一种发电尾水洞与导流洞结合的布置方法

技术领域

本发明涉及水电水利工程技术领域，特别是一种发电尾水洞与导流洞结合的布置方法。

背景技术

在水电工程建设中，导流洞与输水发电系统经常布置于河道同侧，这就给发电尾水洞与低高程导流洞的结合提供了可能性。尤其在高坝大库工程中，导流洞断面尺寸和长度都是规模比较大的，发电尾水洞一般高程也比较低，其断面尺寸和长度也不小，两者均直接影响到工程的经济性。在保证导流洞和发电尾水洞各自功能和安全要求的前提下，若能将两者尽量充分的“永临结合，一洞多用”，将对整个工程布置的协调性和经济性等方面的意义十分重大。

一般情况下，永久建筑物发电尾水洞与临时建筑物导流洞结合段在水电站运行期长时间应保持一种水流流态，即有压流或无压流，短期允许出现不产生对建筑物结构安全造成破坏影响的明满流交替的水流流态。针对高坝大库工程，经常受限于发电厂房尾水出口下游尾水位变幅较大，发电尾水洞与导流洞结合段若采用变顶高无压尾水洞思路进行永临结合设计，将较有压尾水洞设计思路的工程投资大为增加；若采用全有压尾水洞设计，导流洞出口很低，水力学条件不好，后期改建为发电尾水渠的成本也较大。另外，因为“永临结合，一洞多用”的建筑物涉及到各自的功能和安全要求，所以稍有不慎或考虑不周全，将会发生不同程度的质量问题或质量事故，给工程正常建设或运行造成严重影响。鉴于此，本发明提出一种发电尾水洞与导流洞结合的布置方法及结构，在水电站正常运行期尾水洞为有压流，在机组增减负荷时，某些工况短时间出现可接受的明满流交替状态，并有工程措施作为进一步的安全保障。

经检索，CN114960483A提供一种导流尾水洞改建堵头上游永久排水结构及排水方法，所述结构包括多个导流洞以及分别与导流洞相对应的导流尾水洞，导流尾水洞布置尾水改建堵头后与尾水隧洞相连接；导流洞在导流洞堵头的下游侧设有挡水墙；相邻两条导流洞在导流洞堵头位置、尾水改建堵头位置分别设置连通彼此导流洞的自流排水通道，处于导流洞堵头位置的自流排水通道的两端分别与处于导流洞堵头、挡水墙之间的导流洞部分相连通；其中一条导流洞在尾水改建堵头的上游侧设置集水井；集水井内、与集水井处于同一条导流洞的挡水墙内布置永久抽排设备。其具有，的实施成本较低，工程投资较省，具有良好的社会效益和经济效益，可在水利水电工程技术领域广泛推广应用。该方案主要设计点在于堵头改建和排水上，其在隧洞保护方面未做技术改进。

发明内容

本发明提供一种发电尾水洞与导流洞结合的布置方法，本发明利用已有的低高程导流洞，通过合理的线路布置、相关计算和安全保障措施，确保发电尾水洞和导流洞的功能及安全要求，既节省了工程投资，又保证了技术方案的安全可靠性和技术先进性。

本发明提供如下技术方案，实现上述目的：

一种发电尾水洞与导流洞结合的布置方法，包括如下步骤：对于发电尾水洞与导流洞在河道同侧的水电工程，判断发电尾水洞与导流洞结合的可行性，当发电尾水洞与导流洞结合段在水电站运行期能始终保持有压流或无压流的单一水流流态，且能保证发电尾水洞和导流洞各自功能和安全要求，便直接将发电尾水洞和导流洞结合；否则，发电尾水洞与导流洞结合段上需要设置通气洞。

前述的发电尾水洞与导流洞结合的布置方法中，需要设置通气洞时，在发电尾水洞的前段处设置调压室交通洞兼补气洞，调压室交通洞兼补气洞上布置尾水调压室，发电尾水洞的后段和导流洞的后段结合布置形成发电尾水洞与导流洞结合段，发电尾水洞与导流洞结合段与尾水调压室通过通气洞连接，且在发电尾水洞与导流洞结合段上部形成负压空腔。

