掌鸠河引水供水工程输水工艺及水力学设计

'第32卷第11期水力发电2006年11月工程水力学技术文章编号:0559-9342(2006)11-0078-02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650051)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。DesignofTechniquesandHydraulicsforZhangjiuheWaterSupplyProjectHuangGuangming,LingYun,MaGuoping(KunmingHydropowerInvestigation,DesignandResearchInstitute,CHECC,KunmingYunnan650051)KeyWords:waterconveyerprojects;techniquesofwaterconveyer;pressurewaterconveyer;freeflowwaterconveyer;automaticpressurereleasebymultisectionoftheline;jointwell;ZhangjiuheWaterSupplyProjectAbstract:HydraulicanalysesandLabstudysformultialternativeofWaterConveyerTechniquestoadaptthecomplicat-edconditionbothinterrainandgeologyoflongerdistanceWaterConveyerStructuresinMountainousArea.ApplyAuto-maticPressurereleasebymultisectionofthelinefirstlyimprovedbothPressureandFreeFlowWaterConveyermethod,satisfiedrapidlyresponseandflexibleworkingforabigcity"swatersupply,aswellascostsavingandshortenconstruc-tionperiodoftheproject,addanewsampleforintendingandsimilarproject.中图分类号:TU991.32;TV672(274)文献标识码:A2.1无压输水方案1工程特点无压输水时,首端用调流阀进行控制和消能,阀后设平掌鸠河引水供水工程是昆明市的城市供水工程,由于系压水池,从平压水池取水。除倒虹吸和倒虹吸式布置的沟埋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,事运行状态,隧洞结构只承担运行时的洞内水体重力,不承担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内水压力。此方案的优点为:对围岩要求较低,较能适应沿线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线路按单线设计,在只有一条输水管道的情况下,引水系统降低外水压力,结构受力明确,运行安全可靠,操作简单。其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。水池;不能利用水库最低运行水位以上的削落水深,在输水水源工程与净水工程的距离约97km,在进行输水线路线路断面尺寸相同情况下,最大输水流量比有压方案小;当布置时,为缩短输水距离,便于运行管理,少占耕地林地,保水厂需要检修或停止运行时,首部闸门关闭以后需约20h护自然环境及降低工程造价,输水建筑物布置以隧洞为主,才能放空输水道内的水体,再次运行时,水从水库到水厂也配以倒虹吸和沟埋管作为过沟连接建筑物。需要差不多相同的时间,运行灵活性较差,难以满足运行灵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,隧洞穿过的大小断收稿日期:2006-10-12层达60多条,破碎带总宽度达2300多m。基金项目:省院省校科技合作项目(00YT02)作者简介:黄光明(1958—),男,浙江义乌人,教授级高工,副院2输水工艺设计长,从事水利水电工程设计、管理工作;凌云(1959—),男,云南昆明在初步设计中对输水工艺进行了多方案研究,本文就无人,教授级高工,从事水利水电工程设计、管理工作;马国萍(1967—),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。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.78WaterPowerVol.32.No.11 第32卷第11期黄光明,等:掌鸠河引水供水工程输水工艺及水力学设计工程水力学技术活方便的要求;若引水隧洞运行中发生局部塌方造成隧洞堵坡降线减去1.75m。