(水利水电工程概论课件）第6章水电站建筑物

1、( (水利水电工程概论课件第水利水电工程概论课件第6 6 章水电站建筑物章水电站建筑物 2.1 2.1 进水口进水口 功用：位于输水系统首部，按负荷要求引进发电用水。功用：位于输水系统首部，按负荷要求引进发电用水。 v进水口进水口的功用及要求的功用及要求 要求：要求： 1 1要有足够的进水能力流量，高程，防堵塞要有足够的进水能力流量，高程，防堵塞 2 2水质要符合要求水质要符合要求( (防污、防沙、防冰防污、防沙、防冰 ) )。 3 3可控制流量。可控制流量。 4 4水头损失要小形状、流态、流速、防堵塞水头损失要小形状、流态、流速、防堵塞 5 5满足建筑物的一般要求满足建筑物的一般要求 强度、

2、刚度、稳定性、结构简单、施工方便、强度、刚度、稳定性、结构简单、施工方便、 造型美观、造价低廉、便于运行维护和检修。造型美观、造价低廉、便于运行维护和检修。 1 1进水口坎底要足够低，满足在任何工作水位时通过必要的进水口坎底要足够低，满足在任何工作水位时通过必要的 流量。流量。 2 2有压进水口低于运行中可能出现的最低水位，并有一定的淹没有压进水口低于运行中可能出现的最低水位，并有一定的淹没 深度，防止产生漩涡及泥沙堵塞进水口；高于泥沙淤积高程，防止泥深度，防止产生漩涡及泥沙堵塞进水口；高于泥沙淤积高程，防止泥 沙堵塞进水口。沙堵塞进水口。 3 3还要要防止结冰及其他飘浮物和污物堵塞进水口，影

3、响进水能还要要防止结冰及其他飘浮物和污物堵塞进水口，影响进水能 力。力。 1 1、合理布置进水口在枢纽总体中的位置。使进、合理布置进水口在枢纽总体中的位置。使进 口水流平顺、对称不发生回流和漩涡。口水流平顺、对称不发生回流和漩涡。 2 2、在枢纽布置中，、在枢纽布置中， 要考虑在进水口前设拦沙要考虑在进水口前设拦沙 坎，进水口旁设泄水坎，进水口旁设泄水- -泄沙闸、泄沙孔等，泄沙闸、泄沙孔等， 以以 便于定期冲走可能的漂浮物和淤积的泥沙，冲便于定期冲走可能的漂浮物和淤积的泥沙，冲 沙速度在沙速度在4m/s4m/s以上。以上。 3 3、在进水口后设沉沙池，水力或机械方法排、在进水口后设沉沙池，水

4、力或机械方法排 沙。沙。 防、排沙措施防、排沙措施 电电 站站 整整 体体 示示 意意 图图 有压岸式有压岸式进水口进水口示意图示意图 按水流条件可分为按水流条件可分为: : 1 1无压进水口无压进水口：供水入无压水道。：供水入无压水道。 如明渠和沉沙池。如明渠和沉沙池。 一般用于无压引水式电站。一般用于无压引水式电站。 22有压进水口有压进水口：供水入压力水道。：供水入压力水道。 如压力管道和压力隧洞。如压力管道和压力隧洞。 一般适用于河流水位变幅大或从水库引一般适用于河流水位变幅大或从水库引 水的水电站，即有压引水式、坝后式和水的水电站，即有压引水式、坝后式和 混合式电站。混合式电站。 v

5、进水口的分类进水口的分类 无压引水式水电站无压引水式水电站 供水入无压水道。无压进水口后引水道是无压的。供水入无压水道。无压进水口后引水道是无压的。 有压引水式水电站有压引水式水电站 有压引水式、坝后式、混合式有压引水式、坝后式、混合式 供水入有压水道。有压进水口后引水道是有压的。供水入有压水道。有压进水口后引水道是有压的。 v有压进水口有压进水口 1 1、位置：、位置： 布置原那么：合理布置进水口在枢纽总体中的位置。布置原那么：合理布置进水口在枢纽总体中的位置。 保持水流平顺、对称，不发生回流和漩涡，不出保持水流平顺、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。现淤

6、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，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。要选择地形、地质及水流条件均较好的位置。 v有压进水口有压进水口 顶部高程顶部高程: : 保证在最低运行水位以保证在最低运行水位以 下有足够淹没深度，淹没深度以不产生漏斗下有足够淹没深度，淹没深度以不产生漏斗 状吸气旋涡为原那么，防止引水道出现负压。状吸气旋涡为原那么，防止引水道出现负压。 底部高程：进水口的底部高程通常在底部高程：进水口的底部高程通常在 水库设计淤沙高程以上水库设计淤沙高程以上0.51.0m0.51.0m，当设有冲

7、，当设有冲 沙设备时，应根据排沙情况而定。沙设备时，应根据排沙情况而定。 2 2、高程、高程 满足分期发电要求满足分期发电要求 大型大型 cr S )(mdcvScr 临界临界淹没深度淹没深度 ： C C：经验系数：经验系数 0.55-0.73 0.55-0.73； V: V: 闸门断面流速闸门断面流速m/s)m/s) d d：闸门孔口高度：闸门孔口高度(m)(m) 在满足临界淹没深在满足临界淹没深 度度S S的条件下，进水的条件下，进水 口高程应尽可能抬口高程应尽可能抬 高，以改善受力条高，以改善受力条 件，降低闸门和起件，降低闸门和起 闭设备造价。闭设备造价。 由于影响旋涡产生的因素很多，

8、有些因素无法定量估算，上式只由于影响旋涡产生的因素很多，有些因素无法定量估算，上式只 能用来初估淹没深度。能用来初估淹没深度。 在工程实践中，受地形限制及复杂的行近水流边界条件影响，要求进在工程实践中，受地形限制及复杂的行近水流边界条件影响，要求进 水口在各种运行情况下完全不产生旋涡是困难的，关键是不应产生漏斗水口在各种运行情况下完全不产生旋涡是困难的，关键是不应产生漏斗 状吸气旋涡。此外，通过水力模型试验研究并采取相应的工程措施，如状吸气旋涡。此外，通过水力模型试验研究并采取相应的工程措施，如 在旋涡区加设浮排和防涡梁等也有助于防止或消除旋涡。根据统计，国在旋涡区加设浮排和防涡梁等也有助于防

