水电站输水系统设计理论与工程实践(第二章)

1、水电站输水系统设计与工程实践第二章 水电站输水系统体型设计第一节 进水口一、进水口功能、组成和分类水电站进水口至少应具备如下三方面的功能：按照水电站机组引用流量的需要向输水道供水；阻止泥沙和污物进入进水口；能够中断水流。为了满足上述功能的要求，进水口建筑物的组成一般包括：拦沙坎、拦污段、入口段、闸门段、渐变段和上部结构。对于有压输水系统，进水口还应设置充水孔和通气孔。对于含沙、挟污和冰冻河流上的进水口应设置防沙、防污和防冻等附属设施。进水口常规的固定设备一般有：拦污栅、闸门、启闭机、清污机和观测仪器。水电站进水口型式，按照进水口位置和引水管道布置分为坝式进水口、河岸式进水口和塔式进水口三种；在各种进水口型式中，按水流条件又可分为深式进水口和开敞式进水口（包括河床式电站的坝式进水口）两类。而每一种进水口又可根据其结构特点分为不同型式，如河岸深式进水口的结构型式有岸塔式、竖井式、岸坡式等等。（一）坝式进水口图2-1 柘溪水电站进水口剖面图图2-2 丹江口水电站进水口剖面图 图2-3 新安江水电站进水口剖面图图2-4 三峡水电站进水口剖面图 图2-5 岩滩水电站进水口剖面图图2-6 新丰江水

2、电站进水口剖面图 图2-7 凤滩水电站进水口剖面图（二）河岸式进水口 图2-8 湖南镇水电站进水口剖面图 图2-9 碧口水电站进水口剖面图图2-10 鲁布革水电站进水口剖面图 - 31 -（三）塔式进水口 图2-11 古田一级水电站进水口剖面图 图2-12 二滩水电站进水口剖面图图2-13 小浪底水电站进水口剖面图 二、进水口位置选择与设置高程坝式进水口依附于大坝，只要坝轴线选定，进水口位置就基本确定。因此，进水口位置选择是针对河岸式和塔式进水口而言的。河岸式进水口最好能从水库、河流中直接取水。若通过引水渠取水，要求引水渠不宜太长，以减小水头损失和避免不稳定流影响；进水口应置于整体稳定的岩基上，尽量避免高边坡开挖量，以降低工程造价。直接从挾沙河流中取水的河岸式进水口，应充分利用河流弯道的环流作用，将进水口选在凹岸；在支流或山沟的汇口处，往往带来大量的推移质，在其下游选择进水口位置时，应置于其影响之外。塔式进水口，特别是周圈径向取水的塔式进水口，所处周围地形要开阔，以利进流匀称，保证有良好的水流流态。进水塔应选在具有足够承载力的岩基上。进水口设置高程有着上限和下限的要求。有压进水口的上限

3、是满足最小淹没深度的要求，即在最低水位运行时，能保证进水口水流处于有压状态，不发生贯通式的漏斗漩涡。进水口设置高程的下限应考虑河流泥沙运动特征、水库淤积形态和有无排沙设施。此外，孔口太深，会增加闸门结构的复杂性，还受大容量启闭机制造水平的限制，故闸门结构及启闭机能力也是确定进水口设置高程下限的因素之一。三、孔口最小淹没深度进水口最小淹没深度可由下式计算： (2-1)该式的物理意义是：孔口最小淹没深度不小于进水口各项水头损失与引水道动能之和。其中是不小于1.5的安全系数；进水口后接管道均匀段的平均流速水头；入口水头损失系数，圆弧形入口取0.2，抛物线形入口取0.1；拦污栅水头损失系数，栅前平均流速水头；门槽水头损失系数，一般取0.10.2，门槽后平均流速水头。并且S的最终取值不小于1m。更常用的是J.L.戈登公式 (2-2)式中：孔口断面流速；孔口高度；与进水口形状有关的系数，进水口设计良好和水流对称取0.55，边界复杂和侧向进水取0.73。实际观测值往往大于计算值，其主要原因是进水口地形边界条件影响所致，也存在计算公式不完善。四、闸门与通气孔水电站进水口闸门分为检修闸门和事故闸门。检修

