紅巖水庫引水發電系統關鍵建筑物設計淺析

汪 羅，李茜希，邵紅艷

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽550002)

0 前言

紅巖水庫工程位于馬鈴河上革樓電站下游3 km～4 km，水庫壩型為面板堆石壩，水庫總庫容1464萬m3，本工程等別為III等，工程規模屬中型。所處地質地形條件較為復雜，主要工程任務是供水、農田灌溉和發電。水庫校核洪水位1071.49 m，正常蓄水位1070 m。水庫年供水量3299萬m3，下放生態水量896萬m3，電站裝機容量800 kW。

引水發電系統布置于大壩左岸，由岸塔式取水口、有壓引水隧洞、發電廠房組成。水電站發電廠房布置于大壩下游左岸壩腳，為岸邊引水式廠房，電站設計引用流量2.37 m3/s，裝機規模為800 kW，多年平均發電量293萬kW·h，該取水系統除發電功能外還兼有下放環境水的功能。

引水發電系統的設計關系到整個工程發電效益的發揮，采用合理且安全的工程設計方案是工程建設的基礎，也是充分實現工程建設任務的保證。紅巖水庫工程具有結構復雜，地形地質條件復雜等特點，工程引水發電系統的設計關系到整個工程發電效益的發揮。本文結合工程地質地形條件，對引水發電系統關鍵建筑物方案設計進行探討。

1 電站取水口與引水道設計

發電引水系統的取水口布置于左岸壩段上游面，進水口位于距壩軸線上游約58 m處，取水口型式為岸塔式取水口，同供水取水口重疊布置。發電系統取水口的底板高程1042.0 m，進口設攔污柵（共用）、平面工作閘門各一扇，攔污柵孔口尺寸4.0 m×6.0 m（寬×高），閘門孔口尺寸2.0 m×2.0 m（寬×高），后接隧洞段，隧洞水平總長228.58 m，其中與供水系統合用的隧洞段長134.53 m，該段隧洞為城門洞型，斷面2.8 m×5.05 m，該隧洞內下部為發電引水部分，洞徑為2.0 m。上部為供水管道埋管段，該隧洞為有壓洞，全段回填C25鋼筋混凝土，厚段約為400 mm。與供水系統合用段分岔后，樁號0+146.53～0+210.07段隧洞采用圓形有壓斷面，洞徑D=2.0 m，洞長78.6 m，樁號0+210.07～0+240.58段為壓力鋼管隧洞段，內設D=2 m的壓力鋼管，長30.5m，出洞后接電站廠房。

在發電引水鋼管主管上接三分岔管，左右兩邊岔管接電站機組，中間岔管接一生態放水管，管徑DN600，放水管中心高程為1022.8 m，出口用流量控制閥控制，放水管從廠房底部穿過中間尾水墩接入尾水渠。根據生態需水量的計算，蓄水期和枯水期水庫應下放生態用水量0.286 m3/s，放水管流速為1.01 m3/s。

1.1 水力計算

（1）取水口底板高程計算。為防止出現漩渦和吸氣漏斗，有壓進水口的最小淹沒深度S按戈登公式計算[1～2]：

式中：C 為系數，C=0.55～0.73；V 為閘孔斷面平均流速，m/s；d為閘孔高度，m。

經計算，最小淹沒深度S=0.587 m，因此發電取水口的底板高程不能高于1046.4 m。考慮到發電取水與供水取水重疊布置，供水取水的底板高程為1045.0 m，因此，需發電取水布置于供水取水下部。經過布置發電取水口的底板高程為1042.0 m。經復核1042 m低于1046.4 m，滿足發電的最小淹沒深度。

（2）水頭損失計算。引水發電系統水頭損失計算從取水口起，至蝶閥中心止，其中取水口段長8 m，引水隧洞段長250 m，壓力鋼管主管長10 m，壓力鋼管支管長2×10.64 m。引水道進口中心高程1046 m，出口中心高程1022.8 m，引水流量2.37 m3/s。水頭損失按△h=hf＋hm計算。

沿程水頭損失hf按下式計算：

（3）調壓井判別。引水隧洞段長250 m，洞徑為2.0 m，根據下式判別：

式中：TW為壓力水道慣性時間常數；L為壓力水道長度，m；v為流速，m/s；H 為設計水頭，m。

經計算，TW=0.42 s＜2 s，故不需要修建調壓井。

1.2 水錘計算

電站為壩后式電站，引水系統包括引水隧洞、引水壓力鋼管。引水隧洞長度為240 m，管徑為2.0 m；壓力鋼管主管長度為30.5 m，直徑2.0 m。二臺機組在額定水頭下運行，并同時甩額定負荷，計算最大轉速上升和壓力上升值，并驗算機組在最大水頭下同時甩額定負荷時的最大壓力上升值。計算結果見表1。

