巴基斯坦Balakot 水电站隧洞式尾水调压设施设计

姚德生 王守甲

水电站作为最重要的清洁能源之一，其开发形式多种多样，其中，长距离引水式电站由于可减少库区淹没范围，减少移民数量，减轻筑坝带来的环境负面影响，得到广泛应用。长距离引水电站在运行过程中经常会遇到负荷突然变化的情况，将不可避免的在有压输水管道中出现“水锤”现象，并在压力水道中传播。为改善水锤现象，减小水锤在引水道中的传播，常常在有压输水隧洞内设置调压设施，从而降低压力管道中的水锤值，改善机组的运行条件。

常规调压设施的基本形式有简单式、阻抗式、水室式、溢流式、差动式及气垫式。另外，隧洞式调压设施在国内外也常有应用，隧洞式调压设施不仅可以解决水锤的问题，还可解决施工难度大以及施工风险问题，在工程项目中取得了良好的效果。巴基斯坦的NEELUM JHELUM水电站工程的尾水调压设施就是采用的隧洞式，目前已运行了多年，运行状况良好。

隧洞式调压设施适用于受地形地质条件限制，调压井布置存在一定困难的工程。在长距离引水电站中，调压井的断面尺寸一般较大，调压竖井的高度一般较高，当遇到地形比较复杂，地质条件比较差的情况，调压井的施工会遇到很大挑战，如经常发生竖井塌方等安全事故，造成巨大的经济损失及工期延误。这种情况下，隧洞式调压设施可能具有极大的优势，可降低施工风险及难度。

从本质上讲，隧洞式调压设施属于简单式调压井的一种，只是将传统的圆筒式调压井替换为缓倾的隧洞，以获得相当的调压井断面及容积。隧洞式调压设施除了具有调保作用以确保电站安全运行外，在施工过程中还可作为施工支洞，节省了工程投资及工期。

巴基斯坦Balakot水电站的尾水调压设施采用隧洞式调压设施，隧洞式调压洞在施工期作为施工支洞通往尾水隧洞、压力钢管下平段，并承担压力钢管及钢岔管的运输任务。

1 工程概况

巴基斯坦Balakot水电站为引水式水电站，坝址以上控制流域面积约1 939 km2，多年平均流量83.5 m3/s，水库正常蓄水位1 288.000 m，相应库容365 万m3，死水位1 283.000 m，调节库容120万m3。混凝土重力坝最大坝高49 m，坝顶高程1 292.000 m。

大坝设计泄流标准为10 000年一遇洪水，校核标准为可能最大洪水。消能标准为1 000 年一遇洪水。厂房区域设计运行基准地震（OBE）加速度为0.27g，安全评估地震（SEE）加速度为0.87g。

工程主要建筑物包括：混凝土重力坝、引水发电系统（电站进水口、引水隧洞、上游调压井、压力竖井、压力钢管、尾水调压隧洞及尾水洞）、地下厂房系统（主机洞、主变洞、电缆洞及主交通洞等）、地面开关站及输变电线路等。地下厂房内安装3 台单机100 MW 的混流式水轮发电机组，总装机容量300 MW，设计发电引水流量153.9 m3/s，发电额定水头约217.6 m。

Balakot 水电站尾水隧洞总长约1 730 m，尾水隧洞断面为直径8.0 m 的圆形断面。尾水调压隧洞基岩地层为新近系穆里组，主要岩性为泥质粉砂岩夹粉砂岩及中细砂岩，泥质粉砂岩一般为呈薄-中厚层状，属中硬岩。粉砂岩和中细砂岩多以夹层形式出现。地质构造以单斜构造为主，层间挤压破碎带较发育，岩层产状一般为NW280°~310°NE∠60°~80°，局部倾向SW。地下水类型主要为基岩裂隙水，大部分洞段位于地下水位以下，较完整的微新岩体透水性多为弱透水，局部破碎岩体透水性较大。

