水电站引水系统设计

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1、某水电站引水系统设计该水电站所在河流中下游地段侧向侵蚀作用十分强烈，形成迂回曲折的蛇形 地貌，为修建引水式水电站提供了有利的地形条件。某水电站的引水隧洞和厂房 位于南天门岭，此处分水岭宽约800m，而两端河水位差达13m，本区地层主 要是前震旦系的黑云母混合片麻岩通过，沿洞线未发现断层，且洞线顶上部新鲜 岩体厚达80160m，深部裂隙已趋闭合因此工程地质条件较好，洞线前部通过 两条较大岩脉均大致与洞线正交，一条为石英斑岩，宽3040m，另一条为正 常闪岩，宽2630m，岩脉与围岩接触良好，厂房后山坡地形坡度约5060， 坡高40m左右，后山坡边坡基本稳定。7.1隧洞洞径及洞线选择布置考虑了地质

2、条件、地形条件、施工条件与水力条件，由于施工技术条件 的限制，引水洞径不宜大于12m，因此，选择两条引水隧洞，四条压力管道分 别给每台机组供水，供水方式为单元供水（即单管单机），钢管轴线与厂房轴线 相垂直，这样可以使水流平顺，减小水头损失。7.1.1有压引水隧洞洞径计算由于水轮机选型部分已知单机最大引用流量：。哑=124.91 m3 /s隧洞断面面积：A maxA = D 2V4式中：V = 4.2 m/s由上式得：A = 2max 2乂124.91 59.48 m2V 4.2则洞径D-、巫-垣翌-8.7 m 兀 3.14本设计中取D = 9.0 m。7.1.2洞线选择原则1）地质条件：尽可能

3、位于完整坚硬的岩石中，避开岩体软弱、山岩压力大、 地下水充沛及岩石破碎带、地震区。必须穿越软弱夹层或断层时尽可能正交布置。 隧洞通过层状岩体时洞线与岩层走向夹角尽可能大，以利于围岩稳定，提高承载力。2）地形条件：出口处的地形宜陡，进口段洞口围岩厚度宜大于一倍开挖洞 径，一般要求周围坚固厚度不小于三倍开挖洞径。3）施工条件：便于施工。4）水力条件：转弯半径大于五倍洞径，转弯面不宜大于607.2进水口设计7.2.1进水口型式的选择在水利水电工程中，为发电供水等综合利用的目的，往往需要在水位便服的 天然河道，湖泊或人工水库和调节池中取水，深式进水口及有压进水口为了适应 这一需要而设置的一种水工建筑物

4、，深式进水口应满足水工建筑物的一般要求， 即结构安全，布置简单，施工方便，造价低廉，运行可靠并适应注意美观。其组 成为：行进段进口段闸门段闸门渐变段操作平台和交通桥。太平哨水电站为有压进水式，岸边地质条件较好，因此选择深式进水口中的 隧洞式进水口为宜。深式进水口主要的形式：隧洞式进水口，其进口段和闸门井均从山体中开凿而成适应于进口地质条件 良好，扩大断面和开挖闸门竖井均不会引起塌方，坡度适中。洞式进水口充分利 用了岩石作用，钢筋混凝土工程量较小，这一种既经济又安全的结构形式。 压力墙进水口：其进口段和闸门段均布置在山体之外适用于洞口附近地质 条件较差或不宜采用洞式进水口时不宜扩大开挖坡度较缓时

5、。 坝式进水口：其基本特征是进水口附近在坝体上适用于坝后时厂房或河床 式水电站厂房的上游坝体内，进水口与坝体成统一的整体。 塔式进水口：适用于水电站厂房布置在河床坝后，拦河坝采用当地材料坝 或水库地质条件较差，坡度较平缓不利于岸坡上修建进水口。7.2.2进水口高程确定该水电站是有压式进水，岸边地质条件较好，选择深式进水口，洞室底板高 程应在水库淤积高程以上1.01.5 m，为避免进水口前出现漩涡和吸气漏斗， 需有一定淹没水深。所需要的淹没深度： ycva 1；式中：、无吸漩涡的临界淹没水深c -经验系数，一般取0.550.73，对称进水时取小值，侧面进水时取大值，本设计取c = 0.7V闸门断

