安溪翰苑水电站隧洞洞内前池的设计

　　一、工程概况

　　翰苑水电站位于安溪县尚卿乡境内，处晋江西溪支流———长坑溪的中上游。本电站属引水式电站，总装机8000KW，其坝址位于苦坑(蓝田水电站厂房附近)，坝址以上流域面积179.6m2.电站厂房至坝址间河道长7km，天然落差达80m，电站设计最大引用流量Q=12.8 m3/s.该工程建筑物主要有： 拦河闸、无压引水隧洞、有压隧洞、前池、发电厂房及升压开关站等。无压引水隧洞总长3370.61m，隧洞出口设有溢流堰及闸阀等。无压引水隧洞断面为城门型，净宽为2.7m，净高为3.511m，设计正常水深2.60m，隧洞末端桩号3 335～3 340m间设置集石坑。有压隧洞洞径为2.6m，总长为353.6m.无压隧洞末端与有压隧洞的高差为71.72m.

　　二、有利因素

　　洞内前池位于桩号3 334.53m～3 370.61m之间，有压隧洞与无压隧洞斜交，其轴线交点位于桩号3 350.61m处，距洞出口20m，洞口以上岩石覆盖层较厚。从隧洞所处地质情况来看，大部分围岩类别属Ⅲ类～Ⅰ类，围岩弹抗系数较高。而桩号3 142～3 350m段属Ⅱ类或Ⅰ类，岩石表现为微风化～新鲜，单位弹抗系数高达8000～11000N/cm3， 岩石强度较高，局部裂隙可用喷锚处理；桩号3 350～3 370.61m段为Ⅲ类围岩，岩石表现为弱风化，单位弹抗系数高达5000N/cm3；有压隧洞除三十多米洞段属Ⅲ类围岩外，均属Ⅱ类或Ⅰ类。地质状况优良，为洞内前池的设计提供了非常有利的条件。其次，从压力管道调保计算情况来看，该工程∑LV<15H，可不设调压井。若设置露天式前池，须将桩号3 334.53m以上围岩挖除，这部分围岩覆盖层较厚，且为Ⅲ类围岩，挖除浪费，且开挖、爆破工作量较大，将延长工期，影响工程的竣工发电。

　　三、水力计算隧洞设计

　　引用最大流量为12.8m3/s，有压隧洞洞口周围设置拦沙坎，高80cm，以防止洞口漂进来的污物进入有压隧洞。

　　（一）前池尺寸

　　1.进水室尺寸有压隧洞洞径D=2.6m进水室宽度： B进 =（1.5～1.8）D=3.9～4.68m取B进=4.2m长度：一般为2～5m，取3.5m

　　2.前室尺寸B=（1～1.5）B进考虑到隧洞长度较长，有足够水量，且为减小隧洞开挖难度及衬砌工作量，取B=1.0B进=4.2m 3.前室长度： L=（2.5～3.0）B，取较大值L=3.0B=3×4.2=12.6（m）

　　（二）前池控制水位

　　1.正常水位： 近似取无压隧洞末端正常水位无压隧洞末端洞底高程为320.08m Z正常=320.08 2.60=322.68（m）

　　2.进水室最低水位：为保证不形成漩涡，及不使空气进入压力管道，一般规定进水室的最低水位，应高出引水管进口顶部两倍水管中的流速水头，以a代表这一高度，计算如下：已知隧洞最大引用流量为Q=12.8m3/s，A=πD2/4，D=2.6m，拦沙坎高度，h'=0.8m引水管顶高程Z管顶=318.58m压力管道中流速V=Q/A=2.41 （m/s）

　　流速水头 a=1.0V2/g=2.412/9.81=0.5925m最低水位：Z最低=Z管顶 a h'=318.580 0.5925 0.8=319.983 （m）

　　3.前池的深度压力管道的顶部在最低负涌波水位以下不得少于2m.本工程自前池正常水位至拦沙坎顶面高度为：h=2.6 1.5-0.8=3.3（m），大于上述值。　　

　　（三）前池水位波动计算

　　前池水位最大下降该情况发生于电站突然增荷时（按开全荷，最不利情况）

　　已知：起始流速Vo=0，起始水深ho=2.6 1.5-0.8=3.3m，宽B=4.2m，流量Q由0增至12.8m3/s. g=9.81m2/s增加负荷后V=Q/A=12.8/（4.2h），代入下式V=Vo-2[（gh）0.5–（gho）0.5] 12.8/（4.2h）=0-2[（9.81h）0.5-（9.81×3.3）0.5]整理得：3.05/h 6.2642（h）0.5-11.379=0经试算， h=2.671m.最大水位下降Δh=ho-h=3.3-2.671=0.629（m）

　　此时水位为：318.58 2.671 0.8=322.051（m）>319.983（m），满足。相应水深为：2.671m >2.0m 2.前池最大水位升高该情况发生于电站突然弃荷时。（按甩全荷，最不利情况）

　　已知：B=4.2m，Qmax=12.8m3/s水深ho=2.6 1.5-0.8=3.3m（不计拦沙坎以下部分）。

　　单宽流量 q=Qmax/B=12.8/4.2=3.05（m3/s）

　　初始流速 Vo=q/ho=3.05/3.3=0.9242（m/s）

　　g=9.81m2/s由V=Vo-2[（gh）0.5-（gho）0.5] 0=0.9242-2[（（9.81h）0.5-（9.81×3.3）0.5）

　　整理得：h0.5 - 3.30.5=0.1475解得：h=3.858（m）

　　Δh=3.858-3.3m=0.558（m）

　　四、前池段无压隧洞面及衬砌型式拟定

　　根据前池水力计算所得最高水位， 考虑水面以上15%净空面积且水面以上净高不小于40cm（非恒定流条件下，计算中已考虑涌波时上述值可适当减小），拟定断面。计算采用中南水利水电勘测设计研究院开发的《隧洞CAD》软件进行衬砌结构设计（计算书略），为安全起见，分段采用衬砌型式如下：桩号3 334.53～3 344.43m段，采用喷锚衬砌； 桩号3 344.43～3 370.61m段，采用钢筋砼衬砌。其中，有压隧洞与无压隧洞连接段（3 344.43～3 356.43m）及无压隧洞出口（桩号3 365.61～3 370.61m）考虑开口及抗震，均采用了双筋衬砌。有压隧洞与无压隧洞连接部位为使水流平顺， 均采用圆弧及椭圆曲线连接。

　　五、结语

　　由于本工程地质极好，围岩稳定，为采用洞内前池创造了有利条件。利用无压隧洞的一部分作为前池， 一是减少了土石方的大量开挖，二则缩短了工期，取得了良好的经济效益。该工程已投入运行近十年，到目前为止，运行状态良好。（考试考试网编辑整理）

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