9、止或消除旋涡。根据统计，国 内进水口淹没深度一般大于内进水口淹没深度一般大于0.8d0.8d，个别坝式进水口淹没深度仅为，个别坝式进水口淹没深度仅为0.5d0.5d。 v有压进水口有压进水口 3 3、轮廓尺寸、轮廓尺寸 进水口的形状应平滑渐变，使水流平顺，无突进水口的形状应平滑渐变，使水流平顺，无突 变和漩涡；变和漩涡； 流速应尽量小且变化均匀。水流不平顺或不对称，流速应尽量小且变化均匀。水流不平顺或不对称， 容易出现旋涡，进水口前如有回流区，那么漂浮容易出现旋涡，进水口前如有回流区，那么漂浮 的污物大量聚集，难以去除并影响进水。的污物大量聚集，难以去除并影响进水。 进口流速不宜太大，一般控制

10、在进口流速不宜太大，一般控制在1.5m/s1.5m/s左右。左右。 进水口尺寸取决于拦污栅断面、闸门孔口断面以进水口尺寸取决于拦污栅断面、闸门孔口断面以 及隧洞断面。及隧洞断面。 v有压进水口有压进水口 3 3、轮廓的一般要求、轮廓的一般要求 进口流速一般控制在进口流速一般控制在1.5m/s1.5m/s左右。左右。 进口段顶部曲线目前广泛采用四分之一椭圆曲线。进口段顶部曲线目前广泛采用四分之一椭圆曲线。 椭圆曲线方程为：椭圆曲线方程为： D D为隧洞直径为隧洞直径 进口段进口段 1 2 2 2 2 b y a x DDb DDa 2 1 3 1 1 . 15 . 11 . 1 ，通常采用 进口

11、段的长度没有一定标准，进口段的长度没有一定标准， 在满足工程结构布置与水流顺在满足工程结构布置与水流顺 畅的条件下，尽可能紧凑。畅的条件下，尽可能紧凑。 闸门段闸门段 闸门段是进口段和渐变段的连接段，闸门及启闭设闸门段是进口段和渐变段的连接段，闸门及启闭设 备在此段布置。备在此段布置。 闸门段一般为矩形，工作闸门净过水面积为闸门段一般为矩形，工作闸门净过水面积为 (1.11.25)(1.11.25)洞面积；检修闸门孔口与此相等或稍大。洞面积；检修闸门孔口与此相等或稍大。 门宽门宽B B 等于洞径等于洞径D D，门高略大于洞径，门高略大于洞径D D。 渐变段渐变段 矩形闸门段到圆形隧洞的过渡段。

12、矩形闸门段到圆形隧洞的过渡段。 通常采用圆角过渡，圆角半径通常采用圆角过渡，圆角半径r r可按直线规律变可按直线规律变 为隧洞半径为隧洞半径R R ； 渐变段的长度：一般为隧洞直径的渐变段的长度：一般为隧洞直径的1.52.01.52.0倍；侧倍；侧 面收缩角为面收缩角为6868为宜，一般不超过为宜，一般不超过1010。 v有压进水口有压进水口 按进水口的结构特征，有压进水口可分按进水口的结构特征，有压进水口可分 为以下四类：为以下四类： 洞式进水口洞式进水口 墙式进水口墙式进水口 塔式进水口塔式进水口 坝式进水口坝式进水口 4 4、分类、分类 洞式进水口洞式进水口 特点：闸门布置在从山体开挖出

13、来的竖井中特点：闸门布置在从山体开挖出来的竖井中, ,进口段开进口段开 挖成喇叭形，以使入水平顺。闸门段经渐变段与引水挖成喇叭形，以使入水平顺。闸门段经渐变段与引水 隧洞衔接。充分利用了岩体的作用，节省了混凝土工隧洞衔接。充分利用了岩体的作用，节省了混凝土工 程量，造价低，应用广泛。程量，造价低，应用广泛。 适用条件适用条件：地质条件：地质条件 好，山坡坡度适宜的好，山坡坡度适宜的 情况。当地质条件不情况。当地质条件不 好，扩大进口和开挖好，扩大进口和开挖 竖井会引起塌方，地竖井会引起塌方，地 形过于平缓，不易成形过于平缓，不易成 洞，或过于陡峻，难洞，或过于陡峻，难 以开凿竖井。以开凿竖井。

14、 墙式进水口墙式进水口 结构特点：进口段和闸门段均布置在山体之外，结构特点：进口段和闸门段均布置在山体之外， 形成一个紧靠在山岩上的墙式建筑物。它承受水形成一个紧靠在山岩上的墙式建筑物。它承受水 压及山岩压力，要有足够的稳定性和强度。压及山岩压力，要有足够的稳定性和强度。 适用条件：进适用条件：进 口处地质条件口处地质条件 较差，或岸坡较差，或岸坡 陡峻，不易挖陡峻，不易挖 井的情况。井的情况。 有压墙式进水口示意图有压墙式进水口示意图 塔式进水口塔式进水口 结构特点：将进口段、闸门段、上部框架组成结构特点：将进口段、闸门段、上部框架组成 塔式结构，耸立在水库中，通过工作桥与岸边塔式结构，耸立

15、在水库中，通过工作桥与岸边 相连。可从一边或四周进水。进水孔可按高度相连。可从一边或四周进水。进水孔可按高度 布置一层或多层按要求取水。布置一层或多层按要求取水。 适用条件：进适用条件：进 口处地质条件口处地质条件 较差或岸坡坡较差或岸坡坡 度平缓。度平缓。 有压塔式进水口示意图有压塔式进水口示意图 有压塔式进水口示意图有压塔式进水口示意图 坝式进水口坝式进水口 结构特点：进水口结构依附在坝体上，进口段与闸结构特点：进水口结构依附在坝体上，进口段与闸 门段合二为一，并与坝内压力钢管衔接。为了不削门段合二为一，并与坝内压力钢管衔接。为了不削 弱坝体，进水口或其拦污栅可设在伸出坝体的悬臂弱坝体，进