6、面的水流流速，由于闸门面积比引水隧洞 断面面积稍大，则其流速比引水隧洞小，本设计 取 v = 4 m / sa 闸门孔口高度，本设计取a = 9.0 m由上式得：hk = cva 1： = 0.7 x 4x 9.01； = 8.4 m综合分析并考虑到风浪影响，取hp = 10.0 m贝 V进水口底板高程：V 广=V 死hp - a = 190.0 -10.0 - 9.0 = 171.0 m7.2.3进水口尺寸的拟定1）进口段：其作用是连接拦污栅与闸门段。根据国内外实践经验，进口段顶板曲线采用1 /4椭圆曲线，曲线方程为：三+二=1 a 2 b 2式中：a椭圆曲线长半轴，一般取（11.5）D，本

7、设计取a = 10 mb 椭圆曲线短半轴，一般取（1/31/2）D，本设计取b = 3 m一般情况下椭圆曲线a/b = 3 : 4，当引用流量及流速不大时，也可采用圆弧 曲线代替，重要的工程应根据模型试验决定进口曲线，进口流速不宜太大。进口 面积不小于下式计算值：A = A / c cos 0式中：A进口断面面积A，一一引水断面面积（按渐变段末端）则：人=兀 D2/4 = 3.14x92/4 = 63.6 m20 引水道中心线水平面间夹角，本设计取0 = 0。c 收缩系数，一般取0.60.7，本设计取c = 0.65由上式得：A = A/ c cos 0 = 63.6/0.65 x cos0

8、= 97.85 m 22）闸门段：闸门段是引水道和进口段的连接段，闸门口采用矩形，考虑进 口的结构稳定性，进水口设支墩，布置两孔，高4.5m，宽9.5m的矩形平板闸 门并相应设两孔检修闸门，检修闸门与工作闸门间距取2m。3）渐变段：渐变段是闸门段到压力引水管道的过渡段，其断面面积和流速 应逐渐变化，使水流不产生漏流并尽量减小水头损失。由矩形变成圆形通常采用 四角加圆角过渡圆弧的中心位置和圆角半径r均按直线变化，渐变段长度根据经 验，一般为压力隧洞直径的1.52.0倍，收缩角不超过10,以69为宜。本 设计取其长度为16 m。4）通气孔和进人孔：通气孔设在事故闸门之后其功用是当引水道充水时可 以

9、排气，当事故闸门关闭放空引水道时，可以补气以防出现有害真空。通气孔面积按下式计算：A =竺Va式中：Qa 进水口进水量，一般为最大引用流量124.91m3/sv通气孔进气流速，一般为3050m/s，本设计取40m/s2Q 2 x 124.91由上式得：A = a = 6.25 m2V 40为了便于进水口及压力水道的维护与检修，需设进人孔。本设计采用通气孔 兼作进人孔。7.2.4进口设备1）拦污栅设计：为防止结冰及漂浮物堵塞和进入进水口，进水口前需设拦 污栅，拦污栅在平面上布置或直线上面为垂直布置，即倾角为90，过栅的水流 净流速应尽量小，以减小水头损失和清污困难，不宜大于1m/s，本设计取过栅

10、 流速为1m/s。则拦污栅净面积为：.2Q 2 x 124.91 购 wA a = 249.82 m2V 1.02）闸门设计：工作闸门：选用平板闸门，闸门高度应大于洞径，本设计取9.5m，闸门宽 度一般等于或小于压力管道直径，由于进水口设中墩，闸门宽度取4.5m，门厚 0.8m，要求在静水中开启，动水中关闭。检修闸门：采用平板闸门，尺寸同工作闸门，要求在静水中开启，静水中关 闭。检修闸门与工作闸门之间的距离很近，为了便于检修，要求24 m的间距， 本设计取为2m，布置在同一闸室内，在闸门井上方布置一个共用的启闭机房。7.3引水隧洞7.3.1线路与坡度的确定引水隧洞的路线选择是设计中的关键，它关

