整理水电站建筑物复习.docx

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整理水电站建筑物复习

注：

行楷字体为非要求掌握，可了解内容。

第一章绪论

一、水电站的类型

按集中河段落差方式的不同，可分为坝式水电站、引水道式水电站和混合式水电站

1）坝式水电站

坝式水电站是拦河筑坝，坝前壅水，在坝址处形成落差所建的水电站。

其特点有：

1、水头取决于坝高，相对较低；

2、引用流量大，装机容量大，水能利用较充分，综合利用效率高；

3、投资大，工期长；

4、适用：

河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。

根据厂房是否能承受上游水压力，又可分为河床式和坝后式。

河床式适用于较低水头，如30~40m。

当水头较大时，坝后式水电站。

坝后式水电站厂房又可分为：

坝后式厂房、坝内式厂房、溢流式厂房、河岸式厂房、地下式厂房等。

采用混凝土坝坝后式厂房时，通常将厂房和坝用缝分开，分别受力。

2）引水道式水电站

引水道式水电站是在河段上游筑闸或低坝（或无坝）取水，经人工引水道引水到河段下游来集中落差所建的水电站。

其特点有：

1、水头大小取决于天然河道的落差，水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上；

2、引用流量较小，没有水库调节径流，水量利用效率较低，综合利用价值较差；

3、电站库容很小，基本无水库淹没损失，不需建高坝

4、适用条件：

适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段

3）混合式水电站

混合式水电站是在同一河段上用坝集中上游部分落差，再通过有压引水道集中坝下游部分落差而形成总水头所建的水电站。

适用条件：

坝上游部分有良好筑坝建库条件，下游部分坡降大时。

二、抽水蓄能电站与常规电站的区别

1、功能不同：

同时具有发电和抽水的功能；

2、机组不同：

同时具有发电机和水泵；

3、结构组成不同：

上下都有水库，进水口和出水口互为功能。

三、水电站的组成建筑物：

挡水建筑物、引水建筑物、调水建筑物、发电建筑物

第二章进水口及引水道建筑物

一、进水口的分类（按水流条件分，即供水入无压水道/压力水道）

1、无压进水口：

类似于水闸，水流为明流，引取表面水，适用于无压引水式水电站。

无压进水口的分类：

1）表面式常设于凹岸（凹岸取水）

2）底部拦污栅式

2、有压进水口：

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。

有压进水口的分类：

1）坝式进水口

2）岸式进水口，又分：

A、竖井式

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，渐交段之后接隧洞洞身

适用：

工程地质条件较好，岩体比较完整，山坡坡度适宜，宜于开挖平洞和竖井的情况

B、岸墙式

特征：

进口段、闸门段和闸门竖井的布置在山体之外，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，不宜开挖竖井的情况

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

问题：

为什么常用进水喇叭口?