为达到引水道保水的目的,同时保证隧塞时,易引起隧洞内水压力迅速提高,导致隧洞结构本身的洞压力不过高,确定堰顶高程比其上端隧洞洞顶最高点高程破坏,扩大事故规模,造成更大的损失;隧洞的底坡将直接影高0.5m。隧洞的坡度定为3/1000~3/10000,可根据实际施响过流能力;施工中一旦出现意想不到的地质问题时,不具工情况加以调整。备改线的条件,输水线路沿线存在着较多的Ⅳ、Ⅴ类围岩和分段压低自动控制输水方案的特点是:除结合井下游有大量的断层、破碎带,尤其是要通过喀斯特不同发育程度的一小段处于无压(无压段根据流量大小而异,无压段的长度长14.7km的灰岩和长18.7km的白云岩段,施工中难免出随着输水流量的增大而减小)运行状态外,其余均在有压状现意想不到的困难,因此存在着较大的施工风险。态下运行,当水厂检修或停止运行时,能保留输水道内95%2.2末端控制全有压引水方案以上的水体,再次运行时来水速度快。首部闸门的操作能很末端控制全有压引水方案即在末端隧洞出口设控制闸快反应到水厂,满足水厂迅速调整流量灵活运行的要求。隧门,采用全有压输水,最大压力水头达130m。该方案能满足洞最大承压水头仅14.111m,与全有压方案的130m水头相输水工程快速灵活运行的要求,但由于隧洞内水压力太大,比发生了质的变化,结构上很容易满足抗裂设计的要求。输不可避免地会导致隧洞衬砌混凝土开裂等结构上的问题,既水线路布置相对较灵活,较易适应施工过程中输水道长度、增加了工程投资又增加了工程风险和结构难度。高程的变化。当施工中遇到大的喀斯特溶洞时,可以通过绕2.3分段压低自动控制方案道改线等方法解决。基本解决了有压和无压输水方案存在的针对无压引水和有压方引水方案的优点和存在的问题,问题,并融合了两者的优点,既满足了水厂迅速调整流量灵通过多方案的研究比较提出了分段压低自动控制方案,其布活运行的要求,也解决了高内水压力带来的结构问题。置示意见图1。该方案采用库内取水,坝后设电站消能,电站3选定方案的水力学设计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10段,各压低段之间设置结合井,结合井内设过3.1水力学计算公式流堰。以云龙水库最低运行水位调流阀全开时的压力坡降线(1)沿程水头损失。沿程损失采用谢才公式计算:V2L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hf=C2R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式中,C为谢才系数;V为断面平均流速,m/s;R为断面的水的压力坡降线来确定各结合井的顶高程。运行时结合井可作力半径,R=D/4,D为过水断面内径;L为输水道长度。为补排气通道,并在过流堰后的斜直段消除多余的水头;当(2)局部水头损失。局部水头损失计算公式为: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V2hj=ζ道,使事故的影响限制在两个结合井之间的范围,确保不因2g式中,V2/2g为流速水头;ζ为水头损失系数。突发事故使隧洞的压力有过大的增加,所以,分段压低自动(3)过流能力。过流能力计算公式为: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。Q=μcω!2gH结合井示意见图2。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;μc为管道流量系数,1μc=1+"λ·li·#ω$2+"ζ·%ω&2ii!diωiωi其中,λi、li、di、ωi、ζi分别为任一管道的沿程阻力系数、管长、管径、断面面积和局部阻力系数。3.2计算分析根据分段压低线路布置要求和隧洞压力控制的允许水注:图中高程为相对高程头进行初步线路布置,初拟结合井的个数及具体位置,以此进行水力学初步分析计算,并根据计算成果再进行线路调整图1结合井示意(单位:m)和再分析,直至线路参数与水力学计算采用数据基本吻合。水力学设计过程见图3。4结语通常的城市引水工程一般都采用双线路布置,以满足运行检修时不停止供水的要求,掌鸠河引水供水工程利用松华图2分段压低自动控制方案布置示意坝水库的调节库容作为事故备用水源,在满足城市供水要求模型试验成果表明在过校核流量(Q=10m3/s)时,该体形的前提下,采用单线布置设计,节省了投资,减小了施工难结合井的堰上水深为1.75m。故结合井内堰体顶高程为压力度,加快了工程进度。通过对输水工艺多方(下转第82页)WaterPowerVol.32.No.1179 水力发电2006年11月工程水力学技术凝土,视开挖情况现场确定是否挂钢筋网。