1、丰满水电站三期工程引水系统设计1O 东北水利水电 2004 年第 8 期(第 22 卷 241 期)文章编号10020624(2004)08001002丰满水电站三期工程引水系统设计孙健,宋宏伟,吴显伟(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春 130021;2.水利部松辽水利委员会,吉林长春 130021)摘要丰满水电站三期工程是利用并改造原左岸泄洪洞,在原洞线中后部再分出一条引水发电支洞.地面式厂房布置于原泄洪洞出口处,安装 2 台单机容量为 140MW 的水轮发电机组; 为保证泄洪的功能.在引水主洞前部分岔出一条新的泄洪洞.本文介绍了引水系统的设计概况,特别是对非常规设计作了较详细
2、的说明.关键词 丰满水电站 ;三期工程 ;引水系统中图分类号Tv732 文献标识码B丰满水电站位于吉林市东南 24km 处的松花江上.水库总库容 108 亿 m】.主要建筑物由混凝土重力坝,坝后式厂房及左岸泄洪洞组成.坝顶全长 1080m,最大坝高 91m,经过一,二期建设,共装 10 台机组,总装机容量为 724MW.左岸泄洪洞建于 1979 年.当时的任务为战时放空水库.称之为放空洞,全长 688.5m,主洞洞身为直径 9.2m 的圆形断面.1987 年,将放空洞改建为泄洪洞,目的在于防洪保坝,使之满足泄洪的要求.丰满水电站三期工程是利用已有的左岸泄洪洞为引水洞,扩建分岔形成 2 条压力管
3、道,与地面厂房(位于原泄洪洞出口处)连接.丰满三期工程主要由进水口,检修闸门井,引水洞,泄洪洞,一座调压井,2 座快速闸门井,2 条压力管道及地面式厂房等建筑物组成.共装 2 台机组.总装机容量为280MW.为保证原泄洪洞的泄洪功能.在发电支洞交叉点上游 55m 处新建一条泄洪支洞.新泄洪支洞出口位于丰满大坝下游 195in 处,下泄水流经挑流鼻坎挑射抛人下游河道 .1 工程地质条件泄洪洞洞区山体比较雄厚,且较完整.围岩为变质砾岩,岩石极其坚硬,呈巨厚层状,抗风化能力强,洞身段以微风化岩石为主.主要断层走向与洞线夹角虽然较小.但断层倾角较陡.破碎带宽度较小.对洞身围岩稳定影响不甚严重.洞身围岩
4、属微透水极微透水岩体.调压井区由二迭系下统的变质砾岩组成,山坡表面覆盖有第四系松散堆积物,厚度 1-2m,为含砾石壤土.变质砾岩深灰色,砾石蚀圆度好,粒径一般为 5-10Cnl,硅质胶结.变晶或变余砾状结构,呈巨厚层状构造.岩石极坚硬,抗风化能力强,变质砾岩层理极不明显.有 4 条断层(F13,F14,F23.F57)从该区通过,但规模较小.破碎带宽度在 0.1,0.7in 之间.均由碎屑泥状物夹角砾岩组成 .4 条断层接近平行.且倾角均较陡.除 F23 断层为 80o-85o外.其余 3 条断层均为 75.-85o.因此三期扩建工程地质条件较好.2 引水系统布置丰满三期工程引水建筑物是由进水
5、口,检修闸门井,引水主洞,调压井,快速闸门井,压力管道组成.建筑物组成及结构布置见图 1.检图 1 引水系统平面布置引水发电隧洞进水口采用原泄洪洞进水口.此进水口为水下岩塞爆破口,由岩塞爆破形成直径约 11in,高约 15in的水下岩塞爆破漏斗.进水口轴线与水平线成 60o 的夹角.塞口位于水库正常蓄水位以下 37in 处.塞口下部设有爆破集渣坑.进口段隧洞为钢筋混凝土衬砌.圆形断面直径为 10.2in.长 142in.前 60m 段隧洞洞底采用 i=O.14 的反坡 .集渣坑和反坡洞段可防止推移质进入隧洞.进水口后设检修闸门井,闸门井内设 2 扇 4rex9in 平板检修门,底板高程为205
6、.O0in.检修闸门井与新泄洪洞分岔处之间为直径 9.2in的钢筋混凝土圆形断面.0+340.O0in 桩号为引水主洞分岔点.0+340.O0in 桩号以后接 11,12 号压力管道,11 号压力管道由原泄洪洞改造形成,同时在下游侧新建 12 号压力管道,压力管道内径均为7.9in.每条压力管道分别设有快速闸门井.门孔尺寸为 7.5mx7.9in.根据地质条件,压力管道末端采用钢板衬砌,11 号压力管道钢板衬砌长度为 143.3in.12 号压力管道钢板衬砌【收稿日期】2004-02-13【作者简介】孙健(1970 一).男.河南省许昌人.学士.高级工程师,主要从事水利水电工程设计工作.200
7、4 年第 8 期(第 22 卷 241 期)东北水利水电 11长度为 120.5m.调压井位于引水主洞分岔处.为升管阻抗式.升管面积为隧洞面积的 61%.升管直径为 7.2m.大井采用圆形断面,内径 19m,调压井总高 71.1m.为防止污物进入水轮机.调压井底部 2 条压力管道入口处各设 2 扇固定拦污栅,尺寸为 5.4mXl1m.3 引水系统设计(1)进水口及引水洞.进水口为原岩塞爆破口,根据爆破后水下地形测量及潜水调查所得的资料分析:进水口正面洞脸岩石比较坚硬完整,又无不利结构面组合,故洞脸岩体是稳定的;进水口成型与设计预测形状基本一致,喇叭口表部尺寸与原设计漏斗基本接近.因此进水口维持
