一种抑制最高涌波水位的调压室结构及其施工方法与流程

本发明涉及水利水电工程领域，尤其是涉及一种抑制最高涌波水位的调压室结构及其施工方法，适用于改建和扩建的水电站调压室改造工程。

背景技术：

调压室是一种具有一定水容积的井型建筑物，一般用于有压引水式水电站中，位于引水隧洞-压力管道或者尾水管道-尾水隧洞之间，其主要作用是反射并降低水击压力波动的幅值，从而提高水电厂运行的安全性，改善机组转速调节的调节品质，从而提高向电网供电的质量，有利于电网整体的频率稳定性。调压室的基本类型有简单式、阻抗式、差动式、水室式、溢流式和气垫式，调压室类型的选择一般根据水电站的工作特点，结合地形条件和地质条件，对比分析各种类型调压室的优缺点及适用性和经济性而确定。

近年来，随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国的电力需求在不断提高，有部分水电站修建年代久远，制造水平和设计水平都有一定的问题，因此有必要进行扩容改造，也即通过更新水轮机组、增加电站的引用流量，最终增加发电量。水电站增机扩容时的重难点之一是调压室改造问题：对于改建和扩建的水电站，由于原调压室是按照原过流量进行设计的，增机扩容之后流量变大，因此水力过渡过程中调压室最高涌波水位将会大大增高，无法满足控制要求。目前工程中通常的做法是新建一座体积较大的调压室，新建的调压室满足电站扩容之后的流量，此种方式非常受限于地形地质条件。另一种方式是将已有调压室进行二次扩挖，增加调压室断面尺寸，使得调压室最高涌波不超过结构控制高程，此种方式需要对调压室整体进行重新开挖、支护、结构衬砌，工程量较大。

为了使改建和扩建的调压室最高涌波水位满足要求，需要新建或者扩挖调压室，但新建调压室受地形地质条件限制较大，而扩挖调压室断面工程量较大及停机时间长，影响发电效益等一系列的问题。

基于上述情况，本发明提出了一种抑制最高涌波水位的调压室结构及其施工方法，可有效解决以上问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种结构简单、施工方便、投资较少且能有效抑制扩容电站调压室最高涌波水位的调压室结构及其施工方法，用于指导改建和扩建的水电站的调压室改造。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

一种抑制最高涌波水位的调压室结构，包括依次连通的隧洞、调压室小井、调压室大井和通气洞，还包括：

环形牛腿，环向设置于所述调压室大井顶部的内壁上，用于增加调压室大井的稳定性；

隔墙，靠近所述环形牛腿的上方设置，其顶部与所述通气洞的内部上方具有间距，其底部设置有一个或多个连通孔；

挡墙，靠近所述通气洞的出口端设置，与所述隔墙之间形成分别与调压室大井、通气洞连通的上部大室，且其顶部与所述通气洞的内部上方具有间距。

作为本发明的一种优选技术方案，所述连通孔布置为多个，且呈对称布置方式，引导水流均匀流入或流出上部大室。

作为本发明的一种优选技术方案，所述隔墙顶部设置溢流堰，将水流进行溢流。

作为本发明的一种优选技术方案，所述通气洞的底部高程比上部大室的底部高程高，且所述挡墙与所述上部大室的底部之间具有斜坡。

作为本发明的一种优选技术方案，所述上部大室下挖范围的长度l，下挖至底部高程z2，满足公式：

(znew-z2)×b×l＝(zmax-znew)×d1²×3.14/4

其中：b为通气洞的宽度；d1为调压室大井的直径；zmax为改造调压室之前，按照调压室大井直径d1通过理论计算得到的调压室最高水位；znew为改造调压室之后，调压室最高水位要求。