其体形与孔口水流状态相适应，以避免在高速水流时产生不利的负压和空蚀破坏。

还可减少局部水头损失，提高泄流能力。

二、进水口的要求：

1）要有必要的进水能力

为什么有压进水口要有一定淹没深度？

为了防止产生漩涡。

吸气漩涡会使空气及漂浮物被吸入压力水道内，并引起噪音、振动，减少流量。

2）水质符合发电要求

3）水头损失要小

4）流量可按要求控制

5）施工、安装、运行和检修方便

三、闸门及启闭设备

1、工作闸门（即事故闸门）

作用：

紧急事故关闭，快速切断水流，以防事故扩大，也可用以关闭进水口一检修引水系统

适用要求：

动水中快速关闭，静水中开启

2、检修闸门

作用：

设在工作闸门前，检修工作闸门及门槽

适用要求：

静水中启闭

四、通气孔

位置：

有压进水口的工作闸门之后

作用：

工作闸门开启时，引水道充水后用以排气；工作闸门紧急关闭放空引水道时，用以补气以防出现有害真空

五、沉沙池和冲沙室（注意两者对水流流速要求相反）

1、沉沙池

位置：

位于无压进水口之后，引水道之前

原理：

加大过水断面，降低水流流速从而减小其携沙能力，使其有害泥沙在沉沙池中逐渐沉积

为此要求沉沙池应有必要的宽度、深度和长度，使流速变小并且均匀。

2、冲沙室流速大些

排沙方式：

水力冲沙、水力机械冲沙、机械排沙

六、引水道

1）引水道类型：

1、无压引水道

特点：

具有自由水面，引水道承受的水压不大

适用：

从河道或水库水位变化不大的场合引水，否则会在进水口造成较大水头损失

常用结构型式：

无压隧洞渠道（常沿山坡等高线布置）

2、有压引水道

特点：

引水道内为压力流，承受的水头可以很大

可适应河道或水库水位的大幅度变化

常用结构形式：

有压隧洞明管明钢管

2）引水道要求：

1、符合要求的输水能力

2、减少水头损失

3、保证水质

七、隧洞

分为有压和无压两种。

无压时隧洞工作条件和水力计算与渠道相同。

有压隧洞恒定流水力计算，目的是根据已定的设计流量来选定横断面积（或流速），确定水头损失

注意：

1、要注意避免在随洞中出现有压和无压频繁交替的不稳定水流状态，因为这对机组的正常运行非常不利，也可能引起隧洞衬砌的破坏

对其他引水道也是，设计为有压管道（无压引水道），实际使用亦为有压（无压引水道），不能有压无压（正负压）交替出现。

2、有压隧洞水力计算的特点是隧洞过水能力仅取决于洞全长的水头损失，而与洞的纵坡无关，与洞的埋深在上游水位下的深度无关。

3、水利工程施工时的导流隧洞在工程完工后改作永久隧洞取水时，进水口位置要提高，即“龙抬头”，为什么？

1）为了防止泥沙淤泥进水口；2）减少闸门启闭力

八、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物。

组成：

前室、压力管道的进水口及设备、泄水和排沙建筑物

作用：

从水库、压力前池或调压室，将水在有压状态下引入水轮机

第三章压力管道总论及明钢管

一．压力管道的定义、特点及分类

定义：

压力管道是从水库或引水道末端的前池或调压室，将水在有压状态下引入水轮机的输水管。

特点：

1、坡度陡；2、承受电站的最大水头；3、靠近厂房

分类：

根据布置形式，分为1）明管暴露在空气中

2）地下埋管埋入岩体中

3）混凝土坝身管道依附于坝身

二、压力管道的主要荷载是内水压力，管道内径D（m）和水压H（m）及其乘积HD值是标志压力管道规模及其技术难度的最重要特征值。

三、压力管道供水方式：

单元供水；联合供水；分组供水

四、明钢管敷设和支撑方式

1、一般采用分段式敷设。

钢管轴线拐弯处设镇墩，镇墩间管段用支墩支撑，两镇墩间设有伸缩节。

两镇墩之间，支墩宜等间距布置，设有伸缩节的一跨间距宜缩短以减少弯矩

2、伸缩节的作用：

当温度变化时，管身可在轴向伸缩，从而减少温度应力；能适应少量的不均匀沉陷或变形。

3、支墩和镇墩受力及受力简化

五、受力

镇墩：

所有的轴向力、法向力，弯矩，弯管惯性离心力

支墩：

（水重+钢管重）法向分力，摩擦力

B、简化

镇墩简化为固定端，支墩简化为活动铰支座

六、光滑管道尺寸设计：

1）管道内径D；

2）管壁厚度

其中为水的容重，H为所选计算截面管道中心水头，D为管道内径，为焊缝系数为钢材许用应力

