智利阿爾托邁坡高水頭電站的水道系統

[奧地利]

S.威森巴赫 等

智利阿爾托邁坡高水頭電站的水道系統

[奧地利]

S.威森巴赫 等

智利阿爾托邁坡水電項目包括阿爾法奧法II和拉斯拉哈斯兩座高水頭電站，水道系統復雜。描述了兩座電站的水力瞬變分析和壓力鋼管襯砌設計，以便對兩座電站調壓設施的施工和投資進行優化，并確定高達1160m水頭的壓力鋼管襯砌設計的內部壓力。

高水頭電站；水道系統；壓力鋼管；初砌設計；阿爾托邁坡水電站；智利

智利阿爾托邁坡水電站位于圣地亞哥西南約60km處，包括阿爾法奧法(Alfalfal)II電站和拉斯拉哈斯(Las Lajas)電站。阿爾法奧法Ⅱ電站從伊索(Yeso)河和沃爾坎(Volcán)河引水，其尾水直接流入拉斯拉哈斯電站的引水隧洞。拉斯拉哈斯電站除了利用阿爾法奧法Ⅱ電站的尾水外，還從科羅拉多河引水(阿爾法奧法Ⅰ電站的尾水匯入該河)。兩座電站的廠房均為地下廠房，都設有長尾水隧洞并安裝沖擊式水輪機。電站地下水道由長約56 km的隧洞組成，其中采用盾構機和鉆爆法施工各占約50%。

該項目由全球電力公司智利子公司(AES Gener)和智利安托法加斯塔(Antofogasta)礦業集團聯合開發，兩家公司持股比例分別為60%和40%。項目的設計采購施工(EPC)土建合同由斯特伯格公司(Strabag)承擔，工作內容包括兩座電站的地下廠房、阿爾法奧法Ⅱ引水隧洞的50%及該電站下游的所有土建工作。該項目的上游部分，包括沃爾坎隧洞在內，由另外一家公司負責施工。機電設備和電站廠房內部土建工程則由第三家承包商承擔。

ILF工程咨詢公司負責兩座電站的水力瞬態分析和壓力鋼管襯砌設計。瞬態分析的目的是對兩座電站的施工和投資進行優化，并確定高達1 160 m水頭的壓力鋼管襯砌設計的內部壓力。其他設計工作還涉及到隧洞施工的一些特殊方面。

1 阿爾法奧法Ⅱ電站水道

阿爾法奧法II電站設計流量為27 m3/s，凈水頭為1 160 m，裝機容量為264 MW，安裝2臺立軸沖擊式水輪機組，每臺機組配4個噴嘴。

該電站分別利用長14 km的沃爾坎隧洞和另一條長1.4 km的管道，從伊索河和沃爾坎河引水至電站進水口，再通過一條長5 km的管道，將水流引至長16.2 km的引水隧洞。在引水隧洞末端，又通過高610 m的垂直壓力管道豎井與電站廠房上游的岔管相連，發電尾水則通過長3.1 km的尾水隧洞流入拉斯拉哈斯電站的引水隧洞。

電站調壓室與水道之間通過壓力鋼管頂部上游高450 m的垂直豎井相連。調壓室由一個容積約45 000 m3的地面調壓池構成，通過一條長570 m、坡度10%的平洞與調壓井相連。

2 拉斯拉哈斯電站水道

拉斯拉哈斯電站位于科羅拉多河上，設計流量65 m3/s，水頭為483 m，裝機容量為267 MW，安裝2臺沖擊式水輪機組，每臺機組配6個噴嘴。電站引水分兩個部分：①從前池引水(流量為35 m3/s)，通過一條長1.2 km的管道將水引至長 9.6 km的引水隧洞；②引水(流量為27 m3/s)來自于阿爾法奧法電站的尾水。電站引水隧洞通過垂直壓力管道豎井(高165 m)和廠房上游的岔管連接。電站尾水通過長12.9 km的尾水隧洞在科羅拉多河交匯處下游匯入邁坡河。

