引水经典建筑物.docx
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引水经典建筑物
5.6引水建筑物
电站引水建筑物重要由坝式进水口、有压隧洞、调压井、压力管道和重溪补充水源等某些构成。
5.6.1方案布置比较
结合挡水建筑物和发电厂房布置方案，引水建筑物布置考虑了左、右岸布置两个方案。
左岸方案共布置6个隧洞，总长6659m，压力管道总长601m；右岸方案共布置隧洞5个，隧洞总长6043.83m（0+017.50～6+6060.98），压力管道总长395.00m，右岸有补充水源。
综合分析两个方案，选取右岸方案为推荐方案，理由有如下几点：
一是从工程投资上，右岸方案比左岸方案明显地节约；二是工程施工上，左岸材料运送以便，但施工干扰大，对村级公路交通会带来某些影响；三是流域规划规定必要对水资源进行合理运用，右岸有比较适当厂房位置，左岸需考虑将压力管道横跨过河，施工难度大。
5.6.2有压进水口
发电引水隧洞进水口只能布置在右岸，右岸山坡覆盖层厚3～5m，基岩为志留系中统罗惹坪群下段（S2lr1）砂质泥岩。
层理较发育，强风化带厚3～5m，隧洞轴线与岩层走向夹角30°。
须明挖20-50m方可进洞，进洞段围岩类别Ⅲ类。
进口段fk为1～2，单位围岩弹性抗力ko为10～20Mpacm-1。
有压进水口布置考虑了坝式进水口、竖井进水口两个方案，综合分析投资和生产运营管理，选取坝式进水水口方案。
（1）构造布置
水库正常蓄水位420m，校核洪水位421.02m，死水位413m。
进水口布置位置重要基于进水口高程拟定在距右坝肩较近位置，以节约工程量。
进水口（0+000～0+017.15）分为进口段、闸室段和渐变段，进水口段设计纵坡为3‰。
渐变段后来为有压隧洞段。
坝式进水口基本考虑和大坝基本为同一整体，基本采用C20
（2）砼，厚2m，宽7.5m，长5m。
进水口支承采用排架构造。
进口顶部和侧面均布置成1/4椭圆曲线，a=2.0m,b=0.75m。
依照进水口地形条件，栏污栅清污比较困难。
考虑减少过栅流速，以获得较大过水面积，采用固定栏污栅。
拦污栅分3面，进水正面或两侧各布置1块，栅条垂直布置，高2.8m，栅条厚10mm,宽50mm,间距按混流式水轮转轮直径d/30拟定为30mm。
参照《小型水电站机电设计手册》（金属构造分册）中简介不采用清污办法容许过栅流速为0.5m/s，复核本处过栅流速不大于0.5m/s。
因而本处选用固定栏污栅一是可以满足过栅流速规定，二是减少了工程运营管理期间清污工作量。
栏污栅体和框架投资有所增长，和考虑清污办法相比较，投资节约某些。
闸室段和排架相连，进水口采用矩形断面,孔口尺寸为2.0×2.0m。
闸门采用平面钢闸门，闸门后仍采用矩形断面，孔口尺寸断面不变，闸后5.86m（桩号0+008.36）开始向右转弯,曲线段长5.79m，曲线段末段（桩号0+014.15）连接渐变段由方变为圆形断面，渐变段长度均为3m。
平面钢闸门为检修闸门，平面闸门尺寸为2.5×2.5m。
配套启闭机采用螺杆式启闭机，启闭机型号为QPK2×400kN型螺杆启闭机。
在排架438.50m高程上建启闭机房，长4.0m，宽4.0m。
启闭房内布置启闭机1台。
启闭机最大宽度1.36m，人行通道宽度可以满足规定。
（2）水力及通气孔面积计算
a．不浮现吸气旋涡临界沉没深度计算
水库死水位418m，进水口顶部高程416.00m。
按戈登（J.L.Gordon）公式估算:
Scr=cv
式中：
Scr—闸门门顶低于最低水位临界沉没深度，m；
d—闸门孔口高度，取1.5m;
v—闸门断面水流速度，计算取值2.32m/s；
c—经验系数，对称时取0.53。
