第五章水电站水利枢纽概述.ppt

第五章水电站水利枢纽概述 第一节概述 为了开发利用水资源 必须采用工程措施 修建不同类型的水工建筑物 这些水工建筑物有机地布置在一起 控制水流 协调工作 统称为水利枢纽 专为发电或主要为发电而修建的水利枢纽 称为水电站水利枢纽 根据水电站的基本布置型式 水电站水利枢纽可归结为坝式和引水式 一 坝式水电站水利枢纽 坝式水电站水利枢纽分为坝后式和河床式 其主要建筑物有挡水 泄水建筑物和水电站厂房 另外为满足综合利用要求还可能有通航 灌溉取水 工业取水 鱼道及筏道等建筑物 其主要特点是水头由挡水建筑物来集中 建筑物集中布置在河床中 互相影响较大 必须合理安排 水口水电站 坝后式 水口水电站 福建 万家寨水电站 坝后式 万家寨水电站 岩滩水电站 坝后式 岩滩水电站 广西红水河 万安水电站 河床式 万安水电站 江西 沙溪口水电站 河床式 沙溪口水电站 福建 太平湾水电站 二 引水式水电站水利枢纽 引水式水电站水利枢纽分为有压和无压两种 特点是都有较长的引水道 水头由引水道形成 建筑物较为分散 相互影响较小 布置灵活 有压引水式水电站水利枢纽示意图 有压引水式水电站水利枢纽由三个部分组成 首部枢纽 其组成建筑物有拦河坝和有压进水口 有压引水隧洞 厂区枢纽 包括调压室 压力水管 电站厂房及尾水渠 无压引水式水电站水利枢纽示意图 无压引水式水电站水利枢纽由三个部分组成 首部枢纽 有拦河坝 无压进水口和沉沙池无压引水道 渠道或无压引水隧洞 厂区枢纽 有日调节池 压力前池 泄水道 压力管道 电站厂房及尾水渠 碧口水电站 莲花水电站 莲花水电站 隔河岩水电站 隔河岩水电站 白山二期 白山水电站 小浪底水电站 地下 小浪底水电站 二滩水电站 地下 二滩水电站 第二节挡水建筑物 坝 坝的作用是挡截水流 壅高水位 形成水库 在有调节库容的坝式水电站上 坝同时实现集中河段落差和调节河中流量的双重作用 几种基本的和主要的坝型 混凝土重力坝土坝拱坝 对坝的认识 1 非溢流重力坝 2 溢流重力坝3 横缝 4 导墙5 闸门 6 坝内排水管 7 检修 排水廊道 8 基础灌浆廊道 9 防渗帷幕 10 坝基排水孔 混凝土重力坝示意图 一 混凝土重力坝 坝的平面布置 用混凝土或浆砌石筑成 坝轴线一般为直线 并有垂直于坝轴线方向的横缝将坝体分成若干段 坝的纵剖面 红石水电站 混凝土重力坝 重力坝定义 依靠自身的重量产生的抗滑力维持其稳定性的坝 重力坝的基本剖面 呈三角形 上游面通常是垂直的或稍倾向上游的三角形断面 受力特点 主要依靠坝体的重量 在坝体和地基的接触面上产生抗滑力来抵抗库水推力 以达到稳定的要求 受力简图 可视作倒置的悬臂梁 1 重力坝的工作原理 抗滑力 扬压力 水平推力 优点 安全可靠 剖面尺寸较大 抵抗水渗漏 洪水漫顶 地震 战争破坏的能力比较强 因而失事率较低 对地形 地质条件适应性强 坝体作用于地基的压应力不高 所以对地质条件的要求也较低 低坝甚至可修建在土基上 枢纽泄洪容易解决 便于枢纽布置 施工导流方便 便于机械化施工 结构作用明确 应力 稳定计算比较简单 2 重力坝的优点及缺点 特点 缺点 剖面尺寸大 水泥石料等用量多 坝体应力低 材料强度不能充分发挥 坝体不同区域应采用不同强度等级和耐久性的材料 扬压力影响大 对稳定不利 会减轻坝体的有效重量 对坝体的稳定不利 因此要采取有效措施减小扬压力 砼体积大 温控要求较高 易产生温度裂缝 按坝高来分 高坝 大于70m中坝 