某水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

某水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

該水電站所在河流中下游地段側(cè)向侵蝕作用十分強(qiáng)烈，形成迂回曲折的蛇

形地貌，為修建引水式水電站提供了有利的地形條件。某水電站的引水隧洞和

廠房位于南天門嶺，此處分水嶺寬約

800

m

，而兩端河水位差達(dá)

13

m

，本區(qū)地

層主要是前震旦系的黑云母混合片麻巖通過，沿洞線未發(fā)現(xiàn)斷層，且洞線頂上

部新鮮巖體厚達(dá)

80～160

m

，深部裂隙已趨閉合因此工程地質(zhì)條件較好，洞線

前部通過兩條較大巖脈均大致與洞線正交，一條為石英斑巖，寬

30～40

m

，另

一條為正常閃巖，寬

26～30

m

，巖脈與圍巖接觸良好，廠房后山坡地形坡度約

50o～60o，坡高

40

m

左右，后山坡邊坡基本穩(wěn)定。

7.1

隧洞洞徑及洞線選擇

布置考慮了地質(zhì)條件、地形條件、施工條件與水力條件，由于施工技術(shù)條

件的限制，引水洞徑不宜大于

12

m

，因此，選擇兩條引水隧洞，四條壓力管道

分別給每臺機(jī)組供水，供水方式為單元供水（即單管單機(jī)），鋼管軸線與廠房軸

線相垂直，這樣可以使水流平順，減小水頭損失。

7.1.1

有壓引水隧洞洞徑計算

由于水輪機(jī)選型部分已知單機(jī)最大引用流量：

Qmax

124.91

m3

/

s

隧洞斷面面積：

A

2Qmax

Ve

A

4

D2

式中：Ve

4.2

m

/

s

2

124.91

由上式得：

A

2Qmax

Ve

59.48

m2

4.2

4

59.48

則洞徑

D

4

A

8.7

m

3.14

本設(shè)計中取

D

9.0

m

。

7.1.2

洞線選擇原則

1）地質(zhì)條件：盡可能位于完整堅硬的巖石中，避開巖體軟弱、山巖壓力大、

地下水充沛及巖石破碎帶、地震區(qū)。必須穿越軟弱夾層或斷層時盡可能正交布

置。隧洞通過層狀巖體時洞線與巖層走向夾角盡可能大，以利于圍巖穩(wěn)定，提

1

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

高承載力。

2）地形條件：出口處的地形宜陡，進(jìn)口段洞口圍巖厚度宜大于一倍開挖洞

徑，一般要求周圍堅固厚度不小于三倍開挖洞徑。

3）施工條件：便于施工。

4）水力條件：轉(zhuǎn)彎半徑大于五倍洞徑，轉(zhuǎn)彎面不宜大于

60o

7.2

進(jìn)水口設(shè)計

7.2.1

進(jìn)水口型式的選擇

在水利水電工程中，為發(fā)電供水等綜合利用的目的，往往需要在水位便服

的天然河道，湖泊或人工水庫和調(diào)節(jié)池中取水，深式進(jìn)水口及有壓進(jìn)水口為了

適應(yīng)這一需要而設(shè)置的一種水工建筑物，深式進(jìn)水口應(yīng)滿足水工建筑物的一般

要求，即結(jié)構(gòu)安全，布置簡單，施工方便，造價低廉，運行可靠并適應(yīng)注意美

觀。其組成為：①行進(jìn)段②進(jìn)口段③閘門段④閘門漸變段⑤操作平臺和交通橋。

太平哨水電站為有壓進(jìn)水式，岸邊地質(zhì)條件較好，因此選擇深式進(jìn)水口中

的隧洞式進(jìn)水口為宜。

深式進(jìn)水口主要的形式：

隧洞式進(jìn)水口，其進(jìn)口段和閘門井均從山體中開鑿而成適應(yīng)于進(jìn)口地質(zhì)條