11、系到隧洞的造价，施工难易，工 程进度，运行可靠性等方面，选择洞线的一般原则和要求为： 隧洞的路线应尽量避免不利的地质构造，围岩可能不稳定及地下水位高， 渗水量丰富的地段，以减小作用于衬砌上的围岩压力和外水压力，洞线要与岩层 层面、构造破碎带和节理面有较大交角，在高地应力区应使洞线与最大水平地应 力方向尽量一致，以减小隧洞侧向围岩压力，隧洞的进出口在开挖过程中容易塌 方，易受地震破坏，应选在覆盖层风化较浅，岩石比较坚固完整的地段。 洞线在平面上求短直，这样既可以减少工程量，方便施工。有良好的水流 条件，若因地形，地质，枢纽布置等必须转弯时应以曲线相连。 隧洞应有一定的埋藏深度，包括：洞顶覆盖厚度

12、和傍山隧洞岸边一侧的岩 体厚度，统称为围岩厚度，围岩厚度涉及开挖时的成洞条件，运行中在内外水压 力作用下围岩的稳定性，结构计算的边界条件和工程造价等。 隧洞的纵坡应根据运用要求，上下游衔接，施工和检修等因素，综合分析 比较后确定，无压隧洞的纵坡应大于临界坡度，有压隧洞的纵坡主要取决于进口 高程，要求全线洞顶在最不利条件下保持不小于2m的压力水头。有压隧洞不宜 采用平坡或反坡，因为其不利于检修和排水。 对于长隧洞，选择洞线时还应注意地形，地质条件。布置一些施工之洞， 斜井，竖井，以便增加工作面，有利于改善施工条件加快施工进度。太平哨水电站根据上面原则和要求，选择了两条引水隧洞，所经路线地质构 造

13、良好，洞线在平面上短直，即减小工程造价、方便施工、具有良好的水流条件， 隧洞有一定的埋深，围岩厚度大于3倍洞径。为了利于检修与排水，隧洞纵坡率为2%，其工作闸门与检修闸门设在进口， 隧洞在平面上有弯角，对于低流隧洞曲率半径不宜小于5倍的洞径，现取6倍的 洞径，即54m，转角不宜大于60，取30，具体布置见坝区引水系统平面布 置图。7.3.2断面形式与断面尺寸隧洞断面形式取决于水流流态、地质条件、施工条件及运行条件等，有压隧 洞一般采用圆形断面，原因是圆形断面的水流条件受力条件都较为有利，本设计 中隧洞断面采用圆形，直径为9m。7.3.3洞身衬砌为了保证水工隧洞的安全有效运行通常需要对隧洞进行衬

14、砌，衬砌作用是 限制围岩变形，保证围岩稳定。承受围岩压力、内水压力等负荷。防止渗漏。 保证岩石免受水流，空气，温度，干湿变化等充蚀破坏作用。减小表面糙率。隧洞衬砌的主要类型 平整衬砌：亦称护面或抹平衬砌，它不承受外力只起减小隧洞表面糙率， 防止渗漏和保护岩石不受风化作用平整衬砌适应于围岩条件较好，能自行稳定且 水头，流速较低的情况下。 单层衬砌：由混凝土、钢筋混凝土或浆砌石等组成，适用于中等地质条件 断面较大，水头及流速较高情况。根据工程经验，混凝土及钢筋混凝土厚度，一 般约为洞径或洞宽的1/8-1/12且不小于25cm，由衬砌最终计算确定。 组合式衬砌：由内层的钢板，钢筋网喷浆，外层为混凝土

15、或钢筋混凝土， 有顶拱为混凝土边墙或底板为浆砌石和顶拱边墙喷锚后再进行混凝土或钢筋混 凝土等形式。浑江太平哨水电站，为了保证引水隧洞安全有效运行，限制围岩变形，保证 围岩稳定，承受围岩压力，内水压力等荷载，防止渗漏，保证岩石免受水流、空 气、温度、干湿变化等冲蚀破坏作用，减小表面粗糙，需要对其进行衬砌，根据 工程经验，采用单层衬砌形式，混凝土厚度为1m。7.4调压室设计7.4.1是否设置调压室判断为了改善水锤现象，常在有压引水隧洞与压力管道衔接处建造调压室，调压 室利用扩大的断面和自由水面的反射水锤波将有压引水系统分为两段：上游段有 有压引水隧洞，调压室使隧洞基本上避免了水锤压力的影响；下游为

