水电站建筑物.doc

几个世界之最：装机容量最大的水电站伊泰普水电站；最大的抽水蓄能电站巴斯康蒂电站；最大的潮汐电站朗斯电站；最大的水轮发电机组：伊泰普水电站；水头最高的电站赖斯采克蓄能电站。水电站的建筑物组成及区别：组成：枢纽建筑物和发电建筑物。 区别：枢纽建筑物包括挡水建筑物、泄水建筑物、过坝建筑物；发电建筑物包括引水建筑物、发电厂房及其附属建筑物。在综合利用水利工程中，枢纽建筑物为各种用途所用，而发电建筑物是发电所专用，但其中进水口、引水道有时也与其他用途共用。水力发电的优缺点 优点：不消耗燃料，成本低廉 水火互济，调峰灵活 综合利用，多方得益 环境优美，能源洁净 取之不尽，用之不竭 缺点：受自然条件限制 一次性投资大工期长 失事后果严重 水电工程对自然会有不利影响。 简述有压进水口的主要形式，各种形式布置特点及适用条件 形式：坝式、岸式（竖井式和岸墙式）、塔式。 坝式：特征：它位于混凝土坝或河床式电站厂房的上游坝体内，成为统一整体。通常每台机组有单独进水口。 适用条件：混凝土重力坝的坝后式厂房、坝内式厂房和河床式厂房。 岸式：位于河床上，用于连接隧洞。【竖井式 布置特点：在隧洞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。 适用条件：易于开挖平工程地质条件较好，岩体比较完整，山坡坡度适宜，洞和竖井的情况。 岸墙式 布置特点：进口段、闸门段的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。 适用条件：地质条件差，山坡较陡，不易挖井的情况。】 塔式：布置特点：塔身位于水库中，可以从一边或四周进水。 适用条件：当地材料坝、进口处山岩较差、岸坡又比较平缓。 无压进水口类型：表面式进水口（闸）；底部拦污栅进水口。 适用于无压引水式电站。 拦污栅的工作要求 作用：防止有害污物进入进水口，防止漂浮物进入进水口，影响过水能力。 布置：平面倾斜：倾角一般为6070。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：增大过水面积，结构复杂，适用坝式水口。 要求：栅条间净距应根据水轮机型号和尺寸选定；过栅水流净流速应尽量小，不宜大于1m/s； 拦污栅要定期进行清污；要在远离进水口的上游加设粗栅或拦污浮排；在寒冷地区要防止拦污栅结冰。 沉沙池的设计要求：沉沙池要有必要的宽度、深度和长度，使水流变小且均匀；要能满足沉沙的要求；运行安全可靠；结构经济合理，便于施工及运行。 水电站引水道的功用及分类 功用：集中落差，形成水头，并将水流输送到压力管道引入机组，然后将发点后的水流排到下游。 分类：有压引水道、无压引水道。 渠道的布置有哪些要求：有足够的输水能力；水质符合要求；运行安全可靠；结构经济合理，便于施工及运行。 有压引水道线路选择原则：线路要短而直；要有良好的地质条件；避免大量的挖填方。 进水口设计有哪些要求：要有必须的进水能力；水质符合发电要求【合理布置进水口在枢纽中的位置（水流平顺）；进水口前一定要有拦污栅；有清污设备】；水头损失小；流量可按要求控制；施工、安装、运行和检修方便。 注：进水口设工作闸门（或事故闸门）。工作闸门前设检修闸门，工作闸门后设通气孔。工作闸门：动水中启闭；检修闸门：静水中启闭；事故闸门：动水中快速关闭，静水中开启。 简述如何进行压力管道的直径选择 实际设计中，由于有些因素（如施工工艺和技术水平等）无法在计算公式中考虑，所以按照公式计算的结果一般作为参考。通常可以根据已有的工程经验和计算公式确定几种直径，再分别进行造价和电量计算，再考虑技术方面的因素后，选择最优直径。 