经计算，得Scr=1.51m，进水口闸门顶高程为415.91m,距死水位高度为2.09m。
因而不会浮现吸气旋涡。
b．水头损失计算
进水口水头损失计算沿程水头损失和局部水头损失，本处只给出各局部水头损失系数，便于编程计算。
沿程水头损失在隧洞中给出计算公式。
依照《水电站调压室设计规范》（DL/T5058-1996）附录A简介局部水头损失系数取值和计算公式进行计算，各部位局部水头损失系数见表5.6-1。
表5.6-1进水口局部水头损失系数
部位
局部水头
损失系数ξ
备注
进水口
0.1
采用1/4椭圆曲线
栏污栅
β
sinα
β—栅条形状系数，取2.42
s—栅条宽度
b—栅条间距
α—栅面倾角取90°
v—过栅平均流速（用于计算栅条损失）
渐变段
0.1
圆变方
渐变段
0.1
方变圆
闸门槽
0.1
c.避免浮现负压最小沉没深度计算
按下式计算压力隧洞避免浮现负压最小沉没深度s：
s=δ+1.5（1+hi）
式中：
s—闸门门顶最小沉没深度，m；
δ—冰冻层厚度，m；
hi—进水口段水头损失系数；
vi—进口闸门处流速，计算取2.32m/s；
经计算，s=0.65m，可以满足规定。
d．通气孔面积计算
参照《水工设计手册》（水电站建筑物）简介公式计算：
A=
式中：
Qa—空气流量，采用引水隧洞额定流量；
va—空气流速，取25m/s；
计算A=0.20m2,在闸后采用内径500mm钢管伸到坝顶，用于通气孔。
5.6.3有压引水隧洞
（1）构造布置
依照前面所述方案布置，发电引水洞选取右岸布置，发电输水隧洞进口处覆盖层厚3-5m，基岩为志留系中统罗惹坪群下段（S2lr1）砂质泥岩。
进洞后洞线所经地层依次为志留系中统罗惹坪群中段（S2lr2）石英砂岩，上段（S2lr3）砂质泥岩，粉砂岩，礁灰岩，志留系上统纱帽群下段砂质页岩，夹紫红色泥岩、灰绿色粉砂岩，志留系上统纱帽群上段（S3sh2）石英砂岩，泥盆系中统云台观组（D2y）灰白色石英砂岩，泥盆系上统黄家磴组（D2h）黄色块状石英砂岩夹页岩，泥盆系上统写经寺组（D3x）砂岩夹页岩，二叠系下统栖霞组马鞍段（P1q1）砂岩夹页岩，二叠系下统栖霞组灰岩段（P1q2）含燧石灰岩，该组亦为璞岭向斜核部，往洞口方向又依由新到老至志留系上统纱帽群地层。
有压引水隧洞总长6043.83m（0+017.50～6+6060.98），依照地质报告提供资料，衬砌长度按60%考虑，即3626m，别的按喷混凝土考虑，长度为2417.83m。
隧洞设计纵坡3/1000。
关于洞径考虑了5种方案：
方案1开挖直径2.3m，方案2开挖直径2.4m，方案3开挖直径2.5m，方案4开挖直径2.6m，方案5开挖直径2.7m。
各种方案衬砌长度、喷混凝土长度不变。
衬砌厚度均按0.30m考虑，喷混凝土厚度按0.10m考虑。
在压力钢管采用推荐方案状况下，分别计算电站年发电量和隧洞工程投资变化。
计算期内上网电价按0.35元/kWh计算，有效电量系数0.95，线路损耗9%，电费增值税按17%考虑，由于增发电量导致增长发电成本很小，进行评价时未考虑。
采用技术经济方案比较详见表5.6-2。
表5.6-2有压隧洞洞径方案经济比较表
方案
方案1
方案2
方案3
方案4
方案5
隧洞开挖内径（m）
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
隧洞回填后内径（m）
钢筋砼衬砌
1.7
1.8
1.9
2
2.1
喷混凝土
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
额定流量（m3/s）
6.02
5.59
5.38
5.26
5.18
额定出力时隧洞总水头损失（m）