所述通气洞的尺寸布置公式为：

式中：

S为通气洞面积，m2；

K为系数，范围1.0～1.1；

Q为水体体积变化量，m3；

T为产生负压时间，按T/4计算，s；

v

D为通气洞直径，m。

前述的发电尾水洞与导流洞结合的布置方法中，所述发电尾水洞与导流洞结合段采用水平纵坡为0％设置，发电尾水洞与导流洞结合段的前段设置陡坡段。

前述的发电尾水洞与导流洞结合的布置方法中，所述发电尾水洞与导流洞结合段的结构包括混凝土衬砌，混凝土衬砌的四周均连接系统锚杆，系统锚杆固定于岩体中。

前述的发电尾水洞与导流洞结合的布置方法中，水电站发电机组在增减负荷时，所述电尾水洞与导流洞结合段(7)顶部出现的水压力不低于-6×9.81kPa。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用已有的低高程导流洞，通过合理的线路布置、相关计算和安全保障措施，确保发电尾水洞和导流洞的功能及安全要求，既节省了工程投资，又保证了技术方案的安全可靠性和技术先进性。

2、本发明结合导流洞水力学条件，发电尾水洞与导流洞的结合段通常采用水平纵坡i＝0％，之前洞段采用陡坡段满足发电机组吸出高度的要求，水电站正常运行期尾水洞采用有压流，机组增减负荷时，在某些工况短时间出现可接受的明满流交替的水流状态。

3、本发明根据工程枢纽布置条件、机组增减负荷时结合段隧洞负压空腔体积、产生负压时间、通气洞安全设计风速等因素初步确定通气洞尺寸和位置；再通过对输水发电系统开展调节保证试算，最终确定在导流洞与尾水洞结合段附近合适位置设置通气洞来解决部分工况下明满流交替的不利影响，从而对发电尾水洞进行补排气，达到保护隧洞结构的目的。

4、本发明根据《混凝土重力坝设计规范》(NB/T 35026-2022)中规定：校核洪水位闸门全开时堰面出现的水压力不得低于-6×9.81kPa。水电站发电机组在增减负荷时，尾水洞中的水流速度较低，且持续时间很短，故尾水洞以此标准作为设计的控制标准，可充分保障其安全性。

5、本发明对出现明满流交替的隧洞段加强结构混凝土衬砌支护设计，并采用系统锚杆加强该洞段混凝土衬砌与周围岩体的连接锚固作用，减缓负压对隧洞结构破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图涉及的仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的平面结构布置示意图；

图2是将发电尾水洞与导流洞结合段纵剖面结构布置示意图(图2左侧箭头表示流向)；

图3是发电尾水洞与导流洞结合段的断面示意图；

图4是本发明的实施方案技术路线流程图。

附图标记：1-发电厂房，2-主变洞，3-尾水调压室，4-调压室交通洞兼补气洞，5-发电尾水洞，6-通气洞，7-发电尾水洞与导流洞结合段，8-发电尾水出口，9-导流洞，10-负压空腔体积，11-混凝土衬砌，12-系统锚杆，13-岩体；A-最低涌浪水位，B最低负压，C-下游水位。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是在本发明中：术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作；术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”等应做广义理解；例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。并且，部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

实施例1。一种发电尾水洞与导流洞结合的布置方法，步骤：

对于发电尾水洞5与导流洞6在河道同侧的水电工程，判断发电尾水洞5与导流洞6结合的可行性，当发电尾水洞与导流洞结合段7在水电站运行期能不能始终保持有压流或无压流的单一水流流态，在发电尾水洞与导流洞结合段7上需要设置通气洞6。

设置通气洞6的方法：在发电尾水洞5的前段处设置调压室交通洞兼补气洞4，调压室交通洞兼补气洞4上布置尾水调压室3，发电尾水洞5的后段和导流洞9的后段结合布置形成发电尾水洞与导流洞结合段7，发电尾水洞与导流洞结合段7与尾水调压室3通过通气洞6连接，且在发电尾水洞与导流洞结合段7上部形成负压空腔10；还包括发电厂房1、发电厂房1连接主变洞2和发电尾水洞5，发电尾水洞与导流洞结合段7的后端设有发电尾水出口8。