在可行性研究和初步设计阶段，也可以用下面的经验公式法或经济流速方法确定压力钢管的直径。（1）经验公式法 D=式中Qmax压力管道设计流量，m/s；H涉及水头（包括水锤压力），m。 （2）经济流速法 压力管道的经济流速一般为46m/s，最大不超过7m/s。选定经济流速Ve后，根据水管引用流量Q用下面的公式确定管道直径：D=1.13 明钢管的线路选择要求以及布置要求 线路选择：管道路线尽可能短而直；选择良好的地质条件，使钢管支承在坚固的地基上；尽量减少管道路线的起伏波折。 布置要求：（一）管道与主厂房的关系：正向引进，钢管轴线与厂房纵轴线垂直。纵向引进，主管轴线与厂房纵轴线平行。斜向引进，介于正向引进和纵向引进两种方式之间，主管轴线与厂房纵轴线斜交成一定角度。 （二）管道高程：应保证管内在运行情况下不出现负压。 地下埋管的优缺点，布置要求以及改进途径 优点：布置灵活方便【明管要求地形地质条件好，即岩石坚硬完整、坡度适中，即使不能用明管，也可以用地下埋管，其铺设在在岩体内部，地质条件优于地表】；利用围岩承担内水压力，减少钢衬壁厚【即使地质条件很差，采取一定措施后，仍可埋管，当高水头，HD值很大是，可用地下埋管】；运行安全【地下埋管不受外界条件影响，超载能力强】。 缺点：构造复杂，安装工序多，工艺要求高；施工质量不易保证，造价高，易影响工期；在地下水压力较高的地方，钢衬承受很大外压，造成失稳。 布置要求：管道线路应尽量短而直；选择良好的地质条件，使钢管支承在坚固的地基上；尽量减少管道线路的起伏波折。 改进途径：采用高强度钢材；采用双层钢管作为钢衬；采用箍管；采用柔性钢衬；采用预应力混凝土衬砌。 地下埋管施工要求及构造：施工程序：【开挖：光面、预裂爆破或掘进机开挖，保持圆形孔口，减少爆破松动影响；钢衬安装：在工厂加工；混凝土回填：钢衬与围岩之间回填混凝土仅起传递径向内压力而不必承受环向拉力。回填混凝土的缺陷易使钢衬局部弯曲，应采用预埋骨料压浆混凝土和微膨胀水泥；灌浆：平洞、斜井应作顶拱回填灌浆，结构分析中，钢衬围岩联合受力，作接缝灌浆。】 影响钢衬应力的因素：围岩的单位抗力系数k0对应力影响显著（提高围岩单位抗力系数可降低降低钢衬应力，可采用固结灌浆）。缝隙值对钢衬应力影响【施工缝隙0；钢衬冷缩缝隙s；围岩冷缩缝隙R。】 混凝土坝体压力管道的特点有哪些：进水口设于坝体，结构紧凑简单。引水长度最短，水头损失小，机组调节保证条件好。造价低。运行集中方便。管道安装会干扰坝体施工，坝内埋管空腔削弱坝体，使坝体应力恶化。 坝内埋管布置原则、结构特点以及结构设计内容 布置原则：尽量缩短管道的长度减少管道空腔对坝体应力的不利影响减少管道对坝体施工的干扰并有利于管道安装和施工 结构特点：管内水压力会通过钢管传到管外的坝体混凝土上来管道周围坝体内产生了拉应力集中 结构设计内容：钢衬材料及壁厚管外坝体混凝土等级和配筋钢衬抗外压设施。 坝内埋管的形式及优缺点：倾斜式布置【优点：进水口位置较高，承受压力较小；管道纵轴与坝体内较大的主压应力方向平行，可以减少管道周围坝体内由坝的荷载引起的拉应力；管道位置高，因而与坝体施工的干扰较少。 缺点：管道较长，弯段多；管道与下游坝面之间的混凝土厚度较小，对坝体承受的内水压力不利。】平式和平斜式布置【优缺点与上相反。 适用于拱坝，坝体厚度不大，管径却很大。】竖直式布置【优点：适用于坝内厂房预留竖井，后期在井内安装钢管。 缺点：管道弯曲大，水头损失大，管道空腔对坝体应力不利。】 坝内埋管设计方法的改进途径：综合考虑坝内埋管的所有荷载，并按坝内埋管实际形状分析应力，不再简化为轴对称厚壁圆筒；采用三维方法进行坝内埋管应力分析；考虑混凝土是非线弹性材料，利用其真实的弹塑性性质，分析钢衬外围混凝土的抗裂能力，保证混凝土的抗裂安全度；按照混凝土裂穿这种极端状态下的强度要求配置钢衬和钢筋，保证坝内埋管的承载安全性。 