3输水系统.docx

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3输水系统

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3.1主要设计依据和系统布置

3.1.1主要设计依据

乌江渡水电站扩机工程输水系统包括引水建筑物和尾水建筑物两大部分，施工图阶段设计主要依据下列资料进行：

（1）《乌江渡水电站扩机工程可行性研究报告》

（2）《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）及其补充规定》SDJ12-1978

（3）《水工遂洞设计规范》SD134-1984

（4）《水电站压力钢管设计规范》SD144-1985

（5）《压力钢管制造安装及验收规范》DL5017-1993

（6）《水电站进水口设计规范》SD303-1988

（7）《水电站调压室设计规范》DL/5058-1996

（8）《水工混凝土结构设计规范》SL/T191-1996

（9）《混凝土结构设计规范》GBJ10-1989

（10）《钢结构设计规范》GBJ17-1988

（11）《砌体结构设计规范》GBJ3-1988

（12）《水工预应力锚固设计规范》SL212

（13）《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GBJ86-85

（14）《水工预应力锚固设计规范》SL212

（15）《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》SL62-1994

（16）《水工建筑物荷载设计规范》DL5077-1997

（17）《建筑结构荷载设计规范》GBJ9-1987

（18）《水工建筑物抗震设计规范》DL5073-1997

（19）《水电站厂房设计规范》SD335-1989

（20）《水力计算手册》1983.6

3.1.2工程等级与设计标准

乌江渡水电站扩机工程的主要任务是发电，电站设两台机组，装机规模为2×250MW，计及原坝后式电站装机规模630MW，总装机容量为1130MW。

原枢纽工程为一等工程，根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）及其补充规定》的规定，将扩机工程进水口作为挡水建筑物，即按1级建筑物设计，引水道、尾水道和发电厂房按2级建筑物设计。

根据《防洪标准》GB50201的规定，各建筑物的洪水设计标准如下：

进水口设计洪水P=0.2%校核洪水P=0.02%

引水道、尾水道和发电厂房设计洪水P=0.5%校核洪水P=0.2%

3.1.3基础设计参数

水库水位正常蓄水位760.00m

设计洪水位760.30m（P=0.2%）

校核洪水位762.80m（P=0.02%）

淤砂高程660.00m

下游水位正常尾水位627.00m

最低尾水位626.64m

设计洪水位666.55m（P=0.5%）

校核洪水位668.27m（P=0.2%）

最大水头131.00m，相应流量212.52m3/s；最小水头104.00m，相应流量231.43m3/s；额定水头116.00m，相应单机额定流量239.05m3/s。

水轮机吸出高度-7.85m，安装高程619.30m，机组间距22.00m。

3.1.4线路布置设计

坝址区域左岸下游山顶高程为850~900m，靠河床处均为陡壁和60°左右的陡坡，岩层走向NE30°~NE40°,倾向上游偏左岸，从上游往下游依次分布龙潭组乐平煤系页岩夹硅质灰岩和煤系、长兴灰岩组沙堡湾页岩与泥灰岩夹薄层灰岩、玉龙山灰岩、九级滩页岩以及茅草铺灰岩组。

根据坝址区域地形、地质条件，通过厂址、洞线的布置比较，确定本扩机工程布置于左岸，为引水式地下厂房方案。

根据地下建筑物的受力特点、水流条件、围岩稳定条件、岩层分布和地质构造特点，地下厂房布置于河床陡壁上游雄厚的玉龙山灰岩体内，厂房纵轴线方位为NE75°，上、下游分别接压力引水道和尾水道。

引水道由塔式进水口、引水遂洞上平段、竖井段、下平段和埋藏式压力钢管段组成。

尾水道由尾水支洞、尾水闸门井、尾水主洞和尾水出口组成。

引水道上平段方位NE70°，经竖井接下平段，方位转向NW15°；两条尾水支洞方位NW15°，②支洞经85.36°转弯与①支洞合为尾水主洞，主洞方位由NW79.36°转向NW15°至尾水出口。

