雅康高速公路二郎山隧道消防用水水能资源开发利用研究

程烈,丁易峰,杨皓然

(四川江源工程咨询有限公司,成都,610041)

0 引言

常见的发电方式主要有火力发电、风力发电、水力发电、太阳能发电和核能发电[1]。其中,火力发电是我国现阶段最普及的发电方式,但具有污染重、利用率不高,原料不可再生的缺点;风力发电属于新能源发电,洁净无污染,具有典型的间歇性和不稳定性,受到地域的限制;太阳能发电是对能源最直接的利用,但目前价格昂贵,适用范围狭窄,转换率低,未能大规模地开发,也不具备明显的经济效益优势;我国核能发电的原料有限,开发运营成本高,存在安全性与公众接受性等问题。

水力发电具有如下几个优点:水力资源属于可再生资源;无污染物排放,绿色环保;水力发电可提供廉价电力,运营成本低[2];部分电站可控制洪水泛滥、提供灌溉用水、改善河流航运等,社会综合效益好。

随着高速公路逐步向偏远地区扩散,高速公路运行电能得不到保障,需要稳定可靠的电源点为高速路网提供稳定的电源。西部偏远地区经济欠发达,基础设施落后,但沿线清洁能源[3]十分丰富,这对西部地区高速路发展提供了能源保障。通过对消防用水水资源综合开发利用研究,倡导绿色发展,对隧道绿色资源研究具有重大意义,也对整个西部地区高速公路的发展有着十分重要的意义,特别是对沿线众多电力匮乏地区的发展意义更为突出。

1 二郎山隧道水能资源研究

1.1 二郎山隧道工程概况

雅安至康定高速公路位于雅安市雨城区、天全县及甘孜州泸定县、康定县境内,于对岩枢纽互通处与在建雅西高速公路相接,经始阳、天全、紫石、新沟、泸定,止于康定县城东,路线里程约为133km,为山岭河谷区4车道高速公路,路线设计时速为80km/h。

雅安至康定高速公路是《四川省高速公路网规划》中东西横线之一康定至泸州的重要组成部分,是连接成都至康定的重要通道,是通往藏区的重要国防线和生命线,在区域路网及社会经济发展中具有重要的地位和作用。二郎山隧道是雅安至康定高速公路重大控制性工程之一,隧道长约13.4km,采用四斜井三区段纵向式通风,康定端左线斜井长1734m,康定端右线斜井长1710m,被誉为“川藏第一隧”。

1.2 消防取水布置概况

雅康高速公路二郎山隧道途径四川省甘孜州泸定县境内五里沟。五里沟位于泸定县上游大渡河左岸,属于大渡河一级支流,距离泸定县县城约5km,东经102°15′53.84″,北纬29°57′07.51″,区域内沟壑纵横。

二郎山隧道消防取水选用水源为五里沟,取水口位于隧道通风斜井出口,白沙沟汇入五里沟的汇合点下游150m处。

消防取水设施主要包括:拦水坝、消防水管、高位水池。拦水坝建坝坝址高程约1788m,水坝主体高4.8m,长约13m,上部宽3m,下部宽4m,断面呈梯形。高位消防水池位于通风斜井内高程约1671m,距离通风斜井出口约1110m。通风斜井末端连接风机房,高程约1595m。

1.3 五里沟水能资源分析

通过对消防取水口拦水坝水文资料分析计算,拦水坝坝址集雨面积为20.4km2。坝址多年平均流量为0.86m3/s,水能资源丰富。若将水能资源转化为电能,将消防用水充分开发利用,供给隧道照明等用电设施,将有效减小二郎山隧道的用电成本。

结合消防取水拦水坝、隧道通风斜井、风机房,合理布置水电站取水工程、压力钢管、厂房及尾水渠,开发水力资源,新建双电源工程,将水能资源转化为电能资源。

经过初步研究,二郎山隧道双电源供电工程项目为引水式开发,在五里沟通风斜井出口河段布置首部枢纽,初拟正常水位1794m,引水线路为沿二郎山隧道通风斜井边墙设置总长1.8km的压力钢管,设计引用流量1.35m3/s,主管直径0.8m,流速2.6m/s,相应修建地下厂房(与地下风机房合并建设与管理),尾水渠利用二郎山隧洞底部的中央排水沟排到隧道出口,电站尾水位1595m,利用落差199m。

2 水工布置

消防取水设施建设在五里沟河段上,须增设拦沙排沙设施,避免造成拥堵。五里沟属泥石流频发河段,夏季泸定地区降雨量偏大且较集中,雨量较大,河水携带大量泥沙、枯枝树叶等。经过雨季后,拦水坝上游水库来水泥砂、碎石、飘木等容易造成淤积堵塞,为保证二郎山隧道消防安全,将消防取水按水力设计取水进行布置,不仅满足消防取水水源,而且满足水力发电需求。