16、水口或其拦污栅可设在伸出坝体的悬臂 平台上。拦污栅多数竖直布置，也可沿坝面倾斜布平台上。拦污栅多数竖直布置，也可沿坝面倾斜布 置课本置课本6868页页5-3b)5-3b)。 适用条件：适用条件： 混凝土坝的混凝土坝的 坝式电站。坝式电站。 有压坝式进水口示意图有压坝式进水口示意图 v有压进水口有压进水口 拦污栅拦污栅 检修闸门检修闸门 工作闸门工作闸门 充水阀充水阀 通气孔通气孔 5 5、主要设备、主要设备 拦污栅、检修闸门、工作闸门拦污栅、检修闸门、工作闸门 拦污设备：进水口阻止拦污设备：进水口阻止 漂浮物的主要措施。有效漂浮物的主要措施。有效 防止漂木、树枝、浮冰等防止漂木、树枝、浮冰等

17、漂浮物进入进水口。漂浮物进入进水口。 检修闸门：设在事检修闸门：设在事 故闸门上游测，当检修故闸门上游测，当检修 工作闸门及其门槽时用工作闸门及其门槽时用 于堵水。一般在静水中于堵水。一般在静水中 开启和关闭。开启和关闭。 工作闸门：工作闸门： 当机组当机组 或引水道内发生事故时，或引水道内发生事故时， 紧急关闭闸门切断水流，紧急关闭闸门切断水流， 以防事故扩大。或者用以防事故扩大。或者用 以关闭进水口检修引水以关闭进水口检修引水 道。要求在动水中关闭，道。要求在动水中关闭， 静水中开启。静水中开启。 a. a. 作用：防止有害污物、漂浮物等进入进水口，影作用：防止有害污物、漂浮物等进入进水口

18、，影 响过水能力。响过水能力。 b. b. 布置：布置： (1) (1) 平面倾斜平面倾斜：倾角一般为：倾角一般为60-7060-70度。过水断面大，易度。过水断面大，易 于清污，适用于洞式、墙式进水口。于清污，适用于洞式、墙式进水口。 (2) (2) 平面直立平面直立：易于清污，适用塔式、坝式进水。：易于清污，适用塔式、坝式进水。 (3) (3) 进水面：多边形或平面的。进水面：多边形或平面的。 拦污栅拦污栅 拦污栅拦污栅倾斜布置倾斜布置 洞式、墙式进水口洞式、墙式进水口 塔式进水口塔式进水口 坝式进水口坝式进水口 拦污栅拦污栅直立布置直立布置 c. c. 结构结构 支承结构：一般金属框架或

19、钢筋混凝土结构；支承结构：一般金属框架或钢筋混凝土结构； 栅片结构：由假设干栅片组成，栅片放在支承栅片结构：由假设干栅片组成，栅片放在支承 结构的栅槽中。尺寸为结构的栅槽中。尺寸为4.54.52.5m(2.5m(高宽高宽) )。 栅片间距根据水轮机的型号和尺寸选定。对混栅片间距根据水轮机的型号和尺寸选定。对混 流式及轴流式水轮机，净距分别为转轮直径的流式及轴流式水轮机，净距分别为转轮直径的 1/301/30及及1/201/20。另外，应保持过栅流速尽量小，。另外，应保持过栅流速尽量小， 以减小水头损失和清污的困难，不宜大于以减小水头损失和清污的困难，不宜大于1m/s1m/s。 拦污栅拦污栅 拦

20、污栅图片拦污栅图片 拦污栅拦污栅 d. d. 清污及防冻清污及防冻 清污：当拦污栅前污物堵塞时，会造成栅前清污：当拦污栅前污物堵塞时，会造成栅前 后水位差，不仅会增加水头损失，还会压坏后水位差，不仅会增加水头损失，还会压坏 栅片，因此必须清污，可以用清污设备来完栅片，因此必须清污，可以用清污设备来完 成。成。 定期清污人工、机械定期清污人工、机械 污物多，清污困难：加设粗栅或拦污浮排污物多，清污困难：加设粗栅或拦污浮排 防冻结冰：低压电流加热或在拦污栅下防冻结冰：低压电流加热或在拦污栅下 部通压缩空气，或将拦污栅建在室内。部通压缩空气，或将拦污栅建在室内。 充水阀充水阀 在工作闸门前后设充水阀

21、的进出口，满足闸在工作闸门前后设充水阀的进出口，满足闸 门静水中开启的要求。门静水中开启的要求。 a. a. 作用：开启闸门前向引水道充水，平作用：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，衡闸门前后水压，以便在静水中开启闸门， 从而减小启门力。从而减小启门力。 b. b. 尺寸：根据充水容积、下游漏水尺寸：根据充水容积、下游漏水 量及要求的充水时间来确定。量及要求的充水时间来确定。 c. c. 布置形式：布置形式： 设置连通闸门上下游侧的旁通管，设置连通闸门上下游侧的旁通管， 在管中设充水阀，将充水阀设置在廊道内。在管中设充水阀，将充水阀设置在廊道内。 设置在工作闸门

22、上应用较少。设置在工作闸门上应用较少。 通气孔通气孔 a. 位置：有压进水口的事故闸门之后。位置：有压进水口的事故闸门之后。 b.作用：引水道充水时排气，事故闸门紧急关闭、放空引水道时，补气以防出作用：引水道充水时排气，事故闸门紧急关闭、放空引水道时，补气以防出 现有害真空。现有害真空。 c. 面积：取决于工作闸门紧急事故关闭时所需的进气流量取为进水口最大引面积：取决于工作闸门紧急事故关闭时所需的进气流量取为进水口最大引 用水流量。用水流量。 面积面积=最大进气流量最大进气流量/允许进气流速允许进气流速Va 露天式管道进水口，露天式管道进水口，Va一般取一般取3050m/s， 坝内管道和隧洞：