3.1.5建筑物布置设计

（1）确定洞径

引水道、尾水道均按圆形有压洞设计，通过不同洞径的经济比较和水轮机调节保证计算，确定引水隧洞内径为7.00m，钢管段内径为6.00m，尾水支洞内径为10.50m，尾水主洞内径为15.10m，满负荷运行时，各洞内流速分别为6.21m/s、8.45m/s、2.76m/s、2.67m/s。

（2）进水口布置

通过优化设计，进水口选用塔式进水口。

其淹没深度的确定原则是保证死水位运行时不产生漏斗式旋涡，同时考虑库水位涌波的影响，按公式S≥C•V•d1/2计算

由于受原枢纽717m高程灌浆廊道限制，最终综合确定进口闸门井底板高程为722.50m，拦污栅底板高程为723.33m，按铅直向布置，拦污栅顶高程取死水位736.00m，按1m/s左右过栅流速控制，确定进水口拦污栅设3孔，孔口尺寸5.90m×12.67m。

为减小地下厂房跨度，厂房内不设蝶阀，因此，在进水口段各设一道平面检修闸门和一道平面快速事故闸门，根据引水道断面积、水流条件和类似工程经验，结合本扩机工程实际情况，确定检修闸门孔口尺寸为11.48m×7.44m（宽×高），事故闸门孔口尺寸为9.00m×6.50m（宽×高）。

钢筋混凝土底板厚取2m，考虑栅墩、闸墩结构厚度要求、通气孔的布置以及闸门运行、检修需要，两个进水口结构总宽为45.00m，顺水流向长24.48m，高度为44.50m。

进水口上游接底宽为42.80m~44.04m的引水渠。

（3）引水道布置

两条引水道从左到右分别为①引水道和②引水道，其轴线相互平行，上平段间距22.50m，下平段间距22.00m。

①引水道上平段坡度5%，起、始端面中心高程分别为725.75m和723.48m，上弯段转弯半径21.00m，中心角87.14º，竖井高度62.20m，下弯段转弯半径21.00m，中心角90.00º，下平段轴线高程619.30m。

②引水道上平段坡度5%，起、始端面中心高程分别为725.75m和723.48m，上弯段转弯半径21.00m，中心角87.14º，竖井高度62.20m，下弯段转弯半径21.00m，中心角90.00º，下平段轴线高程619.30m。

①引水道总长度为237.033m，其中邻近厂房的部位为压力钢管段，其起点设在厂房帷幕灌浆中心线上游1.4m处，压力钢管段长度36.800m，其余为钢筋混凝土衬砌段，长200.233m，其中起点与进水口相邻处为方－圆渐变段，长12m。

与钢管相接处为圆－圆渐变段，长8m。

②引水道总长度为190.930m，其压力钢管位置及长度与①引水道相同，其余为钢筋混凝土衬砌段，长154.130m，其中方－圆渐变段长12m，圆－圆渐变段长6.183m。

（4）尾水道布置

厂房两台机尾水管出口分别连接①、②尾水支洞，洞轴线间距22.00m，尾水支洞段设一尾水检修闸门井，闸门井中心线距机组中心线长度为52.45m，闸门井底板高程602.03m，顶板高程为685.00m，孔口尺寸为9.21×9.67m（宽×高），闸门井上部为尾水闸门检修室，高程为679.00m，由主变洞扩挖形成。

闸门井后通过长度为11m的渐变段，变为洞径为10.5m的尾水支洞，①尾水支洞通过洞径为10.5m的圆柱与洞径为15.1m的尾水主洞相接，②尾水支洞经64.64°的转弯按锥面与尾水主洞相接，尾水主洞纵坡5%。

（5）尾水闸门井布置

尾水主洞通过11m长的渐变段与闸门井相接，闸室顺水流方向长度11.0m，垂直水流方向长度20.8m，闸室底板底高程606.000m，闸室顶部平台高程640.000m，闸室高度34m。

