尼泊尔TNH水电站调压室优化设计

祖 威

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

2023年是“一带一路”倡议提出十周年,尼泊尔和中国政府于2017年签署了“一带一路”合作备忘录。如今,在“一带一路”倡议框架下,中尼两国合作共建的基础设施项目已初具规模,尼泊尔TNH水电站是“一带一路”倡议的典型基础设施项目之一。

尼泊尔TNH水电站位于加德满都-博卡拉的国家公路南侧,紧邻达茂里市;距加德满都150 km,距博卡拉50 km。项目位于Seti河下游,开发任务为调峰发电。

尼泊尔TNH水电站枢纽建筑物主要由混凝土重力坝、引水隧洞、调压室、地下厂房等组成。电站采用引水式开发,装机容量146.4 MW,安装2台立轴混流式水轮发电机组;坝后生态电站装机容量1.79 MW,安装1台卧轴混流式水轮发电机组。电站正常蓄水位为415.00 m,死水位为378.00 m,机组安装高程为277.00 m,正常运行尾水位为289.64 m。

调压室作为长引水系统的主要水工建筑物,可以有效减小压力水管中的水击压力,从而改善机组的运行条件[1]。对招标文件调压室设计方案进行复核,为降低施工难度和节约工程投资,开展了调压室设计调整和优化研究工作。

根据招标文件,TNH水电站调压室位于引水隧洞末端,为埋藏阻抗式调压室,顶拱埋深约231 m,围岩为微新的薄～中厚层板岩,岩性中硬,以Ⅲ类岩体为主,Ⅳ类岩体次之,少量Ⅴ类岩体,总体具备成洞条件。

招标阶段,调压室穹顶高程437.4 m,井筒底板基础高程362.40 m,井筒高75 m;井底板阻抗孔直径5.0m,隧洞与井筒之间通过阻抗井相连,高度23 m,招标阶段调压室剖面见图1(图中高程单位和尺寸单位以m计)。调压井井筒过水断面为圆形,直径28 m,C25混凝土衬厚1.0 m;阻抗井内径7.4 m,衬厚0.5 m。调压室穹顶开挖跨度35 m,高度12.5 m,系统锚杆C32,长6.0 m,间排距2 m,挂网喷混凝土厚15 cm;井筒开挖直径30 m,锚杆C25,长3.0 m,间排距1.5 m,挂网喷混凝土厚10 cm;阻抗孔开挖直径8.4 m,锚杆C25,长2.0 m,间排距1.2 m,挂网喷混凝土厚10 cm。

图1 招标阶段调压室剖面图

(1)减小调压室穹顶开挖跨度。招标阶段,TNH水电站调压室穹顶开挖跨度达35 m,规模较大,较一般地下厂房洞室跨度大,施工安全风险较大。为降低穹顶施工难度,有必要对调压室穹顶开挖尺寸进行优化调整设计。

(2)穹顶钢筋混凝土衬砌调整为喷锚支护。鉴于调压室穹顶开挖尺寸较大,混凝土衬砌施工困难,建议将钢筋混凝土衬砌调整为喷锚支护衬砌,适当调整调压室穹顶支护参数,并采用有限元法对开挖支护参数进行计算验证工作。

(3)调压室井筒内径为28 m,衬砌厚度为1.0 m。建议根据调压室井筒承受内水压力大小,进一步优化调压室井筒衬砌厚度,以节省工程量。

(1)优化设计方案。考虑到调压室穹顶最大开挖跨度35 m,穹顶开挖和混凝土衬砌施工难度较大。施工详图设计阶段,对调压室穹顶进行重新设计,取消调压室穹顶混凝土衬砌,调整为喷锚支护作为永久支护。穹顶开挖跨度从35.0 m调整到33.3 m,穹顶支护参数从“厚度1.0 m钢筋混凝土衬砌+喷锚支护”调整为喷锚支护作为永久支护措施。