23、坝内管道和隧洞：Va取取7080m/s。 e. 要求：通气孔的位置要高于上游最高水位以防止水流溢出要求：通气孔的位置要高于上游最高水位以防止水流溢出,同时妥善选择出口同时妥善选择出口 位置位置,以免进气时吸入周围物体。以免进气时吸入周围物体。 v无压进水口无压进水口 进水闸进水闸( (外表式进水口外表式进水口) ) ：引用河道或水库表：引用河道或水库表 层水流，设于凹岸层水流，设于凹岸, , 并可设浮排，胸墙，冲沙坎并可设浮排，胸墙，冲沙坎 等。等。 底部拦污栅式进水口：在过流建筑物的坎中底部拦污栅式进水口：在过流建筑物的坎中 ，与水流垂直方向设置引水廊道，其上覆盖拦，与水流垂直方向设置引水廊

24、道，其上覆盖拦 污栅。水从廊道引入，必要时再经冲沙室污栅。水从廊道引入，必要时再经冲沙室, ,沉沙沉沙 池进入引水道。池进入引水道。 2 2、分类：按结构形式布置分为：、分类：按结构形式布置分为： 1 1、作用：控制水量与水质，保证使发电所需、作用：控制水量与水质，保证使发电所需 水量以尽可能小的水头损失进入渠道。水量以尽可能小的水头损失进入渠道。 进水闸进水闸 如何保证发电所需流量如何保证发电所需流量 防沙问题防沙问题 防冰问题防冰问题 其它问题其它问题 4 4、工作条件：只能引取河道中局部流量，、工作条件：只能引取河道中局部流量， 水能资源不能充分利用。与有压进水口相比，水能资源不能充分利

25、用。与有压进水口相比， 其工作条件复杂得多，具体表现在：其工作条件复杂得多，具体表现在： 3 3、组成：拦污栅、检修闸门、工作闸门，排、组成：拦污栅、检修闸门、工作闸门，排 污设施等。污设施等。 5 5、本卷须知：因水库较小，无压进水口、本卷须知：因水库较小，无压进水口 防沙、防污及防冰问题突出，要特别注防沙、防污及防冰问题突出，要特别注 意以下几点：意以下几点： 枢纽布置：合理安排拦河闸、枢纽布置：合理安排拦河闸、 坝的位坝的位 置，尽量维持河流原有形态及泥沙运动置，尽量维持河流原有形态及泥沙运动 规律。洪水期要使上游冲下的泥沙全部规律。洪水期要使上游冲下的泥沙全部 下泄，防止泥沙堆积，同时

26、最好能在进下泄，防止泥沙堆积，同时最好能在进 水口前形成一股水流，以便将漂浮物冲水口前形成一股水流，以便将漂浮物冲 至下游。至下游。 进水口位置：无压进水口上游无大水库，进水口位置：无压进水口上游无大水库， 因而河中流速较大尤其是洪水期，泥沙、因而河中流速较大尤其是洪水期，泥沙、 污物等可顺流而下直抵进水口前。污物等可顺流而下直抵进水口前。 平面上的回流作用常使漂浮物堆积于凸岸，剖平面上的回流作用常使漂浮物堆积于凸岸，剖 面上的环流作用那么将底层泥沙带向凸岸，而面上的环流作用那么将底层泥沙带向凸岸，而 使上层清水流向凹岸。因此，进水口应布置在使上层清水流向凹岸。因此，进水口应布置在 河流弯曲段

27、凹岸，以防止漂浮物、防止泥沙淤河流弯曲段凹岸，以防止漂浮物、防止泥沙淤 积以及便于引进清水。积以及便于引进清水。 拦污设施：设拦污栅或浮排拦截漂浮物。拦污设施：设拦污栅或浮排拦截漂浮物。 当树枝、草根等污物较多时，常设粗、细当树枝、草根等污物较多时，常设粗、细 两道拦污栅，当河中漂木较多时，可设胸两道拦污栅，当河中漂木较多时，可设胸 墙拦阻漂木。墙拦阻漂木。 拦沙、沉沙、冲沙设施：拦沙、沉沙、冲沙设施： 应防止粒径大应防止粒径大 于于0.25mm0.25mm的有害泥沙进入引水道。设拦沙的有害泥沙进入引水道。设拦沙 坎、拦截推移质泥沙，并通过冲沙底孔或坎、拦截推移质泥沙，并通过冲沙底孔或 廊道排

28、至下游；设沉沙池，沉积悬移质泥廊道排至下游；设沉沙池，沉积悬移质泥 沙中的有害泥沙，利用冲沙廊道或排沙机沙中的有害泥沙，利用冲沙廊道或排沙机 械去除。械去除。 作用：沉沙池一般应用于无压引水道中，作用：沉沙池一般应用于无压引水道中， 其作用是将已经进入进水口的悬移质泥沙中其作用是将已经进入进水口的悬移质泥沙中 的的有害颗粒有害颗粒沉淀下来，并排走。沉淀下来，并排走。 作用原理：加大过水断面，减小水流的流作用原理：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。池内，将清水引入引水道。 3. 3. 位置位置：无压进

29、水口之后，引水道之前。：无压进水口之后，引水道之前。 2.2 2.2 沉沙池沉沙池 有害泥沙有害泥沙：粒径大于：粒径大于0.25mm0.25mm的泥沙。的泥沙。 沉积在引水道内减小引水道的过水能力；沉积在引水道内减小引水道的过水能力； 磨损引水道壁面增加其粗糙度，甚至影响磨损引水道壁面增加其粗糙度，甚至影响 衬砌强度；衬砌强度； 磨损水轮机过流部件并加剧其气蚀，影响磨损水轮机过流部件并加剧其气蚀，影响 水轮机的效率和运行的寿命。当水流含沙量水轮机的效率和运行的寿命。当水流含沙量 很高的时候，粒径很小的泥沙也会引起水轮很高的时候，粒径很小的泥沙也会引起水轮 机的磨损。机的磨损。 排沙: 沉积在沉