七、强度校核和刚度校核

1、关于强度校核，我国采用第四强度理论（畸变能理论）

2、光滑管（即无刚性环的明钢管）先校核强度，强度不满足则增加管壁厚度；强度满足后校核刚度（）,刚度不满足加加劲环。

加劲环的存在限制了其旁侧管壁在内水压力和管重作用下的径向变形，因而产生局部应力，需重新校核其影响范围内的管壁强度。

（即加了加劲环要重新校核强度）

八、明钢管的抗外压失稳

1、当管径和管壁厚度一定时，加劲环的间距越小，管壁在外压下屈曲的波数便愈多，临界压力值便愈大；

2、设置加劲环的明钢管在外力作用下，需满足两个要求：

a、加劲环不能失稳屈曲；b、加劲环不失稳时，其横截面的压应力小于材料允许值。

九、明钢管外压失稳的原因及失稳现象：

1、机组运行过程中由于负荷变化产生负水锤，而使管道内产生负压；

2、管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空；

3、管道在外部的大气压力作用下，可能丧失稳定，管壁被压扁；

4、必须根据钢管处于真空状态时不产生不稳定变形的条件来校核管壁厚度。

第四章地下埋管

一、地下埋管定义及施工工序

地下埋管是埋藏于地层岩石中的钢管，可以是斜的、垂直的，故也称作斜井、竖井，或称为隧洞式压力管道。

施工工序：

岩洞开挖——钢衬安装——混凝土回填和灌浆

灌浆种类：

回填灌浆、接触灌浆和固结灌浆

二、和明管相比，地下埋管的优缺点

优点：

1、布置灵活方便，不受地面地形地质限制；

2、利用围岩承载，减少钢衬壁厚，可解决HD值很大的技术难关；

3、运行安全，超载能力强

缺点：

1、构造较复杂，施工安装程序多，工艺要求较高而地下施工条件又较差。

这些因素使得造价增加，工程质量不易保证，且影响工期。

2、在地下水压力较大的地方，钢衬可能承受甚大外压，造成失稳

三、地下埋管承受内压基本原理：

埋管承受内压后，钢衬发生径向位移，钢衬和混凝土衬圈间的缝隙消失后，继续向混凝土衬圈传递内压，混凝土内产生环向拉应力产生径向裂缝；内压通过混凝土楔块继续向围岩传递，围岩产生向外的径向位移并形成围岩抗力，使埋管在内压下得到平衡。

（钢衬——混凝土衬圈——围岩，尽可能利用围岩抗力）

二、围岩的抗力系数K，定义是围岩中某给定半径的圆形孔口受均匀内压作用下，孔周发生1㎝径向位移值时所需的均匀内压值；

工程上常使用单位抗力系数K。

，即半径为100cm的孔口受均匀内压时，孔周发生1cm径向位移值时均匀内压值。

四、地下埋管和明管抗外压失稳的外荷载区别

地下埋管的外压荷载主要为地下水压力，施工期还有钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力和回填混凝土时流态混凝土的压力。

而明管的外压为大气压力（0.1MPa）

第五章混凝土坝体压力管道

一、混凝土坝体压力管道是依附于混凝土坝身，即埋设在坝体内或固定在坝面上，并与坝体称为一体的压力输水管道。

按其布置方式可分为：

坝内埋管、坝上游面管道、坝下游面管道

坝内埋管的三种典型布置型式：

1、倾斜式布置；2、平式和平斜式布置；3、竖直式布置

坝内埋管运行期的主要荷载有：

内水压、坝体荷载和温差荷载

二、为了减少坝体承担的内水压力，可以在钢管外设置软垫层，将钢管与坝体隔开。

软垫层可以吸收钢管在内压作用下的径向变位，而使内压只有一部分或很小部分传至坝体。

第六章分叉管（不要求）

第七章水轮机类型及其特点

一、水轮机类型及其特点

1）冲击式

1、混流式H=2~700m效率高（最大可达94%）

2、轴流式低水头、大流量。

又可分为定桨式和转桨式

3、斜流式H=40~200m

4、贯流式低、超低水头

2）反击式高水头、小流量

二、气蚀

2）气蚀原因

低压区产生气泡——高压区破碎——频率高达23万次/秒

+化学、电化作用

三、安装高程及如何确定

水轮机的吸出高程Hs：

理论上，指轮叶压力最低点到下游水位的垂直高度。

装设尾水管可多利用能量，但因为可能会发生气蚀，多利用的能量受到限制，故要确定安装高程。

确定安装高程的目的：

徐泽合理的安装高程，既充分利用转轮出口的能量，又使之气蚀性能好。

如何确定：

根据吸出高度Hs确定。

Hs（）

问题：

冲击式水轮机是否需要根据吸出高度Hs确定安装高程？

不需要。

第八章