16、压力管道， 由于长度缩短了，从而降低了压力管道中的水锤值，改善了机组运行条件。调压室功用归纳为以下三点：反射水锤波，基本上避免了压力管道中水锤 波进入有压引水道。缩短压力管道的长度从而减小压力管道及厂房过流部分钟 水锤压力。改善机组在负荷变化时的运行条件及系统供电质量。在有压引水系统中设置调压室后，一方面使有压引水道基本上避免了水锤压 力影响，减小了压力管道中的水锤压力，改善了机组的运行条件，从而减小了他 们的造价；但另一方面却增加了设置调压室的造价，所以是否设置调压室应进行 技术经济方案的比较来决定。我国水电站调压室设计规范建议以下式作为初步判别是否需要设置上游 调压室的近似准则： LVT

17、=w gH0式中：L.压力水道（包括蜗壳机为水管）长度，有坝区系 统平面图量得约为800-850 mVi压力水道中的平均流速，取4.5 m/sg重力加速度，取9.81H0电站最小静水头；即：死水位至电站下游水位190.0-152.6=37.4 m则:=10.43s 6s850 x 4.5T =巧 9.81x 37.4需要设置调压室。7.4.2调压室位置的选择调压室位置选择的一般原则为： 调压室的位置需根据压力管道的地形、地质条件与厂房位置统一考虑，应 尽可能靠近厂房，以减少压力管道与水轮机的水击压力。 调压室距厂房较近，且多设在临近山坡处，以避开不利的地质条件，以减 轻电站运行后渗水对围岩及边

18、坡稳定的不利影响，以免由于地下水改变导致围岩 失稳塌滑。太平哨水电站调压室所处地形为长条形山脊，且山脊宽度较小，为获得调压 室上覆盖岩体有足够的厚度，并使两个调压室间保持一定的距离，把两个调压室 沿山脊一前一后布置，调压室所处风化层较厚，为了保持顶拱以上新鲜岩体有较 大厚度，则调压室位置需尽量往进水口方向布置，但这样缩短了主洞线，增加了 压力管道长度，不仅增加了工程量和投资，而且对机组调节保证也有不利影响， 为了满足各方面要求，选取较为合理的位置，1#主洞长675m，压力管道长125m， 2#主洞625 m，压力管道长175 m。7.4.3调压室的布置方式与型式的选择根据调压室与厂房的相对位置

19、关系，调压室的基本方式有三种：上游调压室、 下游调压室、上下游双调压室，太平哨水电站上游又较长的引水道，而下游无尾 水隧洞，故选择布置方式为：上游调压室。其基本类型有：圆筒式、阻抗式、双 室式、溢流式、差动式、气垫式，太平哨水电站从投资、施工难易以及地形、地 质条件综合考虑，选用简单圆筒式，并采用“三合一”的型式，即调压、分岔及 闸门三者布置在一个井中。7.4.4调压室的水利计算调压室的基本尺寸是由水力计算来确定的，其内容包括：调压室水位波动的稳定条件，确定调压室断面面积确定调压室最高涌水位，从而确定调压室顶部高程确定调压室最低涌水位，确定其底部及压力管道进口高程。1）应根据电站及引水道的实际

20、情况，选择可能出现的最不利情况作为水力 计算条件，使调压室自阿确保安全的前提下最经济合理，采用托马公式：F =史(H - 2h)k2a gwm o水工手册7-156则:+二1R 3h=-wQ-V 2m=29式中：Fk临界界面Lf引水道长度与断面面积g重力加速度H稳定状态时水轮机承受的静水头，采用可能出现的最小净水头，取34.6 mhwm 0 压力管道的水头损失wma引水道的水头损失系数7 LV 2 211200sc所以，发生间接水击。VmaxQmaxD 2兀A124.91623.14 x-4=4.42 m / s,- CV特性常数p =CVmax =2 gH 01200 x 4.42 r =

21、=7.5 2 x 9.81x 36.2丢弃全荷载时：Z0=1pZ0=7.5 1所以发生末相水击LV=max175 X 俱20.317gH T 9.81x 36.2 x 6.68式中：。一一阀门开度变化时管道中水流流量的德相对变化率一 b 0317 .&2 + 4 +b) = _257(罚.3172 + 4 + 0.317) = 0.371水击压强：H=gmHr=0.371x36.2=13.4 m总压力值：Hr+H=36.2+13.4=49.6 m转速变化率：P = 1 + 3G5NqTJ _i n 2 GD2i 0式中：N0机组额定容量，取4万KWTs1=0.85T =0.85X6.88=5.

