5[1]6引水建筑物(08变更设计)

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1、5.6 引水建筑物电站引水建筑物主要由坝式进水口、有压隧洞、调压井、压力管道和重溪补充水源等部分组成。5.6.1 方案布置比较 结合挡水建筑物和发电厂房的布置方案，引水建筑物的布置考虑了左、右岸布置两个方案。左岸方案共布置6个隧洞，总长6659m，压力管道总长601m；右岸方案共布置隧洞5个，隧洞总长6043.83m(0+017.506+6060.98)，压力管道总长395.00m，右岸有补充水源。综合分析两个方案，选择右岸方案为推荐方案，理由有以下几点：一是从工程投资上，右岸方案比左岸方案明显地节省；二是工程施工上，左岸材料运输方便，但施工干扰大，对村级公路的交通会带来一些影响；三是流域规划

2、要求必须对水资源进行合理利用，右岸有比较合适的厂房位置，左岸需考虑将压力管道横跨过河，施工难度大。5.6.2 有压进水口发电引水隧洞进水口只能布置在右岸，右岸山坡覆盖层厚35m，基岩为志留系中统罗惹坪群下段（S2lr1）砂质泥岩。层理较发育，强风化带厚35m，隧洞轴线与岩层走向夹角30。须明挖20-50m方可进洞，进洞段围岩类别类。进口段fk 为12，单位围岩弹性抗力ko为1020Mpacm-1。有压进水口布置考虑了坝式进水口、竖井进水口两个方案，综合分析投资和生产运行管理，选择坝式进水水口方案。（1）结构布置水库正常蓄水位420m，校核洪水位421.02m，死水位413m。进水口布置位置主要

3、基于进水口的高程拟定在距右坝肩较近的位置，以节省工程量。进水口（0+0000+017.15）分为进口段、闸室段和渐变段，进水口段设计纵坡为3。渐变段以后为有压隧洞段。坝式进水口的基础考虑和大坝基础为同一整体，基础采用C20（2）砼，厚2m，宽7.5m，长5m。进水口支承采用排架结构。进口顶部和侧面均布置成1/4椭圆曲线，a=2.0m,b=0.75m。根据进水口的地形条件，栏污栅的清污比较困难。考虑降低过栅流速，以获得较大过水面积，采用固定栏污栅。拦污栅分3面，进水正面或两侧各布置1块，栅条垂直布置，高2.8m，栅条厚10mm,宽50mm,间距按混流式水轮转轮直径的d/30拟定为30mm。参照小

4、型水电站机电设计手册（金属结构分册）中介绍的不采取清污措施容许过栅流速为0.5m/s，复核本处的过栅流速小于0.5m/s。因此本处选取固定栏污栅一是能够满足过栅流速要求，二是减少了工程运行管理期间的清污工作量。栏污栅体和框架投资有所增加，和考虑清污措施相比较，投资节省一些。闸室段和排架相连，进水口采用矩形断面,孔口尺寸为2.02.0m。闸门采用平面钢闸门，闸门后仍采用矩形断面，孔口尺寸断面不变，闸后5.86m(桩号0+008.36)开始向右转弯,曲线段长5.79m，曲线段末段（桩号0+014.15）连接渐变段由方变为圆形断面，渐变段长度均为3m。平面钢闸门为检修闸门，平面闸门尺寸为2.52.5

5、m。配套启闭机采用螺杆式启闭机，启闭机型号为QPK2400kN型螺杆启闭机。在排架438.50m高程上建启闭机房，长4.0m，宽4.0m。启闭房内布置启闭机1台。启闭机最大宽度1.36m，人行通道宽度能够满足要求。（2）水力及通气孔面积计算a不出现吸气旋涡的临界淹没深度计算水库死水位418m，进水口顶部高程416.00m。按戈登（J.L.Gordon）公式估算: Scr=cv式中：Scr闸门门顶低于最低水位的临界淹没深度，m；d闸门孔口高度，取1.5m; v闸门断面的水流速度，计算取值2.32m/s； c经验系数，对称时取0.53。经计算，得Scr=1.51m，进水口闸门顶高程为415.91m

6、,距死水位高度为2.09m。因此不会出现吸气旋涡。b水头损失计算进水口水头损失计算沿程水头损失和局部水头损失，本处只给出各局部水头损失系数，便于编程计算。沿程水头损失在隧洞中给出计算公式。根据水电站调压室设计规范（DL/T 5058-1996）附录A介绍的局部水头损失系数取值和计算公式进行计算，各部位的局部水头损失系数见表5.6-1。表5.6-1 进水口局部水头损失系数部位局部水头损失系数备注进水口0.1采用1/4椭圆曲线栏污栅sin栅条形状系数，取2.42s 栅条宽度b 栅条间距栅面倾角 取90v 过栅平均流速（用于计算栅条损失）渐变段0.1圆变方 渐变段0.1方变圆闸门槽0.1c.避免出现