30、沙池内的泥沙必须排除。排沙方式可以是连续的或 定期的，排沙方法可以是水流冲沙、水力机械排沙和机械排沙。 连续排沙图2-1、图2-7b：将逐渐沉入的泥沙由底部冲沙廊道排往河 道，上层清水那么流入引水道。 定期冲沙图2-7a ：将沉沙池分为几室，当池内泥沙沉积到一定深度 时，关闭其中一室的池后闸门，用水流冲沙或机械排沙，几室轮流操作，冲 沙时可不停止发电。 设计要点：设计要点： 面积：取决于池中水流平均流速面积：取决于池中水流平均流速( (根据池中根据池中 泥沙颗粒大小，平均流速为泥沙颗粒大小，平均流速为0.25-0.70m/s0.25-0.70m/s。 长度：综合考虑沉沙效果及工程造价。长度：综

31、合考虑沉沙效果及工程造价。 进口采取分流墙、格栅等措施，使池中水流进口采取分流墙、格栅等措施，使池中水流 流速分布均匀，否那么池中将在局部地区沉淀流速分布均匀，否那么池中将在局部地区沉淀 泥沙，而大量有害泥沙将在高速区通过沉沙池。泥沙，而大量有害泥沙将在高速区通过沉沙池。 沉沙池体型、尺寸、水力设计一般可参考已有沉沙池体型、尺寸、水力设计一般可参考已有 工程运行经验设计，大、中型工程需进行水力工程运行经验设计，大、中型工程需进行水力 模型试验模型试验 。 分流墙、格栅分流墙、格栅 沉沙池位置示意图沉沙池位置示意图 2.3 2.3 引水道引水道 v引水道的功用引水道的功用 功用：集中落差，形成水

32、头，并将水流输送到压力管道功用：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。引入机组，然后将发电后的水流排到下游。 位置：多布置在厂房上游，但在中部和尾部开发的地下水位置：多布置在厂房上游，但在中部和尾部开发的地下水 电站中，引水道的相当局部甚至全部布置在厂房的下游，即尾电站中，引水道的相当局部甚至全部布置在厂房的下游，即尾 水道。水道。 v引水道的要求引水道的要求 有足够的输水能力：决定于断面面积及纵坡。有足够的输水能力：决定于断面面积及纵坡。 水质符合要求：防淤，防沙等。水质符合要求：防淤，防沙等。 水头损失小：线路短而直，糙率小，转弯半径水头损失小：

33、线路短而直，糙率小，转弯半径 (R3d(R3d, , 流速小流速小( (经济流速经济流速) )。 一般建筑物要求：平安、经济合理。一般建筑物要求：平安、经济合理。 要求：与进水口完全一样要求：与进水口完全一样 v引水道的分类引水道的分类 按工作条件和水力特性分按工作条件和水力特性分: : 分类分类特性特性适用条件适用条件常用结构型式常用结构型式 无压无压 引水道引水道 自由水面自由水面; ; 承承 受水压不大受水压不大 从河道或水库从河道或水库 水位变化不大水位变化不大 的场合引水的场合引水 渠道和无渠道和无 压隧道压隧道 有压有压 引水道引水道 压力流压力流; ; 承受承受 水压可以很大水压

34、可以很大 河道或水库水河道或水库水 位大幅度变化位大幅度变化 有压隧洞有压隧洞 渠道渠道 隧洞隧洞 v渠道的水力计算渠道的水力计算 1 1、渠道内匀速恒定流计算：、渠道内匀速恒定流计算： 通过已定的设计流量来选定渠道横断面通过已定的设计流量来选定渠道横断面 尺寸、糙率、纵坡和水深。对于渠道内的匀尺寸、糙率、纵坡和水深。对于渠道内的匀 速恒定流速恒定流: : RiC Q F 6/1 1 R n C 流经长度为流经长度为 的渠道引起的水头损失是的渠道引起的水头损失是: :L iLH F 过水断面面积过水断面面积;Q设计流量设计流量; C 谢才系数谢才系数; R 水力半径水力半径; i纵坡纵坡; n

35、 粗糙系数粗糙系数 渠道断面一般用梯形或矩形。粗糙系数由渠道衬砌型式决定。取定渠道断面一般用梯形或矩形。粗糙系数由渠道衬砌型式决定。取定 横断面形状及底宽后，及仅取决于水深。根据公式便可以计算不同纵坡横断面形状及底宽后，及仅取决于水深。根据公式便可以计算不同纵坡 值的渠内水深。值的渠内水深。 公式中各因素相互影响。纵坡大，那么渠内流速大，过水断面小，工程公式中各因素相互影响。纵坡大，那么渠内流速大，过水断面小，工程 量小，但是水头损失大；采用人工衬砌，可以减少过水断面和水头损失，但量小，但是水头损失大；采用人工衬砌，可以减少过水断面和水头损失，但 增加了本钱。增加了本钱。 所以应对所有因素综合

36、分析，经济比较确定渠道所有参数。所以应对所有因素综合分析，经济比较确定渠道所有参数。 2 2、渠道内非恒定流计算：、渠道内非恒定流计算： a a 、非恒定流概念：、非恒定流概念： 水电站水轮机的引用流量是变化的，最水电站水轮机的引用流量是变化的，最 典型的就是突然丢弃负荷和增加负荷。此典型的就是突然丢弃负荷和增加负荷。此 时渠道末端流量瞬时发生变化，但是渠道时渠道末端流量瞬时发生变化，但是渠道 中水流只能逐渐变化，造成渠道内各点流中水流只能逐渐变化，造成渠道内各点流 量随时间变化的流动，即非恒定流。量随时间变化的流动，即非恒定流。 b b 、涌波：电站丢弃负荷时，水轮机引用、涌波：电站丢弃负荷

37、时，水轮机引用 流量突然减小，但渠道的来流量还来不及减小，流量突然减小，但渠道的来流量还来不及减小， 多余水量蓄积起来，渠道水位由下游向上游依次多余水量蓄积起来，渠道水位由下游向上游依次 逐渐升高，这种升高现象是由渠道末向渠首逐步逐渐升高，这种升高现象是由渠道末向渠首逐步 传递的，称为涌波。传递的，称为涌波。 c c 、消落波：电站增加负荷时，水轮机引用、消落波：电站增加负荷时，水轮机引用 流量突然增加，但渠道的来流量还来不及增加，流量突然增加，但渠道的来流量还来不及增加， 渠道末水量被引走，水位逐渐降低，这种水位降渠道末水量被引走，水位逐渐降低，这种水位降 低现象是也是由渠道末向渠首逐步传递