件良好，擴(kuò)大斷面和開挖閘門豎井均不會引起塌方，坡度適中。洞式進(jìn)水口充

分利用了巖石作用，鋼筋混凝土工程量較小，這一種既經(jīng)濟(jì)又安全的結(jié)構(gòu)形式。

①壓力墻進(jìn)水口：其進(jìn)口段和閘門段均布置在山體之外適用于洞口附近地

質(zhì)條件較差或不宜采用洞式進(jìn)水口時不宜擴(kuò)大開挖坡度較緩時。

②壩式進(jìn)水口：其基本特征是進(jìn)水口附近在壩體上適用于壩后時廠房或河

床式水電站廠房的上游壩體內(nèi)，進(jìn)水口與壩體成統(tǒng)一的整體。

③塔式進(jìn)水口：適用于水電站廠房布置在河床壩后，攔河壩采用當(dāng)?shù)夭牧?/p>

壩或水庫地質(zhì)條件較差，坡度較平緩不利于岸坡上修建進(jìn)水口。

7.2.2

進(jìn)水口高程確定

該水電站是有壓式進(jìn)水，岸邊地質(zhì)條件較好，選擇深式進(jìn)水口，洞室底板

高程應(yīng)在水庫淤積高程以上

1.0～1.5

m

，為避免進(jìn)水口前出現(xiàn)漩渦和吸氣漏斗，

需有一定淹沒水深。

所需要的淹沒深度：

hkp

cva

1

2

式中：

hkp

——無吸漩渦的臨界淹沒水深

2

由上式得：

hkp

cva

2

0.7

4

9.0

2

8.4

m

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

c

——經(jīng)驗系數(shù)，一般取

0.55～0.73，對稱進(jìn)水時取

小值，側(cè)面進(jìn)水時取大值，本設(shè)計取

c

0.7

v

——閘門斷面的水流流速，由于閘門面積比引水隧

洞斷面面積稍大，則其流速比引水隧洞小，本

設(shè)計取

v

4

m

/

s

a

——閘門孔口高度，本設(shè)計取

a

9.0

m

1 1

綜合分析并考慮到風(fēng)浪影響，取

hkp

10.0

m

則進(jìn)水口底板高程：

底

死

hkp

a

190.0

10.0

9.0

171.0

m

7.2.3

進(jìn)水口尺寸的擬定

1）進(jìn)口段：其作用是連接攔污柵與閘門段。根據(jù)國內(nèi)外實踐經(jīng)驗，進(jìn)口段

2

1

頂板曲線采用

1/4

橢圓曲線，曲線方程為：

x2

a2

y2

b

式中：a——橢圓曲線長半軸，一般取(1～1.5)D，本設(shè)計取

a

10

m

b

——橢圓曲線短半軸，一般取(1/3～1/2)D，本設(shè)計取

b

3

m

一般情況下橢圓曲線

a

/

b

3

:

4

，當(dāng)引用流量及流速不大時，也可采用圓

弧曲線代替，重要的工程應(yīng)根據(jù)模型試驗決定進(jìn)口曲線，進(jìn)口流速不宜太大。

進(jìn)口面積不小于下式計算值：

A

A'

/

c

cos

式中：

A

——進(jìn)口斷面面積

A

——引水?dāng)嗝婷娣e（按漸變段末端）則：

A

D2

/

4

3.14

92

/

4

63.6

m2

——引水道中心線水平面間夾角，本設(shè)計取

0

c

——收縮系數(shù)，一般取

0.6～0.7，本設(shè)計取

c

0.65

由上式得：

A

A'

/

c

cos

63.6

/

0.65

cos

0

97.85

m2

2）閘門段：閘門段是引水道和進(jìn)口段的連接段，閘門口采用矩形，考慮進(jìn)

