喜兒溝水電站調壓井設計

高 珍 段 彬 劉軍鵬

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065； 2.西安國際陸港投資發展集團有限公司，陜西 西安 710026)

1 工程概況

喜兒溝水電站為引水式電站，位于甘肅省舟曲縣的白龍江干流上，工程任務是發電，樞紐主要建筑物包括：混凝土閘壩、引水發電洞、調壓井及壓力鋼管、電站廠房及GIS開關站等。最大閘壩高20.50 m，為徑流式水電站，水庫正常蓄水位1 538.00 m。電站設計水頭57.8 m，裝機容量72 MW，保證出力15.7 MW，年發電量3.13億kW·h。本工程為Ⅲ等中型工程，電站工程主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。本工程地震基本烈度為8度，地震設防烈度按8度計。

該調壓井布置于廠房后山坡上，上游接引水隧洞，下游與壓力管道相連，阻抗式調壓井頂部為敞開式，頂部高程為1 590.2 m，底部高程為1 516.00 m。根據工程地質條件，高程1 524.0 m以上采用沉井法開挖。調壓井井筒下部直徑為18.0 m，高9.5 m，上部沉井直徑為22.0 m，高65.0 m，總高度為74.5 m，阻抗孔直徑為4.0 m，高度為27.6 m。有壓引水隧洞洞徑為7.5 m，岔管采用“卜”形，分別與三條進廠支管連接[1]。

本工程調壓井布置在Ⅵ級基座階地的前緣，地面高程為1 622 m，河水位為1 471.63 m，相對高差約150 m。覆蓋層很厚，達97 m，上部分布淡黃色粉土以及塊碎石土，厚為33.4 m；下部是沖洪積含漂石砂卵礫石層，厚為63.6 m。在1 565 m～1 575 m高程段，有孤石層，孤石粒徑較大，一般為2 m～3 m，大的可達4 m～5 m，巖性為灰巖，多呈渾圓狀，巖性較硬；基巖頂部高程為1 525.0 m，由絹英千枚巖、炭質千枚巖夾花崗閃長巖巖脈組成，巖層產狀NW327°SW∠81°，巖體內中、陡傾角裂隙較發育；巖體呈薄層狀結構，巖體完整性較差，圍巖為Ⅳ類、Ⅴ類，井壁巖性主要為絹英千枚巖、炭質千枚巖及花崗巖條帶組成，由于巖層傾角高陡，在施工過程中，調壓井井壁容易產生坍塌破壞，應及時采取錨固和混凝土襯砌措施[1]。

調壓井地質素描見圖1。

2 調壓井布置設計

2.1 調壓井設置條件

設置調壓井的條件按下式進行[2]：

Tw>[Tw]。

Tw=∑LiVi/gHp。

其中，[Tw]為Tw的允許值，一般取2 s～4 s，本工程取4 s。

經計算，水流慣性時間常數Tw=49 s，大于[Tw]允許值4 s，因此，引水系統必須設置調壓室。

2.2 調壓井斷面設計

1)調壓井穩定斷面面積計算。

調壓室穩定斷面面積按托馬(Thoma)計算公式計算并乘以系數K決定：

其中，K為系數，采用1.0～1.1，本工程取1.0。

經計算，上游水位1 536.00 m時，調壓井所需穩定斷面面積為709 m2，調壓井直徑為30.0 m。

2)調壓井井筒直徑選擇。

本電站裝機容量占系統容量的比例很小，在系統中不參加調頻，有減小調壓井斷面的先決條件。我國已建水電站中，大幅度減小調壓室面積的工程統計見表1。可以看出，如按托馬公式計算，調壓井面積均很大，而實際采用的值卻相應地減小。蓮花電站在確定調壓井面積時充分考慮了該電站在電力系統中所占比重(按0.4考慮)，因此，相應面積也大幅度減小，這些電站自建成至目前運行穩定[3]。