33.98
22.21
15.81
11.77
9.00
其中:
沿程水头损失（m）
33.56
21.92
15.59
11.6
8.86
水头损失减少（m）
11.77
6.4
4.04
2.77
建筑工程
开挖增长方量（单价:
180元/m3）
2231
2326
2420
2516
C20砼增长方量（单价:
450元/m3）
342
342
342
342
增长隧洞模板工程（78元/m2）
1140
1140
1140
1140
喷混凝土增长方量（单价750元/m3）
76
76
76
76
钢筋增长量（单价7800元/t）
21
21
21
21
细部构造（单价:
11.68元/m3）
342
342
342
342
建筑工程投资（万元）
86.52
88.23
89.92
91.65
发电量变化（万kWh）
138.71
73.44
44.63
29.34
收益变化（万元）
35.48
18.78
11.41
7.5
差额内部收益率△IRR（%）
40.97
20.62
11.16
5.23
从表5.6-2可以看出，方案2比喻案1收益和投资均增长，差额内部收益率远不不大于国家发展改革委发改投资[]1325号文印发《建设项目经济评价办法与参数》（第三版）测定社会折现率Is=8%，因而方案2比喻案1优。
同理对案2、方案3、方案4进行比较，得出结论，后一种方案比较前一种方案优，选取后一种方案。
方案4和方案5进行比较，差额内部收益率不大于测定社会折现率Is=8%，因而方案4比喻案5优。
因而选取方案4（即隧洞开挖直径2.60m）为推荐方案。
隧洞总长6043.83m（0+017.50～6+6060.98），依照地质报告提供资料，衬砌长度按60%考虑，即3626m，采用C20
（2）衬砌，衬砌厚度0.30m，布双层钢筋对于Ⅲ类围岩，伸缩缝长度12m。
隧洞拱顶90°范畴内进行回填灌浆，回填灌浆孔沿拱顶布置，孔距3m，灌浆压力0.3Mpa。
对于围岩不稳定衬砌砼后进行固结灌浆，每排布置6孔,孔深1.3m对称布置,排距4m；相邻断面错开排列,灌浆压力按1.5倍内水压力考虑拟定0.68Mpa。
固结灌浆在回填灌浆14天后进行，灌浆时应加强观测，防止洞壁发行变形破坏。
回填灌浆和固结灌浆孔分排间隔排列。
（2）衬砌构造计算
圆形有压隧洞衬砌计算参照天津大学祁庆和主编《水工建筑物》简介办法，该办法和《水工设计手册》（水电站建筑物）简介办法基本相似，只是某些系数略有差别。
隧洞开挖洞径2.6m，对于Ⅲ类围岩，采用C20
（2）衬砌，衬砌厚度0.3m，按限裂进行设计。
隧洞衬砌在各种荷载作用下考虑弹性抗力时内力计算公式如下：
铅直围岩压力作用下内计算公式：
M=qrre[Aα+B+Cn（1+α）]
N=qre[Dα+F+Gn（1+α）]
式中：
M—计算截面上弯矩，kN·m;
N—计算截面上轴向力，kN；
q—铅直围岩压力强度，kpa；
re—衬砌外半径，取1.1m;
r—衬砌平均半径，0.975m；
α=2-
；
n=
；
K—弹性抗力系数，kN/m3；
E—材料弹性模量，kPa；
J—计算断面惯性矩，m4；
b—计算宽度，取b=1m；
系数A、B、C、D、F、G在不同角度值见表5.6-3。
表5.6-3铅直围岩压力作用下内力计算系数表
断面
A
B
C
D
F
G
φ=0
0.16280
0.08721
-0.00699
0.21220
-0.21222
0.02098
φ=π/2
-0.12500
-0.12501
-.00824
0.00000
1.00000
0.00575
φ=π
0.08720
0.16277
-0.00837
-0.21220
0.71222
0.02237