口的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)水口設(shè)支墩，布置兩孔，高

4.5

m

，寬

9.5

m

的矩形平板

3

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

閘門并相應(yīng)設(shè)兩孔檢修閘門，檢修閘門與工作閘門間距取

2

m

。

3）漸變段：漸變段是閘門段到壓力引水管道的過渡段，其斷面面積和流速

應(yīng)逐漸變化，使水流不產(chǎn)生漏流并盡量減小水頭損失。由矩形變成圓形通常采

用四角加圓角過渡圓弧的中心位置和圓角半徑

r

均按直線變化，漸變段長度根

據(jù)經(jīng)驗，一般為壓力隧洞直徑的

1.5～2.0

倍，收縮角不超過

10o，以

6～9o

為

宜。本設(shè)計取其長度為

16

m

。

4）通氣孔和進(jìn)人孔：通氣孔設(shè)在事故閘門之后其功用是當(dāng)引水道充水時可

以排氣，當(dāng)事故閘門關(guān)閉放空引水道時，可以補(bǔ)氣以防出現(xiàn)有害真空。

通氣孔面積按下式計算：

A

2Qa

va

式中：

Qa

——進(jìn)水口進(jìn)水量，一般為最大引用流量

6.25

m2

124.91m3/s

取

40m/s

由上式得：

A

2Qa

va

va

——通氣孔進(jìn)氣流速，一般為

30～50m/s，本設(shè)計

2

124.91

40

A

249.82

m2

為了便于進(jìn)水口及壓力水道的維護(hù)與檢修，需設(shè)進(jìn)人孔。本設(shè)計采用通氣

孔兼作進(jìn)人孔。

7.2.4

進(jìn)口設(shè)備

1）攔污柵設(shè)計：為防止結(jié)冰及漂浮物堵塞和進(jìn)入進(jìn)水口，進(jìn)水口前需設(shè)攔

污柵，攔污柵在平面上布置或直線上面為垂直布置，即傾角為

90o，過柵的水

流凈流速應(yīng)盡量小，以減小水頭損失和清污困難，不宜大于

1m/s，本設(shè)計取過

柵流速為

1m/s。則攔污柵凈面積為：

2Qa 2

124.91

va 1.0

2）閘門設(shè)計：

工作閘門：選用平板閘門，閘門高度應(yīng)大于洞徑，本設(shè)計取

9.5

m

，閘門

寬度一般等于或小于壓力管道直徑，由于進(jìn)水口設(shè)中墩，閘門寬度取

4.5

m

，

門厚

0.8

m

，要求在靜水中開啟，動水中關(guān)閉。

檢修閘門：采用平板閘門，尺寸同工作閘門，要求在靜水中開啟，靜水中

關(guān)閉。

檢修閘門與工作閘門之間的距離很近，為了便于檢修，要求

2～4

m

的間距，

本設(shè)計取為

2

m

，布置在同一閘室內(nèi)，在閘門井上方布置一個共用的啟閉機(jī)房。

4

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

7.3

引水隧洞

7.3.1

線路與坡度的確定

引水隧洞的路線選擇是設(shè)計中的關(guān)鍵，它關(guān)系到隧洞的造價，施工難易，

工程進(jìn)度，運行可靠性等方面，選擇洞線的一般原則和要求為：

①隧洞的路線應(yīng)盡量避免不利的地質(zhì)構(gòu)造，圍巖可能不穩(wěn)定及地下水位高，

滲水量豐富的地段，以減小作用于襯砌上的圍巖壓力和外水壓力，洞線要與巖

層層面、構(gòu)造破碎帶和節(jié)理面有較大交角，在高地應(yīng)力區(qū)應(yīng)使洞線與最大水平

地應(yīng)力方向盡量一致，以減小隧洞側(cè)向圍巖壓力，隧洞的進(jìn)出口在開挖過程中

容易塌方，易受地震破壞，應(yīng)選在覆蓋層風(fēng)化較淺，巖石比較堅固完整的地段。

②洞線在平面上求短直，這樣既可以減少工程量，方便施工。有良好的水

流條件，若因地形，地質(zhì)

，樞紐布置等必須轉(zhuǎn)彎時應(yīng)以曲線相連。

③隧洞應(yīng)有一定的埋藏深度，包括：洞頂覆蓋厚度和傍山隧洞岸邊一側(cè)的

巖體厚度，統(tǒng)稱為圍巖厚度，圍巖厚度涉及開挖時的成洞條件，運行中在內(nèi)外

水壓力作用下圍巖的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)計算的邊界條件和工程造價等。

④隧洞的縱坡應(yīng)根據(jù)運用要求，上下游銜接，施工和檢修等因素，綜合分

析比較后確定，無壓隧洞的縱坡應(yīng)大于臨界坡度，有壓隧洞的縱坡主要取決于

進(jìn)口高程，要求全線洞頂在最不利條件下保持不小于

2

m

的壓力水頭。有壓隧

洞不宜采用平坡或反坡，因為其不利于檢修和排水。

⑤對于長隧洞，選擇洞線時還應(yīng)注意地形，地質(zhì)條件。布置一些施工之洞，

斜井，豎井，以便增加工作面，有利于改善施工條件加快施工進(jìn)度。

太平哨水電站根據(jù)上面原則和要求，選擇了兩條引水隧洞，所經(jīng)路線地質(zhì)