优化调整后调压室布置为:调压室井筒穹顶高程436.55 m,井筒底板基础高程在362.40 m,井筒高74.15 m;井底板阻抗孔直径5.0 m,隧洞与井筒之间通过阻抗井相连,高度21 m。调压井井筒过水断面为圆形,直径28 m,高程在403.90～425.90 m之间,混凝土C25衬厚0.6 m;高程在383.90～403.90 m之间,混凝土C25衬厚0.8 m;高程在362.40～383.90 m之间,混凝土C25衬厚1.0 m。阻抗孔内径7.4 m,衬厚0.5 m,施工详图阶段调压室剖面图见图2(图中高程单位和尺寸单位以m计,桩号单位以km+m计)。

图2 施工详图阶段调压室剖面图

调压室支护参数为:调压室穹顶开挖跨度33.3 m,高度10.65 m,系统锚杆C32,长8.0 m,间排距2 m,预应力锚索(DCP)φ47,长16.0 m,间排距2.0 m,喷钢纤维混凝土厚15 cm;井筒开挖直径29.20～30 .00 m,锚杆C32,长8.0 m,间排距1.5 m,喷钢纤维混凝土厚10 cm;阻抗孔开挖直径8.4 m,锚杆C25,长5.0 m,间排距1.5 m,喷钢纤维混凝土厚10 cm。

(2) 水力学复核。根据招标阶段合同要求,原报告中调压室最高涌浪控制工况为:水库正常蓄水位415.00 m,考虑一次偶发事件或设备故障的工况,丢弃全部荷载,每台机组Q=126 m3/s减少为0,最高涌浪高程取值为423.90 m,最低涌浪高程取值为366.40 m。

施工详图阶段,根据最新优化调整设计方案进行机组过渡过程计算。根据东芝公司提供的《Turbine hydraulic transient calculation report》[2]TNH水电站机组过渡过程计算成果,在水库正常蓄水位415.00 m时,下游尾水水位为289.64 m时,考虑一次偶发事件或设备故障的工况,丢弃全部荷载,每台机组Q=130 m3/s减少为0,计算最高涌浪高程取值为422.95 m,最低涌浪高程取值为400.47 m。

根据招标合同要求,水力学计算成果除非特殊情况,不允许进行调整。因此,施工详图阶段,根据机组过渡过程计算成果及招标阶段设计成果,最高涌浪和最低涌浪高程取值与招标文件一致,即最高涌浪高程取值为423.90 m,最低涌浪高程取值为366.40 m。

(3)调压室开挖支护有限元计算成果。根据优化调整后调压室设计图纸,利用FLAC 3D软件建立调压室开挖支护模型,模拟开挖步骤并采用有限元数值计算[3],其计算成果用以验证调压室洞室开挖稳定性,评价支护参数合理性[4]。

1)变形。调压室开挖后变形方向为向洞内。顶拱和竖井开挖变形增量均较小,最大位移为86.1 mm,最大位移发生在井筒中下部。

2)塑性区。根据洞室开挖后塑性区分布可知,顶拱部位塑性区深度大部分小于7 m,在系统锚杆锚固范围内,并且绝大部分塑性区深度未超过预应力锚索(DCP)锚固范围。竖井部位塑性区深度均小于5 m,未超过系统锚杆长度。

3)锚杆应力。大部分岩体,系统锚杆和预应力锚索(DCP)轴力均处于弹性状态;部分受节理发育影响岩体,系统锚杆和预应力锚索(DCP)轴力虽有所增加,但仍未超过设计值,处于弹性状态内。

经计算分析,调压室支护设计参数满足美标规范[5]和中国规范的相关要求[6]。计算结果得到咨询工程师审批通过。

笔者以尼泊尔TNH水电站为例,对调压室布置优化调整进行了研究分析,并提出调整布置和优化设计方案。经进一步水力学复核、稳定分析成果验证分析,优化设计的调压室布置满足设计要求。经优化设计后,降低了调压室顶拱施工难度,减少了工程投资,技术可行、经济合理。

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