掌鸠河引水供水工程输水工艺及水力力学设计.pdf

收稿日期2 0 0 6 - 1 0 - 1 2 基金项目 省院省校科技合作项目0 0 Y T 0 2 作者简介 黄光明1 9 5 8 , 男, 浙江义乌人, 教授级高工, 副院 长, 从事水利水电工程设计、 管理工作; 凌云1 9 5 9 , 男, 云南昆明 人, 教授级高工, 从事水利水电工程设计、 管理工作; 马国萍1 9 6 7 , 女, 云南东川人, 高级工程师, 从事水利水电工程水工建筑物设计工作. 1工程特点 掌鸠河引水供水工程是昆明市的城市供水工程, 由于系 统投入运行后将很难有停水检修的机会, 因此在必须具备长 期安全可靠地供水的同时, 还要求具备流量调节灵活可靠, 事 故或检修停水后能迅速再供水以避免管道再次充水的时间 过长给生产和居民生活带来不利影响。 为节省工程投资输水 线路按单线设计, 在只有一条输水管道的情况下, 引水系统 建成后能否保证长期安全可靠地供水, 从某种意义上讲是工 程成败的关键, 因此, 输水工艺及水力学设计就显得尤为重要。 水源工程与净水工程的距离约9 7k m,在进行输水线路 布置时, 为缩短输水距离, 便于运行管理, 少占耕地林地, 保 护自然环境及降低工程造价,输水建筑物布置以隧洞为主, 配以倒虹吸和沟埋管作为过沟连接建筑物。 输水线路沿线地质条件复杂, 分布有灰岩、 玄武岩、 白云 岩、 砂岩、 泥岩、 板岩、 页岩等, 断层发育, 隧洞穿过的大小断 层达6 0多条, 破碎带总宽度达23 0 0多m。 2输水工艺设计 在初步设计中对输水工艺进行了多方案研究, 本文就无 压输水、 有压输水和分段压低自动控制输水方案进行简单介绍。 2 . 1无压输水方案 无压输水时, 首端用调流阀进行控制和消能, 阀后设平 压水池, 从平压水池取水。除倒虹吸和倒虹吸式布置的沟埋 管处于有压运行状态外, 其余沟埋管和所有隧洞都处于无压 运行状态, 隧洞结构只承担运行时的洞内水体重力, 不承担 内水压力。 此方案的优点为 对围岩要求较低, 较能适应沿线 复杂的地形地质条件, 且能通过在其顶部设置排水孔有效地 降低外水压力, 结构受力明确, 运行安全可靠, 操作简单。其 缺点为 所有倒虹吸和倒虹吸式布置的沟埋管必须设置进出 水池; 不能利用水库最低运行水位以上的削落水深, 在输水 线路断面尺寸相同情况下,最大输水流量比有压方案小; 当 水厂需要检修或停止运行时,首部闸门关闭以后需约2 0h 才能放空输水道内的水体, 再次运行时, 水从水库到水厂也 需要差不多相同的时间, 运行灵活性较差, 难以满足运行灵 文章编号0 5 5 9 - 9 3 4 22 0 0 61 1 - 0 0 7 8 - 0 2 掌鸠河引水供水工程输水工艺 及水力学设计 黄光明, 凌 云, 马国萍 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院, 云南 昆明6 5 0 0 5 1 关键词 输水工程; 输水工艺; 有压输水; 无压输水; 分段压低自动控制输水; 结合井; 掌鸠河引水供水工程 摘要 针对山区长距离输水工程复杂的地形地质条件,因地之宜的开展了多方案的输水工艺、 水力学特性分析和 试验研究工作, 首次创新地应用了分段压低自动控制输水工艺, 成功地解决了常规长距离有压输水工艺和无压输 水工艺存在的问题, 既满足了城市供水快速、 灵活的需要, 又节约了投资, 缩短了工期, 为类似工程积累了经验。 D e s i g no f T e c h n i q u e s a n dH y d r a u l i c s f o r Z h a n g j i u h e Wa t e r S u p p l yP r o j e c t H u a n g G u a n g m i n g , L i n g Y u n , M a G u o p i n g K u n m i n g H y d r o p o w e r I n v e s t i g a t i o n , D e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t e , C H E C C , K u n m i n g Y u n n a n6 5 0 0 5 1 K e yWo r d s w a t e r c o n v e y e r p r o j e c t s ; t e c h n i q u e s o f w a t e r c o n v e y e r ; p r e s s u r ew a t e r c o n v e y e r ; f r e ef l o ww a t e r c o n v e y e r ; a u t o m a t i c p r e s s u r e r e l e a s e b y m u l t i s e c t i o no f t h e l i n e ; j o i n t w e l l ; Z h a n g j i u h e Wa t e r S u p p l y P r o j e c t A b s t r a c t H y d r a u l i c a n a l y s e s a n dL a bs t u d y s f o r m u l t i a l t e r n a t i v e o f Wa t e r C o n v e y e r T e c h n i q u e s t o a d a p t t h e c o m p l i c a t - e dc o n d i t i o nb o t hi nt e r r a i na n dg e o l o g y o f l o n g e r d i s t a n c e Wa t e r C o n v e y e r S t r u c t u r e s i nM o u n t a i n o u s A r e a . A p p l y A u t o - m a t i c P r e s s u r e r e l e a s e b y m u l t i s e c t i o no f t h e l i n e f i r s t l y i m p r o v e db o t hP r e s s u r e a n dF r e eF l o wWa t e r C o n v e y e r m e t h o d , s a t i s f i e dr a p i d l y r e s p o n s e a n df l e x i b l e w o r k i n g f o r a b i g c i t y s w a t e r s u p p l y , a s w e l l a s c o s t s a v i n g a n ds h o r t e nc o n s t r u c - t i o np e r i o do f t h e p r o j e c t , a d da n e ws a m p l e f o r i n t e n d i n g a n ds i m i l a r p r o j e c t . 中图分类号T U 9 9 1 . 3 2;T V 6 7 22 7 4 文献标识码A 第3 2卷第1 1期 2 0 0 6年1 1月 水 力 发 电 Wa t e r P o w e r V o l . 3 2 . N o . 1 1 工程水力学技术 7 8 Wa t e r P o w e r V o l . 3 2 . N o . 1 1 图1结合井示意 单位m 活方便的要求; 若引水隧洞运行中发生局部塌方造成隧洞堵 塞时, 易引起隧洞内水压力迅速提高, 导致隧洞结构本身的 破坏, 扩大事故规模, 造成更大的损失; 隧洞的底坡将直接影 响过流能力; 施工中一旦出现意想不到的地质问题时, 不具 备改线的条件, 输水线路沿线存在着较多的Ⅳ、Ⅴ类围岩和 大量的断层、 破碎带, 尤其是要通过喀斯特不同发育程度的 长1 4 . 7k m的灰岩和长1 8 . 7k m的白云岩段,施工中难免出 现意想不到的困难, 因此存在着较大的施工风险。 2 . 2末端控制全有压引水方案 末端控制全有压引水方案即在末端隧洞出口设控制闸 门, 采用全有压输水, 最大压力水头达1 3 0m。