7、负压的最小淹没深度计算按下式计算压力隧洞避免出现负压的最小淹没深度s：s=+1.5(1+hi) 式中：s闸门门顶的最小淹没深度，m； 冰冻层厚度，m； hi进水口段水头损失系数； vi进口闸门处的流速，计算取2.32m/s； 经计算，s=0.65m，能够满足要求。d通气孔面积计算参照水工设计手册（水电站建筑物）介绍的公式计算： A= 式中：Qa空气流量，采用引水隧洞的额定流量； va空气流速，取25m/s； 计算A=0.20m2,在闸后采用内径500mm的钢管伸到坝顶，用于通气孔。5.6.3 有压引水隧洞（1）结构布置根据前面所述的方案布置，发电引水洞选择右岸布置，发电输水隧洞进口处覆盖层厚3

8、-5m，基岩为志留系中统罗惹坪群下段（S2lr1）砂质泥岩。进洞后洞线所经地层依次为志留系中统罗惹坪群中段（S2lr2）石英砂岩，上段（S2lr3）砂质泥岩，粉砂岩，礁灰岩，志留系上统纱帽群下段砂质页岩，夹紫红色泥岩、灰绿色粉砂岩，志留系上统纱帽群上段（S3sh2）石英砂岩，泥盆系中统云台观组（D2y）灰白色石英砂岩，泥盆系上统黄家磴组（D2h）黄色块状石英砂岩夹页岩，泥盆系上统写经寺组（D3x）砂岩夹页岩，二叠系下统栖霞组马鞍段（P1q1）砂岩夹页岩，二叠系下统栖霞组灰岩段（P1q2）含燧石灰岩，该组亦为璞岭向斜的核部，往洞口方向又依由新到老至志留系上统纱帽群地层。有压引水隧洞总长6043.

9、83m(0+017.506+6060.98)，根据地质报告提供的资料，衬砌长度按60%考虑，即3626m，其余按喷混凝土考虑，长度为2417.83m。隧洞设计纵坡3/1000。关于洞径考虑了5种方案：方案1开挖直径2.3m，方案2开挖直径2.4m，方案3开挖直径2.5m，方案4开挖直径2.6m，方案5开挖直径2.7m。各种方案的衬砌长度、喷混凝土长度不变。衬砌厚度均按0.30m考虑，喷混凝土厚度按0.10m考虑。在压力钢管采用推荐方案的情况下，分别计算电站年发电量和隧洞工程投资变化。计算期内的上网电价按0.35元/kWh计算，有效电量系数0.95，线路损耗9%，电费的增值税按17%考虑，由于增

10、发电量导致增加的发电成本很小，进行评价时未考虑。采用技术经济方案比较详见表5.6-2。表5.6-2 有压隧洞洞径方案经济比较表方 案方案1方案2方案3方案4方案5隧洞开挖内径（m）2.32.42.52.62.7隧洞回填后内径（m）钢筋砼衬砌1.71.81.922.1喷混凝土2.12.22.32.42.5额定流量(m3/s)6.025.595.385.265.18额定出力时的隧洞总水头损失(m)33.9822.2115.8111.779.00 其中:沿程水头损失(m)33.5621.9215.5911.68.86水头损失减少（m）11.776.44.042.77建筑工程开挖增加方量(单价:180

11、元/m3)2231232624202516C20砼增加方量(单价:450元/m3)342342342342增加隧洞模板工程(78元/m2)1140114011401140喷混凝土增加方量(单价750元/m3)76767676钢筋增加量(单价7800元/t)21212121细部结构(单价:11.68元/m3)342342342342建筑工程投资(万元)86.5288.2389.9291.65发电量变化(万kWh)138.7173.4444.6329.34收益变化(万元)35.4818.7811.417.5差额内部收益率IRR(%)40.9720.6211.165.23从表5.6-2可以看出，方案

12、2比方案1收益和投资均增加，差额内部收益率远大于国家发展改革委发改投资20061325号文印发的建设项目经济评价方法与参数（第三版）测定的社会折现率Is=8%，因此方案2比方案1优。同理对案2、方案3、方案4进行比较，得出的结论，后一个方案比较前一个方案优，选择后一个方案。方案4和方案5进行比较，差额内部收益率小于测定的社会折现率Is=8%，因此方案4比方案5优。因此选择方案4（即隧洞开挖直径2.60m）为推荐方案。隧洞总长6043.83m(0+017.506+6060.98), 根据地质报告提供的资料，衬砌长度按60%考虑，即3626m，采用C20（2）衬砌，衬砌厚度0.30m，布双层钢筋对

13、于类围岩，伸缩缝长度12m。隧洞拱顶90范围内进行回填灌浆，回填灌浆孔沿拱顶布置，孔距3m，灌浆压力0.3Mpa。对于围岩不稳定的衬砌砼后进行固结灌浆，每排布置6孔,孔深1.3m对称布置,排距4m；相邻断面错开排列,灌浆压力按1.5倍的内水压力考虑拟定0.68Mpa。固结灌浆在回填灌浆14天后进行，灌浆时应加强观测，防止洞壁发行变形破坏。回填灌浆和固结灌浆孔分排间隔排列。(2)衬砌结构计算圆形有压隧洞的衬砌计算参照天津大学祁庆和主编的水工建筑物介绍的方法，该方法和水工设计手册（水电站建筑物）介绍的方法基本相同，只是部分系数略有差别。隧洞开挖洞径2.6m，对于类围岩，采用C20（2）衬砌，衬砌厚