4、闸门是供引水建筑物及其设备正常检修时挡水之用，只能在静水中启闭；事故闸门用作意外事故之应急，允许在静水中开启，但必须在动水中快速关闭。进水口闸门通常采用平板闸门，用作发电的进水口流速较小，对闸门槽的要求没有泄洪进水口的高。适宜的门槽宽深比为W/D=1.42.5，较优的宽深比为W/D=1.61.8。闸门槽的宽度取决于闸门的厚度和孔口尺寸，通常由金属结构专业确定。孔口通常为矩形，高度大于宽度。通气孔紧靠事故闸门的下游侧。其作用：在有压引水道充水过程中，使引水道内空气排出，避免引水道中聚积高压空气；在放水过程中，使空气进入引水道，防止引水道内产生负压。所以通气孔是有压进水口不可缺少的组成部分。通气孔面积通常按引水道断面积的35设计。五、过栅流速与拦污栅布置引水发电系统不允许进入污物，所以水电站必须设置拦污栅。拦污栅过流面积取决于过栅流速，而过栅流速直接涉及到清污的难易和水头损失的大小。在多污物河流上，当拦污栅淹没于水下较深或采用人工清污时，宜选取较低的过栅流速，如0.60.8m/s；当拦污栅淹没于水下较浅或采用机械清污时，过栅流速可选取较大的值，如1.01.2m/s。对于污物不多的河流，或允

5、许提栅清污时，过栅流速还可适当提高。由于栅孔流速远小于闸孔流速，栅孔面积则远大于闸孔面积，所以拦污栅的布置需要慎重处理。六、喇叭口与渐变段为适应水流的运动规律，进水口的入口段常作出喇叭形。其作用是使水流平稳，流速均匀增加，不发生涡流，减小水头损失。喇叭口通常按接近流线的椭圆曲线设计，即 (2-3)式中是椭圆的长轴，其值常取（1.01.1）D，D为进水口后接引水道的直径；是椭圆的短轴，其值常取（1/31/4）D。喇叭口长度，可取1/4椭圆曲线，也可以小于或大于1/4椭圆曲线，由进水口型式、结构布置和闸门及其启闭机的安装要求确定。有压引水道无论水流条件还是结构受力条件，过流断面常设计成圆形，矩形闸室与圆形引水道之间采用渐变段衔接，渐变段长度一般采用1.02.0倍管（洞）径。第二节 输水隧洞按照工程惯例，一般称上游调压室前和尾水调压室后的输水隧洞为低压隧洞，而把上游调压室至厂房之间的管道称为高压隧洞或压力管道（包括竖井、斜井和明管）。输水隧洞路线选择原则上是越短越经济，但设计中需要考虑如下4方面的因素。地质条件：隧洞应尽量布置在地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬、水文地质条件有利的地区；洞

6、线与岩层、构造断裂面及主要软弱带应有较大的夹角；高地应力区的隧洞，其洞线应与最大水平地应力方向一致或尽量减小其夹角。要考虑隧洞漏水，岩体浸湿后失稳的可能性。地形条件：洞口处地形宜陡，进出口段应尽量垂直地形等高线，其洞顶围岩厚度宜不小于1倍开挖洞径。洞身埋深应满足洞顶以上围岩重量大于洞内静水压力的要求；拟利用围岩抗力时，围岩厚度不应小于3倍开挖洞径；要利用山谷等有利地形布置施工支洞。施工条件：有压隧洞要设0.3%0.5%的纵坡，以利施工排水及放空隧洞。水力条件： 洞线尽可能直，少转弯；转弯半径一般大于5倍洞径，以使水流平顺，减小水头损失。要研究组合水头损失的影响。有压隧洞的经济流速一般在4m/s左右。常见的隧洞断面型式有圆形、城门洞型、马蹄型等。输水隧洞通常采用钢筋混凝土衬砌或不衬砌两种方式。采用钢筋混凝土衬砌，需要考虑围岩与衬砌在不同状态下联合受力的问题。第三节 调压室一、基本布置方式根据水电站的开发方式和调压室与厂房的相对位置，调压室有四种基本布置方式：上游调压室：水电站采用尾部开发，有压引水隧洞较长，在其末端布置的调压室；下游调压室：水电站采用首部开发，有压尾水隧洞较长，在其首端布