38、的，称为低现象是也是由渠道末向渠首逐步传递的，称为 消落波。消落波。 隧洞与渠道相比具有以下优点：隧洞与渠道相比具有以下优点： 1 1可以采用较短的路线，避开沿线不利的地形、地质条件；可以采用较短的路线，避开沿线不利的地形、地质条件； 2 2有压隧洞能适应水库水位大幅度变化以及电站引用流量的变化；有压隧洞能适应水库水位大幅度变化以及电站引用流量的变化； 3 3不受冰冻影响，沿程无水质污染；不受冰冻影响，沿程无水质污染； 4 4运行平安可靠。运行平安可靠。 缺点：对地质条件、施工技术及机械化的要求较高，单价较贵，工期较缺点：对地质条件、施工技术及机械化的要求较高，单价较贵，工期较 长。长。 v隧

39、洞的优缺点隧洞的优缺点 线路选择不当给工程带来危害与损失是不易弥补的。在进水口与厂线路选择不当给工程带来危害与损失是不易弥补的。在进水口与厂 房位置确定后，尽量将隧洞布置成直线，但受以下因素影响：房位置确定后，尽量将隧洞布置成直线，但受以下因素影响： 地质：围岩岩体强度、完整性、地下水、岩层走向等。地质：围岩岩体强度、完整性、地下水、岩层走向等。 地形：埋深不宜过大施工不便，增加工程量、过小于围岩稳地形：埋深不宜过大施工不便，增加工程量、过小于围岩稳 定不利。定不利。 水流：洞线宜直、少转弯，为减小水头损失，弯曲半径一般不少于水流：洞线宜直、少转弯，为减小水头损失，弯曲半径一般不少于5 5 倍

40、洞径或洞宽。倍洞径或洞宽。 v隧洞的线路选择隧洞的线路选择 分有压隧洞和无压隧洞。无压隧洞水力计算同渠道。对于有压隧洞分有压隧洞和无压隧洞。无压隧洞水力计算同渠道。对于有压隧洞 的恒定流计算：的恒定流计算： 根据已定的设计流量来选定横断面面积、糙率根据已定的设计流量来选定横断面面积、糙率n n和水头损失和水头损失HH。计算。计算 公式曼宁公式为：公式曼宁公式为： v隧洞的水力计算隧洞的水力计算 g v RC gL H i 2 ) 2 ( 2 2 当流量和洞长当流量和洞长L L一定时，隧洞断面愈大，流速愈小，外表糙率及局部损一定时，隧洞断面愈大，流速愈小，外表糙率及局部损 失愈小，那么水头损失愈

41、小，但隧洞的工程量增加。应进行技术经济比较来失愈小，那么水头损失愈小，但隧洞的工程量增加。应进行技术经济比较来 确定这些参数。确定这些参数。 i：局部水力损失系数；：局部水力损失系数； 有压隧洞水力计算的特点是隧洞的过有压隧洞水力计算的特点是隧洞的过 水能力仅取决于隧洞全长的水头损失，而与水能力仅取决于隧洞全长的水头损失，而与 洞的纵坡无关，与隧洞的埋深也无关。通常洞的纵坡无关，与隧洞的埋深也无关。通常 我们为了减小隧洞的内水压力荷载值，将有我们为了减小隧洞的内水压力荷载值，将有 压隧洞洞线尽量抬高，但必须保证在任何工压隧洞洞线尽量抬高，但必须保证在任何工 作条件下，包括非恒定流的情况，洞顶处

42、的作条件下，包括非恒定流的情况，洞顶处的 水压力值不得小于水压力值不得小于1.52m1.52m。 确定隧洞沿线最大、最小内水压强。砼确定隧洞沿线最大、最小内水压强。砼 衬砌隧洞的经济流速约为衬砌隧洞的经济流速约为2.52.54.0m/s4.0m/s。为便。为便 于施工，隧洞横断面尺寸至少宽于施工，隧洞横断面尺寸至少宽 1.5 m1.5 m、 高高 1.8m1.8m，或内径不小于，或内径不小于1.8m1.8m。另外，还需保持。另外，还需保持 洞顶低于最低压力坡度线洞顶低于最低压力坡度线1.51.52.0m2.0m。非恒定。非恒定 流计算与机组运行，压力管道及调压室密切流计算与机组运行，压力管道及

43、调压室密切 联系，将在后面的水锤计算中详细讲解。联系，将在后面的水锤计算中详细讲解。 对于有压隧洞的非恒定流计算：对于有压隧洞的非恒定流计算： 2.3 2.3 压力前池压力前池 压力前池是把无压引水道的无压流变为压力管道的有压流的连接建筑压力前池是把无压引水道的无压流变为压力管道的有压流的连接建筑 物。实际上是扩大断面的渠道。物。实际上是扩大断面的渠道。 分配水量：正常运行时把流量平顺的分配给各压力管道。分配水量：正常运行时把流量平顺的分配给各压力管道。 平稳水压：荷载突然变化或事故时，配合引水渠排泄多余的水平稳水压：荷载突然变化或事故时，配合引水渠排泄多余的水;在电站在电站 停止运行、压力管

44、道关闭时供给下游必需的水量停止运行、压力管道关闭时供给下游必需的水量;在压力管道事故时，紧急迫在压力管道事故时，紧急迫 断水流防止事故扩大。断水流防止事故扩大。 防污、防沙、防冰：保护压力管道，使水轮机不受其害。防污、防沙、防冰：保护压力管道，使水轮机不受其害。 压力前池位置示意图压力前池位置示意图 日调节池：日调节池： 调节水电站一调节水电站一 天的发电用水。天的发电用水。 压力前池：压力前池： 平稳水流，平稳水流， 分配水量。分配水量。 沉沙池：沉沙池： 排走有害排走有害 颗粒。颗粒。 压力前池和压力管道压力前池和压力管道 v压力前池压力前池的的组成组成 前室前室( (池身池身) )：渠道