構(gòu)造良好，洞線在平面上短直，即減小工程造價、方便施工、具有良好的水流

條件，隧洞有一定的埋深，圍巖厚度大于

3

倍洞徑。

為了利于檢修與排水，隧洞縱坡率為

2%，其工作閘門與檢修閘門設(shè)在進(jìn)口，

隧洞在平面上有彎角，對于低流隧洞曲率半徑不宜小于

5

倍的洞徑，現(xiàn)取

6

倍

的洞徑，即

54

m

，轉(zhuǎn)角不宜大于

60°，取

30°，具體布置見壩區(qū)引水系統(tǒng)平

面布置圖。

7.3.2 斷面形式與斷面尺寸

隧洞斷面形式取決于水流流態(tài)、地質(zhì)條件、施工條件及運行條件等，有壓

隧洞一般采用圓形斷面，原因是圓形斷面的水流條件受力條件都較為有利，本

5

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計中隧洞斷面采用圓形，直徑為

9

m

。

7.3.3 洞身襯砌

為了保證水工隧洞的安全有效運行通常需要對隧洞進(jìn)行襯砌，襯砌作用是

①限制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定。②承受圍巖壓力、內(nèi)水壓力等負(fù)荷。③防止

滲漏。④保證巖石免受水流，空氣，溫度，干濕變化等充蝕破壞作用。⑤減小

表面糙率。

隧洞襯砌的主要類型

①平整襯砌：亦稱護(hù)面或抹平襯砌，它不承受外力只起減小隧洞表面糙率，

防止?jié)B漏和保護(hù)巖石不受風(fēng)化作用平整襯砌適應(yīng)于圍巖條件較好，能自行穩(wěn)定

且水頭，流速較低的情況下。

②單層襯砌：由混凝土、鋼筋混凝土或漿砌石等組成，適用于中等地質(zhì)條

件斷面較大，水頭及流速較高情況。根據(jù)工程經(jīng)驗，混凝土及鋼筋混凝土厚度，

一般約為洞徑或洞寬的

1/8-1/12

且不小于

25

cm

，由襯砌最終計算確定。

③組合式襯砌：由內(nèi)層的鋼板，鋼筋網(wǎng)噴漿，外層為混凝土或鋼筋混凝土，

有頂拱為混凝土邊墻或底板為漿砌石和頂拱邊墻噴錨后再進(jìn)行混凝土或鋼筋混

凝土等形式。

渾江太平哨水電站，為了保證引水隧洞安全有效運行，限制圍巖變形，保

證圍巖穩(wěn)定，承受圍巖壓力，內(nèi)水壓力等荷載，防止?jié)B漏，保證巖石免受水流、

空氣、溫度、干濕變化等沖蝕破壞作用，減小表面粗糙，需要對其進(jìn)行襯砌，

根據(jù)工程經(jīng)驗，采用單層襯砌形式，混凝土厚度為

1

m

。

7.4

調(diào)壓室設(shè)計

7.4.1

是否設(shè)置調(diào)壓室判斷

為了改善水錘現(xiàn)象，常在有壓引水隧洞與壓力管道銜接處建造調(diào)壓室，調(diào)

壓室利用擴(kuò)大的斷面和自由水面的反射水錘波將有壓引水系統(tǒng)分為兩段：上游

段有有壓引水隧洞，調(diào)壓室使隧洞基本上避免了水錘壓力的影響；下游為壓力

管道，由于長度縮短了，從而降低了壓力管道中的水錘值，改善了機(jī)組運行條

件。

調(diào)壓室功用歸納為以下三點：①反射水錘波，基本上避免了壓力管道中水

錘波進(jìn)入有壓引水道。②縮短壓力管道的長度從而減小壓力管道及廠房過流部

分鐘水錘壓力。③改善機(jī)組在負(fù)荷變化時的運行條件及系統(tǒng)供電質(zhì)量。

在有壓引水系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)壓室后，一方面使有壓引水道基本上避免了水錘

壓力影響，減小了壓力管道中的水錘壓力，改善了機(jī)組的運行條件，從而減小

6

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

了他們的造價；但另一方面卻增加了設(shè)置調(diào)壓室的造價，所以是否設(shè)置調(diào)壓室

應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案的比較來決定。

我國《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》建議以下式作為初步判別是否需要設(shè)置上

游調(diào)壓室的近似準(zhǔn)則：

Tw

LiV

gH

0

i

式中：Li——壓力水道（包括蝸殼機(jī)為水管）長度，有壩區(qū)