所述通气洞6的尺寸布置公式为：

式中：

S为通气洞面积，m2；

K为系数，范围1.0～1.1；

Q为水体体积变化量，m3；

T为产生负压时间，按T/4计算，s；

v

D为通气洞直径，m。

所述发电尾水洞与导流洞结合段7采用水平纵坡为0％设置，发电尾水洞与导流洞结合段7的前段设置陡坡段。

所述发电尾水洞与导流洞结合段7的结构包括混凝土衬砌11，混凝土衬砌11的四周均连接系统锚杆12，系统锚杆12固定于岩体13中。

水电站发电机组在增减负荷时，所述电尾水洞与导流洞结合段7顶部出现的水压力不低于-6×9.81kPa。

上述设计，首先是结合导流洞水力学条件要求，发电尾水洞与导流洞的结合段7通常采用水平纵坡i＝0％，之前洞段采用陡坡段满足发电机组吸出高度的要求，水电站正常运行期尾水洞采用有压流，机组增减负荷时，在某些工况短时间出现可接受的明满流交替的水流状态。

其次，根据《混凝土重力坝设计规范》NB/T 35026-2022中规定：校核洪水位闸门全开时堰面出现的水压力不得低于-6×9.81kPa；水电站发电机组在增减负荷时，尾水洞中的水流速度较低，且持续时间很短，故尾水洞以此标准作为设计的控制标准，保障其安全性。

再次，根据工程枢纽布置条件、机组增减负荷时结合段隧洞负压空腔体积10、产生负压时间、通气洞安全设计风速等因素初步确定通气洞6尺寸和位置；再通过对输水发电系统开展调节保证试算，最终确定在导流洞与尾水洞结合段7附近合适位置设置通气洞6来解决部分工况下明满流交替的不利影响，从而对发电尾水洞6进行补排气，达到保护隧洞结构的目的。

通气洞尺寸计算思路：①采用最不利工况时，尾水出口下游水位和调压室最低涌浪水位分别与最低负压的连线，再与尾水洞洞顶之间形成负压空腔体积，最后对其运用台体公式分段计算累计求和即为水体体积变化量Q；②调压室水位波动周期为T，引起调压室水体体积变化量Q的时间为T/4从平衡位置到波峰或波谷的时间段；③为补充或排出空气或水体，通气洞的允许风速按《水电站进水口设计规范》NB/T 10858-2021通气孔井面积计算中要求取值为v0＝50m/s；④在T/4时间内，按风速v0来控制水体体积变化量Q，便可求得通气洞的面积S；⑤再根据面积S得出通气洞的直径D；

通气洞尺寸计算公式：

式中：

S——通气洞面积，m

K——系数，一般可采用1.0～1.1；

Q——水体体积变化量，m

T——产生负压时间按T/4考虑，s；

v

D——通气洞直径，m。

最后，对出现明满流交替的隧洞段加强结构混凝土衬砌11支护设计，并采用系统锚杆12加强该洞段混凝土衬砌11与周围岩体13的连接锚固作用，减缓负压对隧洞结构的破坏。

包括上述结构，本发电尾水洞与导流洞结合的布置方法的流程如图4所示，为开始→建筑物布置设计→是否满足单一流态YES→确定最终方案→NO，通气洞设计→调节保证计算→是否满足设计要求YES→加强结构衬砌设计→确定最终方案→NO，调整通气洞设计直至满足设计要求→加强结构衬砌设计→确定最终方案→结束。具体的，发电尾水洞5与低高程导流洞9结合布置后，即为发电尾水洞与导流洞结合段7，发电尾水洞与导流洞结合段7之前洞段采用陡坡段满足发电机组吸出高度的要求，根据工程枢纽布置条件和机组调节保证计算成果等，合理确定发电尾水洞与导流洞结合段通气洞6的尺寸及位置，发电尾水洞与导流洞结合段通气洞6可以接到尾水调压室3顶部或者直接通至山体外。对发电尾水洞5和结合段7中的明满流交替段，即产生负压空腔体积10的隧洞加强结构混凝土衬砌11的永久支护设计，并采用系统锚杆12加强该洞段混凝土衬砌11与周围岩体13的连接锚固作用。

实施例2。一种发电尾水洞与导流洞结合的布置方法，步骤：

对于发电尾水洞5与导流洞6在河道同侧的水电工程，判断发电尾水洞5与导流洞6结合的可行性，当发电尾水洞与导流洞结合段7在水电站运行期能始终保持有压流或无压流的单一水流流态，且能保证发电尾水洞5和导流洞6各自功能和安全要求，工程布置协调性好，经济性也好，便直接将发电尾水洞5和导流洞6结合。

显然，以上所述仅为本发明的一部分的实施例，而不是全部的实施例。以上实施例并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，本领域普通技术人员可作出的任何组合、修改、等同替换、改进等所有其他实施例，都应当在本发明的保护范围之内。