布置!25(长4.54调压室结构布置设计m)、!32(长9m)间距1.5m×1.5m的梅花形长短交替锚杆,调压室为地下调压室,长边近垂直岩层走向布置,长边并与面层钢筋牢固焊接;在817.500m和822.000m高程分净长43.5m,短边净宽15m。由于调压室所处位置地质条件别布置18根1000kN级预应力锚索,长20m和25m,长短较好,围岩完整性较好,块度大,地层陡倾,布置适应地质条交替布置,以控制施工期围岩变形,确保施工期工程安全;混件的特点,作矩形布置,以减小地下洞室开挖跨度,利于洞室凝土衬砌浇筑完成后在830.000m及834.000m高程打设2稳定。施工开挖时,洞室成形较好,无大的不利结构面揭露,排1000kN级预应力锚索,共48根,以确保运行期安全。调整体稳定性较好。因此,设计将混凝土衬砌作为传力结构考压井混凝土衬砌后布置有纵横向排水盲沟管,形成一个排水虑,不独立承担内水和外水压力;利用一次支护与围岩联合系统,排除调压井的渗水,降低外水压力,以防水位变化时,受力,保持围岩稳定并承担大部分内水压力;外水压力由排外压过大造成混凝土衬砌破坏。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调压井采用自上而下分层施工开挖,逐层锚喷支护的施索传递至围岩,主要由围岩承担。井壁采用钢筋混凝土薄壁工程序。顶拱开挖以4号施工支洞为施工通道,采用中导洞结构,C25钢筋混凝土衬砌厚度为0.8m,纵横方向均不设撑领进,两侧扩挖跟进及周边光面爆破,并及时进行一期支护梁,利用锚杆、锚索形成整体受力结构。井筒四角采用贴角形处理,完成顶拱支护后,再进行井身的施工开挖,其方式为中式,贴角长与宽均为2m。调压室采用阻抗式,引水道与井筒导井出渣,先周边预裂,而后垂直梯段爆破,最后光面爆破成采用三通管连接,取消渐变段,减少了水头损失。调压室底板形,一次锚喷、挂网支护及时跟进。顶面高程为806.000m,底板最小衬砌厚度为2m。阻抗孔为6结语圆形,内径6m,衬砌顶面高程为803.500m,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,崖羊山水电站采用的矩形浅埋式调压室较好地适应了均为8.5m,出口10m洞段水道内径由8.5m收缩为7.3m,当地的地形地质条件,施工进展顺利。该方案比露天调压井与压力钢管道相接。调压室顶拱高程为860.000m,总开挖高节省投资约600万元,并加快了施工进度。引水系统于2006度69.234m,顶拱采用喷锚支护的方式,不设混凝土衬砌,顶年4月充水运行,运行期分别进行了各项增、丢负荷试验,各拱半径为9.41m,中心角123.77°,利用调压井施工上支洞(4项监测指标无异常,运行正常。号支洞)作为调压井的通气洞。本工程首次采用无撑梁大断面浅埋式矩形调压室结构,由于调压室井壁衬砌较薄,为减小外水压力对衬砌的影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响,井壁外侧设置了纵横排水系统,横向在820.000、803.500设计思路,并合理设置了排水系统,较好地解决了围岩和结m高程处设置2道闭合的水平排水盲沟管,竖直向均匀设置构的稳定问题。了10道纵向排水盲沟管,并汇总引至施工支洞堵头外。据笔者掌握的资料,崖羊山水电站大断面地下浅埋式矩为有效降低外水压力,在调压井长边两侧底板高程附近形调压室,开挖断面45.4m×16.9m,总高达69m,规模巨大,各布置1个排水洞,水平净距18.1m,1号排水洞长约70m,采用的纵、横向无支撑薄壁结构,在国内应用尚属首次。2号排水洞长约106m,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,(上接第79页)孔深分别为25.4m和17m,孔径100mm。混凝土衬砌浇筑完成后在水力变幅区的830.000m及834.000m高程处打设2排1000kN级预应力锚索,共48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20cm厚混凝土加系统锚杆的支护形式,系统锚杆采用!25(长4.5m)、!32(长9m)@2m×2m,梅花形图3输水线路水力学设计过程长短交替布置,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3!32,长9m,间排距2m×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1.5m,以保证顶拱稳定。854.000m高程以下井壁采80cm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厚钢筋混凝土衬砌,内外侧均布置一层钢筋,水平筋为存在的问题。该成果已通过水力学实验的验证和各级审查,!28@20cm,竖向筋为!32@20cm,一次支护喷15cm厚混现工程施工已近尾声,即将投入运行。82WaterPowerVol.32.No.11'