系統(tǒng)平面圖量得約為

800-850

m

Vi——壓力水道中的平均流速，取

4.5

m/s

g——重力加速度，取

9.81

H0——電站最小靜水頭；即：

死水位至電站下游水位

190.0-152.6=37.4

m

則：

Tw

850

4.5

9.81

37.4

10.43s

6s

需要設(shè)置調(diào)壓室。

7.4.2

調(diào)壓室位置的選擇

調(diào)壓室位置選擇的一般原則為：

①調(diào)壓室的位置需根據(jù)壓力管道的地形、地質(zhì)條件與廠房位置統(tǒng)一考慮，

應(yīng)盡可能靠近廠房，以減少壓力管道與水輪機(jī)的水擊壓力。

②調(diào)壓室距廠房較近，且多設(shè)在臨近山坡處，以避開不利的地質(zhì)條件，以

減輕電站運行后滲水對圍巖及邊坡穩(wěn)定的不利影響，以免由于地下水改變導(dǎo)致

圍巖失穩(wěn)塌滑。

太平哨水電站調(diào)壓室所處地形為長條形山脊，且山脊寬度較小，為獲得調(diào)

壓室上覆蓋巖體有足夠的厚度，并使兩個調(diào)壓室間保持一定的距離，把兩個調(diào)

壓室沿山脊一前一后布置，調(diào)壓室所處風(fēng)化層較厚，為了保持頂拱以上新鮮巖

體有較大厚度，則調(diào)壓室位置需盡量往進(jìn)水口方向布置，但這樣縮短了主洞線，

增加了壓力管道長度，不僅增加了工程量和投資，而且對機(jī)組調(diào)節(jié)保證也有不

利影響，為了滿足各方面要求，選取較為合理的位置，1#主洞長

675

m

，壓力

管道長

125

m

，2#主洞

625

m

，壓力管道長

175

m

。

7.4.3 調(diào)壓室的布置方式與型式的選擇

根據(jù)調(diào)壓室與廠房的相對位置關(guān)系，調(diào)壓室的基本方式有三種：上游調(diào)壓

室、下游調(diào)壓室、上下游雙調(diào)壓室，太平哨水電站上游又較長的引水道，而下

7

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

游無尾水隧洞，故選擇布置方式為：上游調(diào)壓室。其基本類型有：圓筒式、阻

抗式、雙室式、溢流式、差動式、氣墊式，太平哨水電站從投資、施工難易以

及地形、地質(zhì)條件綜合考慮，選用簡單圓筒式，并采用“三合一”的型式，即

調(diào)壓、分岔及閘門三者布置在一個井中。

7.4.4 調(diào)壓室的水利計算

調(diào)壓室的基本尺寸是由水力計算來確定的，其內(nèi)容包括：

調(diào)壓室水位波動的穩(wěn)定條件，確定調(diào)壓室斷面面積

確定調(diào)壓室最高涌水位，從而確定調(diào)壓室頂部高程

確定調(diào)壓室最低涌水位，確定其底部及壓力管道進(jìn)口高程。

1）應(yīng)根據(jù)電站及引水道的實際情況，選擇可能出現(xiàn)的最不利情況作為水力

計算條件，使調(diào)壓室自阿確保安全的前提下最經(jīng)濟(jì)合理，采用托馬公式：

Fk

L

f

2g

(H

2hwm0

)

《水工手冊》

7-156

式中：Fk——臨界界面

Lf——引水道長度與斷面面積

g——重力加速度

H——穩(wěn)定狀態(tài)時水輪機(jī)承受的靜水頭，

采用可能出現(xiàn)的最小凈水頭，取

34.6

m

hwm0

——壓力管道的水頭損失

α——引水道的水頭損失系數(shù)

hw0

LV

2

C

2

R

V

2

2g

V

2

2g

hw0

Ln

2V

2

1

R

3

V

2

2g

V

2

2g

式中：R——為水力學(xué)半徑

R=A/x=D/4=9/4=2.25

V——引水道內(nèi)流速

，取

4.2

m

/

s

ξ——局部水頭損失系數(shù)

ξ

為局部水頭損失系數(shù)

，查《水力學(xué)》表

3-3

eq

\o\ac(○,得：)

1

進(jìn)水口水頭損失

t

ξ1=0.1

eq

\o\ac(○,，)

攔污柵水頭損失 2

(

)

3

sin

1.6

(

0.03

3

2

B

4

0.14

4

)

0.205

eq

\o\ac(○,，)

3

閘門段

水頭損失（門槽） 3

0.3

eq

\o\ac(○,，)

