安溪翰苑水电站隧洞洞内前池的设计

【摘 要】前池多见于引水式水电站， 型式多为露天式。文章论述了在福建安溪县翰苑水电站前池的设计当中，利用无压隧洞末端的一部分作为前池，减少了工程开挖量。

【关键词】前池；隧洞；压力管道；连接

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

1.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。

【参考文献】

[1]天津大学水利系主编．小型水电站[m]. 北京：中国水利电力出版社，1979.