摘　要：龙门滩二级水电站为引水式开发的电站。在调压室设计中经过分析比选，采用差动式调压室，但传统的差动式调压室结构复杂、施工困难。本文提出的新型内切双圆筒差动式调压室，较好地解决了传统差动式调压室的缺点，在结构上大为简化，同时方便了施工。
　　关键词：内切双圆筒差动式调压室；结构型式；阻抗系数；龙门滩二级水电站；福建

1　前言
　　龙门滩二级水电站是龙门滩跨流域引水工程梯级电站中的第二级水电站。龙门滩引水工程位于福建省德化县境内，跨闽江和晋江两大水系，在大樟溪上游河段产溪的龙门滩峡谷筑坝蓄水，通过3．0km长的隧洞穿越分水岭，将水引入晋江东溪湖洋溪上游河段的锦溪，实现跨流域调水，进行发电、灌溉和供水等综合利用。一级电站装机容量18MW，二级电站在一级厂房下游约500m的锦溪河谷处修建低坝挡水，形成总库容70万m3的反调节水库，通过3．45km长的隧洞及压力管道引水至地面厂房，电站装机容量26MW。
　　二级电站水库控制本流域面积仅11．8km2，来水量除本流域来水外，主要是一级电站跨流域引水，年径流总量4．24亿m3（其中跨流域引水4．11亿m3），年平均流量13．44m3／s（其中一级电站相应的发电流量为13．02m3／s），水库正常蓄水位360．0m，死水位356．0m，总库容70万m3，其中调节库容41．5万m3，为日调节水库。二级电站工程枢纽主要由拦河坝、坝后明管、引水隧洞、调压室、压力管道、地面厂房和升压开关站等组成。
2　引水系统
二级电站最大引用流量30．9m3／s（两台机组）。引水系统由坝后明管、引水隧洞、调压室和压力管道等组成。坝后明管内径4．2m，长31．5m，设计壁厚500mm，为了减少温度应力造成管道裂缝，设计采用管体外侧外包砌石保护的新型组合结构。引水隧洞全长3159．5m，设计开挖直径4．8m，钢筋混凝土衬砌段内径4．2m，喷混凝土衬砌段内径4．56m。调压室为内切双圆筒差动式结构，大井内径8．5m，壁厚500mm；升管内径2．5m，壁厚400mm；调压室总高度37．078m。压力管道由上平洞段、斜洞段、下平洞段和发电支管组成；上平洞段长57．0m，衬砌后内径4．2m，500mm厚钢筋混凝土衬砌；斜洞段长151．0m，斜洞坡度35°，衬砌后内径4．2m，厚500mm钢筋混凝土衬砌段长23．0m，衬砌后内径3．2m，钢板衬砌段长128．0m；下平洞段钢板衬砌后内径3．2m，主管段长61．0m，岔管段长9．0m，两条发电支管各长8．0m，支管内径均为1．75m。
3　调压室设计
3．1　调压室型式比选
　　电站引水系统隧洞较长超过规范规定的限制值，为了减少水击压力，改善机组的运行条件，必须设置调压室。
　　在设计中从调压室结构上看，力求结构简单，工程量、建筑材料和投资少，运行安全并便于施工；从水力学和运行条件对调压室提出的主要要求包括，能较完全地反射压力管道传来的水击波，调压室的最高和最低波动幅值小，在电站正常运行时，水流经过调压室处的水头损失小，能保证调压室小波动衰减等。本电站为调峰电站，水头较大，库水位变幅小，结合地形、地质条件，适应这些特性的调压室主要有圆筒式调压室、阻抗式调压室及差动式调压室等。
　　圆筒式调压室的特点是自上而下具有相同的断面，水击波反射条件好，结构简单，施工较方便；其缺点是波动幅值大，波动衰减缓慢，正常运行时水流通过引水道与调压室底部连接处水头损失较大。阻抗式调压室是在圆筒式调压室基础上发展而成的，它将圆筒形室身的底部用较小断面的短管或用较小孔口的隔板与引水道连接起来，当调压室水位波动时，进、出调压室的水流在阻抗孔口处消耗一部分能量，使波动幅值减小，正常运行时水流经过调压室底部的水头损失小。差动式调压室由升管和外室组成，升管上部为溢流堰，下部设有阻抗孔口与外室相通，因此差动式调压室综合吸取了阻抗式和溢流式的优点。在丢弃负荷时，升管中水位迅速上升，在升管充水期间外室只是通过阻抗孔口充水；当升管开始溢流后，引水道的流量分别由阻抗孔口和溢流堰流入外室；在增加负荷时，升管中水位迅速降低，外室的水体通过阻抗孔口逐渐供给水轮机应用。差动式调压室的水位波动由外室和升管的面积共同保证，缺点是结构复杂些。
　　在大室直径相同情况下，圆筒式、阻抗式和差动式调压室的涌浪水位见表1。
　　从表1可以看出：圆筒式调压室虽然结构简单，施工较方便，但波动幅值大，波动衰减缓慢，正常运行时水流通过引水道与调压室底部连接处水头损失较大。差动式调压室比阻抗式调压室上下涌浪水位虽略大，结构也较为复杂些，但是阻抗式调压室对水击波的反射不如差动式的好。考虑到本电站水头较高，要求调节性能好，因此经过综合分析选用对水击波反射条件好的差动式调压室。