表1 國內幾座水電站調壓井特性

從以上分析及國內幾座電站的實際運行實踐，可認為水電站調壓井面積是可以小于托馬公式求得的面積，而面積的大小由調壓井的布置及涌浪容積、工程量及地形地質條件綜合考慮確定。根據調壓井部位的地形地質條件和機組安裝高程的限制，經計算分析，確定調壓井直徑D=18.0 m為較優斷面。因調壓井井筒下部布置在巖石內，上部布置在覆蓋層內，由于結構布置的需要，布置在基巖內的井筒直徑為18.0 m，布置在覆蓋層內的井筒直徑為22.0 m。

3)調壓井涌浪計算。

調壓井涌浪計算是根據水電站調壓井內水位振蕩基本微分方程采用龍格—庫塔法計算求解。經計算，最高涌浪水位1 560.91 m，最低涌浪水位1 520.75 m。

4)結構設計。

根據調壓井涌浪計算成果，取調壓井大井底板高程為1 516.00 m，低于最低涌浪水位約6.00 m。調壓井處隧洞頂板高程1 485.92 m，阻抗孔高度為27.7 m。

2.3 調壓井型式及施工方法選擇

長隧洞引水式水電站通常都設有調壓井，調壓井型式分為敞開式和地下式兩種。地下式調壓井對井筒處的地質條件要求較高，往往因為將調壓井布置在圍巖較好處而增加隧洞長度，同時交通洞(兼通風洞)長度也要大幅增加，造成投資增加和工期延長；敞開式調壓井也往往因為要把井筒布置在基巖里，需要把上部的覆蓋層全部挖掉，開挖量大、邊坡高，造成植被破壞，同時，開挖的棄渣也要占用大量的耕地，造成水土流失，且工程投資較大[4]。

喜兒溝水電站調壓井上部地質條件為沖洪積漂卵礫石層，開挖中如果采用錨桿或錨筋束輔以噴混凝土方式加固井壁，不僅很難找到合適錨固段，而且成孔困難，施工安全風險很大，工期難以保證。

如此地質條件，常規的調壓井豎井開挖難以實施，經過類似地質條件下的工程調研，推薦采用適應該地質條件的沉井方案。采用沉井法施工，能有效避免井壁坍塌，施工安全風險大大降低，工期得到有效控制。

2.4 沉井設計

喜兒溝水電站調壓井為阻抗式，頂部為敞開式。調壓井大井位于基巖的部分，直徑18.00 m，壁厚1.50 m，井筒高度8.00 m，大井采用二級配C25鋼筋混凝土襯砌，厚度為1.50 m。上部位于砂礫石中的井筒，采用沉井方法施工，沉井內徑為22.00 m，沉井壁厚取為1.50 m，上部沉井采用鋼筋混凝土結構。阻抗孔直徑為4.0 m，高度30.08 m，采用鋼筋混凝土襯砌，厚度為1.00 m。

沉井頂高程取為1 889.00 m，位于上部淡黃色粉土和塊碎石土底緣，1 889.00 m以上為1.80 m高的欄板，沉井底部高程為1 824.00 m，取在基巖分界線以下1.0 m，沉井總高度為65.00 m，沉井井壁為沖洪積含漂石砂卵礫石層。

沉井井筒混凝土要求達到調壓井井筒永久鋼筋混凝土標準，沉井施工完成后不再進行襯砌。鋼筋采用Ⅱ級鋼，連接方式可采用套筒或搭接焊連接，不允許綁扎連接，環筋可螺旋型布置。沉井施工的刃腳鋼板材質為Q235。沉井混凝土應分層澆筑，第一層和第二層混凝土達到設計強度后方可澆筑第三層混凝土，其他層混凝土達到70%設計強度后可澆筑上一層混凝土。每節沉井井壁不再設橫縫，要求開倉后一次澆筑完。下一層澆筑前，每層橫縫均須進行鑿毛處理[5]。