该方案能满足 输水工程快速灵活运行的要求,但由于隧洞内水压力太大, 不可避免地会导致隧洞衬砌混凝土开裂等结构上的问题, 既 增加了工程投资又增加了工程风险和结构难度。 2 . 3分段压低自动控制方案 针对无压引水和有压方引水方案的优点和存在的问题, 通过多方案的研究比较提出了分段压低自动控制方案, 其布 置示意见图1。该方案采用库内取水, 坝后设电站消能, 电站 事故或检修时由消力池消能;在无压输水线路的基础上, 将 输水道分成1 0段, 各压低段之间设置结合井, 结合井内设过 流堰。 以云龙水库最低运行水位调流阀全开时的压力坡降线 来确定各结合井的堰顶高程、 各输水隧洞底板高程和沟埋管 的高程; 以云龙水库多年平均运行水位调流阀全开时输水道 的压力坡降线来确定各结合井的顶高程。 运行时结合井可作 为补排气通道,并在过流堰后的斜直段消除多余的水头; 当 其后段的输水道发生堵塞事故时, 结合井将作为事故泄水通 道, 使事故的影响限制在两个结合井之间的范围, 确保不因 突发事故使隧洞的压力有过大的增加, 所以, 分段压低自动 控制方案主要通过在输水线路中设置的结合井而得以实现。 结合井示意见图2。 模型试验成果表明在过校核流量Q 1 0m 3 / s 时, 该体形 结合井的堰上水深为1 . 7 5m。 故结合井内堰体顶高程为压力 坡降线减去1 . 7 5m。为达到引水道保水的目的, 同时保证隧 洞压力不过高, 确定堰顶高程比其上端隧洞洞顶最高点高程 高0 . 5m。隧洞的坡度定为3 / 10 0 0 3 / 1 00 0 0, 可根据实际施 工情况加以调整。 分段压低自动控制输水方案的特点是 除结合井下游有 一小段处于无压 无压段根据流量大小而异, 无压段的长度 随着输水流量的增大而减小 运行状态外, 其余均在有压状 态下运行, 当水厂检修或停止运行时, 能保留输水道内9 5 以上的水体, 再次运行时来水速度快。首部闸门的操作能很 快反应到水厂, 满足水厂迅速调整流量灵活运行的要求。隧 洞最大承压水头仅1 4 . 1 1 1m, 与全有压方案的1 3 0m水头相 比发生了质的变化, 结构上很容易满足抗裂设计的要求。输 水线路布置相对较灵活,较易适应施工过程中输水道长度、 高程的变化。当施工中遇到大的喀斯特溶洞时, 可以通过绕 道改线等方法解决。 基本解决了有压和无压输水方案存在的 问题, 并融合了两者的优点, 既满足了水厂迅速调整流量灵 活运行的要求, 也解决了高内水压力带来的结构问题。 3选定方案的水力学设计 3 . 1水力学计算公式 1 沿程水头损失。沿程损失采用谢才公式计算 h f V 2 L C 2 R 式中,C为谢才系数;V为断面平均流速,m / s ;R为断面的水 力半径,R D / 4,D为过水断面内径;L为输水道长度。 2 局部水头损失。局部水头损失计算公式为 h j ζ V 2 2 g 式中,V 2 / 2 g为流速水头;ζ为水头损失系数。 3 过流能力。过流能力计算公式为 Q μ cω 2 g H 式中,ω为管道出口断面面积;H为进口阀后水位与水厂水 位的高差;μ c为管道流量系数, μ c 1 1 “λil i d i ω ωi 2 “ζi ω ωi 利用一次支护与围岩联合 受力, 保持围岩稳定并承担大部分内水压力; 外水压力由排 水系统消减, 调压室水位变幅时的压差通过锚杆及预应力锚 索传递至围岩, 主要由围岩承担。井壁采用钢筋混凝土薄壁 结构,C 2 5钢筋混凝土衬砌厚度为0 . 8m, 纵横方向均不设撑 梁, 利用锚杆、 锚索形成整体受力结构。 井筒四角采用贴角形 式, 贴角长与宽均为2m。调压室采用阻抗式, 引水道与井筒 采用三通管连接, 取消渐变段, 减少了水头损失。 调压室底板 顶面高程为8 0 6 . 0 0 0m, 底板最小衬砌厚度为2m。阻抗孔为 圆形, 内径6m, 衬砌顶面高程为8 0 3 . 5 0 0m, 孔周最小衬砌 厚度1 . 5m。调压室下部水道为圆形, 内径与引水隧洞相同, 均为8 . 5m, 出口1 0m洞段水道内径由8 . 5m收缩为7 . 3m, 与压力钢管道相接。调压室顶拱高程为8 6 0 . 0 0 0 m, 总开挖高 度6 9 . 