14、度0.3m，按限裂进行设计。隧洞衬砌在各种荷载作用下考虑弹性抗力时的内力计算公式如下：铅直围岩压力作用下的内计算公式：M=qrreA+B+Cn（1+）N= qreD+F+Gn（1+）式中：M计算截面上弯矩，kNm;N计算截面上轴向力，kN；q铅直围岩压力强度，kpa；re衬砌的外半径，取1.1m;r衬砌的平均半径，0.975m； =2-； n=； K弹性抗力系数，kN/m3； E材料的弹性模量，kPa； J计算断面的惯性矩，m4； b计算宽度，取b=1m； 系数A、B、C、D、F、G在不同的角度的值见表5.6-3。表5.6-3 铅直围岩压力作用下的内力计算系数表断面ABCDFG=00.1628

15、00.08721-0.006990.21220-0.212220.02098=/2-0.12500-0.12501-.008240.000001.000000.00575=0.087200.16277-0.00837-0.212200.712220.02237衬砌自作用下的内力计算公式如下:M=gr2(A1+B1n)N= gr (C1+D1n)式中：g单位面积的衬砌自重，kPa；其余符号同前，系数A1、B1、C1、D1见表5.6-4。表5.6-4 衬砌自重作用下的内力计算系数表断 面A1B1C1D1=00.34477-0.02194-0.166690.06590=/2-0.392720.025

16、891.570800.01807=0.44059-0.026281.737490.07024非均匀内水压力作用下的内力计算公式如下: M=r(A2+B2n) N=r(C2+D2n)式中水的容重，kN/m3； 衬砌的内半径，m； 其余符号同前，系数A2、B2、C2、D2见表5.6-5。表5.6-5 非均匀内水压力作用下的内力计算系数表断面A2B2C2D2=00.17239-0.01097-0.583350.03295=/2-0.196360.12295-0.214600.00903=0.22030-0.01315-0.631260.03513本阶段仅选择两个断面进行内力和配筋计算：一是有压隧洞进

17、口段后，即竖井后断面，该断面承受的内因水压力小，是承受水压值最小的断面；另一个承压值最大的断面，即靠近调压井位置。根据以上公式计算有压隧洞进口位置和接近调压井位置的两个断面的内力和按限裂设计的配筋成果见表5.6-6。表5.6-6 内力和配筋计算成果断面位置荷载类别M（kNm）N（kN）=0=/2=0=/2=有压隧洞进口垂直山岩力2.46 -2.42 2.47 1.28 12.14 7.88 自重4.43 -5.00 5.76 0.92 23.49 28.50 非均匀内水压力1.51 -1.70 1.96 -4.64 -1.79 -4.98 总 计8.41 -9.12 10.20 -2.44 3

18、3.83 31.41 按限裂进行配筋计算的配筋面积Amin=4.13cm2内侧配筋面积(cm2)外侧配筋面积(cm2)=0=/2=0=/2=3.763.791.161.160.230.17接近调压井位置荷载类别M（kNm）N（kN）=0=/2=0=/2=垂直山岩力2.46 -2.42 2.47 1.28 12.14 7.88 自重4.43 -5.00 5.76 0.92 23.49 28.50 非均匀内水压力1.51 -1.70 1.96 -4.64 -1.79 -4.98 总 计8.41 -9.12 10.20 -2.44 33.83 31.41 按限裂进行配筋计算的配筋面积Amin=4.1

19、3cm2内侧配筋面积(cm2)外侧配筋面积(cm2)=0=/2=0=/2=8.718.745.296.105.168.11(3)水力计算有压隧洞的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失两部分，沿程水头损失采用谢才曼宁公式计算，局部水头损失主要隧洞转弯引起，按弯管的局部水头损失公式计算。有压隧洞沿程水头损失公式如下：hf=式中:L引水隧洞长度，m； v设计流流速，m/s； R水力半径，m； C谢才系数，取值； n糙率系数。有压隧洞的糙率系数n根据不同的衬砌结构分别计算，对于钢模现浇混凝土衬砌，n取值0.015；对于采用光面爆破开挖的岩石面喷混凝土n取0.030。有压隧洞局部水头损失主要是由于隧洞

20、转弯引起的水头损失，计算公式如下：弯=0.131+0.163()0.5 式中：R隧洞转弯半径(m)，隧洞转弯半径在本项目按10m布置； D隧洞内径(m)； 隧洞转角，详见压力隧洞布置图。按上述公式计算有压隧洞不同水库水位工况下的额定出力时的水头损失详见表5.6-7。表5.6-7 额定出力工况下有压隧洞水力计算成果表水库特征水位死水位413m正常蓄水位420m设计洪水位420.88m校核水位421.02m引水流量(m3/s)5.525.265.235.22有压隧洞总水头损失(m) 12.9811.7711.6411.60 其中:沿程水头损失(m)12.7911.6011.4711.43 局部水头