巴基斯坦Balakot水电站尾水调压设施原招标文件设计为调压竖井型式，采用的是简单阻抗式，根据原设计，尾水调压井的内径净尺寸为15 m，高度为220 m。

尾水调压井位于昆哈河左岸山体内，属中山地貌，地面坡度30°~40°。地表植被较茂密，以高大松树为主。周围有3条冲沟切割深度不大，周围伴有滑坡、崩塌等不良地质现象。地面广泛分布第四系坡积物、坡洪积物。

调压竖井的基岩地层为新近系穆里组，岩性主要为中细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩及页岩。地层岩性由老至新主要为：（1）中细砂岩，厚度最大8 m。主要成分为陆源砂，以岩屑、石英为主，胶结物为钙质胶结物和少量黏土质。（2）粉砂岩，粉细粒结构，薄-中厚层状构造，钙质胶结，岩石较坚硬。多以夹层形式出现，钻孔揭露单层最大厚度2~3 m。（3）泥质粉砂岩，粉粒结构，薄-中厚层状构造，泥质胶结，岩石强度较低。该类岩石受层间及层内挤压破碎带影响，顺层向劈理发育，最大厚度9~11 m。（4）页岩，青灰色，泥质结构，具有定向构造，页理发育，主要成分为黏土质。风化岩石呈薄片状。

根据原设计，尾水调压井坐落在深厚覆盖层上，井口边坡面临滑坡风险。竖井区内岩石条件较差，成洞困难。加之尾水调压井的断面尺寸较大、高度较高，施工难度大、施工风险高。经研究论证，为降低施工难度，将尾水调压竖井改为隧洞式调压洞，同时兼做通往压力钢管下平洞段的施工支洞。

2 隧洞式尾水调压设施的设计

2.1 调压设施的布置

尾水调压设施采用隧洞式，尾水调压隧洞沿尾水洞反方向布置，如图1 所示，尾水调压隧洞出口高程为1 090 m，高于河道的10 000 年一遇洪水位。尾水调压隧洞的长度约为507 m，隧洞底板坡度为13.04%，分为有压段及无压段，最高涌浪水位（1 068.30 m）以下为有压段，最高涌浪水位以上的为无压段。有压段的长度约为355 m，断面为城门洞形，净尺寸为7.50 m×9.125 m（宽×高）；无压段的长度约为152 m，断面也为城门洞形，断面净尺寸为7.50 m×7.60 m（宽×高）。

图1 尾水调压隧洞布置

调压隧洞纵剖面如图2所示。

图2 尾水调压隧洞纵剖面

2.2 调压设施调保计算

调保计算：通过计算3台机组在额定水头和最大水头甩额定负荷等不同组合工况，从而确定导叶关闭规律、关闭时间、机组转动惯量GD2、上下游调压室塔高水位、上下游调压室尺寸等参数。确保机组投入运行后，水轮机调节过程中压力和转速变化在预期范围内，电站安全、稳定、经济运行。

根据相关规范，调保计算需满足以下要求：

（1）在各工况下，有压引水系统全线各断面最高点处的最小压力不应低于0.02 MPa，且不应出现负压脱流现象。

（2）在各工况下，机组甩负荷时，在蜗壳进口出现的最大压力值不高于3.3 MPa。

（3）机组甩负荷时的最大转速升高率保证值，设计工况按不超过50%控制。

（4）尾水管进口的最大真空度应不大于0.06 MPa，即尾水管出口最小水压不小于-6.00 m。

调保计算输入参数见表1。

表1 调保计算参数

2.2.1 SIMSEN软件稳定断面分析

通过SIMSEN 软件Generalized Surge Shaft 模型，对倾斜的调压室进行稳定断面分析。Generalized Surge Shaft 模型是一种更新的模型，可以通过调整惯性及断面参数来模拟倾斜水柱的过渡过程，其模型如图3所示。