作为本发明的一种更优选技术方案，所述隔墙顶高程小于znew，所述挡墙的顶高程大于znew。

作为本发明的一种优选技术方案，所述环形牛腿的直径d2大小与调压室小井的直径一致。

本发明提供一种抑制最高涌波水位的调压室结构的施工方法，包括如下施工步骤：

步骤001.首先将通气洞靠近调压室大井的区域下挖；

步骤002.将调压室大井顶部对应环形牛腿区域的混凝土凿除；

步骤003.在残留的混凝土上进行钻孔，植入钢筋并进行灌浆，浇筑混凝土形成环形牛腿；

步骤004.在调压室大井顶部浇筑混凝土隔墙，同时预留连通孔；

步骤005.在通气洞下挖的区域内浇筑混凝土，形成上部大室；

步骤006.在通气洞中浇筑混凝土形成挡墙。

作为本发明的一种优选技术方案，所述施工步骤002中，所述调压室大井顶部混凝土凿除之后形成稍向圆周外侧倾斜的台阶状，利于环形牛腿的结构稳定。

作为本发明的一种优选技术方案，所述施工步骤006中，所述挡墙表面设置台阶，便于检修人员行走。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

1、本发明有效解决了在水电站增机扩容后，调压室最高涌波水位超过控制要求的问题，提供了一种结构简单、施工方便、投资较少且能有效抑制扩容电站最高涌波水位的调压室结构，同时能够加快调压室水位波动衰减。

2、本发明所述的环形牛腿位于调压大井上部位置，一方面起到增加调压室顶部结构强度的作用，另一方面当调压室水位上涌时，起到一定的阻抗效应，减小水位波动振幅。

3、本发明所述的连通孔可以设置为多个，有助于先引导一部分水流均匀流入通过连通孔流入上部大室，形成水垫层，其余水体继续壅高，超过隔墙之后经过隔墙挑流进入上部大室，冲击水垫层，水体能量得到消耗，降低了调压室最高涌波水位。

4、本发明在调压室水位上升和下降过程中，隔墙和连通孔形成差动效应，起到了消能防冲、平顺水流的作用，有效地降低了调压室最高涌波水位和加快了调压室水位波动衰减速度。

5、本发明所述的挡墙位于所述通气洞内，可有效避免调压室中的水流流出通气洞；所述的上部大室为所述隔墙和所述挡墙之间形成的空间，可用来存放水力过渡过程中的上涌水体。

6、本发明同时提供了该调压室结构的施工方法，该方法工序简单，相互干扰少，便于组织人员施工和机械化施工，施工效率高，同时可以降低施工人员的劳动强度。

附图说明

图1为调压室改造前结构示意图；

图2为本发明所述的调压室结构示意图；

图3为本发明所述的隔墙和连通孔结构示意图；

图4为本发明所述的调压室相关尺寸示意图；

图5为本发明所述的上部大室的截面尺寸示意图；

图6为本发明隧洞水流流入调压室示意图；

图7为本发明隧洞水流流出调压室示意图；

图8为调压室改造前后水位变化过程线。

图中标记为：1-调压室大井，2-环形牛腿，3-隔墙，4-连通孔，5-挡墙，6-通气洞，7-上部大室，8-调压室小井，9-隧洞。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1至3所示，一种抑制最高涌波水位的调压室结构，包括在调压室大井1上部设置环形牛腿2，以形成一定的阻抗效果，调压室顶部平台设置隔墙3，隔墙3底部设置连通孔4，在通气洞6内设置一道挡墙5；挡墙5将分离出的通气洞6作为调压室的上部大室7。

具体的，调压室水位在上涌过程中，首先遇到环形牛腿2，由于环形牛腿2的直径小于大井1的直径，水体受到阻碍作用，水体的能量得到消耗；接着水体继续上涌，上涌至隔墙3后，部分水体通过挡墙底部连通孔4平顺地进入上部大室7，形成水垫层，其余水体继续壅高，水体高度超过隔墙3顶高程之后，经过隔墙3挑流进入上部大室7，冲击水垫层，水体能量得到进一步消耗，由于上部大室7的面积较大，且水体经过多次的消能，所以降低了最高涌波水位；挡墙5高度高于最高涌波水位，避免了上部大室7中的水体流入通气洞6中。

具体的，调压室水位在下降过程中，部分水体通过隔墙3顶部流出上部大室7，其余水体通过隔墙3底部连通孔4流出上部大室7，冲击调压室大井1中的水体，水体能量得到消耗，加快了调压室水体波动的衰减速度。