取水口布置主要包括:底格拦栅坝、节制闸、沉砂池、冲沙闸、工作闸、拦污栅、输水管道、闸阀等设施。

消防取水管与发电引水管均从沉砂池取水。在保证消防取水的同时,进行取水发电,从而不相互影响。

压力钢管采用D=0.8m钢管,沿隧道通风斜井边墙进行布置,100m设置一镇墩,20m设置一支墩,将压力钢管接入地下厂房。尾水通过连接厂房及隧道的安全人行通道下排水沟流入隧道中央排水沟,排出隧道外。取水平面布置见图1。

图1 取水平面布置

地下厂房布置在地下风机房右侧,主厂房长17.5m,宽10m,高8.5m,主机间布置2台冲击式机组,见图2。

3 电气接入

二郎山隧道供电体系为双电源供电,在雅安端及康定端均可接入电源。为保证隧道用电可靠性,雅安端变电所由天全县沙坪110kV变电站引入一回35kV架空专线至二郎山隧道雅安端洞口,作为雅安端变电所外接电源;康定端变电所由泸定县鸳鸯坝110kV变电站引入一回35kV架空专线至二郎山隧道康定端洞口,作为康定端变电所外接电源;雅安端变电所和康定端变电所共同向二郎山隧道提供电力,两端向二郎山隧道输送电力的10kV供电回路通过供电网络互为热备用,雅安端变电所和康定端变电所均能够单独承担二郎山隧道所有用电负荷。

为不影响二郎山隧道的供电运营模式,将五里沟双电源供电工程发电接入二郎山隧道两端电网接入口,接入电网进行发电供电。

4 优势及创新点

(1)二郎山隧道双电源供电项目,可为高速公路及局部区域新增电源点,提高隧道等用电可靠性及保证率。

(2)二郎山隧道双电源供电项目利用现有取水拦水坝及斜井,结合通风斜井进行压力钢管布置,基本不新增永久占地,极大地减小建设期固定资产投资,节约征地成本,节约固定成本投入。

(3)二郎山隧道双电源供电项目在满足生态流量的前提下,在提供隧道消防用水的同时,充分利用剩余水资源,创造清洁电能资源。

(4)二郎山隧道双电源供电项目主副厂房与风机房并排布置,不用单独考虑厂房位置,运维管理与隧道管理可相互结合,一定程度上节约运营管理成本。

(5)采用无人值守,少人值班,远程自动控制方式进行管理,避免在现场艰苦环境值班值守,节约人力资源成本。

(6)沉砂池可供双电源取水及消防水池取水,在保证同时使用的情况下,两者互不干扰。

(7)项目尾水通过隧道排水沟进行排水,不用再单独考虑发电排水问题。

(8)采用双回路接入隧道康定端和雅安端两端电网接入口,接入电网,不返送电网,直接用于隧道用电。

(9)在压力钢管末端通风斜井设截水沟和分洞。压力钢管若爆管,水流将通过截水沟排入主厂房下箱涵,通过尾水渠排入隧道中央排水沟。

(10)压力钢管沿通风斜井边侧布置,在满足通风斜井通风设计要求情况下,不影响隧道通风要求。

(11)当发生上游来水不足、爆管等事件突发时,实现水轮机发电设备自动开启和关闭。

(12)通过底格栏栅坝取水,泥砂通过表层排向下游,水流进入沉砂池,解决了山区河流经常遭遇泥石流淤堵无法发电取水问题,也解决了隧道消防取水因淤积无法取水问题。

(13)副厂房位于端头,通过通风设备将风循环系统接入风机房排风洞,解决长深隧道内副厂房散热问题。

5 结论

(1)二郎山隧道双电源供电项目电能指标较优,具有一定的开发价值,可进一步开展研究,将双电源供电工程在雅康、汶马高速公路建设中进一步应用及推广。

(2)二郎山隧道双电源供电项目的实施,可借鉴到藏区高速公路沿线,充分利用山区高速公路沿线丰富的水力资源优势,将水能转化为电能,在提高隧道等用电保证率的同时,不仅能够为高速公路提供清洁的备用电力资源,还可节约高速公路运营成本。

(3)水电站与高速公路结合开发,降低投资,增加收益,具有较高的创新价值。

(4)结合隧道消防取水进行水能资源开发利用,形成具有发电功能的隧道,具有较好的经济效益,该应用在隧道建设项目与发电建设项目中均属于首创,将两者充分结合在一起,具有较高的创新性。