闸室由中墩分隔为两孔，每孔尺寸为6.4m×17.9m（宽×高），中墩厚度为3m。

平台起闭机排架由四榀单跨框架构成，每榀框架跨度为5m，框架底部高程640.000m，顶部高程654.900m，框架高度14.9m。

（6）水渠布置

尾水明渠起始断面宽度24.0m，底板高程608.00m。

根据水力学模型实验，明渠右边边坡与尾水明渠纵轴线夹角23°，明渠左边边坡与尾水明渠纵轴线平行。

明渠底坡以1：

4.5倒坡与高程615.000m连接，并以平坡与河床顺接，尾水明渠长度约为70.0m。

3.2水力计算

3.2.1水头损失

包括从进水口至蜗壳进口断面、厂房尾水管出口经尾水洞至尾水出口段的局部损失和沿程损失，计算沿程损失的谢才系数按曼宁公式计算，其中钢筋混凝土管壁的糙率n=0.014，钢板衬砌段的糙率n=0.012。

主要计算公式如下：

hW=hj+hf

hj=∑ξ·V2/2g

hf=∑λ·L/4R·V2/2g=（V2/C2R）L

R=W/χ

引水道水头损失包括拦污栅、喇叭口、检修闸门槽、事故闸门槽、上渐变段、上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下渐变段、下平段（即钢管段）等局部损失和沿程损失。

计算结果见表3.2.1-1

表3.2.1-1引水道水头损失表

水头损失

流道

总水头损失hW（m）

①

2.1876×10-5Q20+5.6757×10-6Q2

②

3.2508×10-5Q2

尾水道水头损失包括尾水管出口至尾水出口各项局部损失和沿程损失，计算结果见表3.2.1-2

表3.2.1-2尾水道水头损失

投入运行的机组

计算流道编号

总水头损失hW（m）

①

①

1.1068×10-6Q2

②

②

1.1068×10-6Q32

①+②

①

4.4273×10-6Q2

②

4.4273×10-6Q2

引水道、尾水道总水头损失计算结果见表3.2.1-3

表3.2.1-3总水头损失

投入运行的机组

计算流道编号

总水头损失hW（m）

额定流量时的总水头损失（m）

①

①

3.3522×10-5Q2

2.203

②

②

3.9785×10-5Q2

2.401

①+②

①

3.7198×10-5Q2

2.245

②

4.3461×10-5Q2

2.623

3.2.2水力过渡过程计算

对通过比较选定的引水道、尾水道各部分尺寸，国电公司中南院采用水力过渡过程计算程序进行了分析计算，同时，委托武汉大学水电站水力过渡过程重点实验室进行了各种工况详细的复核计算，计算结果基本吻合，最终采用武汉大学的计算成果，计算结果如下：

（1）蜗壳最大动水压力

控制工况为水库正常蓄水位、最大水头下所有机组甩全负荷，此时①机组的最大动水压HPmax＝178.09m，②机组的最大动水压力HPmax＝171.10m。

（2）蜗壳最小动水压力

①机组的控制工况为水库死水位，下游水位629.04m，②机组运行，①机组增荷后，①、②机组甩全负荷，此时①机组的最小动水压HPmin＝89.80。

②机组的控制工况为水库死水位，下游水位629.04m，①机组运行，②机组增荷后，①、②机组甩全负荷，此时②机组的最小动水压HPmin=93.73m。

（3）尾水管进口最大真空度

①机尾水管进口处最大真空度HV=6.63m,控制工况为：

上游水位747.55m，下游水位628.25m，①机运行，②机增荷,然后在最大流量时叠加①、②机同时甩全负荷。

②机尾水管进口处最大真空度HV=7.68m,控制工况为：

上游水位747.55m，下游水位628.25m，①机增荷，②机运行,然后在最大流量时叠加①、②机同时甩全负荷。

（4）机组最大速率上升

控制工况为：

上游水位（748.30m），下游水位（629.00m）,即额定水头下，①、②机运行,然后①、②机同时甩全负荷，此时①机的βmax=43.06%，②机的βmax=41.44%，均满足调保计算要求。

