水电站引水系统设计.doc

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，形成迂回曲折蛇形地貌，为修建引水式水电站提供了有利地形条件。某水电站引水隧洞和厂房位于南天门岭，此处分水岭宽约800，而两端河水位差达13，本区地层主要是前震旦系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80～160，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及洞线正交，一条为石英斑岩，宽30～40，另一条为正常闪岩，宽26～30，岩脉及围岩接触良好，厂房后山坡地形坡度约50º～60º，坡高40左右，后山坡边坡基本稳定。

布置考虑了地质条件、地形条件、施工条件及水力条件，由于施工技术条件限制，引水洞径不宜大于12，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），钢管轴线及厂房轴线相垂直，这样可以使水流平顺，减小水头损失。

由于水轮机选型部分已知单机最大引用流量：
隧洞断面面积：
式中：
由上式得：
则洞径
本设计中取。

1）地质条件：尽可能位于完整坚硬岩石中，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及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60º
7.2 进水口设计

在水利水电工程中，为发电供水等综合利用目，往往需要在水位便服天然河道，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一种水工建筑物，深式进水口应满足水工建筑物一般要求，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：①行进段②进口段③闸门段④闸门渐变段⑤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隧洞式进水口为宜。
深式进水口主要形式：
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结构形式。
①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。
②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上游坝体内，进水口及坝体成统一整体。
③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。

，为避免进水口前出现漩涡和吸气漏斗，需有一定淹没水深。
所需要淹没深度：
式中：——无吸漩涡临界淹没水深
——经验系数，一般取0.55～0.73，对称进水时取小值，侧面进水时取大值，本设计取
——闸门断面水流流速，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
——闸门孔口高度，本设计取
由上式得：
综合分析并考虑到风浪影响，取
则进水口底板高程：

1）进口段：其作用是连接拦污栅及闸门段。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：
式中：a——椭圆曲线长半轴，一般取(1～1.5)D，本设计取
——椭圆曲线短半轴，一般取(1/3～1/2)D，本设计取
一般情况下椭圆曲线，当引用流量及流速不大时，也可采用圆弧曲线代替，重要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：

式中：——进口断面面积
——引水断面面积（按渐变段末端）则：
——引水道中心线水平面间夹角，本设计取
——收缩系数，一般取0.6～0.7，本设计取
由上式得：
2）闸门段：闸门段是引水道和进口段连接段，闸门口采用矩形，考虑进口结构稳定性，进水口设支墩，布置两孔，高4.5，宽9.5矩形平板闸门并相应设两孔检修闸门，检修闸门及工作闸门间距取2。
3）渐变段：渐变段是闸门段到压力引水管道过渡段，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1.5～2.0倍，收缩角不超过10º，以6～9º为宜。本设计取其长度为16。
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：
式中：——3/s
——通气孔进气流速，一般为30～50m/s，本设计取40m/s
由上式得：
为了便于进水口及压力水道维护及检修，需设进人孔。本设计采用通气孔兼作进人孔。

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90º，过栅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，本设计取过栅流速为1m/s。则拦污栅净面积为：

2） 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9.5，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4.5，门厚0.8，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。
检修闸门及工作闸门之间距离很近，为了便于检修，要求2～4间距，本设计取为2，布置在同一闸室内，在闸门井上方布置一个共用启闭机房。
7.3 引水隧洞
7.3.1 线路及坡度确定
引水隧洞路线选择是设计中关键，它关系到隧洞造价，施工难易，工程进度，运行可靠性等方面，选择洞线一般原则和要求为：
①隧洞路线应尽量避免不利地质构造，围岩可能不稳定及地下水位高，渗水量丰富地段，以减小作用于衬砌上围岩压力和外水压力，洞线要及岩层层面、构造破碎带和节理面有较大交角，在高地应力区应使洞线及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，岩石比较坚固完整地段。
②洞线在平面上求短直，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。
③隧洞应有一定埋藏深度，包括：洞顶覆盖厚度和傍山隧洞岸边一侧岩体厚度，统称为围岩厚度，围岩厚度涉及开挖时成洞条件，运行中在内外水压力作用下围岩稳定性，结构计算边界条件和工程造价等。
④隧洞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，无压隧洞纵坡应大于临界坡度，有压隧洞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2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。
⑤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、具有良好水流条件，隧洞有一定埋深，围岩厚度大于3倍洞径。
为了利于检修及排水，隧洞纵坡率为2%，其工作闸门及检修闸门设在进口，隧洞在平面上有弯角，对于低流隧洞曲率半径不宜小于5倍洞径，现取6倍洞径，即54，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 断面形式及断面尺寸
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9。
7.3.3 洞身衬砌
为了保证水工隧洞安全有效运行通常需要对隧洞进行衬砌，衬砌作用是①限制围岩变形，保证围岩稳定。②承受围岩压力、内水压力等负荷。③防止渗漏。④保证岩石免受水流，空气，温度，干湿变化等充蚀破坏作用。⑤减小表面糙率。
隧洞衬砌主要类型
①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，流速较低情况下。
②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1/8-1/12且不小于25，由衬砌最终计算确定。
③组合式衬砌：由内层钢板，钢筋网喷浆，外层为混凝土或钢筋混凝土，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1。
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，常在有压引水隧洞及压力管道衔接处建造调压室，调压室利用扩大断面和自由水面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影响；下游为压力管道，由于长度缩短了，从而降低了压力管道中水锤值，改善了机组运行条件。
调压室功用归纳为以下三点：①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。②缩短压力管道长度从而减小压力管道及厂房过流部分钟水锤压力。③改善机组在负荷变化时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，减小了压力管道中水锤压力，改善了机组运行条件，从而减小了他们造价；但另一方面却增加了设置调压室造价，所以是否设置调压室应进行技术经济方案比较来决定。
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近似准则：