30m 70m低坝 低于30m按材料分 混凝土重力坝浆砌石重力坝按施工方法 浇筑 常态混凝土碾压 干硬性混凝土 3 重力坝的类型 按坝的内部结构分 实体重力坝三峡 龙滩宽缝重力坝新安江 丹江口空腹重力坝湖南凤滩 枫树 二 土坝 土坝是最古老且应用最广泛的一种坝 1 土坝的优点及缺点 优点 可就地取材 结构简单 便于维修和加高 扩建 对地质条件要求低 能适应地基变形 施工技术简单 工序少 便于组织机械化快速施工 有较丰富的修筑经验 缺点 坝身一般不能溢流 须另设溢流洪道 施工导流不如混凝土坝方便 粘性土料的添筑受气候条件的影响较大 2 土坝的类型 土坝安施工方法的不同可分为 碾压土坝水中填土坝 水中冲填坝等 均质土坝分区土坝人工防渗材料坝 被广泛采用 土料用机械或人工运至坝上 分层铺平压实 土坝和混凝土重力坝不同 它是一种散粒体结构 且多数建于软弱基础上 由于土粒间的联结力低 抗剪能力小 为维持稳定 上下游需有一定坡度 剖面都呈梯形 由于具有巨大的坝身自重 土坝一般不致产生坝基的整体滑动 土坝的稳定 关键是需正确确定坝的边坡 以防止坝坡或坝坡连同部分坝基的共同坍滑 边坡是影响土坝安全 经济的最主要的剖面参数 土坝边坡坡度取决于坝型 坝高 坝身及坝基土壤强度等因素 通常边坡值为1 2 1 4 小浪底水电站 三 拱坝 1 拱坝的特点拱坝是固接于基岩的空间壳体结构 在平面上呈凸向上游的拱形 拱冠剖面呈竖直的或向上游弯曲 坝体结构是由水平的拱圈和竖向的悬臂梁共同组成 拱坝所承受的水平荷载一部分通过水平拱的作用传给两岸的基岩 另一部分通过竖向的悬臂梁的作用传到坝底基岩 如图所示 拱坝平面及剖面示意图 白山水电站 三心圆混凝土重力拱坝 坝体的稳定主要是依靠两岸坝肩的反力来维持 拱坝的坝肩是指拱坝所座落的两岸岩体部分 亦称拱座 拱冠梁系指位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁 一般它位于河谷的最大深处 拱是一种主要承受轴向压力的推力结构 拱内弯矩较小 应力分布比较均匀 这一特点能适应坝体材料 混凝土或浆砌石 抗压强度高的特性 使材料的强度得到充分的发挥 对于同一坝址 坝高相同时 拱坝的体积比重力坝可节省1 3 2 3 拱作用的结构特点 空间整体作用的特点 拱坝四周嵌固于基岩 属于高次超静定结构 当发生超载或产生局部裂缝时 坝体拱梁作用自行调整 坝体的应力将重新分配 原来低应力区的应力增大 高应力不再增长 裂缝停止发展甚至闭合 根据国内外拱坝结构模型实验成果表明 拱坝的超载能力可达到设计荷载的5 11倍 意大利瓦依昂 Vajont 双曲拱坝 1961年建成 坝顶长190 5m 顶宽3 4m 底宽22 7m 最大坝高265 5m 是当时世界上最高的混凝土薄拱坝 1963年10月9日晚 由于连续降雨 水库水位上涨 左岸靠坝的上游发生大体积岩石滑坡 近3亿m3的滑坡体以40m s的速度滑入水库并冲上右岸 掀起150m高的涌浪 涌浪溢过坝顶 冲向下游 致使2600人丧生 但拱坝并未破坏 仅在坝肩附近的坝内发生二 三条裂缝 据估算 拱坝当时已承受住相当于8倍设计荷载的作用力 由此可见该拱坝的超载能力 实例 拱坝是一个整体的空间壳体结构 坝体轻韧而富有弹性 当基础及坝肩岩体稳定时 其抗震能力较强 拱坝具有较高的抗震能力 对于拱坝 温度荷载是主要荷载之一 拱坝周边固接于基岩上 温度变化及地基变形等对坝体应力有显著影响 据实测资料分析表明 