（5）尾水闸门井最高水位

控制工况为：

上游水位（760.30m），下游水位（666.20m）,即设计洪水位下，①、②机运行,然后①、②机同时甩全负荷，此时，①闸门井最高水位Zmax=675.65m，较顶板高程685.000m低9.35m，②闸门井最高水位Zmax=676.57m，较顶板高程685.000m低8.43m。

（6）尾水闸门井最低水位

闸门井最低水位发生在下游水位较低、尾水洞流量较大的工况条件下。

控制工况为：

上游水位（747.55m），下游水位（628.25m），①机运行，②机增荷，然后①、②机同时甩全负荷，此时，①机闸门井最低水Zmin=614.05m，

②机闸门井最低水位Zmin=612.97m为最低，较支洞顶板高程611.70m高出1.27m，满足设计要求。

（7）引水道上平段最小压力

①机引水道上平段最小压力控制工况为：

上游死水位（736.00m），下游水位（629.04m），①机增荷,②机运行,然后①、②机同时甩全负荷，经计算管线未出现负压，满足设计要求。

②机引水道上平段最小压力控制工况为：

上游死水位（736.00m），下游水位（629.04m），①机运行,②机增荷,然后①、②机同时甩全负荷，经计算管线未出现负压，满足设计要求。

上述结果表明，蜗壳进口最大水击压力、机组最大上升速率、尾水管进口最大真空度、尾水闸门井内最高水位和最低水位能够满足钢管结构强度计算及调节保证计算的要求，同时，也能满足电站安全、正常运行要求。

3.3结构设计

3.3.1进水口

（1）进水口结构优化设计

由于本扩机工程进水口位于原枢纽工程的左坝肩，而且必须与水库连通，因此，其施工必然与原电站的运行发生干扰，在选址和选型时，必须解决下列问题：

①水库正常蓄水位为760.00m，进水口明渠位于库内，进水口底板开挖高程721.00m，位于正常蓄水位以下39.00m深，施工控制爆破作业要求高，水下开挖难度大，应重点研究；

②最大限度地减少对水库的正常运行及原电站发电的影响，即不可能在施工期内通过大坝泄流的方式来长时间限制库水位，应寻求适宜的挡水建筑物型式并尽可能提高挡水水位。

为此，共进行了两个结构型式的分析、比较，既方案一为采用直立式拦污栅的竖井式进水口，方案二为采用直立式拦污栅的塔式进水口。

通过对两个方案不同堰坎高度、施工程序和施工工艺、施工进度、施工难度、工程造价和发电量的损失等各方面的比较、论证，得出下列结论：

方案二施工进度优于方案一；方案一施工难度略小；电量损失方面，方案一为1.46亿kw·h，方案二为1.22亿kw·h，方案二较好；工程造价方面，方案一为3680.2万元，方案二为3512.9万元，因此，方案二可较方案一共节约620万元（人民币），可见，方案二明显优于方案一，故作为最终选用型式。

（2）进水口结构计算

①稳定性由于进水塔主体避开了破碎的夜郎组沙堡湾页岩段（T11）地层，位于岩石坚硬、强度高、抗风化能力较强的灰岩地段，其允许承载力很高，且为现浇的钢筋混凝土整体框排架结构，经验算，其抗浮、抗滑、抗倾及基底应力均能满足规范和地基承载力要求。