表1 調保計算結果表

局部水頭損失hm按下式計算：式中：A為水道過水斷面面積，m2；L為水道計算長度，m；C為謝才系數；Q為發電流量，m3/s；n為糙率，引水隧洞段取0.015、壓力鋼管段取0.012；R為水力半徑；ξ為局部水頭損失值；v為發電流量下的隧洞流速，m/s。

經計算，發電流量為2.37 m3/s時，水道（含進水口、隧洞、壓力鋼管）水頭損失△h=0.305 m。

結論：1）接力器關閉時間為3 s；2）要求機組轉動慣量不小于800 kg·m2；3）機組最大轉速上升為47%，引水系統管道壓力最大值為54.1 m3。

1.3 結構計算

1.3.1 取水口井筒結構計算

1）井筒抗浮穩定計算公式如下：

式中：Kf為抗浮穩定安全系數；ΣV為建基面上垂直力總和，t；U為建基面上揚壓力力總和，t。

抗浮穩定計算結果：基本組合計算工況，正常蓄水位Kf＝2.89，大于規范最小安全系數值1.1；特殊組合計算工況，校核洪水位Kf＝2.13，大于規范最小安全系數值1.05。由結果可知：井筒抗浮穩定滿足規范要求。

2）井筒抗滑、抗傾覆穩定計算：因井筒基礎為切向坡且無不利的裂隙和斷層，所以不存在沿層面或斷層滑動的滑移面，故不需進行抗滑穩定計算；水庫蓄水后井筒淹沒在水中，井筒四周都承受相同的水壓力，不存在井筒傾覆的條件，所以也不需進行抗傾穩定計算。

3）建基面應力計算：底板及上部結構竣工時，水庫無水，僅有建筑物自重，此時地基壓應力最大。考慮施工完建未蓄水的情況為最不利工況，計算建基面的平均應力，公式如下：式中：δ為建基面上計算點垂直應力，MPa；W為建基面上垂直力總和，kN；A 為建基面面積，m2。

經計算，基礎平均應力為0.81 MPa，小于強風化基巖允許承載力1.0 MPa，滿足基礎允許承載力要求。為了工程安全提高地基承載力，在井筒基礎考慮間排距3 m，孔深10 m的基礎固結灌漿。

1.3.2 進水鋼管結構計算

本工程進水鋼管主要是埋管段，因管道管徑不是太大且鋼管段位于隧洞出口段，考慮管道安全富余，全管道均按明管來計算。

1）管壁厚度的擬定：計算斷面的中心水頭，結合電站調保計算的水擊壓力初步確定。管材選用Q235-C，屈服強度σs＝235 N/mm2，允許應力 [σ]＝0.55σs，彈性模量 Es=2.06×105N/mm2、泊松比vs＝0.3，焊縫系數φ＝0.95。按鍋爐公式：

式中：p 為計算水壓力，kPa；[σ]為 Q235 鋼材的允許應力，MPa；φ為鋼管焊縫的焊接系數，取0.95；C為銹蝕裕量，mm，取2.0 mm。

鋼管管壁厚度除應滿足強度要求外，還需滿足穩定性要求。按保證鋼管不喪失穩定的條件：δ/D≥1/130。若取壁厚為16 mm，則：δ/D=16/2000=1/125＞1/130，滿足穩定性要求，故鋼管壁厚取16 mm。

滿足剛管制造、安裝及運輸要求的最小管壁厚度按下式計算：式中：D為鋼管內徑，mm。通過計算最小的管壁厚度為8 mm，根據結構計算所得壁厚16 mm，滿足最小管壁厚度要求。

2）管壁抗外壓穩定計算：本工程管道位于帷幕后段且在隧洞末端，考慮工程安全性外水頭按洞頂最高山體厚度來考慮，即為20 m。對于明管，鋼管管壁和加勁環抗外壓穩定安全系數不得小于2,即：K＝Pcr/0.1＞2,考慮設置加勁環增強抗外壓穩定，加勁環高度150 mm，厚度10 mm。

作用于加勁環間管壁的臨界外壓，采用米賽斯公式計算，計算公式為：

式中：Es為鋼材彈性模量，N/mm2；t為鋼管管壁厚度，mm；n 為最小臨界壓力的波數，取相鄰的整數；l為加勁環間距mm；r為鋼管半徑，mm；vs為鋼材泊桑比，取0.3。