由温度变化引起的径向位移 约占总位移的1 3 2 3 荷载特点 坝身泄流及施工较为复杂 拱坝坝身较为单薄 坝身溢流可能引起坝身及闸门振动 致使材料疲劳 坝身下泄水流具有向心集中作用 挑距不远 易于造成对河床及河岸冲刷 坝身开设泄水孔会破坏拱坝作用并使孔口周边应力复杂 2 拱坝的类型 按拱坝的厚高比分类 拱坝的厚高比 TB H 小于0 2为薄拱坝 厚高比在0 2 0 35之间的为中厚拱坝 厚高比大于0 35的为厚拱坝 按拱坝曲率分类可分类 单曲拱坝双曲拱坝 水平及竖向截面均呈曲线形 单曲拱坝 双曲拱坝 浙江桐坑溪双曲拱坝 天台里石门水库双曲拱坝 天台里石门水库位于浙江省天台县龙溪始丰溪上 坝址以上集雨面积296km2 水库以灌溉 防洪为主 结合发电 水库正常蓄水位为176m 校核洪水位186 3m 总库容1 99亿m3 为混凝土双曲拱坝 坝高74 3m 坝底宽15 5m 坝顶宽4m 厚高比0 208 坝顶弧长265 5m 坝顶弦长208 5m 弦高比2 8 采用坝顶泄洪 溢流段长91 3m 设8扇弧形闸门 每扇10m宽 高5 1m 底坎高程176m 湖南东江拱坝 四川二滩拱坝 凤滩拱坝 普定碾压混凝土拱坝 第三节泄水建筑物 泄水建筑物的主要作用是宣泄洪水 故又称泄洪建筑物 以防洪水漫顶 确保坝的安全 它是水利枢纽中不可少的主要建筑物 泄水建筑物有各种溢流坝 溢洪道 泄洪隧洞和泄水底孔等 一 溢流坝 二 河岸溢洪道 小浪底水电站 小浪底水电站 小浪底水电站 三 深式泄水道 第四节水电站引水建筑物 一 功用水电站引水建筑物包括进水口和引水道 进水口是水电站水流的进口 按照发电要求将水引入水电站的引水道 其作用是自水库或河流引取厂房机组所需的流量 二 进水口基本要求 要有足够的进水能力 合理安排其位置和高程 水流平顺并有足够的断面尺寸 水质要符合要求 要设置拦污 防冰 拦沙 沉沙及冲沙设备 水头损失小 位置合理 轮廓平顺 流速较小 尽可能减小水头损失 可控制流量 进水口须设置闸门 满足水工建筑物的一般要求 三 进水口分类 按水流条件分 无压 类似于水闸 水流为明流 引取表层水 适用于无压引水式电站 有压 进水口在最低水位以下 水流为有压流 以引深层水为主 适用于坝式 有压引水式 混合式水电站 四 有压进水口类型 适用条件及主要设备 有压进水口按结构形式可归纳为 洞式进水口墙式进水口塔式进水口坝式进水口 1 洞式进水口 特征 在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井 井壁一般要进行衬砌 闸门安置在竖井中 竖井的顶部布置启闭机及操纵室 渐变段之后接隧洞洞身 适用 工程地质条件较好 岩体比较完整 山坡坡度适宜 易于开挖平洞和竖井的情况 隧洞式进水口 2 墙式进水口 特征 进口段 闸门段和闸门竖井均布置在山体之外 形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物 承受水压及山岩压力 要有足够的稳定性和强度 适用 地质条件差 山坡较陡 不易挖井的情况 墙式进水口 墙式进水口 3 塔式进水口 特征 进口段 闸门段及其一部框架形成一个塔式结构 耸立在水库中 塔顶设操纵平台和启闭机室 用工作桥与岸边或坝顶相连 塔式进水口可一边或四周进水 适用 当地材料坝 进口处山岩较差 岸坡又比较平缓 塔式进水口 塔式进水口 4 坝式进水口 特征 进水口依附在坝体的上游面上 并与坝内压力管道连接 