8、现状不动.进水口至检修闸门井之间维持原洞径(o=1o.2m)及底坡不变.丰满三期工程安装 2 台单机容量为 140MW 的水轮发电机组,单机引用流量为 296.7m/s.按原过水断面计算,则当 2 台机同时运行时,主洞最大平均流速为 8.93rn/s,超过规范允许值,造成水头损失过大.但是从运行上考虑.2 台机组中需 1 台担任系统的事故备用.一般情况下只有 1 台运行,2 台机同时运行的机率很低.因此为节省工程量及缩短工期,主洞洞径维持原洞径不变,仍采用 9.2m.(2)调压井.调压井位于引水主洞分岔处.理论分析表明,当一个电站的装机容量小于电网容量的 1/3 时,电站机组运行的稳定性可由电
9、网来保障,与调压室的面积无关,调压室只考虑自身的大波动稳定.东北回龙山,太平哨等几座电站的多年实际运行经验也验证了此点.丰满三期工程的装机容量占东北电网的比重很小.因此调压井面积可不受托马面积控制.初步设计阶段调压井结构型式做过多种水力模型试验,最终选用简单式,断面为圆形,内径 24m,衬砌厚 1.o1.5m;为防止污物进入水轮机,在井底设四扇 5.3mX20.0m活动拦污栅,同时为改善调压井底部水流条件.在引水洞分岔处设分流墩,分岔前设集渣坑.此调压井结构型式比较特殊,国内外尚属首例.而且由于调压井工程量很大,且控制工期,为节省投资并改善水力学条件,技施谢寸价段,对调压井进行了优化设计.经过
10、对多种布置型式的分析,在初步设计的基础上选择了 3 种方案进行比较:无阻抗圆井方案,阻抗式双圆弧井方案,升管阻抗式圆井方案.经过水力模型试验,最终选定了升管阻抗式圆井方案.该方案升管内径 7.2m,为隧洞面积的 61%.大井内径19m,井壁采用钢筋混凝土衬砌,厚 1m,调压井高 84.6m.拦污栅采用 4 扇固定拦污栅,尺寸为 5.4mXl1m.井底取消集渣坑,并设置短分流墩.底洞段由于跨度较大,混凝土衬砌厚 2.5m.优化设计后调压井部位在水力学方面得到了以下改善:调压井内涌浪的衰减比.若以第二波高涌浪值与第一波高浪值的比值表示,则关机时为 0.3“0.4,开机时为 0.2.4,即衰减值为
11、60%-70%,调压井的稳定效果很好;穿井系数反映调压井反射水击波的能力,本调压井为 18%,-22%,在设计允许范围之内,最大穿井压力值为 0.08MPa;调压井底洞段水头损失大为减小,比初设时减小 2.66m.且小于常规阻抗式调压井底洞损失值;拦污栅前流速分布较均匀.调压井优化设后减少了大量的工程量.按 1996 年修编初设的单价计算.节省造价 1049.1 万元,占当时调压井造价的 39.2%;调压井施工工期缩短 6 个月,为电站提前发电作出了重大贡献.由于总水头损失减少 2.66m,每年能够增加电能 1870 万 kW?h.电站于 1998 年 7 月 24 日 2 台机全部并网发电,
12、调压井运行良好.(3)压力管道. 引水洞在调压井下部分岔,由于 11 号压力管道为原泄洪洞改造所得,因此 2 条压力管道为不对称分岔,分岔角 40o.压力管道内径 7.9m,采用钢筋混凝土衬砌结构和钢板衬砌结构.11 号压力管道长 231.8m.其中钢管段长 143.3m;12 号压力管道长 269.5m,其中钢管段长 120.5nl.为保护初鲴正常运行.在 2 条压力管道中部设置一座快速闸门井.由于闸门井在机组和调压井之间,因此闸门井内水位亦产生波动,根据水力模型试验,确定了快速闸门井内各层平台的高程.闸门井高 87.7m.由于高压钢管承受最大内压为1MPa,出口部位上覆岩体较薄,按明管设计
13、,隧洞中部按埋管设计,考虑钢管,衬砌,围岩三者联合作用.钢管钢材采用16Mn,厚度 14,-36nlln,为抵抗外水压力,钢管外设加劲环 .lira(上接第 5 页)用有限单元法.有限单元法是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元,并于各个小单元分片构造插值函数,然后根据极值原理,将问题的控制微分方程化为控制所有单元的有限元方程,把总体的极值作为各单元的极值之和,即将局部单元总体组成,求解该方程组就得到各节点上待求的函数值.解题步骤:进行单元分析,建立管段中的沿程水头损失与流量之间的关系;对系统中的每一个节点建立连续方程 ,即包括“节点消耗 “在内的流入某节点的流量应等于流出该节点的
14、流量,由此条件可导出系统的总体方程式,并由此解出各节点的测压管水头值;根据各管段两端点的测压管水头差计算管道的流量.4 结论本文阐述在管网规划布置及用水量已知的前提下,根据管网布置形式的不同,建立其相应的数学模型,从而计算管道流量,管径,水头损失和节点水头值,以及水泵的扬程和水塔的高度等,为给水工程的设计提供了一定的借鉴和依据.参考文献1严煦世,范谨 .给水工程M. 北京:中国建筑工业出版社,1998.2吴持恭.水力学 (上,下)M.北京:高等教育出版社 ,1979.3杨景芳.微机计算水力学M.大连:大连理工出版社.1991.4周雪漪.计算水力学 M.北京:清华大学出版社,1995.5王继明.给水排水管道工程M.北京:清华大学出版社,1989.