本发明调压室主要尺寸如图4和5所示，已知：调压室大井1直径为d1，通气洞6宽度为b，通气洞6高度为h1，通气洞6底高程为z1；在改造调压室之前，按照大井直径d1通过理论计算得到的调压室最高水位为zmax。

调压室改造时候的关键控制尺寸为：环形牛腿2内侧直径为d2；上部大室7下挖范围的长度为l，下挖至高程z2；隔墙3顶高程为z3，隔墙3和连通孔4面积为a；挡墙5顶高程为z4。

改造调压室之后调压室最高水位为znew，由于z2＜znew＜z1+h1，且水面需要和通气孔顶部保持2m的安全高度，所以z2＜znew＜z1+h1-2，在此范围内znew可以随意选择。

环形牛腿2内侧直径d2：d2的大小与调压室小井8的直径一致。隔墙3顶高程z3：z3＜znew；挡墙5顶高程z4：z4＞znew。

对于l与z2，根据水量基本相同的原则，l与z2满足以下公式：

(znew-z2)×b×l＝(zmax-znew)×d1×d1×3.14/4。

如图6所示，当调压室水位上升时，水流首先受到环形牛腿的阻抗效应，水体能量有所有衰减，之后一部分水流则通过连通孔流入上部大室，在上部大室形成水垫层，另一部分水流壅高超过隔墙进入上部大室，冲击水垫层，水体能量得到消耗，降了调压室最高涌波水位。通气洞中的挡墙避免了调压室中水流流出通气洞。

如图7所示，当调压室水位下降时，水流通过隔墙底部连通孔回流至调压室内，隔墙起到了消能防冲的作用，水流冲击调压室中的水面，水体能量得到消耗，加快了调压室水位波动衰减。

与此相应，本发明提供一种抑制最高涌波水位的调压结构的施工方法，其施工步骤为：

步骤001.首先将通气洞靠近调压室的区域进行下挖；

步骤002.将调压室大井顶部环形牛腿区域的混凝土凿除，凿除之后应形成稍向圆周外侧倾斜的台阶状，利于环形牛腿的结构稳定；

步骤003.在残留的混凝土台阶面上进行钻孔，清洗表面的浮渣，植入钢筋并进行灌浆，浇筑混凝土形成环形牛腿，植筋和牛腿的配筋应焊接牢固；

步骤004.在调压室顶部浇筑混凝土隔墙，隔墙底部预留连通孔，连通孔口应加强配筋；

步骤005.在通气洞下挖的区域内浇筑混凝土，混凝土结构为城门洞形，也即形成调压室上部大室。

步骤006.浇筑挡墙，挡墙表面设置台阶，便于检修人员行走。

某引水式电站上游输水发电系统采用“一洞一室双机”的布置形式，在水电站更换大流量的机组之后，采用本发明对原调压结构进行改造，通过比较调压室改造前和改造后发生机组同时甩负荷工况时的调压室水位变化过程线，说明本发明的作用效果，具体计算结果如图8所示。

可以看出，对于机组同时甩负荷工况，调压室改造前，最高涌波水位为2527m，调压室改造后，最高涌波水位达到2517m，相比之前降低了10m。另外，调压室改造后的水位波动衰减明显比改造前要快。

上述结果表明：本发明提出的调压室结构能够显著降低最高涌波水位，同时加快了调压室水位波动的衰减速度。

本发明的工作原理如下：

当隧洞水流流入调压室时，调压室水位上升，由于环形牛腿的阻抗作用，削减了水体的部分能量，之后一部分水流则通过连通孔流入上部大室，形成水垫层，其余水体继续壅高，超过隔墙之后经过隔墙挑流进入上部大室，冲击水垫层，水体能量得到消耗，降低了调压室最高涌波水位，挡墙避免了调压室中水流流出通气洞；当隧洞水流流出调压室时，调压室水位下降，部分水体通过隔墙顶部流出上部大室，其余水体通过隔墙底部连通孔流出上部大室，冲击大井中的水体，水体能量得到消耗，加快了调压室水体波动的衰减速度。在调压室水位上升和下降过程中，隔墙和连通孔形成差动效应，起到了消能防冲、平顺水流的作用，有效地降低了调压室最高涌波水位和加快了调压室水位波动衰减速度。

依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的抑制最高涌波水位的调压室结构，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。