衬砌自作用下内力计算公式如下:
M=gr2（A1+B1n）
N=gr（C1+D1n）
式中：
g—单位面积衬砌自重，kPa；
别的符号同前，系数A1、B1、C1、D1见表5.6-4。
表5.6-4衬砌自重作用下内力计算系数表
断面
A1
B1
C1
D1
φ=0
0.34477
-0.02194
-0.16669
0.06590
φ=π/2
-0.39272
0.02589
1.57080
0.01807
φ=π
0.44059
-0.02628
1.73749
0.07024
非均匀内水压力作用下内力计算公式如下:
M=γ
r（A2+B2n）
N=
r（C2+D2n）
式中γ—水容重，kN/m3；
—衬砌内半径，m；
别的符号同前，系数A2、B2、C2、D2见表5.6-5。
表5.6-5非均匀内水压力作用下内力计算系数表
断面
A2
B2
C2
D2
φ=0
0.17239
-0.01097
-0.58335
0.03295
φ=π/2
-0.19636
0.12295
-0.21460
0.00903
φ=π
0.22030
-0.01315
-0.63126
0.03513
本阶段仅选取两个断面进行内力和配筋计算：
一是有压隧洞进口段后，即竖井后断面，该断面承受内因水压力小，是承受水压值最小断面；另一种承压值最大断面，即接近调压井位置。
依照以上公式计算有压隧洞进口位置和接近调压井位置两个断面内力和按限裂设计配筋成果见表5.6-6。
表5.6-6内力和配筋计算成果
断面位置
荷载类别
M（kN·m）
N（kN）
φ=0
φ=π/2
φ=π
φ=0
φ=π/2
φ=π
有压隧洞进口
垂直山岩力
2.46
-2.42
2.47
1.28
12.14
7.88
自重
4.43
-5.00
5.76
0.92
23.49
28.50
非均匀内水压力
1.51
-1.70
1.96
-4.64
-1.79
-4.98
总计
8.41
-9.12
10.20
-2.44
33.83
31.41
按限裂进行配筋计算配筋面积
Amin=4.13cm2
内侧配筋面积（cm2）
外侧配筋面积（cm2）
φ=0
φ=π/2
φ=π
φ=0
φ=π/2
φ=π
3.76
3.79
1.16
1.16
0.23
0.17
接近调压井位置
荷载类别
M（kN·m）
N（kN）
φ=0
φ=π/2
φ=π
φ=0
φ=π/2
φ=π
垂直山岩力
2.46
-2.42
2.47
1.28
12.14
7.88
自重
4.43
-5.00
5.76
0.92
23.49
28.50
非均匀内水压力
1.51
-1.70
1.96
-4.64
-1.79
-4.98
总计
8.41
-9.12
10.20
-2.44
33.83
31.41
按限裂进行配筋计算配筋面积
Amin=4.13cm2
内侧配筋面积（cm2）
外侧配筋面积（cm2）
φ=0
φ=π/2
φ=π
φ=0
φ=π/2
φ=π
8.71
8.74
5.29
6.10
5.16
8.11
（3）水力计算
有压隧洞水头损失涉及沿程水头损失和局部水头损失两某些，沿程水头损失采用谢才—曼宁公式计算，局部水头损失重要隧洞转弯引起，按弯管局部水头损失公式计算。
有压隧洞沿程水头损失公式如下：
hf=
式中:
L—引水隧洞长度，m；
v—设计流流速，m/s；
R—水力半径，m；
C—谢才系数，取值
；
n—糙率系数。
有压隧洞糙率系数n依照不同衬砌构造分别计算，对于钢模现浇混凝土衬砌，n取值0.015；对于采用光面爆破开挖岩石面喷混凝土n取0.030。
有压隧洞局部水头损失重要是由于隧洞转弯引起水头损失，计算公式如下：
ζ弯=
[0.131+0.163
]（
）0.5
式中：