漸變段局部水頭損失：ξ4=0.05，則∑ξ=0.655

4

8

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

R

則：

hw0

Ln

2V

2

1

3

V

2

2g

V

2

2g

0.792

0.589

0.899

2.28

V

hw0

2

2

.28

4.22

0.129

壓力管道水頭損失計算（局部忽略不計）：

hwo

LV

2

C

2

R

Ln

2V

2

4

R

3

D

5.6

取

D=6

m

式中：L——壓力管道查長度取

1#洞長為

125

m

N——糙率《水力學(xué)》表

3-2

取

0.012

V——管內(nèi)流速，取

5

m

/

s

D——壓力管道直徑，即：

4Q 4

124.19

V 5

3.14

R——水力半徑 取

R=D/4=6/4=1.5

m

則：

hwo

LV

2

C

2

R

Ln

2V

2

4

R

3

125

0.0122

52

4

1.5

3

0.262

所以臨界斷面：

Fk

L

f

2g

(H

2hwm0

)

675

63.585

2

0.129

9.81

(34.6

2

0.262)

497.65

m2

調(diào)壓室直徑：

D

4Fk

4

497

.65

3.14

25.18

m

對于投入電力系統(tǒng)運行，當(dāng)電站容易小于

1/3

系統(tǒng)無調(diào)頻任務(wù)時或機(jī)組及

調(diào)速器性能度機(jī)組穩(wěn)定運行有充分時，取

F=KFK（其中

K

為折減系數(shù)）實際工程

D=20m

2）計算調(diào)壓室最高涌波水位：

查《水工設(shè)計手冊》7-134

LfV02

2gFhw0

675

63.585

52

2

9.81

493.85

2.28

48.2

x0

hw0

2.28

48.2

0.048

查《水電站》表

10-5

得

9

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

Xmax=0.27

則：Zmax=Xmaxλ=0.27×48.2=13.0

Z=Z

校+Zmax=194.7+13=207.33

取調(diào)壓室頂部高程為

210.0

m

3）計算調(diào)壓室最低涌波水位

查《水電站》10-5

得

X2=0.21

所以：Z2=X2λ=0.21×48.2=10.1

Z=Z

設(shè)-Z2=191.5-10.1=181.4

m

最低涌波水位（181.4）-

隧洞頂高程（179.0）=2.4

m

取

2.5

m

，滿足隧洞布置要求。

7.5

水擊及調(diào)節(jié)保證計算

7.5.1

調(diào)保計算目的

水擊計算的目的：確定管道為最大的內(nèi)水壓力作用為設(shè)計或校核壓力管道、

蝸殼和水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)，確定管道內(nèi)最小水壓力作為管道布置、防止壓力管

道中產(chǎn)生負(fù)壓和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)，研究水擊和機(jī)組穩(wěn)定運行的惡關(guān)

系（調(diào)保計算）研究降低水擊壓強(qiáng)的措施.

調(diào)節(jié)保證計算的目的：為了

保證電站運行的經(jīng)濟(jì)與安全，需選擇合理的導(dǎo)

葉啟閉時間，使水擊壓強(qiáng)及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率都控制在允許的范圍內(nèi)：

7.5.2

調(diào)節(jié)保證計算的內(nèi)容

丟棄全負(fù)荷或部分負(fù)荷時：

機(jī)組轉(zhuǎn)速最大升高值

壓力管道及蝸殼內(nèi)的最大水擊壓強(qiáng)

尾水管真空度校核，同時應(yīng)注意開度變化時的反擊水擊是否超過了增加負(fù)

荷時的水擊值

增加全負(fù)荷或部分負(fù)荷：

機(jī)組轉(zhuǎn)速最大降低值，只對單獨運行的電站運行，加入系統(tǒng)運行的電站，

轉(zhuǎn)速受系統(tǒng)頻率的制約，不可能有很大降低。

壓力管道和蝸殼內(nèi)最大壓力降低值

說明：大中型水輪發(fā)電機(jī)組通常并入電力系統(tǒng)運行，大幅度突增負(fù)荷的情

況一般不會出現(xiàn)，只有對單獨運行的電站，增加負(fù)荷的調(diào)保計算才有意義，本

電站建成后并入東北電網(wǎng)，因此不用進(jìn)行增加全部負(fù)荷或部分負(fù)荷時的計算：

《機(jī)電設(shè)計手冊》P206

10

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

7.5.3

調(diào)節(jié)保證計算的過程

(1)水電站的調(diào)保計算一般按兩種工況計算，并取較大值：

eq

\o\ac(○,1)

eq

\o\ac(○,2)

在設(shè)計水頭下用全負(fù)荷（通常發(fā)生最大轉(zhuǎn)速升高）

在最大水頭下用全負(fù)荷（通常發(fā)生最大壓力值）

ⅰ.