21、损失(m)0.190.170.170.175.6.4 补充水源重溪取水坝址以上承雨面积20.50km2。根据实测的取水坝位置处的横断面图，布置底栏栅坝，栏栅坝长15m,溢流坝段长12m，坝顶宽度1.4m，坝顶高程拟定为434.66m；底栏栅坝长3m，坝顶宽度1.6m，栏栅纵坡1:10，坝顶高程434.26m。沉砂池宽1.0m，全长20m，进口处底板高程433.36m，设置15m长陡坡，纵坡1/10，使沉砂池水深达到2.0m，然后为5m长水平底板。沉砂池底板高程431.86m。在沉砂池末端安装冲砂闸门。无压引水隧洞全长1916m。重溪的水源经沉砂池沉砂后，进入无压隧洞，在调压井注入。无压隧洞的高

22、程考虑电站突然丢弃负荷时调压井的涌波的影响会使无压隧洞变成明满交替的运行，会出现振动、空蚀、掺气和脉动压力等作用，对无压隧洞的过流能力、结构的受力状态等产生不利的影响。因此重溪无压引水隧洞的高程选择在调压井涌波水位上的高程。根据调压井计算的涌波水位拟定隧洞进入调压井的底板高程为432m。无压隧洞的引用流量较小，设计断面按工作断面拟定，城门洞型，宽1.5m，高1.8m。设计纵坡1:2000。5.6.5 调压室(1) 设置调压室条件的判别和位置拟定引水道全长6491.98m，其中进水口长17.15m(0+0000+017.15)，采用矩形断面，Bh=22m；有压引水隧洞长6043.83m，开挖直径

23、2.6m，分为衬砌段和喷混凝土段，衬砌段长3626m,衬砌厚度0.3m，喷混凝土段长2417.83m,厚0.1m。压力钢管至岔管的主管长395m，内径1200mm。岔管至1#机组主阀支管长9m，支管内径0.8m；至2#机组支管主阀支管长16m，支管内径0.6m。主阀至蜗壳长4.0m，蜗壳长3.5m，尾水长4.5m。水库正常蓄水位420m，考虑机组在正常蓄水位工况超出力5%时的流量为4.98 m3/s，调压井至岔管中心的压力管道长423.97m，管径1.20m。根据水电站调压室设计规范（DL/T 5088-1996）初步判断是否设置上游调压室：TwTw Tw=式中：Tw压力水道中水流惯性时间常数

24、，s； Li压力水道各分段的长度，m； Vi各分段内相应的流速，m/s； g 重力加速度，m/s2； Hp设计水头，m； TwTw的允许值，取4s。 根据上式计算，LiVi=11013m2/s，Tw=5.8sTw，需设置调压室。调压室布置宜接近在压力隧洞末端靠近压力钢管的地方，即小地名为木子林的地方，但该地为石英砂岩夹页岩，层理发育，围岩类别为、类，一是对调压室的开挖难度增大，不利于开挖成标准断面，容易形成垮塌，二是对该地方地形太陡，开挖的弃渣需外运至500m以个地方堆放，运输成本增加，因此，变更设计时将调压室后退至含燧石灰岩地段，一是岩石强度高，开挖容易成形，便于施工，二是减少衬砌工程量，但

25、压力管线长度增加，会造成压力管线的水击值相对升高。现场踏勘后，拟定将调压室布置在有压隧洞5+638.26桩号处。（2）稳定断面计算上游调压室的稳定断面计算按托马（Thoma）准则并乘以系数K决定：A=K式中：A托马稳定断面面积，m2； L压力隧洞长度，取值6060.98m(含有压进水口长度)； A1压力隧洞断面面积，取加权平均值3.69m2； H0发电最小静水头，死水位时额定出力的设计水头185.91m； 自水库至调压室水头损失系数，=5.91； v压力隧洞流速，取平均值1.48m/s； hw0压力隧洞水头损失，取值12.97m； hwm压力管道水头损失，9.12m； K系数，取1.1；计算得

26、A=1.44m2。（3）调压室的内径拟定和水位波动计算根据水电站调压室设计规范（DL/T5058-1996）中关于上游调压室涌波的计算工况：按水库正常蓄水位时，共用同一调压室的全部机组满载运行瞬时丢弃全部负荷，作为设计工况；按上游校核水位时，相应工况作校核。调压室的类型考虑选择阻抗式调压室。可以抑制调压室的波幅振动，加速波动的衰减。有压引水隧洞喷混凝土的内径为2.4m，阻抗孔内径为2m，为有压引水隧洞面积的69%，对压力管道的水锤影响不会很大。调压室位置拟定在有压隧洞5+638.26m位置，机组在正常蓄水位时机组超发5%额定出力时的流量为5.64m3/s,调压室以上有压引水隧洞的水头损失为12

27、.58m，则有压隧洞的阻力系数为0.3955s2/m5, 调压室过在流量5.64m3/s的水头损失为0.22m，则进出调压室的的阻力系数为0.006916s2/m5。调压室以后的有压隧洞水头损失为0.95m，压力管道过流量5.64m3/s的水头损失为9.51m，总水头损失为10.46m，则压力管道的阻力系数为0.3288s2/m5。阻抗式调压室水位波动的计算的基本微分方程为:连续方程: =(Q-Qm)/F=f1(t,Z,Q)动力方程: =(HR-Z-KQs|Qs|-RQ|Q|)gA/L=f2(t,Z,Q)式中:Q、Qm分别为有压隧洞和压力管道的流量，m3/s； F、Z调压室的面积和水位，m2、