45、末端加宽、加深：渠道末端加宽、加深 的过渡段以满足进水口布置需要。的过渡段以满足进水口布置需要。 压力管道进水口：其构成与有压进压力管道进水口：其构成与有压进 水口相似，常采用挡水墙式。水口相似，常采用挡水墙式。 泄水和排沙建筑物：泄水建筑物常泄水和排沙建筑物：泄水建筑物常 采用溢流堰采用溢流堰, , 用于泄水排污排冰。排沙建筑用于泄水排污排冰。排沙建筑 物主要指管道进水口底坎下设拦沙槛和冲沙物主要指管道进水口底坎下设拦沙槛和冲沙 孔孔。 平安：地质条件好、地基稳定、一定平安：地质条件好、地基稳定、一定 要置于挖方中。由于紧靠陡坡，渗径短，易要置于挖方中。由于紧靠陡坡，渗径短，易 于失稳、沉陷

46、、滑坡于失稳、沉陷、滑坡 经济：尽量靠近厂房缩短昂贵经济：尽量靠近厂房缩短昂贵 且平安要求高的压力管道，开挖工程量少。且平安要求高的压力管道，开挖工程量少。 水流平顺：以减小水头损失。水流平顺：以减小水头损失。 便于施工、运行、检修。便于施工、运行、检修。 v压力前池压力前池的的布置要求布置要求 第三章 压力管道总论及 明钢管 3.1 3.1 压力管道的功用和类型压力管道的功用和类型 3.2 3.2 压力管道的供水方式与水力计算压力管道的供水方式与水力计算 3.3 3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造钢管的材料、容许应力和管身构造 3.4 3.4 明钢管线路选择和布置明钢管线路选择和布置 3

47、.5 3.5 明钢管闸门、阀门和附件明钢管闸门、阀门和附件 3.1 3.1 压力管道的功用和类型压力管道的功用和类型 水轮机水轮机 水库水库 引水管道末端的前池引水管道末端的前池 调压室调压室 有压状态有压状态 全部或大全部或大 局部水头局部水头 v压力管道的概念压力管道的概念 对坝式电站，压力管道的起点一般是水库进水口；对坝式电站，压力管道的起点一般是水库进水口； 对无压引水式的电站，压力管道的起点一般是压对无压引水式的电站，压力管道的起点一般是压 力前池；对有压引水式电站，压力管道的起点一力前池；对有压引水式电站，压力管道的起点一 般是从调压室开始。般是从调压室开始。 坝式水电站坝式水电站

48、 无压引水式水电站无压引水式水电站 压力管道压力管道 压力管道压力管道 有压引水式水电站有压引水式水电站 调压室调压室 坡度陡坡度陡 承受电站的最大水头，且承受水锤产生的动承受电站的最大水头，且承受水锤产生的动 水压力比较大。水压力比较大。 靠近厂房，因此它必须是平安可靠的，万一靠近厂房，因此它必须是平安可靠的，万一 出现事故，将直接危及厂房平安。出现事故，将直接危及厂房平安。 基于以上特点，压力管道的经济性和平安性在基于以上特点，压力管道的经济性和平安性在 水电站设计过程中受到特别重视。水电站设计过程中受到特别重视。 v压力管道的特点压力管道的特点 v压力管道的根本参数压力管道的根本参数 压

49、力管道的主要荷载是内水压力，在工程上，压力管道的主要荷载是内水压力，在工程上， 管道内径管道内径 D(m) D(m) 和水头和水头 H(m) H(m) 及其乘积及其乘积 HD(m2)HD(m2)值是标志压力管道规模及其技术难度值是标志压力管道规模及其技术难度 的最重要特征值。的最重要特征值。 随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水 蓄能电站的兴建，管道的蓄能电站的兴建，管道的HDHD值急剧增长，压值急剧增长，压 力管道日益向着巨型化和超巨型化开展。力管道日益向着巨型化和超巨型化开展。 三峡工程，坝式电站，三峡工程，坝式电站，D D12.4m12.4m，H

50、H140m 140m ，HDHD1730m21730m2； 山西西龙池抽水蓄能电站山西西龙池抽水蓄能电站D D3.5m3.5m，H H1015m 1015m ，HDHD3552m23552m2； 国外国外HDHD值最高的出现在抽水蓄能电站，已超过值最高的出现在抽水蓄能电站，已超过5000m25000m2 按材料分按材料分 按布置方式分按布置方式分 v压力管道的类型压力管道的类型 露天式明钢管露天式明钢管 地下式地下埋管地下式地下埋管 混凝土坝身管混凝土坝身管 钢管钢管 钢筋混凝土管钢筋混凝土管 钢衬钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管压压 力力 管管 道道 中高水头电站中高水头电站 中小型电站中小型电

51、站 HD值较大电站值较大电站 木管木管应用较少应用较少 木管木管 钢筋混凝土管钢筋混凝土管 钢管管节钢管管节 明管明管 (exposed penstock)(exposed penstock)：暴露在空气中，：暴露在空气中， 一般在引水式地面厂房电站中采用。一般在引水式地面厂房电站中采用。 按照材料的不同，明管可分为：按照材料的不同，明管可分为： a a钢管钢管, ,白山二期电站的压力管道白山二期电站的压力管道 b b钢筋混凝土管：普通钢筋混凝土管因易于钢筋混凝土管：普通钢筋混凝土管因易于 开裂，在工程中应用很少，一般只用在开裂，在工程中应用很少，一般只用在HDHD值值 50m250m2的电站

52、。的电站。 c c钢衬钢筋混凝土管：钢衬与外包钢筋混凝钢衬钢筋混凝土管：钢衬与外包钢筋混凝 土联合承载，可减小钢衬厚度；按限裂设计，充土联合承载，可减小钢衬厚度；按限裂设计，充 分发挥钢筋作用，适用于分发挥钢筋作用，适用于HDHD值较大的电站。云南值较大的电站。云南 的依萨河电站是我国第一个采用地面式钢衬钢筋的依萨河电站是我国第一个采用地面式钢衬钢筋 混凝土管的电站。混凝土管的电站。 明明 管管 示示 意意 图图 为了使管壁受力为了使管壁受力 均匀，支座处管均匀，支座处管 壁加支承环；壁加支承环； 为保持钢管抗外为保持钢管抗外 压稳定，有时在压稳定，有时在 支承环间加设加支承环间加设加 劲环。