图3 SIMSEN软件Generalized Surge Shaft模型示意图

式中H——隧洞的水头，m；

z——隧洞中心高程，m；

A0——隧洞断面面积，m2；

p——隧洞水压力，m；

ρ——水密度，kg/m3；

Q——隧洞断面流量，m3/s。

模拟计算过程中，调压隧洞倾角及计算稳定断面面积之间关系如图4所示。

图4 Generalized Surge Shaft模型中隧洞倾角与稳定断面面积关系示意图

式中α——倾斜式调压设施的倾角，（°）；

Hc——调压设施内水面高程，m；

zd——调压设施底板高程，m；

Lh——水力惯性，s2/m2；

AFT——倾斜式调压设施断面垂直方向的面积，m2；

A——倾斜式调压设施断面水平方向的面积，m2；

Qb——流量，m3/s；

Cd——流量系数，取0.42；

n——指数，取3/2；

pHd——水头，m；

Aco——阻抗孔处的面积，m2；

Lwc——流道长度，m；

Rb——阻力系数。

经计算，为满足尾水管最小负压要求、最大蜗壳压力要求以及最大转速上升的要求，尾水调压隧洞的最小AFT为63.62 m2。

2.2.2 水力过渡过程仿真计算系统

水力过渡过程仿真计算系统的应用理论为有压管道非恒定流数学模型和特征线法。

导叶关闭规律采用6 s 直线关闭，机组转动惯量为2 700 t·m2，调节保证计算的机组最大转速升高率、蜗壳末端最大压力、尾水管最小压力极值按照水轮机设计工况控制，均能满足标准要求。调保计算结果见表2。

表2 调节保证计算结果

隧洞式尾水调压洞的洞口高程为1 090.00 m，高于调保计算的最高涌浪水位1 068.30 m；尾水调压隧洞的底高程为1 027.205 m，低于调保计算最低涌浪水位1 046.60 m，尾水调压隧洞的设计满足调保计算要求。

2.3 隧洞式尾水调压设施的优点

结合巴基斯坦Balakot水电站工程尾水调压设施的前后两个设计方案，经对比，隧洞式尾水调压设施具有以下优点：

（1）可摆脱不良地形地质条件的制约。对于内径15 m，竖井高度达220 m 的调压竖井，对地形地质条件要求较高。首先，调压井井口处要有足够的施工平台，便于布置大型施工设备；其次，调压井井口平台的地质条件要好，否则调压井井口的稳定性将受到影响；最后，调压竖井围岩条件要好，否则施工过程中容易出现塌方问题，或者需要额外的支护措施，增加工程投资及工期。隧洞式调压洞洞口位置选择较为灵活，受地形地质条件影响较小。

（2）降低施工难度及施工风险。调压竖井为垂直施工，普通施工设备无法使用。尤其对于地质条件相对较差的深竖井，施工难度较大、施工进度较慢。钻导向孔时容易偏离，导向孔扩挖溜渣时容易带动孔壁滑塌，并且不容易被发现，塌方处理需投入大量精力和工期。隧洞式调压设施的尺寸较小、隧洞坡度较缓、施工难度较低、施工风险较小，施工工期有保证。

（3）可作为施工支洞，节省工程投资。若单独考虑调压竖井及调压隧洞，竖井的工程量会较少，但是其开挖单价却远高于隧洞的开挖单价。另外，调压隧洞在施工前期可兼做施工支洞，承担压力钢管下平洞段的运输，而调压竖井方案需另外做1条施工支洞满足压力钢管的运输安装要求。综合分析，调压隧洞可节省工程投资。

3 结 语

隧洞式调压设施不仅可满足调保要求，还具有施工便利等优点，可适用地形地质条件较差的工程中。隧洞式调压设施可摆脱调压设施受地质条件的制约、降低施工风险，提高施工进度，同时调压隧洞也可作为施工支洞等，进而降低工程投资。