28、m； HR水库水位，m； K调压室阻抗水头损失系数，s2/m5； Qs调压室的流量，以进入调压室为正，m3/s； R隧洞的沿程水头损失和局部水头损失系数，s2/m5； g重力加速度，m2/s； A、L有压隧洞的断面面积和长度，m2，m；根据上述基本方程采用龙格库塔法计算水位波动。已知t时刻的Qt、Zt值，则可以根据以下公式求t+t时刻的Qt+t、Zt+t之值：Zt+t=Zt+（K1+2K2+2K3+K4）K1=tf1(t,Zt,Qt)K2=tf1(t+,Zt+,Qt+)K3=tf1(t+,Zt+,Qt+)K4=tf1(t+t,Zt+K3,Qt+L3)Qt+t=Qt+（L1+2L2+2L3+L4

29、）L1=tf2(t,Zt,Qt)L2=tf2(t+,Zt+,Qt+)L3=tf2(t+,Zt+,Qt+)L4=tf2(t+t,Zt+K3,Qt+L3)水库正常蓄水位时，2台机组超额定负荷5%运行瞬时丢弃全部负荷，作为设计工况;水库校核洪水位时，全部机组超5%额定负荷运行瞬时丢弃全部负荷，作为校核工况。采用上述方法计算调压室不同内径时的水位波动情况见表5.6-8。机组的设计流量较小，2台机组由2/3负荷增至满载，调压室水位的涌波变化不大，待技施阶段复核。表5.6-8 调压井方案比较表调压室衬砌后内径(m)44.55调压室壁厚(m)0.40.50.5调压井地面高程(m)435调压井底板高程(m)3

30、91.085设计工况涌波水位(m)432.38430.50428.75校核工况涌波水位(m)433.46431.41429.80调压井顶部高程(m)434.50432430.50工程量石方开挖（m3）79510431242砼（m3）329442486模板(m2)546578619钢筋（t）202729投资(万元)49.0364.2971.74调压室的石方开挖按180元/m3计算，衬砌砼按450元/m3计算，模板按78元/m2计算，钢筋制安按7800元/t计算。从表5.6-7得知，调压井在内径为4m时投资最小，因此拟定内径为4m的调压井为推荐方案。（4）结构布置本次设计变更调压室所处的地质条件比

31、原方案变化比较大，原方案为泥盆系上统写经寺组石英砂岩夹页岩、泥灰岩，力学性质相差较大，砂质泥岩、石英砂岩力学性质较好，而页岩力学性质相对较差。本次变更设计改为含燧石灰岩，岩石完整，除局部可能出现节理密集带外，大部分节理不发育，有利于调压室的整体稳定。调压室地面高程为435m，调压室采用阻抗式结构，钢筋砼衬砌。调压室内径4.0m，衬砌厚度0.40m。阻抗孔内径2m，板厚1.5m。调压室在水库正常蓄水位时机组超5%额定负荷突然丢弃全部负荷时的水位涌波高程为432.38m，在校核工况的最高水位433.46m，调压室顶高程取434.5m。5.6.6 压力管道（1）管路布置压力管道范围从调压井后至厂房机

32、组进水管，本次变更设计果将调压井的位置调整到有压隧洞5+638.26桩号处。因此压力管道包括有压隧洞、压力管道主管、支管等部分。其中有压隧洞长度422.72m（5+638.266+060.98），压力管道主管从有压隧洞末端至岔管中心长395.00m。岔管中心至1#机长9m，管径0.8m；岔管中心至2#机管长16m，内径0.6m。有压隧洞的围岩从含燧石灰岩过渡到石英砂岩夹岩。压力管道主管位于璞岭向斜北西冀，属岩溶侵蚀中低山地貌，压力管道所经山坡较陡，平均坡度3545，沿线覆盖层不厚，上部基岩出露较好，中部平缓地段有12m残坡积层。(2) 水头损失计算和压力钢管直径选择压力钢管的水力计算采用流量q

33、和直径d为形式参数的函数给出,即h损=f(q,d)。本处只给出各部分的计算公式和参数取值,详细计算过程省略。电站装机2台，从调压室至岔管中心的压力钢管长度395.00m，岔管中心至1#机长9m，管径0.8m；岔管中心至2#机管长16m，内径0.6m。沿程水头损失计算采用斯考倍公式：h沿=mQ1.9L/（0.6319D4.9）式中：管道形式影响系数，取值0.00083 m使用年限系数，取值1.22 v、D、L为钢管中水的流速(m/s)、内径(m)和长度(m)压力钢管局部水头损失主要包括以下几个组成部分：各个弯管转弯半径按3D考虑，弯管水头损失：弯=0.131+0.163()0.5 式中：R弯管转

34、弯半径(m)； D弯管内径(m)； 弯管转角，见压力管道布置图。岔管：岔管的局部水头损失系数参照水电站调压室设计规范（DL/T 5058-1996）取值为0.2。钢管管径的的选择直接关系到水电站的经济效益，首先按经济管径近似公式计算几个参考管径后，然后采用技术经济比较选择最合适的管径。 参照“彭德舒”经验公式： D= 式中Qmax与H分别为钢管中的最大流量和设计水头，采用公式计算的经济管径为1.16m，取1.2m。在调压室水位和机组喷嘴中心高程已知的情况下，水机工作水头由压力管道的毛水头和水头损失决定，而管路的水头损失同时又与机组的流量、管径相关。压力钢管的管径以1100mm为基准方案，另增加