式中：Li——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 m
Vi——压力水道中平均流速，取4.5 m/s
g——
H0——电站最小静水头；即：

则：
需要设置调压室。
7.4.2 调压室位置选择
调压室位置选择一般原则为：
①调压室位置需根据压力管道地形、地质条件及厂房位置统一考虑，应尽可能靠近厂房，以减少压力管道及水轮机水击压力。
②调压室距厂房较近，且多设在临近山坡处，以避开不利地质条件，以减轻电站运行后渗水对围岩及边坡稳定不利影响，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厚度，并使两个调压室间保持一定距离，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，选取较为合理位置，1#主洞长675，压力管道长125，2#主洞625，压力管道长175。
7.4.3 调压室布置方式及型式选择
根据调压室及厂房相对位置关系，调压室基本方式有三种：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”型式，即调压、分岔及闸门三者布置在一个井中。
4.4.4 调压室水利计算
调压室基本尺寸是由水力计算来确定，其内容包括：
调压室水位波动稳定条件，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实际情况，选择可能出现最不利情况作为水力计算条件，使调压室自阿确保安全前提下最经济合理，采用托马公式：
《水工手册》 7-156
式中：Fk——临界界面
Lf——引水道长度及断面面积
g——重力加速度
H——稳定状态时水轮机承受静水头，
采用可能出现最小净水头，取34.6 m
——压力管道水头损失
α——引水道水头损失系数

式中：R——为水力学半径
V——
ξ——局部水头损失系数
ξ为局部水头损失系数 ，查《水力学》表3-3 得：进水口水头损失ξ1=0.1，拦污栅水头损失，闸门段水头损失（门槽），渐变段局部水头损失：ξ4=0.05，则∑ξ
则：

压力管道水头损失计算（局部忽略不计）：

式中：L——压力管道查长度取1#洞长为125
N——
V——管内流速，取5
D——压力管道直径，即：
取D=6
R——
则：
所以临界断面：

调压室直径：
对于投入电力系统运行，当电站容易小于1/3系统无调频任务时或机组及调速器性能度机组稳定运行有充分时，取F=KFK（其中K为折减系数）实际工程D=20m
2）计算调压室最高涌波水位：
查《水工设计手册》7-134

查《水电站》表10-5 得Xmax
则：Zmax=Xmax
Z=Z校+Zmax

3）计算调压室最低涌波水位
查《水电站》10-5得X2
所以：Z2=X2
Z=Z设-Z2

，满足隧洞布置要求。

水击计算目：确定管道为最大内水压力作用为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度依据，确定管道内最小水压力作为管道布置、防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度依据，研究水击和机组稳定运行恶关系（调保计算）研究降低水击压强措施.
调节保证计算目：为了 保证电站运行经济及安全，需选择合理导叶启闭时间，使水击压强及机组转速变化率都控制在允许范围内：

丢弃全负荷或部分负荷时：
机组转速最大升高值
压力管道及蜗壳内最大水击压强
尾水管真空度校核，同时应注意开度变化时反击水击是否超过了增加负荷时水击值
增加全负荷或部分负荷：
机组转速最大降低值，只对单独运行电站运行，加入系统运行电站，转速受系统频率制约，不可能有很大降低。
压力管道和蜗壳内最大压力降低值
说明：大中型水轮发电机组通常并入电力系统运行，大幅度突增负荷情况一般不会出现，只有对单独运行电站，增加负荷调保计算才有意义，本电站建成后并入东北电网，因此不用进行增加全部负荷或部分负荷时计算：《机电设计手册》P206

(1)水电站调保计算一般按两种工况计算，并取较大值：
在设计水头下用全负荷（通常发生最大转速升高）
在最大水头下用全负荷（通常发生最大压力值）
ⅰ. 压力管道长度：
2#引水隧洞压力管道长度大于1#
所以2# 管道取L=175
ⅱ. 压力管道直径D：