②钢筋混凝土结构计算按结构力学法，分别对持久状况和短暂状况计算，荷载组合采用基本组合和特殊组合两种情况。

结构计算模型简化为门槽截面、胸墙截面、拦污栅框排架。

采用C25混凝土，通过计算和类似工程经验配筋后，均可满足强度要求。

③构造措施两进水塔之间设结构缝，缝间设置两道止水铜片，引水渠与进水塔之间、进水塔与引水洞之间均需设置结构缝。

（2）边坡稳定分析和支护设计

①边坡开挖设计进水口主体建筑物两侧最高边坡80m，其中高程765m以下为垂直坡，765m以上为1：

0.3的陡边坡。

后边坡高约100m，其中高程755.480m以下为垂直坡，高程755.480m以上边坡坡度为1：

0.45，基本上于岩层倾角一致，765m高程以上分780m和795m两级马道。

引水渠与主体建筑物交接处为垂直坡段，其余为1：

0.5的斜坡段，分745m和765m两级马道。

②边坡地质条件进水口主体建筑物及引水渠垂直坡段位于夜郎组玉龙山灰岩段第一大层第二小层（T12-1-2）,地形陡峻，灰岩呈陡崖地形，岩性为薄层与中厚层灰岩夹少量极薄层炭质页岩，岩石坚硬、强度高，抗风化能力较强，岩体为层状结构，节理裂隙较为发育，但未见明显不利的规模较大的断层，呈弱风化至微风化状态。

因引水洞轴线与岩层走向近于正交，洞脸边坡围岩稳定条件较好,其最大开挖坡度接近100m，其中高程765m以上边坡未见明显的由结构面组合而成的边坡块体，而765m高程以下由于EW向陡倾角断层F14、NEE向陡倾角断层F13和F15及其层面断层的组合切割，在洞脸坡形成体积大小不一的块体。

左岸垂直坡段边坡最大高度近80m，边坡走向N70°E，与岩层走向夹角为55°～65°，其中NNE向断层F27与NEE向断层F58构成块体的底滑面，缓倾角断层F25与中等倾角断层F29构成块体的上部切割面，形成两个块体。