分叉管的功用特点以及要求 功用：作用是分配水流。采用联合供水或分组供水时，需要设置分岔管，岔管位于厂房上游侧。 特点：水流条件较差，引起的水头损失较大；岔管由薄壳和刚度较大的加强构件组成，管壁厚，构件尺寸大，有时需锻造焊接工艺要求高，造价较高；受理条件差，所承受的静动水压力最大，又靠近厂房，其安全性十分重要。我国已经建成的水电站岔管大多数属于地下岔管，但大多数按明管设计，即不考虑周围岩体分担荷载。 要求：水流平顺，水头损失小，避免涡流和振动。结构合理简单，受理条件好，不产生过大的应力集中和变形。制作、运输、安装方便。分岔管应满足的要求：水流平顺，水头损失小，避免涡流和振动；结构合理简单，受力条件好，不产生过大的应力集中和变形；制作、运输、安装方便。分岔管的典型布置：卜形布置【主管中分出一支较小的岔管，或者两条支管的轴线因故不能作对称布置时】、对称Y形布置【用于主管分成两个相同的支管】、三岔形布置【用于主管直接分成三个相同的支管】。岔管的结构形式：明钢岔管【三梁岔管：有U梁和腰梁；内加强月牙肋岔管：月牙肋加强构件；贴边岔管；无梁岔管：无加强板；球形岔管：圆环形加强梁；隔壁岔管：只有隔壁加强】。地下埋藏式岔管【埋藏式钢岔管：钢衬与围岩之间用混凝土填实，承受水压及防渗；埋藏式钢筋混凝土岔管：钢衬与围岩之间回填钢筋混凝土，防渗。】钢衬钢筋混凝土岔管【共同承受水压。】明钢岔管的几种结构型式：三梁岔管、内加强月牙肋岔管、贴边岔管、无梁岔管、球形岔管、隔壁岔管。 水电站的类型：坝式【河床式（适用于水头不大时，厂房挡水）；坝后式（水头较大时）】；引水道式【有压引水道式水电站（设调压井/室、压力管道）；无压引水道式水电站（设压力前池）】；混合式（上游有良好坝址，下游坡降大）；抽水蓄能电站；潮汐电站。 抽水蓄能电站定义：抽水蓄能电站是装设具有抽水及发电两种功能的机组，利用电力系统低谷负荷期间的剩余电能向上水库抽水储蓄水能，再在系统高峰负荷期间从上水库放水发电的水电站。引水道的功用：集中落差，形成水头。并将水流输送到压力管道引入机组，然后将发电后的水流排到下游。引水道也可分为有压引水道和无压引水道。 引水道的要求：有符合要求的输水能力；减少水头损失；保证水质。压力前池功用：电站正常运行时把流量按要求分配给压力管道，并使水头损失最小：在水电站出力变化或事故时，能与引水渠道配合，调节流量并将多余水量排泄，避免引水道水位过高；在电站停止运行、压力管道关闭时供给下游必需的水量；在压力管道事故时紧急切断水流以防止事故扩大；防止引水道中的杂物、冰凌与有害泥沙进入压力管道。压力前池组成：前室、压力管道的进水口与设备、泄水和排沙建筑物。压力前池布置形式及优缺点：管线与渠道方向一致【水流平顺】；管线与渠道成锐角；管线与渠道垂直【共有：进水条件差，但拦污栅前污物易被冲走】；前池应尽可能接近厂房；必须选择良好的地质条件，池身尽可能建在渗漏条件好的地方。压力管道：压力管道是从水库或引水道末端的前池或调压室，将水在有压的状态下引入水轮机的输水管，它是集中了水电站全部或大部分水头的输水管。压力管道供水方式：单元供水【优点：运用灵活；易于制作，无分叉管。缺点：连接困难，造价高。 适用于：混凝土坝身管道；单管流量很大或长度较短的地下埋管或明管。】、联合供水【优点：布置容易，造价较低。缺点：运用条件差，多分岔管，结构复杂。 适用于：地下埋管和明管，机组数较少时，单机流量较小，引水道较长时。】、分组供水【优点：运用较好，少分岔管。缺点：介于以上之间。 