进口段和闸门段常合二为一 布置紧凑 适用 混凝土重力坝的坝后式厂房 坝内式厂房和河床式厂房 坝式进水口 5 主要设备 作用 防止有害污物 漂浮物等进入进口 影响过水能力 布置 平面倾斜 倾角一般为60 70 过水断面大 易于清污 适用于洞式 岸墙式 平面直立 适用塔式 坝式 多边形 适用坝式进水口 拦污设备 结构支承结构 一般金属框架或钢筋混凝土结构 栅片结构 由若干栅片组成 栅片放在支承结构的栅槽中 尺寸为4 5 2 5m 高 宽 清污及防冻定期清污 人工 机械 注 拦污栅框架顶部应高出需要清污时的相应水库水位 拦污栅图片 闸门及启闭设备 工作闸门 事故闸门 作用 紧急情况下切断水流 以防事故扩大 运用要求 动水中快速 1 2min 关闭 静水中开启 布置方式 一般为平板门 一口 一门 一机 固定卷扬启闭机 以便随时操作 检修闸门作用 设在工作闸门上游侧 检修事故闸门和及其门槽时用以堵水 运用要求 静水中启闭 布置方式 平板闸门 几个进水口共用一套检修闸门 启闭可用移动式或临时启闭设备 平时检修闸门存放在储门室内 通气孔及充水阀 通气孔 airhole 位置 有压进水口的事故闸门之后作用 引水道充水时用以排气 事故闸门紧急关闭放空引水道时 用以补气以防出现有害真空 面积 最大进气流量 允许进气流速Va 露天式管道进水口 Va一般取30 50m s 坝内管道和隧洞 Va取70 80m s 规范 通气孔面积可取管道面积的5 左右 充水阀作用 开启闸门前向引水道充水 平衡闸门前后水压 以便在静水中开启闸门 从而减小启门力 尺寸 根据充水容积 下游漏水量及要求的充水时间来确定 位置 设置在坝内廊道 坝式进水口设旁通管 管的上游通至上游坝面 下游至事故闸门之后 旁通管穿过坝体廊道 并在廊道内设充水阀 设置在平板门上 6 有压进水口的位置 高程 位置原则 水流平顺 对称 不发生回流和漩涡 不出现淤积 不聚集污物 泄洪时仍能正常进水 进水口后接压力隧洞 应与洞线布置协调一致 要选择地形 地质及水流条件均较好的位置 高程 顶部高程 进水口顶部高程应低于最低死水位 并有一定的埋深 底部高程 进水口的底部高程通常在水库设计淤沙高程以上0 5 1 0m 当设有冲沙设备时 应根据排沙情况而定 五 无压进水口及沉沙池 1 无压进水口 特征 适用条件 作用特征 无压进水口内水流为明流 以引表层水为主 进水口后一般接无压引水道 适用 适用于无压引水式电站 作用 控制水量与水质 并保证使发电所需水量以尽可能小的水头损失进入渠道 位置应布置在河流弯曲段凹岸 利用弯道水流原理取清水 拦污设施一般均设拦污栅或浮排以拦截漂浮物 拦沙 沉沙 冲沙设施 2 沉沙池 位置 位于无压进水口之后 引水道之前 工作原理 加大过水断面 减小水流的流速及其挟沙能力 使其有害泥沙沉淀在沉沙池内 将清水引入引水道 六 渠道和压力前池 渠道是最简单的无压引水道 专为水电站引水的渠道 称动力渠道 因渠道不仅结构简单 施工维修方便 而且一般比开挖隧洞经济得多 故无压引水式水电站上采用渠道引水最为普遍 为减少水头损失 防止渗漏 动力渠道多采用混凝土或浆砌块石护面 渠道的断面应在满足防冲 防淤的技术条件下 需经动能经济比较求其经济尺寸 压力前池 水轮机总需要在一定水头下工作 因此不论何种水电站 在水流进入水轮机之前 总要采用有压引水的方式 为此 明渠末端需建造必要的过渡建筑物 因其位于厂房进水之前 故称前池 也叫压力前池 它是明渠转为压力流的转换处 