右岸垂直边坡在765m到720m之间有两个有F51-3、F50和层面构成的块体。

③边坡稳定分析运用块体理论，按《岩石边坡工程》（英E.HoekJ.W.Bray著）中的方法进行相关块体计算，计算结果见表3.3.1-1

表3.3.1-1块体计算成果表

编号

产状

（以倾向与倾角表示）

边长L

块体规模

安全系数Fs

备注

m

高（m）

体积（m3）

重量（kN）

体型

块体Ⅰ

F14：

0°∠86°

f12：

292°∠67°洞脸坡：

250°∠89°

F13：

160°∠72°

12

5.49

85

2270

2.1

*L为F13在洞脸坡出露迹线长度

*计算数据名为jsk1.DAT

块体Ⅱ

F14：

0°∠86°

f12：

290°∠65°洞脸坡：

250°∠89°

F13：

160°∠72°

18

8.33

272

7271

1.5

*L为F13在洞脸坡出露迹线长度

*计算数据名为jsk2.DAT

块体Ⅲ

F14：

0°∠86°

f12：

292°∠67°洞脸坡：

250°∠89°

F15：

160°∠76°

24.8

10.1

519

13864

1.26

*L为F15在边坡出露迹线长度

*计算数据名为jsk3.DAT

块体Ⅳ

F14：

0°∠86°

f13：

290°∠65°洞脸坡：

250°∠89°

F15：

160°∠76°

30.2

12.5

900

24020

1.09

*L为F15在边坡出露迹线长度

*计算数据名为jsk4.DAT

块体Ⅴ

f51：

288°∠70°

F50：

140°∠67°南岸坡：

340°∠89°

F51-3：

188°

∠37°

17

143

4367

1.2×105

稳定

*L为F51-3在边坡出露迹线长度

*计算数据名为jsk5.DAT

块体Ⅵ

f51：

273°∠68°

F50：

140°∠67°南岸坡：

340°

∠89°

F51-3：

188°

∠37°

26

52

3712

9.9×104

稳定

*L为F51-3在边坡出露迹线长度

*计算数据名为jsk6.DAT

块体Ⅶ

F58：

160°∠66°

F11：

292°∠67°北岸坡：

160°

∠89°

F29：

167°

∠60°

18

47

461

1.2×104

5.3

*L为F51-3在边坡出露迹线长度

*计算数据名为jsk7.DAT

块体Ⅷ

F27：

98°∠44°

F50：

285°∠68°北岸坡：

160°

∠89°

F25：

342°

∠28°

21.6

29

1344

3.6×104

稳定

*L为F51-3在边坡出露迹线长度

*计算数据名为jsk8.DAT

由以上计算结果可知：

第一，左岸垂直坡与南岸垂直坡的块体稳定，仅需按设计作好系统锚杆与喷混凝土支护即可；

第二，洞脸坡的块体安全系数为1.09～1.5之间，为不稳定块体，除系统支护外，还需进行锚索支护；

第三，因块体Ⅳ包含了块体Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，故只要对块体Ⅳ进行加固即可。

③边坡支护设计根据以上块体计算成果，同时考虑洞脸边坡顺层切角的作用,并参考类似工程，遵照相关规范，对边坡各部位分别采取如下支护措施：

a.高程765m以上边坡：

喷射C20混凝土100mm厚，锚杆φ25@1500，长度3000mm，并设置直径100mm、长度5m、间排距4.5×4.5m的排水孔，同时在后边坡高程768.50m到774.00m之间设置3排共计17根预应力锚索（T＝2000KN,钻孔深度20m）；

b.后边坡高程765m以下：

喷射C20混凝土100mm厚，锚杆φ28@1500，长度6000mm，并设置8排共计32根预应力锚索（T＝2000KN,钻孔深度20m）；

c.左岸边坡垂直段高程765m以下：

喷射C20混凝土100mm厚，锚杆φ28@1500，长度6000mm，并在原大坝防渗帷幕附近设置7排共计25根预应力锚索（T＝2000KN,钻孔深度20m），另外在引水渠段所有垂直边坡均浇筑2000厚的C20钢筋混凝土护坡；

d.左岸边坡斜坡段高程765m以下：

喷射C20混凝土100mm厚，锚杆φ28@1500，长度7000mm，另外浇筑1000厚的C20钢筋混凝土护坡；

e.右岸边坡垂直段高程765m以下：

喷射C20混凝土100mm厚，锚杆φ28@1500，长度6000mm，并在原大坝防渗帷幕附近设置8排共计25根预应力锚索（T＝2000KN,钻孔深度20m），另外浇筑2000厚的C20钢筋混凝土护坡；

f.右岸边坡斜坡段高程765m以下：

喷射C20混凝土100mm厚，锚杆φ28@1500，长度4000mm（扭面段）或3000mm（其余段），另外浇筑1000厚的C20钢筋混凝土护坡。

3.3.2引水隧洞

引水隧洞内径7.00m，由于本工程引水洞所处围岩地质条件较好（为Ⅱ类、Ⅲ类围岩），围岩自稳能力强，可不考虑山岩压力，通过工程类比确定钢筋混凝土衬砌厚度为0.80m。

（1）荷载取值

①永久作用结构自重：

指钢筋混凝土衬砌自重，荷载分项系数取1.1（对结构不利时）或0.95（对结构有利时）。

②可变作用即水库设计洪水位时的静水压力和水锤压力，其中静水压力的荷载分项系数取1.0，水锤压力的荷载分项系数取1.1。

水库设计洪水位时的内水压力值见表3.3.2-1

表3.3.2-1引水隧洞各段内水压力值

水头

部位

静水头

水锤水头

内水压力水头

上平段末端

38.02

7.90

46.71

上弯段末端

57.796

12.76

71.83

竖井段末端

120.0

22.23

144.45

下弯段末端

141.0

27.25

170.97

下平段钢筋砼末端

141.0

31.45

175.60

下平段钢管末端

141.0

37.05

181.76

外水压力：

按地质专业提供的最高地下水位线及考虑内水外渗引起的外水压力，计算时取两者的大值。

其中下平段最高地下水位引起的地下水压力84m，上平段在地下水位线以上，内水外渗引起的外水压力按水库设计洪水位静水压力的50％取用，其中下平段最大值为71m，上平段最大值为36m,上弯段末端为43m。

当外水压力同内水压力组合时，其折减系数一律取0.1。

隧洞放空检修时，外水压力折减系数取1.0。

回填灌浆压力取0.3MPa。

③弹性抗力为被动力，Ⅱ类围岩弹性抗力系数为5000MPa/m，Ⅲ类围岩弹性抗力系数为4000MPa/m。

（2）荷载组合

根据规范确定的