巴基斯坦Balakot 水電站隧洞式尾水調壓設施設計

姚德生 王守甲

水電站作為最重要的清潔能源之一，其開發形式多種多樣，其中，長距離引水式電站由于可減少庫區淹沒范圍，減少移民數量，減輕筑壩帶來的環境負面影響，得到廣泛應用。長距離引水電站在運行過程中經常會遇到負荷突然變化的情況，將不可避免的在有壓輸水管道中出現“水錘”現象，并在壓力水道中傳播。為改善水錘現象，減小水錘在引水道中的傳播，常常在有壓輸水隧洞內設置調壓設施，從而降低壓力管道中的水錘值，改善機組的運行條件。

常規調壓設施的基本形式有簡單式、阻抗式、水室式、溢流式、差動式及氣墊式。另外，隧洞式調壓設施在國內外也常有應用，隧洞式調壓設施不僅可以解決水錘的問題，還可解決施工難度大以及施工風險問題，在工程項目中取得了良好的效果。巴基斯坦的NEELUM JHELUM水電站工程的尾水調壓設施就是采用的隧洞式，目前已運行了多年，運行狀況良好。

隧洞式調壓設施適用于受地形地質條件限制，調壓井布置存在一定困難的工程。在長距離引水電站中，調壓井的斷面尺寸一般較大，調壓豎井的高度一般較高，當遇到地形比較復雜，地質條件比較差的情況，調壓井的施工會遇到很大挑戰，如經常發生豎井塌方等安全事故，造成巨大的經濟損失及工期延誤。這種情況下，隧洞式調壓設施可能具有極大的優勢，可降低施工風險及難度。

從本質上講，隧洞式調壓設施屬于簡單式調壓井的一種，只是將傳統的圓筒式調壓井替換為緩傾的隧洞，以獲得相當的調壓井斷面及容積。隧洞式調壓設施除了具有調保作用以確保電站安全運行外，在施工過程中還可作為施工支洞，節省了工程投資及工期。

巴基斯坦Balakot水電站的尾水調壓設施采用隧洞式調壓設施，隧洞式調壓洞在施工期作為施工支洞通往尾水隧洞、壓力鋼管下平段，并承擔壓力鋼管及鋼岔管的運輸任務。

1 工程概況

巴基斯坦Balakot水電站為引水式水電站，壩址以上控制流域面積約1 939 km2，多年平均流量83.5 m3/s，水庫正常蓄水位1 288.000 m，相應庫容365 萬m3，死水位1 283.000 m，調節庫容120萬m3?；炷林亓巫畲髩胃?9 m，壩頂高程1 292.000 m。

大壩設計泄流標準為10 000年一遇洪水，校核標準為可能最大洪水。消能標準為1 000 年一遇洪水。廠房區域設計運行基準地震（OBE）加速度為0.27g，安全評估地震（SEE）加速度為0.87g。

工程主要建筑物包括：混凝土重力壩、引水發電系統（電站進水口、引水隧洞、上游調壓井、壓力豎井、壓力鋼管、尾水調壓隧洞及尾水洞）、地下廠房系統（主機洞、主變洞、電纜洞及主交通洞等）、地面開關站及輸變電線路等。地下廠房內安裝3 臺單機100 MW 的混流式水輪發電機組，總裝機容量300 MW，設計發電引水流量153.9 m3/s，發電額定水頭約217.6 m。

Balakot 水電站尾水隧洞總長約1 730 m，尾水隧洞斷面為直徑8.0 m 的圓形斷面。尾水調壓隧洞基巖地層為新近系穆里組，主要巖性為泥質粉砂巖夾粉砂巖及中細砂巖，泥質粉砂巖一般為呈薄-中厚層狀，屬中硬巖。粉砂巖和中細砂巖多以夾層形式出現。地質構造以單斜構造為主，層間擠壓破碎帶較發育，巖層產狀一般為NW280°~310°NE∠60°~80°，局部傾向SW。地下水類型主要為基巖裂隙水，大部分洞段位于地下水位以下，較完整的微新巖體透水性多為弱透水，局部破碎巖體透水性較大。