ⅲ. 压力管道平均水击波速：
压力管道是地下埋式钢管，水击波速C=1200
ⅳ. 机组转速：（额定容量、单机引水流量）
n0万3/s
ⅴ. 导叶起闭时间：
初选择TZ=8
所以，有效时间为：
Ts=（）TZ=（0.54+0.04×8）
ⅵ. 水电站设计水头：Hr
ⅶ. 机组转动惯贯GD2 ：
GD2=K2Dilt 《机电手册》P164
式中：Di——定子铁芯内径 Di
lt——定子铁芯长度 lt
K2——经验系数查表3-10 K2
所以，GD2×1.35=12159.88t·
(2)水击压强及调节保证计算
①在设计水头下用全荷载
，
所以，发生间接水击。

特性常数
丢弃全荷载时：Z0=1， ρZ0=7.5 >1 所以发生末相水击

式中：σ——阀门开度变化时管道中水流流量德相对变化率

水击压强: △H=ξmHr
总压力值：Hr+△
转速变化率：
式中：N0——机组额定容量，取4万KW
Ts1s×6.88=5.848 s
F——
N——

机组转速最高值：nmax=n0（β+1）=107.1×（0.378+1）
②最大水头下用全负荷：

丢弃全负荷时Z0=1 ρZ0=7.1 ＞1 发生末相水击

水击压力：△H=ξmHmax
总压力值：H+△

机组转速最高值：
nmax=n0（1+β）=×
水击压力计算标准如下：
压力升高：当H＜40m时 [ξ]=
本设计中：ξ＝ｍａｘ（ξＨｒ，ξＨｍａｘ<[ξ]
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2H2O以上余压为限，尾水管进口允许最大真空度为8H2O。
转速变化率计算标准：
丢弃全负荷时[β]=0.6 《机电手册》P98
本设计β=max（0.378，0.374）=0.378<[β
满足要求
7.6 压力管道设计
7.6.1 压力管道布置
结合电站厂房综合考虑，厂房和机组间距17，故压力管道中心间距也定为17，管道内径6，衬砌厚度60-160，靠近调压室附近分岔起点处岩壁厚5，厚度虽小，但围岩岩性较好，节理裂隙不发育，采用混凝土衬砌，可以满足设计要求，这种平面布置，从调压室后以25°角分岔，并设平面线R=30，中心角α=12°30′，此处在布置压力管道是充分考虑到了地质条件，调压室后压力管道不只。在立面上适宜位置处转弯，以避免不了地质条件，满足厂房安装高程要求。
7.6.2 压力管道直径选择
依据管内经济流速4～6，进行直径确定，经计算管径为6，毅力管道直径取值不计算值稍大原因是：、压力管道较长。采用较大洞径，相对流速 较低，可改善机组运行条件；、太平哨水电站为中水头大流量电站，水流较为宝贵，采用较大洞径可获得较多电能。
7.6.3 调节保证计算
经调节保证计算，确定水轮机导叶启闭时间为8s，最大水击压力为13.34，压力管道压力值为51.435，机组转速最大升值147.16 ，满足要求。
7.6.4 压力管道结构设计及稳定计算
基本资料：《水工设计手册》普通碳素钢A3，屈服强度σs=235000KPa
低合金钢16Mn，屈服强度σs=345000KPa，岩石弹性拉力系数K0=400，为了安全，涉及何在为外水压力50水柱高，内水压力60×108KPa
压力管道壁厚初估：
为了安全起见，不考虑岩石弹性拉力，自阿内水压力作用下，荷载由钢管单独承担，依据锅炉公式：
《水电站》P143
式中：γ——
H——内水压力 为60
D0——管道直径为6
φ——
[σ]——钢材允许应力，
本设计采用16Mnσs，再降低20%。

考虑钢管锈蚀、磨损及钢板厚度误差，管壁应力比计算值增加了2，所以结构厚度为12+2=14
另外，管壁最小厚度除满足上述结构稳定要求，还需考虑制造工艺、安装运输等要求，管壁有必要刚度，因此管壁最小机构厚度应满足δ≥D,且不小于6，故利用锅炉公式计算出12及结构厚度14，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：

式中：——钢称厚度，本设计取为12
——钢称半径，TP300
——钢称屈服强度，3500kg/mm2
由上式得：
光面管外压失稳，安全系数为2.0，即为允许设计外压，

然而外压力
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高钢称屈服强度是不经济和不合理，采用加劲环是工程中常用方法
（2）设加劲环外压失稳计算
①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，厚为12，加劲环钢板为16Mn钢，采用公式:

式中:——钢板屈服强度，
——加劲环有效截面

式中：——加劲环形心轴处半径，
——加劲环间距，

即加劲环临界处压力为
外水压力为
因此，加劲自身不抗外力，满足要求。
②加劲环间管壁稳定分析
相应最小临界压力系数

（＝0.3）
外水压力
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措施
降低地下水压力是防止失稳根本办法，排水廊道结合排水孔是较广泛有效措施。
精心施工做好钢称及混凝土之间接缝灌浆，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。