22、848 sF水击影响系数，查水电站9-22得：f=1.47N额定转速，取107.1 r/min-1 = 0.378七36.5 x 4 x 104 x 5.848x 1.47107.12 X 12159.880P =.1 +机组转速最高值：nmax=n0(p+1) =107.1x (0.378+1) =147.58r/min最大水头下用全负荷：1752H = 2=0.292 1发生末相水击b= = 175X S = 0.3gH T 9.81 x 38.1x 6.88E = ： (Jb 2 + 4 +b) = (J0.32 + 4 + 0.3) = 0.35水击压力：H=gmHmax=0.35x3

23、8.1=13.335总压力值：H+AH=38.1+13.335=51.435水击压力系数，查水电站表2-22知f=1.4536.5H0T f -1 = 1 + 36.5 x 40000X 5.848x 1.45 -1 = 0 374 n2GD2107.12 x 12159.88- .0机组转速最高值：nmax=n0 (1+p) =107.1 X(1+0.374) =147.16r/min水击压力的计算标准如下：压力升高：当HV40m时 司=0.7-0.5本设计中：6=max(&H，)=0.371司所以满足要求。(3) 压力降低：负水击时，一压力管道顶部任何一点不出现负压并有2 m HO 2 以

24、上余压为限，尾水管进口的允许最大真空度为8 m HO。2转速变化率的计算标准：丢弃全负荷时B=0.6机电手册P98本设计 B=max (0.378, 0.374) =0.378D/800+4=11.5 mm,且不小于6mm，故利用锅炉公式计算出的12mm与结构厚 度14 mm，满足要求。钢管抗外压失稳计算(1)在外水压力作用下，地下埋藏管为光面管时外压失稳计算：P - 3440( 5 /y)i.7bQ25式中：5 钢称厚度，本设计取为12mY钢称半径，TP300cmb钢称屈服强度，3500kg/mm2由上式得：P - 3440( 5 /y)i.7b 0.25 - 3440 x (1.2/300

25、)1.7 x 35002.5 - 2.219 kg / cm2 crs光面管外压失稳，安全系数为2.0，即为允许设计外压，P - P /2 -1.110 kg /cm298 KN / m2 - 1个工程大气压-10 m水柱-1 kg / cm2然而外压力P 50 m水柱-5 kg / cm2P P/2因此光面管无法满足抗外压失稳要求，若采用增加钢称厚度或提 r高钢称屈服强度是不经济和不合理的，采用加劲环是工程中常用的方法(2)设加劲环外压失稳计算加劲环稳定分析在外水压力作用下每隔0.5m设加劲环，加劲环尺寸为高15 mm ,厚为12 mm , 加劲环钢板为16Mn钢，采用公式：P =。sF /

26、 rl式中：。S钢板屈服强度，。$ = 3500 kg /cm2f加劲环有效截面e = 0.78= 0.78x(3000x12 = 148 mmF = 12x (12 +15) + 2 x (12x 148) = 3876 mm2 = 38.76 cm2式中：r 加劲环形心轴处半径，r = 3.0 m = 300 cm1 加劲环间距，1 = 50 cmq F 3500x 38.76P =s = 9.044 kg / cm 2cr rl300 x 50即加劲环的临界处压力为9.044 kg /cm2外水压力为P = 5 kg /cm2 P =9.044 kg / cm2因此，加劲自身不抗外力，满

27、足要求。加劲环间管壁的稳定分析相应最小临界压力系数n = 2.74 x (r /1)0.5 (r /q )0.25 = 2.74 x (3/ 0.5)爵 x (3/ 0.012)0.25 = 26.69P = E一凸+凸3 x上 cr(n 2 1)(1+ g )=12.65v、 2n2 1 u+ ()3 x x (n2 1) + sr r12 x u1 + nn2r2sn2r2(u =0.3)=12.65 kg / cm2外水压力P = 5 kg / cm2 Pcr因此，外加劲环间壁满足抗外压失稳要求7.7防止地下埋管产生外压失稳的措施降低地下水压力是防止失稳的根本办法，排水廊道结合排水孔是较广泛的有 效措施。精心施工做好钢称与混凝土之间的接缝灌浆，减小缝隙，有利于抗外压失稳， 但应注意，避免灌浆压力过大引起失稳。16 / 16