調壓室直徑為10 m (高97 m，高程為1 276～1 373 m)，通過壓力鋼管頂部上游的垂直豎井與水道連接。

3 水力學模擬與調壓設施優化

ILF工程咨詢公司采用其專利軟件包iFlow 對電站進行瞬態分析，該專業軟件首次開發于1983年，并持續升級擴展至今。iFlow能夠仿真常規水力學靜態和瞬態條件，也可模擬電站運行和極端水力載荷工況下的響應。仿真過程遵循系統的總體控制算法，復現開始時間、目標值、安全序列以及斜坡函數。截止目前，iFlow已被用于若干大型輸水系統和水電站水道設計，累計超過11 000 km。

根據合同要求，電站所有導水設施(即引水隧洞、壓力管道、主進水閥和水輪機)的內部壓力設計為1.1倍靜壓，這是主導調壓室設計的主要標準之一。

由于合同文件已經規定了調壓室的類型和總體幾何形狀，因此優化分析僅限于調整調壓室的容積、大小以及調壓豎井的直徑。這些內容將在和斯特伯格公司的協作中細化，其重點在于施工的便利性和經濟性。

4 沖擊式水輪機的水力學特性

沖擊式水輪機噴嘴配有針形閥，通過其開度控制噴嘴過流量。水電站在甩負荷情況下，導流器將啟動，以使水流快速偏離水輪機，從而限制水輪機的加速度并避免超速。這種快速反應本身保護了發電機組，且不改變泄流或導致瞬態變化。隨后針形閥可以緩慢閉合，使瞬態變化更易于控制。常規噴嘴的關閉時間為30～60 s。

安裝了沖擊式水輪機的電站，由于水輪機葉輪位于上方，同自由液面相隔離，因此尾水隧洞中發生較大涌浪的概率較小。盡管如此，在隧洞幾何形狀和坡度設計時，確保水輪機轉輪同自由液面間有足夠距離仍然十分關鍵。

5 模型試驗結果

仿真模擬結果顯示，阿爾法奧法Ⅱ電站調壓室容積在滿足性能要求的情況下，可以從45 000 m3縮小至17 900 m3，長570 m的平洞可以作為下部調壓室。同樣，拉斯拉哈斯電站調壓豎井的直徑可以從5 m減小至 3.7 m。如此一來，可以顯著減少投資，并縮短工期。截止目前，項目業主仍未確定調壓室的最終設計方案。

為確定電站水道內部壓力和調壓室水位的最終關系，需要對設計方案進行多次模擬驗證。臨界負載情況并非單次操作引起，而是由一系列操作引起的，例如一次快速啟動后緊急關閉主入口閥。此外，為識別可預期的最極端條件，后續操作的時間順序也會改變。

另外，進行瞬態研究的標準做法是考慮全部可能范圍內的邊界條件，具體如下：①水道比預期更平滑； ②水道比預期更粗糙； ③阿爾法奧法Ⅱ電站進水口最高水位，高程2 501 m； ④阿爾法奧法Ⅱ電站進水口最低水位，高程2 497 m； ⑤拉斯拉哈斯電站前池最高水位，高程1 323 m； ⑥ 拉斯拉哈斯電站前池最低水位，高程1 318 m。

水道的粗糙度取決于隧洞的開挖(TBM或鉆爆法)和襯砌工藝。單從水道類型考慮一定范圍的粗糙度，可以確保設計者預計到最壞的情況，該方法還涵蓋了項目生命周期中水道粗糙度的所有變化。

6 壓力管道鋼襯設計

垂直壓力管道鋼襯是基于最大允許壓力設計的。對于前段無內襯部分，可假定外部壓力等于內部壓力水頭。兩條壓力管道的臨界設計工況是假設隧洞排空條件下屈曲，壁厚由雅各布森(Jacobsen)方程確定，具體見表1。

有限元分析將用于驗證壓力管道在外部壓力和屈曲條件下的設計，以及封閉球形閥上游分叉和推力環設計。由推力環傳遞到混凝土和巖石鍵槽中的力高達30 000 kN，因此還需進行疲勞驗算。

表1 壓力管道鋼襯設計要求

7 結 語

通過在阿爾托邁坡河項目采用水力瞬態分析，不僅可使承包商滿足業主要求的性能標準，還可縮短項目工期、降低項目成本以及改善施工條件，從而在滿足合同要求的前提下解決現場特殊的進出問題。

林 謀 孫 言 譯

(編輯：唐湘茜)

2017-02-20

1006-0081(2017)05-0019-02

TV734.12

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設計與施工