2 3 4m, 顶拱采用喷锚支护的方式, 不设混凝土衬砌, 顶 拱半径为9 . 4 1m, 中心角1 2 3 . 7 7 , 利用调压井施工上支洞4 号支洞 作为调压井的通气洞。 由于调压室井壁衬砌较薄, 为减小外水压力对衬砌的影 响, 井壁外侧设置了纵横排水系统, 横向在8 2 0 . 0 0 0、8 0 3 . 5 0 0 m高程处设置2道闭合的水平排水盲沟管, 竖直向均匀设置 了1 0道纵向排水盲沟管, 并汇总引至施工支洞堵头外。 为有效降低外水压力, 在调压井长边两侧底板高程附近 各布置1个排水洞, 水平净距1 8 . 1m,1号排水洞长约7 0m, 2号排水洞长约1 0 6m,排水洞断面为方圆形,设计断面为 2 . 5m 3m。沿排水洞顶拱及内侧向调压井方向打设排水孔, 孔深分别为2 5 . 4m和1 7m, 孔径1 0 0m m。 混凝土衬砌浇筑完成后在水力变幅区的8 3 0 . 0 0 0m及 8 3 4 .0 0 0 m高程处打设2排1 0 0 0 k N级预应力锚索, 共4 8根, 以确保运行期安全。 5调压室围岩支护设计 本工程矩形调压室空间尺寸大, 需满足永久整体稳定的 要求。围岩支护参照地下厂房设计规范设计, 并考虑其长期 承受水压作用, 在适当部位予以加强。根据开挖揭露的地质 条件及开挖成型情况, 确定顶拱不衬混凝土, 顶拱支护采用 挂双层钢筋网喷2 0c m厚混凝土加系统锚杆的支护形式, 系 统锚杆采用2 5 长4 . 5m 、3 2 长9m 2m 2m, 梅花形 长短交替布置, 并打设排水孔, 孔深8m, 间排距4m 4m; 在 拱脚处布置两排锚筋桩, 规格为33 2, 长9m, 间排距2m 1 . 5m,以保证顶拱稳定。8 5 4 . 0 0 0m高程以下井壁采8 0c m 厚钢筋混凝土衬砌,内外侧均布置一层钢筋,水平筋为 2 8 2 0c m, 竖向筋为3 2 2 0c m, 一次支护喷1 5c m厚混 凝土, 视开挖情况现场确定是否挂钢筋网。布置2 5 长4 . 5 m 、3 2 长9m 间距1 . 5m 1 . 5m的梅花形长短交替锚杆, 并与面层钢筋牢固焊接;在8 1 7 . 5 0 0m和8 2 2 . 0 0 0m高程分 别布置1 8根10 0 0k N级预应力锚索, 长2 0m和2 5m, 长短 交替布置, 以控制施工期围岩变形, 确保施工期工程安全; 混 凝土衬砌浇筑完成后在8 3 0 . 0 0 0m及8 3 4 . 0 0 0m高程打设2 排10 0 0k N级预应力锚索, 共4 8根, 以确保运行期安全。调 压井混凝土衬砌后布置有纵横向排水盲沟管, 形成一个排水 系统, 排除调压井的渗水, 降低外水压力, 以防水位变化时, 外压过大造成混凝土衬砌破坏。 调压井采用自上而下分层施工开挖, 逐层锚喷支护的施 工程序。顶拱开挖以4号施工支洞为施工通道, 采用中导洞 领进, 两侧扩挖跟进及周边光面爆破, 并及时进行一期支护 处理, 完成顶拱支护后, 再进行井身的施工开挖, 其方式为中 导井出渣, 先周边预裂, 而后垂直梯段爆破, 最后光面爆破成 形, 一次锚喷、 挂网支护及时跟进。 6结 语 崖羊山水电站采用的矩形浅埋式调压室较好地适应了 当地的地形地质条件, 施工进展顺利。该方案比露天调压井 节省投资约6 0 0万元, 并加快了施工进度。引水系统于2 0 0 6 年4月充水运行, 运行期分别进行了各项增、 丢负荷试验, 各 项监测指标无异常, 运行正常。 本工程首次采用无撑梁大断面浅埋式矩形调压室结构, 采用由围岩和一次支护为主承担山岩压力和内外水压力的 设计思路, 并合理设置了排水系统, 较好地解决了围岩和结 构的稳定问题。 据笔者掌握的资料, 崖羊山水电站大断面地下浅埋式矩 形调压室, 开挖断面4 5 . 4m 1 6 . 9m, 总高达6 9m, 规模巨大, 采用的纵、 横向无支撑薄壁结构, 在国内应用尚属首次。 图3输水线路水力学设计过程 案研究, 在国内首次创新地应用了分段压低自动控制输水工 艺, 成功地解决了常规长距离有压输水工艺和无压输水工艺 存在的问题。该成果已通过水力学实验的验证和各级审查, 现工程施工已近尾声, 即将投入运行。 上接第7 9 页 工程水力学技术 8 2