壓力管道長度：

2#引水隧洞的壓力管道長度大于

1#

所以

2#

管道取

L=175

m

ⅱ.

壓力管道直徑

D：

由前面計算

D=6.0

m

ⅲ.

壓力管道平均水擊波速：

壓力管道是地下埋式鋼管，水擊波速

C=1200

m

/

s

ⅳ.

機(jī)組轉(zhuǎn)速：（額定容量、單機(jī)引水流量）

n0=107.1r/min

N=4

萬

KW

Q=124.91m3/s

ⅴ.

導(dǎo)葉起閉時間：

初選擇

TZ=8

s

所以，有效時間為：

Ts=（0.54+0.047Z）TZ=（0.54+0.04×8）×8=6.88

s

ⅵ.

水電站設(shè)計水頭：Hr=36.2

m

ⅶ.

機(jī)組轉(zhuǎn)動慣貫

GD2

：

GD2=K2Di3.5lt 《機(jī)電手冊》P164

式中：Di——定子鐵芯內(nèi)徑 Di=8.42

m

lt——定子鐵芯長度 lt=1.35

m

K2——經(jīng)驗系數(shù)查表

3-10 K2=5.2

所以，GD2=5.2+8.423.5×1.35=12159.88t·

m2

(2)水擊壓強(qiáng)與調(diào)節(jié)保證計算

①在設(shè)計水頭下用全荷載

2l

c

2

75

1200

0.292

，

Ts

6.8s

2l

c

所以，發(fā)生間接水擊。

D

3.14

Vmax

Qmax

2

A

124.91

62

4

4.42

m

/

s

11

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

特性常數(shù)

CVmax

2gH

0

1200

4.42

2

9.81

36.2

7.5

丟棄全荷載時：Z0=1，

ρZ0=7.5

>1 所以發(fā)生末相水擊

LVmax

gH

0Ts

175

4.42

9.81

36.2

6.68

0.317

式中：σ——閥門開度變化時管道中水流流量的德相對變化

率

m

2

(

2

4

)

0.

317

25

(

0.317

2

4

0.317)

0.371

水擊壓強(qiáng):

△H=ξmHr=0.371×36.2=13.4

m

總壓力值：Hr

eq

\o\ac(△,+)

H=36.2+13.4=49.6

m

轉(zhuǎn)速變化率：

1

36.5N

0Ts

f

2

n0

GD

2

1

式中：N0——機(jī)組額定容量，取

4

萬

KW

Ts1=0.85Ts=0.85×6.88=5.848

s

F——水擊影響系數(shù)，查《水電站》9-22

得：f=1.47

N——額定轉(zhuǎn)速，取

107.1

r

/

min

1

36.5

4

104

5.848

1.

47

2

107.10

12159.88

1

0.378

機(jī)組轉(zhuǎn)速最高值：nmax=n0（β+1）=107.1×（0.378+1）=147.58

r

/

min

②最大水頭下用全負(fù)荷：

2H

c

2

175

1200

0.292

Ts

6.88間接水擊

42

Vmax

4.

（前面已知）

CVm

ax

2gH

0

1200

4.42

2

9.81

38.1

7.1

丟棄全負(fù)荷時

Z0=1 ρZ0=7.1

＞1

發(fā)生末相水擊

LVmax

gH

0Ts

175

4.42

9.81

38.1

6.88

0.3

m

2

(

2

4

)

0.

3

2

(

0.32

4

0.3)

0.35

水擊壓力：△H=ξmHmax=0.35×38.1=13.335

12

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

總壓力值：

eq

\o\ac(△,H+)

H=38.1+13.335=51.435

水擊壓力系數(shù)，查《水電站》表

2-22

知

f=1.45

n0

GD

1

36.5H

0Ts

f

2

2

1

1

36.5

40000

5.848

1.45

107.12

12159.88

1

0.374

機(jī)組轉(zhuǎn)速最高值：

nmax=n0（1+β）=107.1×（1+0.374）=147.16

r

/

min

水擊壓力的計算標(biāo)準(zhǔn)如下：

壓力升高：當(dāng)

H＜40m

時 [ξ]=0.7-0.5

本設(shè)計中：ξ＝ｍａｘ（ξＨｒ，ξＨｍａｘ）＝0.371<[ξ]