适用于：地下埋管和明管，机组数多，单机流量不大，引水道较长时】。明管线路选择原则：管道线路应尽可能短而直，以降低造价和水头损失，降低水锤压力和改善机组运行条件；选择良好的地质条件，使钢管支承在坚固的地基上；尽量减少管道线路的起伏波折。地下埋管与明管相比具有的优点：布置灵活方便；利用围岩承担内水压力，减少钢衬壁厚；运行安全。明钢管引近厂房的方式：正向引近【优点：水流平顺、水头损失小、开挖量小；缺点：当管道破裂时，危害厂房及人员。 适用于：中低水头水电站】、纵向引近【优点：管道破裂不危害厂房及人员；缺点：水头损失大，开挖量大。 适用于：高中水头水电站】、斜向引近【优缺点：介于以上两者之间。 适用于：分组供水和联合供水的水电站】。混凝土坝体压力管道有三种：坝内埋管、坝上游面管道、坝下游面管道。钢衬钢筋混凝土管道优点：管道位于坝体外，允许管壁混凝土开裂，是钢衬和钢筋可以充分的发挥承载作用；利用钢筋承载，减少了钢板厚度，避免采用高强钢、厚钢板引起技术经济问题；环向钢筋的接头是分散的，工艺缺陷不会集中，因此可以避免钢管材质及焊缝缺陷引起的破裂口带来的严重后果；可以减少外界因素对管道破坏的可能性，在严寒地区有利于管道防冻。压力钢管中钢材性能要求：良好的机械性能和工艺性能【具有较强塑韧性，有时宁可采用强度稍低而塑韧性高的钢材；切割、冷弯、焊接性能好；选择适宜钢材，控制化学和合金成分符合有关的规范和要求】。镇墩、支墩结构形式及优缺点： 镇墩：封闭式【节省钢材、结构简单】；开敞式【锚环施工复杂，但便于检查维修】。 支墩：滑动式支座（无支承环鞍形支座【支座简单，但摩擦力大，适用于管径1m以下的钢管】、有支承环鞍形支座【受力不均，适用于管径不大于2m的钢管】、有支承环滑动支座【摩擦力小，适用于管径13m的钢管】）；滚动式支座【摩擦系数小，常用于垂直荷载较小而管径大于2m的钢管】；摇摆式支座【摩擦力小，用于管径大于2m的钢管】。如何确定钢管管壁厚度：按锅炉公式计算其厚度，考虑到磨损、误差，要比计算值多2mm；最小壁厚不小于（D/800+4），且不宜小于6mm。 锅炉公式：=HD/ 2 管壁厚度：HD/ 2 10HD/ 2（cm）钢管应力分析四个断面：跨中断面；支承环旁管壁膜应力区边缘；加劲环及其旁管壁；支承环及其旁管壁。 跨中断面应力计算概念：弯矩最大，剪力等于零 径向应力r（承受内水压力引起），忽略不计；切向应力1（内水压力引起）；轴向应力x（轴向力引起；自重、水重法向力引起）；剪应力x=0。 减小水锤压力的措施：缩短压力管道的长度；延长有效的关闭时间；减小压力管道中的流速；改变调速器调节程序。调压室：减小水锤压力在引水道中传递的有效方法之一是设置调压井。利用调压室扩大的断面积和自由水面，水锤波就会在调压室反射到下游去。这样就相当于把引水系统分为两段，调压室以前的这段引水道，基本上可以避免水锤压力的影响；调压室以后这段压力管道，由于缩短了水锤波的传播路程，从而减少了压力管道中的水锤值，改善了机组运行条件和供电质量。调压室应满足的要求：尽可能充分反射由压力管道传来的水锤波，以减少压力管道中的水锤压力，并使传至引水道中的水锤值控制在合理范围内；应能保证调压室中发生的一切水位波动都具有逐渐衰减的性质，并且衰减的愈快愈好；负荷变化时，引起的波动振幅小，频率低，这样可以减小调压室的高度，并有利于机组的稳定运行；在正常运行时，水流经过调压室与引水道连接处的水头损失应尽小。厂房：地面式厂房：河床式厂房、坝后式厂房、坝内式厂房、岸边式厂房；地下式厂房；抽水蓄能电站厂房；潮汐电站厂房。 厂房的水机辅助设备：油系统【透平油系统（供轴承润滑）、绝缘油系统（供电气设备）】、压缩空气系统【高压缩空气系统（供调速器）、低压缩空气系统（供机