35、内径为1200mm、1300mm、1400mm三个方案进行比较，方案比较采用差额内部收益率法。压力钢管经济比较中水能计算的方法同前，投资变化的因素考虑压力钢管直径变化引起的金属结构工程量的变化和土建投资的变化。压力钢管包括直管、弯管、加劲环和支承环等部分，其平均加权制安单价按13000元/t计入投资。计算期内的上网电价按0.35元/kWh计算，有效电量系数0.95，线路损耗9%，电费的增值税按17%考虑。表5.6-9 压力钢管经济技术比较表方 案方案1方案2方案3方案4方案5钢管内径（mm）10001100120013001400装机规模（kW）15000+13200水库正常蓄水位(m)420

36、420420420420死水位(m)413413413413413机组尾水位（m）205205205205205水头损失小 计21.812.748.325.84.27其中：沿程损失18.3810.166.924.83.54 局部损失3.422.581.410.73额定流量（m3/s）5.725.405.265.185.14投资变化钢管重量增加(t)28.2914.6338.2235.43钢管附件重量增加(本体10%)2.831.463.823.54钢管投资增加(万元)40.4620.9254.6550.66水工投资增加(万元)5.457.638.267.83投资增加小计(万元)45.9128.

37、5562.9158.49发电量变化(万kWh)62.3434.2310.237.56收益变化(万元)16.128.852.651.96差额内部收益率IRR(%)35.0330.86-1.58-3.54从表5.6-9中可以看出，方案2比方案1多投资45.91万元，年收益增加16.12万元，按1年施工期（考虑钢管施工期，小于1年按1年计取）,取计算期为21年得差额内部收益率IRR为35.03%，大于社会折现率Is=8%，故方案2优于方案1；同样方案3和方案2进行比较得出差额内部收益率IRR为30.86 %，大于社会折现率Is=8%，故方案3优于方案2；同理可得，方案4和方案3比较得差额内部收益率I

38、RR为-1.58%，小于社会折现率Is=8%，说明方案3优于方案4。因此选择方案4（内径1200mm）为推荐方案。根据推荐的1200mm内径的压力钢管，计算水库在不同水位下压力钢管的水头损失情况见表5.6-10。本表计算成果是考虑机组在正常尾水位205m的情况下。表5.6-10 压力管道水力计算成果表机 组 名 称死水位413m正常蓄水位420m设计洪水位420.88m校核水位421.02m压力主管引用流量(m3/s)5.525.265.235.225000kW机 组总水头损失8.637.897.807.76 其中:沿程水头损失7.086.476.406.37 局部水头损失1.551.421.

39、401.393200kW机 组总水头损失9.588.758.658.62 其中:沿程水头损失8.057.367.287.25 局部水头损失1.531.391.371.37（3）压力钢管壁厚拟定电站属于高水头,加工压力钢管的钢板执行碳素结构钢(GB700-88),选择牌号Q235C级。其力学性能主要指标为：壁厚16mm的屈服点s225Mpa；抗拉强度b=375Mpa。明管壁厚由工作厚度及锈蚀裕量两部分组成，压力钢管的壁厚按锅炉公式计算: =H设R/()式中:水的容重，取9.81103kN； H设考虑水击上升值的计算水头(m),按20%的水击上升值估算；R钢管内径（m）； 焊缝系数，取0.85;

40、容许应力，因未计入其它荷载，将允许应力降低20%，取0.80.55s，取值为99Mpa;根据以上公式进行计算，结合钢管加工的制造壁厚规格，考虑锈蚀壁厚2mm。经计算0#镇墩至1#镇墩计算壁厚为2.6mm，小于最小壁厚6mm，因此取6mm，压力钢管不能满足抗外压稳定要求，且0#镇墩至1#镇墩距离不长，因此将壁厚增加到10mm，以满足抗外压稳定要求；1#镇墩至2#镇墩计算壁厚为7.6mm，取计算壁厚8mm，制造壁厚为10mm；2#镇墩至3#镇墩计算壁厚为13.8mm，取计算壁厚14mm，制造壁厚为16mm；3#镇墩至4#镇墩计算壁厚17.5mm，取计算壁厚18mm，制造壁厚20mm；4#至5#镇墩

41、计算壁厚17.9mm，取计算壁厚18mm，制造壁厚20mm。（4）水击计算调压室布置在有压隧洞5+638.26桩号处，调压室后的有压隧洞长度422.72m（5+638.266+060.98），压力管道主管从有压隧洞末端至岔管中心长395.00m。岔管中心至1#机长9m，管径0.8m；岔管中心至2#机管长16m，内径0.6m。主阀至蜗壳长4.0m，蜗壳长3.5m，尾水长4.5m。水击计算目的是求出管道中的最大和最小内水压强，最大内水压强考虑在调压室为最高水位时，电站超额定出力5%，丢弃全部负荷时的水击压力上升值为控制工况；最小内水压强的大小主要取决于工作水头、流量变化和阀门调节时间等水管特性因素