前池的作用是将引水渠中的流量均匀地分配给各压力水管 并根据水电站负荷变化 缓冲调节进入水轮机的流量和引水渠的来水 从泄水道泄走多余来水 一防漫顶 拦截和排除渠内漂浮物 泥沙和冰块 以免进入压力水管和淤积前池 思考题 1 简述有压进水口的主要型式 各种型式布置特点及适用条件 并说明其位置 高程 是如何确定的 2 拦污栅的工作要求 3 沉沙池的工作特点 4 无压进水口的运行特点 其位置如何选择 七 水电站压力钢管 作用 从水库 前池或调压室向水轮机输送水量 特点 坡度陡 内水压力大 且承受水击的动水压力 因其靠近厂房 失事后果严重 所以必须安全可靠 压力钢管 小浪底水电站 白山水电站 1 压力管道的类型 钢管管节 钢筋混凝土管 聚酯材料管 木管 2 压力管道的布置 压力管道线路选择应结合其它建筑物 前池 调压室 和水电站厂房布置统一考虑 路线尽可能短 直 经济 hf和 H小 地质条件好 山体稳定 地下水位低 避开山崩 雪崩地区 尽量减小起伏 避免出现负压 转弯半径R 3D 避开可能发生山崩或滑坡的地区以及山水集中的地区 可沿山脊布置 明钢管首部设事故闸门 并考虑事故排水等 3 压力管道引进厂房的方式 正向引近 低水头电站 水流平顺 水头损失小 开挖量小 交通方便 钢管发生事故时直接危机厂房安全 纵向引近 高 中水头电站 避免水流直冲厂房 斜向引近 分组供水和联合供水 a b 正向引进 c d 纵向引进 e 斜向引进 4 供水方式 单元供水 一管一机 不设下阀门 优点 结构简单 无岔管 工作可靠 灵活性好 易于制作 无岔管缺点 造价高适用 1 单机流量大 长度短的地下埋管或明管 2 混凝土坝内管道和明管道 联合供水 一根主管 向多台机组供水 设下阀门 优点 造价低缺点 结构复杂 岔管 灵活性差适用 机组少 单机流量小 引水道长的地下埋管和明管分组供水 设多根主管 每根主管向数台机组供水 设下阀门 适用 压力水管较长 机组台数多 单机流量较小的情况 地下埋管和明管 单元供水联合供水分组供水 5 钢管上的闸门 阀门和附件 闸门及阀门压力管道进口设快速闸门 事故门 在前池 调压室 水库等位置 对于联合供水或分组供水的管道 在水轮机进口前应设快速阀门 事故阀 其型式有蝴蝶阀 球阀 小型水电站有时用平板阀 蝴蝶阀优点 启闭力小 操作方便迅速 体积小 重量轻 造价低 缺点 开启状态时 阀体对水流有扰动 水头损失较大 关闭状态止水不严 动水中关闭 在静水中开启 球阀 球形外壳 可旋转的圆筒形阀体 附件 优点 开启状态时没有水头损失 止水严密 能承受高压 缺点 结构复杂 尺寸和重量大 造价高 适用 高水头电站 功用 消除温度应力 且适应少量的不均匀沉陷位置 常在上镇墩的下游侧 伸缩节 通气阀作用 当阀门紧急关闭时 向管内充气 以消除管中负压 水管充水时 排出管中空气位置 阀门之后进人孔作用 检修钢管 位置 钢管上方 直径 50cm左右 间距100m 旁通阀及排水设备旁通阀 设在水轮机进水阀门处 作用 阀门前后平压后开启 以减小启闭力 排水管 水管的最低点应设置 作用 在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水 思考题 1 压力水管的功用 特点是什么 压力水管的类型有几种 各适用什么条件 2 压力水管的线路选择布置原则是什么 3 压力水管的供水方式 引进方式 有哪几种 各自的优缺点和适用条件是什么 八 调压室 问题 为什么设置调压室 