7、置的调压室，又称为尾水调压室；上、下游双调压室：水电站采用中部开发，有压引水隧洞和有压尾水隧洞都较长，在厂房上、下游均设置调压室；上游双调压室：在有压引水隧洞的末端布置两个调压室，靠近厂房的称为主调压室，另一个称为副调压室。这种布置方式通常在电站扩建时遇到，或者因结构、地质条件不能满足要求时。应该指出：结合厂房位置确定调压室布置方式，宜布置成上游或下游单侧调压室的方式；宜布置为多机共用一室的方式。在联合供水、分组供水总体布置中，调压室往往取代岔管，其底部形成合流或分流。a 上游调压室；b下游调压室；c上、下游双调压室；d上游双调压室1压力引水道；2上游调压室；3压力管道；4下游调压室；5压力尾水道；6主调压室；7副调压室。图214 调压室的基本布置方式二、基本类型 简单式：包括无连接管与有连接管二种型式，连接管的断面面积应不小于调压室处压力水道断面面积图215a、b； 阻抗式：阻抗孔口断面面积应小于调压室处压力水道断面面积图215c、d； 水室式：由竖井和上室、下室共同或分别组成图215e、f； 溢流式：设溢流堰泄水图215g； 差动式：由带溢流堰的升管、大室与阻抗孔组成图215h、i

8、； 气垫式：水面气压大于大气压力图215j。a、b简单式；c、d阻抗式；e、f水室式；g溢流式；h、i差动式；j气垫式；1连接管；2阻抗孔；3上室；4竖井；5下室；6储水室；7溢流堰；8升管；9大室；10压缩空气；图215 调压室的基本类型 简单式：断面为园形或长方形的水井，结构简单，反射性能好；但正常运行时，底部突扩，水头损失大；波动过程中振幅较大，衰减慢。一般用于低水头小容量电站。图216 岗南水电站简单式调压室剖面图图217 映秀湾水电站带溢流槽的简单式调压室布置图 阻抗式：用孔板或小于隧洞直径的短管将隧洞和调压室连在一起，优点是损失小、振幅小、衰减快；但反射性能差一些，隧洞中可能受到水击的影响。图218 天生桥二级水电站带上室的阻抗式调压室布置图 水室式：由上室、下室和竖井组成。竖井断面应满足波动稳定的要求。而上、下室的容积用来限制水位进一步升高或下降。这种形式要充分利用地形。一般用于水头较高和库水位变幅较大的电站。图219 以礼河四级水电站双室式调压室布置图 溢流式：在Zmax时V不等于0，缺点浪费了一部分水量。 差动式：由大井、升管和阻尼孔组成，综合地吸取了阻抗式和溢流式的优点；但结构比较复杂。图220 以礼河三级水电站调压室布置图图221 龙亭水电站差动式调压室布置图图222 湖南镇水电站差动式调压室布置图 气压式：利用空气的易压缩性来限制水位振幅，缺点是波动稳定性差，断面积大，要定期补气。所有调压室形式都是为了减小水位涌浪，从而降低调压室总的高度。根据工程实际情况，亦可取两种或两种以上基本类型调压室的特点，组合成混合型调压室。调压室的选型应根据水电站的工作特点，结合地形、地质条件，全面地分析各类调压室的优缺点及适用条件，进行技术经济比较后确定。三、断面形式调压室断面形式应根据枢纽布置、地形地质条件及水力条件等因素综合考虑确定，宜布置圆形，也可布置长廊形。若需要设置闸门时，应根据地质条件、水工建筑物布置及金属结构布置等因素考虑闸门井与调压室结合布置。图2-23 大朝山水电站阻抗式尾水调压室布置图对于圆形调压室，闸门井有可能布置调压室的大井内（如锦屏一级水电站），也有可能分开布置（如小湾水电站）。对于长廊形调压室，闸门井均布置调压室边墙侧。但存在室内

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