R—隧洞转弯半径（m），隧洞转弯半径在本项目按10m布置；
D—隧洞内径（m）；
α—隧洞转角，详见压力隧洞布置图。
按上述公式计算有压隧洞不同水库水位工况下额定出力时水头损失详见表5.6-7。
表5.6-7额定出力工况下有压隧洞水力计算成果表
水库特性水位
死水位
413m
正常蓄水位
420m
设计洪水位
420.88m
校核水位
421.02m
引水流量（m3/s）
5.52
5.26
5.23
5.22
有压隧洞总水头损失（m）
12.98
11.77
11.64
11.60
其中:
沿程水头损失（m）
12.79
11.60
11.47
11.43
局部水头损失（m）
0.19
0.17
0.17
0.17
5.6.4补充水源
重溪取水坝址以上承雨面积20.50km2。
依照实测取水坝位置处横断面图，布置底栏栅坝，栏栅坝长15m,溢流坝段长12m，坝顶宽度1.4m，坝顶高程拟定为434.66m；底栏栅坝长3m，坝顶宽度1.6m，栏栅纵坡1:
10，坝顶高程434.26m。
沉砂池宽1.0m，全长20m，进口处底板高程433.36m，设立15m长陡坡，纵坡1/10，使沉砂池水深达到2.0m，然后为5m长水平底板。
沉砂池底板高程431.86m。
在沉砂池末端安装冲砂闸门。
无压引水隧洞全长1916m。
重溪水源经沉砂池沉砂后，进入无压隧洞，在调压井注入。
无压隧洞高程考虑电站突然丢弃负荷时调压井涌波影响会使无压隧洞变成明满交替运营，会浮现振动、空蚀、掺气和脉动压力等作用，对无压隧洞过流能力、构造受力状态等产生不利影响。
因而重溪无压引水隧洞高程选取在调压井涌波水位上高程。
依照调压井计算涌波水位拟定隧洞进入调压井底板高程为432m。
无压隧洞引用流量较小，设计断面按工作断面拟定，城门洞型，宽1.5m，高1.8m。
设计纵坡1:
。
5.6.5调压室
（1）设立调压室条件鉴别和位置拟定
引水道全长6491.98m，其中进水口长17.15m（0+000～0+017.15），采用矩形断面，B×h=2×2m；有压引水隧洞长6043.83m，开挖直径2.6m，分为衬砌段和喷混凝土段，衬砌段长3626m,衬砌厚度0.3m，喷混凝土段长2417.83m,厚0.1m。
压力钢管至岔管主管长395m，内径1200mm。
岔管至1#机组主阀支管长9m，支管内径0.8m；至2#机组支管主阀支管长16m，支管内径0.6m。
主阀至蜗壳长4.0m，蜗壳长3.5m，尾水长4.5m。
水库正常蓄水位420m，考虑机组在正常蓄水位工况超过力5%时流量为4.98m3/s，调压井至岔管中心压力管道长423.97m，管径1.20m。
依照《水电站调压室设计规范》（DL/T5088-1996）初步判断与否设立上游调压室：
Tw>[Tw]
Tw=
式中：
Tw—压力水道中水流惯性时间常数，s；
Li—压力水道各分段长度，m；
Vi—各分段内相应流速，m/s；
g—重力加速度，m/s2；
Hp—设计水头，m；
[Tw]—Tw容许值，取4s。
依照上式计算，∑LiVi=11013m2/s，Tw=5.8s>[Tw]，需设立调压室。
调压室布置宜接近在压力隧洞末端接近压力钢管地方，即小地名为木子林地方，但该地为石英砂岩夹页岩，层理发育，围岩类别为Ⅲ、Ⅳ类，一是对调压室开挖难度增大，不利于开挖成原则断面，容易形成垮塌，二是对该地方地形太陡，开挖弃渣需外运至500m以个地方堆放，运送成本增长，因而，变更设计时将调压室后退至含燧石灰岩地段，一是岩石强度高，开挖容易成形，便于施工，二是减少衬砌工程量，但压力管线长度增长，会导致压力管线水击值相对升高。
现场踏勘后，拟定将调压室布置在有压隧洞5+638.26桩号处。
（2）稳定断面计算
