井直径为6.00，8.00，10.00 m 进行计算分析，最终确定优化后的大井尺寸。

3.2.1 大波动工况分析

为保证调压室最高、最低涌浪满足结构控制高程的要求，分别选取调压室最高、最低涌浪控制工况进行计算，计算结果见表2 及图3 ～ 4。拟定工况如下：

工况JH1：上游校核洪水位，下游2 台机满发尾水位，2 台机组以额定出力正常运行，突甩全部负荷。此工况为调压室涌浪最高工况。

工况JH5：上游最低发电水位，下游正常尾水位，2 台机组以最大出力正常运行，2 台机突甩全部负荷，在流出流量最大时刻，1 台机启动至最大出力。此工况为调压室涌浪最低工况。

表2 不同大井直径调压室涌浪计算结果表

图3 不同大井直径，调压室水位变化过程线图（工况JH1）

图4 不同大井直径，调压室水位变化过程线图（工况JH5）

由计算结果可知，大井直径取6.00，8.00，10.00 m 均能满足调压室结构高程控制要求，且均有一定裕度。随着调压室大井直径减小，调压室涌浪波动幅度增大。

3.2.2 小波动工况分析

为探究不同大井直径下的电站水力—机械系统的小波动过渡过程的稳定性[3]，选取控制工况X3、X6 工况进行小波动过渡过程计算分析。

工况X3：上游最低发电水位，下游2 台机满发尾水位，同一水力单元的2 台机组均带最大预想负荷，2 台机组突减5%额定负荷。

工况X6：上游最低发电水位，下游2 台机满发尾水位，同一水力单元的2 台机组均带最大预想负荷，1 台机组突减5%额定负荷。

选取大井直径为6.00，8.00，10.00 m 进行计算分析，计算结果见表 3 及图5 ～ 6。

表3 小波动计算结果表

图5 不同大井直径，调压室水位变化曲线图（工况X3）

图6 不同大井直径，调压室水位变化曲线图（工况X6）

根据计算结果可以看出，大井直径取6.00，8.00，10.00 m 均能满足输水发电系统小波动稳定性要求，小波动调节品质指标均较好。随着调压室大井直径减小，调压室水位波动衰减速度越慢[4]，当大井直径取8.00 m 时，调压室波动衰减速度明显加快，因此，为保证机组稳定运行要求且具有较好的调节品质，大井直径选取为8.00 m。

3.3 调压井断面优化小结

根据调压井优化调整后的布置情况，计算出本电站的托马稳定断面面积为13.67 m2；通过对不同大井直径大波动和小波动工况的计算分析，选取大井优化后直径为8.00 m，能够满足控制要求且具有较好的调节品质。

4 结 语

本次优化合理利用现场有利地形条件，在调整井口位置后，大幅度减少井口明挖的工程量，减少了工程建设用地的面积，同时为调压井断面优化提供条件。经过一系列的水力计算，首先分析调压井的托马稳定断面，计算出断面可优化调整的范围，之后再选取3 种断面分别对大波动和小波动工况进行计算分析，最终确定优化后的断面。

本次优化主要减少土石方明挖2.6 万m3，石方井挖3 500 m3，取消了施工道路，以及减少相应的支护工程量，总体投资减少约630 万元，经济效益十分明显。同时，优化后的方案大大降低施工难度，避免明挖爆破飞石对周边的影响，降低竖井扩挖的安全风险，加快施工进度，为工程顺利推进提供保障。