53、劲环。 地下埋管地下埋管 (underground penstock) (underground penstock) ：埋藏：埋藏 于地下岩层中的钢管，它可以是斜的，垂直的，于地下岩层中的钢管，它可以是斜的，垂直的， 因此也被称为斜井，竖井。因此也被称为斜井，竖井。 地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种 压力管道。目前，国内外装机容量为压力管道。目前，国内外装机容量为100100万万kWkW以以 上的常规水电站和抽水蓄能电站中，大局部采用上的常规水电站和抽水蓄能电站中，大局部采用 了地下埋管。了地下埋管。 特点：这种管道布置灵活，能和围岩共同承特点：这种

54、管道布置灵活，能和围岩共同承 担水压力，并且运行不受干扰，维护简单。但是担水压力，并且运行不受干扰，维护简单。但是 在地下水压较大的地方，管道受外压失稳的威胁在地下水压较大的地方，管道受外压失稳的威胁 比较大，因此对地下埋管一般需要进行衬砌。比较大，因此对地下埋管一般需要进行衬砌。 地下埋管地下埋管示意图示意图 按照衬砌形式的不同，将地下埋管分为以下四类：按照衬砌形式的不同，将地下埋管分为以下四类： 分类分类适用条件适用条件应用情况应用情况工程实例工程实例 不衬砌不衬砌地质条件很好地质条件很好 在挪威应在挪威应 用的较多用的较多 广西天湖水电站广西天湖水电站 压力竖井和斜井压力竖井和斜井 喷锚

55、或钢筋喷锚或钢筋 混凝土衬砌混凝土衬砌 地质条件稍差地质条件稍差 在抽水蓄在抽水蓄 能电站中能电站中 广蓄和天荒坪抽广蓄和天荒坪抽 水蓄能电站水蓄能电站 钢衬钢衬+ +回填回填 混凝土混凝土 地质条件很差，地质条件很差， 对防渗要求较高对防渗要求较高 应用比应用比 较广泛较广泛 二滩水电站和鲁二滩水电站和鲁 布革水电站布革水电站 钢衬钢筋混钢衬钢筋混 凝土衬砌凝土衬砌 地质条件稍差，地质条件稍差， 施工非常复杂施工非常复杂 工程中很工程中很 少应用少应用 在国内只有天生在国内只有天生 桥电站中采用桥电站中采用 混凝土坝身管混凝土坝身管 ：这种管道形式一：这种管道形式一 般依附于坝身，并且在混凝

56、土坝后式水电般依附于坝身，并且在混凝土坝后式水电 站中应用非常广泛。站中应用非常广泛。 特点：它由于进水口设于坝体，结构特点：它由于进水口设于坝体，结构 紧凑简单，因此引水长度最短，水头损失紧凑简单，因此引水长度最短，水头损失 小，机组调节保证条件好。但是管道的安小，机组调节保证条件好。但是管道的安 装会干扰坝体施工，同时，坝内埋管空腔装会干扰坝体施工，同时，坝内埋管空腔 会削弱坝体，使坝体应力恶化。会削弱坝体，使坝体应力恶化。 混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同位混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同位 置，可以分为以下三类：置，可以分为以下三类： a a坝内埋管坝内埋管 (penstock e

57、mbedded in dam)(penstock embedded in dam) b b坝上游面管坝上游面管 (penstock laid on upstream surface of dam)(penstock laid on upstream surface of dam) c c坝下游面管坝下游面管 (penstock laid on downstream surface of dam)(penstock laid on downstream surface of dam) 布置在坝体内部布置在坝体内部, ,多为坝后式或坝内式厂房采多为坝后式或坝内式厂房采 用。布置型式有竖井式和斜井式

58、。工程实例：直用。布置型式有竖井式和斜井式。工程实例：直 径最大的是广西红水河岩滩电站钢管，径最大的是广西红水河岩滩电站钢管，d=10.8md=10.8m。 坝内埋管坝内埋管 坝后式厂房坝后式厂房坝内式厂房坝内式厂房 管道大局部位管道大局部位 于水库内，检修于水库内，检修 维护很困难，在维护很困难，在 国内工程中很少国内工程中很少 使用，比较典型使用，比较典型 的是伊朗的卡比的是伊朗的卡比 尔水电站。尔水电站。 坝上游面管坝上游面管 由于进水口较由于进水口较 高，减少了对坝高，减少了对坝 体的削弱，同时体的削弱，同时 有利于保持大坝有利于保持大坝 的整体性，因此的整体性，因此 在工程中应用很在

59、工程中应用很 广泛。在我国东广泛。在我国东 江和紧水滩水电江和紧水滩水电 站都采用了这种站都采用了这种 型式。型式。 坝下游面管坝下游面管 按布置方式分按布置方式分分类分类 明管：明管：暴露在空气中暴露在空气中 ( (无压引水式电站无压引水式电站) ) 钢管钢管 钢筋混凝土管钢筋混凝土管 钢衬钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管 地下埋管地下埋管: : 埋入岩体。埋入岩体。 ( (超过超过100100万万kW 以上的常规水电站以上的常规水电站 和抽水蓄能电站和抽水蓄能电站) ) 不衬砌不衬砌 喷锚或混凝土衬砌喷锚或混凝土衬砌 钢衬钢衬+ +回填混凝土回填混凝土 钢衬钢筋混凝土衬砌钢衬钢筋混凝土衬砌 混

60、凝土坝身管：混凝土坝身管： 依附于坝身依附于坝身 ( (混凝土重力坝及重力拱坝混凝土重力坝及重力拱坝) ) 坝内管道坝内管道 坝上游面管坝上游面管 坝下游面管坝下游面管 v压力管道类型小节压力管道类型小节 管道与厂房的相对位置主要取决于整管道与厂房的相对位置主要取决于整 个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况， 另外水电站机组往往不止一台，压力管道另外水电站机组往往不止一台，压力管道 可能有一根或数根，压力管道向机组的供可能有一根或数根，压力管道向机组的供 水常有这样三种类型水常有这样三种类型 ： 3.3. 压力管道的供水方式与水力计算压力管道的供水方式与水力计