沉井第一層和第二層混凝土達到設計強度后可開挖下沉，沉井下沉開挖應該分段、對稱、跳倉進行，防止下沉傾斜。為了沉井順利施工，要求對沉井下沉過程的井筒位移、傾斜、偏轉等動態觀測，以便于及時糾偏。

為提高調壓井井壁周圍巖石的整體性，擬對井壁周圍巖石進行固結灌漿，固結灌漿孔間、排距3.0 m，孔深5.0 m，呈梅花形布置。

上部沉井下沉到位后，用3Φ32，L=12.0 m錨筋樁鎖定。

調壓井頂部為覆蓋層，按1∶1.25邊坡開挖后，形成約30 m高的邊坡，按照規范要求20 m設置一級馬道。

3 施工技術主要難點

喜兒溝調壓井沉井施工難度大，技術要求高，主要存在如下施工技術難點：

1)本調壓井工程沉井作為調壓井開挖支護的安全措施，同時作為調壓井井筒的一部分，對沉井下沉過程中的偏移和傾斜有嚴格的限制，如何保證復雜地層條件下深65 m、內徑22.0 m的沉井順利下沉、準確就位，滿足相關質量要求，是本工程的一大難點。

2)沉井直徑非常大，所處地質條件為沖洪積含漂石的砂卵礫石層，地質條件復雜，特別是面臨地質條件改變等不可預見因素，沉井下沉過程中可能出現停沉、下沉困難或突沉等不利情況。

3)沉井直徑大，內徑22.0 m，首節外徑達到25.2 m，上部各節外徑25.0 m，下沉過程中井壁可能出現地層特性不對稱、孤石等情況，沉井開挖下沉中難免出現下沉不均勻、偏移或者傾斜，需要采取合理的施工工序以及糾偏措施，同時沉井本身的應力變形狀況也非常值得關注，避免出現沉井開裂破壞等狀況。

4)結合本工程特點，施工期間隨著沉井開挖深度增加形成高空作業，施工安全問題也尤為突出[6]。

4 結語

1)本文依托的喜兒溝水電站調壓井工程，采用沉井作為調壓井開挖安全措施和井筒永久結構，沉井為圓筒形，內直徑22.0 m，底節外直徑25.2 m，上部各節直徑25.0 m和24.4 m，井內漂石砂卵石開挖約29 475 m3，膠結砂礫石開挖3 799 m3，沉井最大下沉深度65 m。

2)喜兒溝水電站調壓井沉井工程于2008年3月7日開挖調壓井沉井刃腳部位，2011年6月2日下沉65 m，達到設計高程，根據最終測量成果，沉井達到設計高程后，中心偏移為46.3 cm、傾斜角度為25′18″，均符合設計要求。

3)通過觀察喜兒溝65 m沉井下沉施工過程，漂卵礫石地層中，沉井井壁并不是同步下沉，下沉不均衡，雖間隔時間極短，但是沉降的斷續性十分明顯。

4)通過研究沉井的裂縫成因和開挖施工方法，喜兒溝水電站調壓井沉井開挖施工嚴格按照先中間后預留、先硬基后軟基、先其他部位后支撐點的順序進行，以保證沉井開挖、下沉對稱、勻速。

喜兒溝水電站調壓井工程采用沉井施工方法，將原設計中的覆蓋層土方明挖由34.2萬m3減少到15.7萬m3，減少了18.5萬m3，降低工程投資166.68萬元。減少征地及棄渣場占地約30畝，該項節省投資共計為180萬元。同時，直接節約調壓井工程施工措施費約463萬元。該項目采用的大型沉井施工方法為今后調壓井布置突破環境保護及移民征地制約等方面提供了借鑒依據。同時為調壓井在軟弱地質條件下開挖的安全支護措施提供了新的思路，拓展沉井在類似豎井工程建設領域的應用范圍，在國民經濟建設中具有廣泛的應用前景。