上游调压室稳定断面计算按托马（Thoma）准则并乘以系数K决定：
A=K
式中：
A—托马稳定断面面积，m2；
L—压力隧洞长度，取值6060.98m（具有压进水口长度）；
A1—压力隧洞断面面积，取加权平均值3.69m2；
H0—发电最小静水头，死水位时额定出力设计水头185.91m；
α—自水库至调压室水头损失系数，α=
=5.91；
v—压力隧洞流速，取平均值1.48m/s；
hw0—压力隧洞水头损失，取值12.97m；
hwm—压力管道水头损失，9.12m；
K—系数，取1.1；
计算得A=1.44m2。
（3）调压室内径拟定和水位波动计算
依照《水电站调压室设计规范》（DL/T5058-1996）中关于上游调压室涌波计算工况：
按水库正常蓄水位时，共用同一调压室所有机组满载运营瞬时丢弃所有负荷，作为设计工况；按上游校核水位时，相应工况作校核。
调压室类型考虑选取阻抗式调压室。
可以抑制调压室波幅振动，加速波动衰减。
有压引水隧洞喷混凝土内径为2.4m，阻抗孔内径为2m，为有压引水隧洞面积69%，对压力管道水锤影响不会很大。
调压室位置拟定在有压隧洞5+638.26m位置，机组在正常蓄水位时机组超发5%额定出力时流量为5.64m3/s,调压室以上有压引水隧洞水头损失为12.58m，则有压隧洞阻力系数为0.3955s2/m5，调压室过在流量5.64m3/s水头损失为0.22m，则进出调压室阻力系数为0.006916s2/m5。
调压室后来有压隧洞水头损失为0.95m，压力管道过流量5.64m3/s水头损失为9.51m，总水头损失为10.46m，则压力管道阻力系数为0.3288s2/m5。
阻抗式调压室水位波动计算基本微分方程为:
持续方程：
=（Q-Qm）/F=f1（t,Z,Q）
动力方程：
=（HR-Z-KQs|Qs|-RQ|Q|）gA/L=f2（t,Z,Q）
式中:
Q、Qm—分别为有压隧洞和压力管道流量，m3/s；
F、Z—调压室面积和水位，m2、m；
HR—水库水位，m；
K—调压室阻抗水头损失系数，s2/m5；
Qs—调压室流量，以进入调压室为正，m3/s；
R—隧洞沿程水头损失和局部水头损失系数，s2/m5；
g—重力加速度，m2/s；
A、L—有压隧洞断面面积和长度，m2，m；
依照上述基本方程采用龙格—库塔法计算水位波动。
已知t时刻Qt、Zt值，则可以依照如下公式求t+△t时刻Qt+△t、Zt+△t之值：
Zt+△t=Zt+
（K1+2K2+2K3+K4）
K1=△tf1（t,Zt,Qt）
K2=△tf1（t+
Zt+
Qt+
）
K3=△tf1（t+
Zt+
Qt+
）
K4=△tf1（t+△t,Zt+K3,Qt+L3）
Qt+△t=Qt+
（L1+2L2+2L3+L4）
L1=△tf2（t,Zt,Qt）
L2=△tf2（t+
Zt+
Qt+
）
L3=△tf2（t+
Zt+
Qt+
）
L4=△tf2（t+△t,Zt+K3,Qt+L3）
水库正常蓄水位时，2台机组超额定负荷5%运营瞬时丢弃所有负荷，作为设计工况;水库校核洪水位时，所有机组超5%额定负荷运营瞬时丢弃所有负荷，作为校核工况。
采用上述办法计算调压室不同内径时水位波动状况见表5.6-8。
机组设计流量较小，2台机组由2/3负荷增至满载，调压室水位涌波变化不大，待技施阶段复核。
表5.6-8调压井方案比较表
调压室衬砌后内径（m）
4
4.5
5
调压室壁厚（m）
0.4
0.5
0.5
调压井地面高程（m）
435
调压井底板高程（m）
391.085
设计工况涌波水位（m）
432.38
430.50
428.75
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