巴基斯坦Balakot水電站尾水調壓設施原招標文件設計為調壓豎井型式，采用的是簡單阻抗式，根據原設計，尾水調壓井的內徑凈尺寸為15 m，高度為220 m。

尾水調壓井位于昆哈河左岸山體內，屬中山地貌，地面坡度30°~40°。地表植被較茂密，以高大松樹為主。周圍有3條沖溝切割深度不大，周圍伴有滑坡、崩塌等不良地質現象。地面廣泛分布第四系坡積物、坡洪積物。

調壓豎井的基巖地層為新近系穆里組，巖性主要為中細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖及頁巖。地層巖性由老至新主要為：（1）中細砂巖，厚度最大8 m。主要成分為陸源砂，以巖屑、石英為主，膠結物為鈣質膠結物和少量黏土質。（2）粉砂巖，粉細粒結構，薄-中厚層狀構造，鈣質膠結，巖石較堅硬。多以夾層形式出現，鉆孔揭露單層最大厚度2~3 m。（3）泥質粉砂巖，粉粒結構，薄-中厚層狀構造，泥質膠結，巖石強度較低。該類巖石受層間及層內擠壓破碎帶影響，順層向劈理發育，最大厚度9~11 m。（4）頁巖，青灰色，泥質結構，具有定向構造，頁理發育，主要成分為黏土質。風化巖石呈薄片狀。

根據原設計，尾水調壓井坐落在深厚覆蓋層上，井口邊坡面臨滑坡風險。豎井區內巖石條件較差，成洞困難。加之尾水調壓井的斷面尺寸較大、高度較高，施工難度大、施工風險高。經研究論證，為降低施工難度，將尾水調壓豎井改為隧洞式調壓洞，同時兼做通往壓力鋼管下平洞段的施工支洞。

2 隧洞式尾水調壓設施的設計

2.1 調壓設施的布置

尾水調壓設施采用隧洞式，尾水調壓隧洞沿尾水洞反方向布置，如圖1 所示，尾水調壓隧洞出口高程為1 090 m，高于河道的10 000 年一遇洪水位。尾水調壓隧洞的長度約為507 m，隧洞底板坡度為13.04%，分為有壓段及無壓段，最高涌浪水位（1 068.30 m）以下為有壓段，最高涌浪水位以上的為無壓段。有壓段的長度約為355 m，斷面為城門洞形，凈尺寸為7.50 m×9.125 m（寬×高）；無壓段的長度約為152 m，斷面也為城門洞形，斷面凈尺寸為7.50 m×7.60 m（寬×高）。

圖1 尾水調壓隧洞布置

調壓隧洞縱剖面如圖2所示。

圖2 尾水調壓隧洞縱剖面

2.2 調壓設施調保計算

調保計算：通過計算3臺機組在額定水頭和最大水頭甩額定負荷等不同組合工況，從而確定導葉關閉規律、關閉時間、機組轉動慣量GD2、上下游調壓室塔高水位、上下游調壓室尺寸等參數。確保機組投入運行后，水輪機調節過程中壓力和轉速變化在預期范圍內，電站安全、穩定、經濟運行。

根據相關規范，調保計算需滿足以下要求：

（1）在各工況下，有壓引水系統全線各斷面最高點處的最小壓力不應低于0.02 MPa，且不應出現負壓脫流現象。

（2）在各工況下，機組甩負荷時，在蝸殼進口出現的最大壓力值不高于3.3 MPa。

（3）機組甩負荷時的最大轉速升高率保證值，設計工況按不超過50%控制。

（4）尾水管進口的最大真空度應不大于0.06 MPa，即尾水管出口最小水壓不小于-6.00 m。

調保計算輸入參數見表1。

表1 調保計算參數

2.2.1 SIMSEN軟件穩定斷面分析

通過SIMSEN 軟件Generalized Surge Shaft 模型，對傾斜的調壓室進行穩定斷面分析。Generalized Surge Shaft 模型是一種更新的模型，可以通過調整慣性及斷面參數來模擬傾斜水柱的過渡過程，其模型如圖3所示。