作用于加勁環的臨界外壓按以下兩式計算，取兩者中的小值：

式中：FR為加勁環有效截面面積，mm2；JR為加勁環有效截面對中心軸的慣性矩mm4；R為加勁環有效截面中心軸處的半徑，mm；l為加勁環間距，mm。

經計算，管壁抗外壓穩定的臨界外壓Pcr=0.14 MPa，管壁抗外壓安全裕度K=Pcr/0.2=0.14/0.2=0.7＜2不滿足要求，需設置加勁環。加勁環抗外壓臨界外壓較小值Pcr1=0.496 Pa，加勁環管壁抗外壓安全裕度K=Pcr1/0.2=0.496/0.2=2.48＞2滿足要求；從而，取水鋼管的直徑為2.0 m，其管壁厚度16 mm和加勁環間距2.0 m滿足規范要求。

2 發電廠房設計

2.1 發電廠房結構布置

發電廠房采用一管雙機引水方案，管材選用Q345，主管長度6 m，壁厚12 mm，支管長度14.4 m，壁厚10 mm。電站主廠房裝設二臺單機容量均為400 kW的臥式混流式水輪發電機組，機組間距為10 m，主廠房安裝間與主機間長31.46 m，寬13.0 m。廠房建基高程1018.5 m，水輪機安裝高程1025.5 m，發電機層高程1024.86 m，尾水管底板高程1019.5 m，安裝間高程1029.0 m。副廠房位于安裝間的下層，一層布置，平面尺寸（長×寬）8.34 m×13.0 m。廠區地面高程1029.0 m，采用水平進廠方式，由下游公路至廠區回車場。

廠房位于壩后河床，廠房邊坡開挖主要形成一面臨坡，即廠房后邊坡，場地自然地形坡度13°～25°。廠址基巖出露，覆蓋層零星分布，地基巖體為（P2w2）的碳質、粉砂質泥巖,巖體強風化深度4 m～5 m。巖體中無斷裂構造分布，主要結構面是

式中：Kf為抗浮穩定安全系數；ΣV為建基面上垂直力總和，t；U為建基面上揚壓力力總和，t。

抗浮穩定計算結果：基本組合計算工況時，正常蓄水位下K＝7918/2082=3.80，大于規范最小安全系數值1.1；特殊組合計算工況時，校核洪水位K＝7918/3914=2.02，大于規范最小安全系數值1.05。由結果可知：廠房抗浮穩定滿足規范要求[3～5]。

2.2.2 廠房抗滑穩定計算

廠房出口段自然地形坡度20°～23°。進、出口段巖質邊坡均為切向坡，廠址基巖出露，覆蓋層零星分布，地基巖體為（P2w2）的碳質、粉砂質泥巖，巖體強風化深度4 m～5 m，出口無不利結構面，綜上分析廠房不存在整體滑動可能。

2.2.3 廠房建基面應力計算

底板及上部結構竣工時，水庫無水，僅有建筑物自重，此時地基壓應力最大。考慮施工完建未蓄水的情況為最不利工況，計算建基面的平均應力，公式如下：巖層面及裂隙，巖層產狀：98°∠13°。巖質邊坡主要為順向坡，自然邊坡相對穩定。邊坡最大高度為14.5 m。邊坡穩定性較好。

邊坡處理措施為：開挖邊坡為1∶1，常規噴錨支護，噴混凝土厚10 cm，系統錨桿φ25，L=3 m，間距為3.0 m×3.0 m。基礎面開挖至弱風化基巖，若基礎面達不到要求，需進行局部擴挖到新鮮基巖，然后擴挖部分采用C15埋石混凝土回填至設計基礎高程。

為保證基巖體的完整性，提高基礎承載力，對廠房基礎作固結灌漿處理。灌漿孔布置于整個建基面，間排距均為3 m，孔深5 m，梅花型布置。固結灌漿總進尺935 m。

2.2 發電廠房結構計算

2.2.1 廠房抗浮穩定計算

廠房抗浮穩定計算公式如下：

式中：δ為建基面上計算點垂直應力，MPa；W為建基面上垂直力總和，kN；A 為建基面面積，m2。

經計算，基礎平均應力為0.27 MPa，小于強風化基巖允許承載力0.8 MPa，滿足基礎允許承載力要求。

3 結語

結合地質地形條件，提出紅巖水庫引水發電系統關鍵建筑物布置的設計方案，通過結構穩定計算、抗傾覆穩定計算、水錘計算等方法驗證方案的合理性，從而達到工程布置緊湊合理、運行管理安全、工程投資節省等目的。為本工程在日后正常工作環境下的安全運行提供了有力的技術保證，也能為同類工程提供借鑒作用。