42、。水库在校核水位时电站按额定出力超发5%时的工况对应的流量为5.56m3/s。考虑水库为死水位时，电站机组由全关到全开达到额定出力时的水击下降值为控制工况。电站的压力钢管为复杂管型，既有串联管，又有分岔管，采用合肢法计算电站的水击值。按下式计算水锤波传播速度：c= 式中：c水锤波传波速度，m/s；、 Ew水的体积弹性模量，取2.06103Mpa; K抗力系数，对不同的情况取不同的数值； r管道的半径，m；压力管道的抗力系数根据不同的结构采用不同的公式进行计算，抗力系数公式如下:钢 管：Ks=混 凝 土: Kc=ln环向钢筋: Kf=式中:Ks、Kc、Kf钢管、混凝土、环向钢筋的抗力系数； Es

43、、Ec钢材弹性模量和混凝土弹性模量，钢材取值2.1105Mpa,C20砼取值2.55104Mpa; s、c钢材和混凝土的泊松比，取值分别为0.3和0.167； r1、r2回填混凝土的内半径、外半径，m； rf、f单位管道中钢筋的截面积和钢筋圈的半径，m；按照上述公式计算的加权平均水击波速为1123m/s。水轮机为混流式机组，因管线较长，水头较高，取导叶全关闭时间Ts=8s，则导叶有效关闭时间为Ts=5.6s。计算2L/a=1.51小于Ts，属于间接水锤，计算水管特性常数=0.8539、=0.2295。计算0m，即最大水锤压强属于第一相水锤。水击上升值采用公式1=，水击下降值采用近似计算公式1=

44、。详细计算见表5.6-11。表5.6-11 压力钢管水击计算成果表管段编号LV（m2/s）最大水头（m）最小水头(m)水击上升值（m）水击下降值（m）最大水头（m）最小水头（m）隧洞段74843.6523.193.211.3346.86 21.86 1#镇墩92243.7523.293.961.6447.71 21.65 2#镇墩1369103.468313.928.68117.38 74.32 3#镇墩2044176.4615635.4424.36211.90 131.64 4#镇墩2511221.4620154.6438.55276.10 162.45 5#镇墩2683226.76 206

45、.30 59.7842.28286.54 164.02 至岔管2690136.76 226.75 59.9442.39286.69 163.90 岔管至主阀2817226.76 206.30 62.7744.39289.53 161.91 主阀至蜗壳2849226.76 206.30 63.4844.9290.24 161.40 蜗壳2877226.76 206.30 64.145.34290.86 160.96 尾水2880从表5.6-11看出，压力钢管末端的末相水锤相对升高值1max=28.3%和压力钢管末端的末相水锤相对降低值1max=22%均满足要求。（5） 管壁受力分析管壁受力分析采

46、用结构力学法。分析两支墩间的跨中断面和膜应力区边缘断面。受力分析按照水电站压力钢管设计规范（SL281-2003）的附录A的规定进行。电站的管壁受力分析见表5.6-12。表5.6-12 电站压力钢管应力计算成果表管段编号计算壁厚（mm）跨中截面（Mpa）支座膜应力（Mpa）管 顶=90管 侧=90管 底=180管 顶=0管 侧=90管 底=1801#镇墩843.0539.193632.9539.8847.462#镇墩8103.66100.7197.994.96100.86106.863#镇墩14106.32104.23102.22100.19104.31108.474#镇墩18104.7710

47、3.05101.3899.73103.1106.52从表中可以看出，任意两镇墩之间的跨中断面和膜应力区边缘断面的应力的最大值max=108.47Mpa 0.55s=111.38Mpa，说明应力满足要求。（6）压力钢管抗外压稳定分析压力钢管内径1200mm，满足抗外压稳定的壁厚为D/130=10mm，则钢管制造壁厚10mm的才能满足抗外压稳定。在对钢管壁厚时已经考虑了钢管抗外压稳定的要求，因此，不需再对压力钢管进行抗外压稳定分析。（7） 镇墩的结构计算及稳定分析根据水电站压力钢管设计规范（SL281-2003）的附录A对镇墩进行结构计算及稳定分析。镇墩结构计算的轴向力计算中忽略了流水与管壁之间的

48、摩擦力，轴向力以顺水流方向为正，逆水流方向为负。X方向的合力按顺水方向的投影为正，逆水方向的投影为负。Y轴以垂直向下为正，向上为负。各种轴向力的计算明细见表5.6-13，根据表5.6-13 对轴向力进行汇总后，然后求出各轴向力的水平分力和垂直分力。基础与砼摩擦系数取0.35。取镇墩的抗滑安全系数为1.5，计算镇墩的体积见表5.6-14。表5.6-13 镇墩作用力计算明细表 镇墩钢管自重分力（kN）关闭的阀门或闷头上的力（kN）弯管上的内水压力（kN）渐缩管的内水压力（kN）上 游A1下 游A1上 游A2下 游A2上 游A3下 游A3上 游A4下 游A41#05.7500528.8-536.07

49、002#168.414.64001297.35-1306.86003#333.026.59002345.67-2353.81004#252.672.44003057.56-3061.7100续表5.6-13 镇墩作用力计算明细表镇墩套筒式伸缩节端部的内水压力（kN）温度变化时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力（kN）温度变化时支座对钢管的摩擦力（kN）弯管中水的离心力的分力（kN）上 游A5下 游A5上 游A6下 游A6上 游A7下 游A7上 游A8下 游A81#18.26-21.9637.92-45.60027.33-27.332#21.96-50.4545.6-104.79444.24027.3