圖3 SIMSEN軟件Generalized Surge Shaft模型示意圖

式中H——隧洞的水頭，m；

z——隧洞中心高程，m；

A0——隧洞斷面面積，m2；

p——隧洞水壓力，m；

ρ——水密度，kg/m3；

Q——隧洞斷面流量，m3/s。

模擬計算過程中，調壓隧洞傾角及計算穩定斷面面積之間關系如圖4所示。

圖4 Generalized Surge Shaft模型中隧洞傾角與穩定斷面面積關系示意圖

式中α——傾斜式調壓設施的傾角，（°）；

Hc——調壓設施內水面高程，m；

zd——調壓設施底板高程，m；

Lh——水力慣性，s2/m2；

AFT——傾斜式調壓設施斷面垂直方向的面積，m2；

A——傾斜式調壓設施斷面水平方向的面積，m2；

Qb——流量，m3/s；

Cd——流量系數，取0.42；

n——指數，取3/2；

pHd——水頭，m；

Aco——阻抗孔處的面積，m2；

Lwc——流道長度，m；

Rb——阻力系數。

經計算，為滿足尾水管最小負壓要求、最大蝸殼壓力要求以及最大轉速上升的要求，尾水調壓隧洞的最小AFT為63.62 m2。

2.2.2 水力過渡過程仿真計算系統

水力過渡過程仿真計算系統的應用理論為有壓管道非恒定流數學模型和特征線法。

導葉關閉規律采用6 s 直線關閉，機組轉動慣量為2 700 t·m2，調節保證計算的機組最大轉速升高率、蝸殼末端最大壓力、尾水管最小壓力極值按照水輪機設計工況控制，均能滿足標準要求。調保計算結果見表2。

表2 調節保證計算結果

隧洞式尾水調壓洞的洞口高程為1 090.00 m，高于調保計算的最高涌浪水位1 068.30 m；尾水調壓隧洞的底高程為1 027.205 m，低于調保計算最低涌浪水位1 046.60 m，尾水調壓隧洞的設計滿足調保計算要求。

2.3 隧洞式尾水調壓設施的優點

結合巴基斯坦Balakot水電站工程尾水調壓設施的前后兩個設計方案，經對比，隧洞式尾水調壓設施具有以下優點：

（1）可擺脫不良地形地質條件的制約。對于內徑15 m，豎井高度達220 m 的調壓豎井，對地形地質條件要求較高。首先，調壓井井口處要有足夠的施工平臺，便于布置大型施工設備；其次，調壓井井口平臺的地質條件要好，否則調壓井井口的穩定性將受到影響；最后，調壓豎井圍巖條件要好，否則施工過程中容易出現塌方問題，或者需要額外的支護措施，增加工程投資及工期。隧洞式調壓洞洞口位置選擇較為靈活，受地形地質條件影響較小。

（2）降低施工難度及施工風險。調壓豎井為垂直施工，普通施工設備無法使用。尤其對于地質條件相對較差的深豎井，施工難度較大、施工進度較慢。鉆導向孔時容易偏離，導向孔擴挖溜渣時容易帶動孔壁滑塌，并且不容易被發現，塌方處理需投入大量精力和工期。隧洞式調壓設施的尺寸較小、隧洞坡度較緩、施工難度較低、施工風險較小，施工工期有保證。

（3）可作為施工支洞，節省工程投資。若單獨考慮調壓豎井及調壓隧洞，豎井的工程量會較少，但是其開挖單價卻遠高于隧洞的開挖單價。另外，調壓隧洞在施工前期可兼做施工支洞，承擔壓力鋼管下平洞段的運輸，而調壓豎井方案需另外做1條施工支洞滿足壓力鋼管的運輸安裝要求。綜合分析，調壓隧洞可節省工程投資。

3 結 語

隧洞式調壓設施不僅可滿足調保要求，還具有施工便利等優點，可適用地形地質條件較差的工程中。隧洞式調壓設施可擺脫調壓設施受地質條件的制約、降低施工風險，提高施工進度，同時調壓隧洞也可作為施工支洞等，進而降低工程投資。