在较长的压力引水系统中 为了降低高压管道的水锤压力 满足机组调节保证计算的要求 常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室 调压室将有压引水系统分成两段 上游段为压力引水道 下游段为压力管道 一 调压室的功用 调压室的功用可归纳为 反射水锤波 基本上避免了 或减小 压力管道传来的水锤波进入压力引水道 减小了水锤压力 压力管道及厂房过水部分 缩短了压力管道的长度改善机组在负荷变化时的运行条件 二 调压室的基本要求 尽量靠近厂房 以缩短压力管道的长度 应有自由水表面和足够的底面积 以保证水锤波的充分反射 调压室的工作必须是稳定的 负荷变化时 引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减 正常运行时 水流经过调压室底部造成的水头损失要小 结构安全可靠 施工简单方便 经济合理 三 调压室的设置条件 调压室一般尺寸较大 投资较大 工期长 特别是对于低水头电站 调压室的造价可能占整个引水系统造价的相当大的比例 是否设置调压室 应在机组过流系统调节保证计算和机组运行条件分析的基础上 考虑水电站在电力系统中的作用 地形及地质条件 压力管道的布置等因素 进行技术经济比较后加以确定 1 上游调压室的设置条件 初步判定 用水流加速时间 也称为压力引水道的时间常数 Tw来判断是否设置调压室 Tw 2 4s时 可不设调压室 当水电站单独运行时 或机组在电力系统中所占的比例超过50 时 取小值 2s 当比重小于10 20 时 可取大值 2 下游调压室的设置条件 以尾水管内不产生液柱分离为前提 条件为 Lw 尾水道长度 Vw0 稳定运行时尾水管流速 Vwj 尾水管入口处流速 安装高程 最终通过调节保证计算 当机组丢弃全部负荷时 尾水管内的最大真空度不宜大于8m水柱 但在高海拔地区应作高程修正 见规范 四 调压室的工作原理 调压室具有较大的容积和自由水面 它将电站因负荷变化而引起的有压系统非恒定流分为性质不同而又互相联系的两部分 压力管道的水锤和 水库 引水道 调压室 的水流波动 丢弃全负荷 流量变为0 压力管道中发生水锤 水流继续流入调压室 调压室水位升高 流速逐渐降低 直到为0 此时水位最高 反向流动 水位下降 水位于水库持平时 水流惯性使得继续流向水库 直到流速 0 再次向下游流动 循环往复 增加负荷 与其相反 经常性的负荷变动 水位相应变动 负荷保持不变 流量相应变化 调压室水位波动 管道水锤过程是水击波的传播 振幅大 变化快 往往在很短时间内即消失 调压室水位波动主要由于水体的往复运动引起 特点是振幅小 变化慢 周期长 往往长达几十秒到几百秒甚至更长时间 调压室的水位波动有两种趋势 一种是逐渐衰减 另一种是逐渐增大 这是调压室设计应该避免的 五 调压室的布置方式 1 上游调压室 引水调压室 位于厂房上游引水道上 适用 厂房上游有压引水道较长 应用最广泛 2 下游调压室 尾水调压室 位于厂房下游尾水洞上 适用尾水隧洞较长 需设置尾水调压室以减小水击压力 特别是防止丢弃负荷时产生过大的负水击 尾水调压室应尽可能靠近厂房 3 上下游双调压室系统 当采用中部地下厂房时 上下游都有较长的压力水道 在厂房上下游均设置调压室 4 上游双调压室系统 适用于上游引水道较长情况 靠近厂房的调压室对反射水击波起主导作用 称为主调压室 另一调压室帮助衰减引水系统的波动 称为辅助调压室 水位波动的衰减由两个调