50、3-27.333#50.45-85.34104.79-177.24842.8027.33-27.334#85.340177.240628.38027.33-27.33表5.6-14 镇墩作用力汇总表(以温升为控制工况)镇 墩编 号镇 墩轴线高程(m)水平合力X(kN)竖向合力Y(kN)满足抗滑必需镇 墩 体 积(m3)拟定的镇墩体 积(m3)1#389.71161.28-344.1846.91502#330.00252.01582.6927.62503#257.19811.12795.72132.921504#212.00674.571646.7170.38955#120合计465（7）岔管结

51、构设计压力钢管主管内径1200mm，1#支管支径为800mm，2#机支管内径600mm。岔管采用三倒锥月牙肋岔管，岔管的体形设计以平面布置为准，主锥管的长度考虑了和进口弯管的衔接，分岔角为614347。.岔管壁厚的拟定加工压力钢管的钢板采用碳素结构钢(GB700-88),选择牌号Q235C级。其力学性能主要指标为：壁厚16mm的屈服点s225Mpa；抗拉强度b=375Mpa。岔管的制造壁厚由工作壁厚和锈蚀厚度两部分组成，其中工作壁厚根据水电站压力钢管设计规范（SL281-2003）介绍的计算方法，采用下列两公式计算，取计算大的值：t0= t0=式中：P内水压力（N/mm2）； r该节钢管最大内

52、半径（mm）； 该节钢管半锥顶角； 焊缝系数，双面对接焊，取0.95； 1岔管膜应力区允许应力，基本荷载时取0.5s； 2岔管局部应力区允许应力，基本荷载时取0.67s； s钢材屈服点，因水头较高，降低20%；岔管处的最大水头为286.69m，主管内径1200mm，按照上述公式计算主锥的制造壁厚=max23.90，20.73=23.90mm，考虑钢板规格，取24mm；主岔的制造壁厚=max16.77，17.02=17.02mm，考虑钢板规格，取18mm；支岔的制造壁厚=max13.08，13.26=13.08mm，考虑钢板规格，取14mm。.岔管体形设计根据压力钢管平面布置图，岔管公切球的半径

53、取主锥内径的1.2倍，即720mm。主锥半锥顶角取91332，主岔和支岔的半锥顶角取18。岔管布置见图5.6-1。 图5.6-1 岔管布置图.岔管的结构计算岔管的结构计算按照水电站压力钢管设计规范（SL208-2003）附录E给出的公式进行。计算方法是根据拟定的岔管体形计算出月牙肋的相关参数和肋板中央面的作用力。拟定出肋腰中央面的宽度和厚度，并对截面进行应力校核。本计算过程采用自编的计算面程序，为了节省篇幅，只列出计算中间结果。将已知参数代入程序中计算得肋板中央截面的垂直作用力为V=826.13kN，水平作用力H=489.29kN。根据规范规定拟定肋板的厚度不小于2倍岔管管壁的规定，因此首先拟

54、定肋板厚度tw为36mm（含2mm的锈蚀余量），根据水电站压力钢管设计规范（SL281-2003）介绍的公式计算肋中央断面宽度BT为320mm。按照规范介绍的公式计算正应力、剪应力、主应力1、主应力2。=1=2=计算肋腰截面的正应力=71.71Mpa，剪应力=63.71Mpa，主应力1=108.96Mpa1=112.5Mpa，2=-37.25Mpa 1=185Mpa满足规范要求。表明肋板厚度选择的比较合适，不需调整。（8）其它压力钢管的制造应符合压力钢管制造安装及验收规范（DL5017-93）和相关的国家标准，钢管宜在工厂卷焊成6m长管节，汽运至工地安装。钢管安装结束后，圆度偏差不大于5D/1

55、000，并应做水压试验，试验压力为最大水头的1.25倍，电站的最大水头参见表5.6-11。压力钢管的运行检查主要项目应参照水电站压力钢管设计规范（SL281-2003）的规定执行。首次运行检查应在钢管运行后5年以内进行。以后每隔10年进行一次中期检测。考虑钢管安装误差的存在，弯管使用相应壁厚及内径的钢管在施工现场割焊，其用材量已在直管中计入。为了简化套筒式伸缩节规格，优先选用定型产品。管线开挖的工程量计算中，以轴线开挖深度考虑。为了减少水土流失，开挖宜采用喷浆处理。压力管道沿线开挖形成的岩石面容易风化，本阶段初步考虑采用喷浆护面的支护方式进行坡面处理，喷浆护面厚度拟定5cm。5.6.7 引水建筑物工程量汇总引水建筑物工程量汇总见到表5.6-15。表5.6-15 引水建筑物主要工程量汇总表序号项目名称及规格单位数量备注一进水口（0+0000+017.15）进水口段C20(2)砼衬砌m386钢筋制安t12栏污栅t2.5通气管5006mmt1.87长25m平面钢闸门面1孔口尺寸2.52.5螺杆启闭机 台1二有压隧洞(0+017.156+