3．2　差动式调压室结构型式比选
　　传统的差动式调压室通常由两个同心圆筒组成，即由升管和外室组成，升管上部为溢流堰，下部设有阻抗孔口与外室相通，通常为了确保升管的稳定，在内圆筒（即升管）与外室之间还需设置许多支撑杆件，其基本结构型式见图1。这样结构就较复杂，施工也困难，使差动式调压室在水力学上的优势大受削弱，应用也受到限制。为了扬长避短，在设计上对复杂结构进行改进，通过分析比选采用内切双圆筒新型结构型式，即将升管紧靠大室的一侧内切布置，与大室内壁连成一体，确保升管的稳定，取消复杂的支撑杆件系统，其基本结构型式见图2。这样在结构上就大为简化，不仅节省造价，而且升管与大室可以一起浇筑施工，可连续上升，方便了施工，加快了施工进度。


3．3　内切双圆筒差动式调压室设计
3．3．1　调压室阻抗系数试验
3．3．1．1　设计基本参数
　　两台机满负荷时，最大水头102．15m，最小水头97．15m；一台机满负荷时，最大水头109．20m，最小水头105．20m；一台机50％负荷时，最大水头110．05m，最小水头107．05m。调压室外室直径8．5m，升管直径2．5m，阻抗孔口面积3．14m2，调压室高度38．5m。两台机满负荷流量30．9m3／s，一台机满负荷流量15．45m3／s，一台机50％负荷流量7．725m3／s。
3．3．1．2　模型试验比尺
　　阻抗水头损失试验属局部模型试验，故采用正态模型，模型比尺1∶20，糙率比尺1．6475。
3．3．1．3　试验成果
　　模型试验共做两种工况，即水流进调压室和水流出调压室试验，每种工况分别做5个流量级。
　　水流进调压室情况，由阻抗前后总能量平衡原理得：

式中　hξ———水流通过阻抗孔口的水头损失；
　　Z引＋P引／γ———阻抗孔口前测压管水头；
Z调＋P调／γ———阻抗孔口后测压管水头；
　　　V引———引水道中的流速；　　　
　　V调———调压室中的流速。
式（1）移项可得：


式中　ξ———水流进调压室的阻抗系数；
ΔE———总的能量损失。
同理可得，水流出调压室的阻抗系数η，

式中　ΔE′———水流出调压室总的能量损失；
　　V压———压力管道中的水流流速。
　　试验结果见表2和表3。





　　从表2和表3可知，入流平均阻抗系数（丢弃负荷时）ξ＝49．43，出流平均阻抗系数（增加负荷时）η＝49．54。
3．3．2　结构布置
　　根据模型试验成果，通过水力分析计算，并结合现场实际地形情况，内切双圆筒差动式调压室设计参数选定为：大室衬砌后内径8．5m，井壁钢筋混凝土衬砌厚500mm，大室底高程339．622m，顶高程376．700m，高37．078m，底部开设直径2．0m的阻抗孔。升管内径2．5m，管壁厚400mm，升管顶高程373．000m。其布置见图3。




4　结语
　　龙门滩二级水电站调压室设计，结合电站的特点，经过计算分析比较，采用了差动式调压室；同时为了消除传统差动式调压室的缺点，提出采用内切双圆筒差动式调压室，并通过水力学模型试验，进一步验证有关设计参数，从而为结构布置提供了依据。龙门滩二级水电站调压室运行多年来，经过多次的增、甩负荷的运行实践，机组运行稳定良好。