所以滿足要求。

（3）壓力降低：負(fù)水擊時，一壓力管道頂部任何一點不出現(xiàn)負(fù)壓并有

2

m

H2O

以上余壓為限，尾水管進(jìn)口的允許最大真空度為

8

m

H2O。

轉(zhuǎn)速變化率的計算標(biāo)準(zhǔn)：

丟棄全負(fù)荷時[β]=0.6 《機(jī)電手冊》P98

本設(shè)計

β=max（0.378，0.374）=0.378<[β]=0.6

滿足要求

7.6

壓力管道設(shè)計

7.6.1

壓力管道的布置

結(jié)合電站廠房綜合考慮，廠房和機(jī)組間距

17

m

，故壓力管道中心間距也定

為

17

m

，管道內(nèi)徑

6

m

，襯砌厚度

60-160

cm

，開挖直徑

7.2-8

m

，則管道間

巖壁厚味

9-9.8

m

，靠近調(diào)壓室附近的分岔起點處巖壁厚

5

m

，厚度雖小，但

圍巖巖性較好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，采用混凝土襯砌，可以滿足設(shè)計要求，這種

平面布置，從調(diào)壓室后以

25°角分岔，并設(shè)平面線

R=30

m

，中心角

α=12°

30′，此處在布置壓力管道是充分考慮到了地質(zhì)條件，調(diào)壓室后壓力管道的不

只。在立面上適宜位置處轉(zhuǎn)彎，以避免不了的地質(zhì)條件，滿足廠房安裝高程的

要求。

7.6.2

壓力管道直徑的選擇

依據(jù)管內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速

4～6

m

/

s

，進(jìn)行直徑確定，經(jīng)計算管徑為

6

m

，相應(yīng)流

速為

4.42

m

/

s

，毅力管道直徑取值不計算值稍大原因是：

eq

\o\ac(○,1)

、壓力管道較長。

采用較大洞徑，相對流速

較低，可改善機(jī)組運行條件；

eq

\o\ac(○,2)

、太平哨水電站為中

水頭大流量電站，水流較為寶貴，采用較大洞徑可獲得較多電能。

13

水電站引水系統(tǒng)設(shè)計

7.6.3

調(diào)節(jié)保證計算

經(jīng)調(diào)節(jié)保證計算，確定水輪機(jī)導(dǎo)葉啟閉時間為

8s，最大水擊壓力為

13.34，壓力管道壓力值為

51.435，機(jī)組轉(zhuǎn)速最大升值

147.16

r

/

min

，滿足要

求。

7.6.4

壓力管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定計算

基本資料：《水工設(shè)計手冊》普通碳素鋼

A3，屈服強(qiáng)度

σs=235000KPa

低合金鋼

16Mn，屈服強(qiáng)度

σs=345000KPa，巖石彈性拉力系數(shù)

K0=400，為

了安全，涉及何在為外水壓力

50

m

水柱高，內(nèi)水壓力

60

m

水柱高，鋼材彈性

模量

E

為：E=2.06×108KPa，泊松比為

0.3

壓力管道壁厚初估：

為了安全起見，不考慮巖石的彈性拉力，自阿內(nèi)水壓力作用下，荷載由鋼

管單獨承擔(dān)，依據(jù)鍋爐公式：

Pv0

[

]

HD0

2[

]

《水電站》P143

式中：γ——水溶重 9.81

H——內(nèi)水壓力

為

60

m

D0——管道直徑為

6

m

φ——焊縫系數(shù)，采用雙面對焊

0.95

[σ]——鋼材允許應(yīng)力，

本設(shè)計采用

16Mn

鋼，取

0.55σs，再降低

20%。

9.81

60

6

2

0.55

345000

0.2

0.012m

Pcr

3440（）/

s

1.7

考慮鋼管銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，管壁應(yīng)力比計算值增加了

2

mm

，所

以結(jié)構(gòu)厚度為

12+2=14

mm

另外，管壁最小厚度除滿足上述結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，還需考慮制造工藝、安裝

運輸?shù)纫螅鼙谟斜匾膭偠?，因此管壁最小機(jī)構(gòu)厚度應(yīng)滿足

δ≥D/800+4=11.5

mm

,且不小于

6

mm

，故利用鍋爐公式計算出的

12

mm

與結(jié)構(gòu)

厚度

14

mm

，滿足要求。

鋼管抗外壓失穩(wěn)計算

（1