5[1]6引水建筑物(08变更设计).docx

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1、5.6引水建筑物电站引水建筑物主要由坝式进水口、有压隧洞、调压井、压力管道和重溪补充水源等部分组成。5.6.1 方案布置比较结合挡水建筑物和发电厂房的布置方案，引水建筑物的布置考虑了左、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，选择右岸方案为推荐方案，理由有以下几点：一是从工程投资上，右岸方案比左岸方案明显地节省；二是工程施工上，左岸材料运输方便，但施工干扰大，对村级公路的交通会带来一些影响；三是流域规划要

2、求必须对水资源进行合理利用，右岸有比较合适的厂房位置，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35m,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35明隧洞轴线与岩层走向夹角30。须明挖20-5OrTl方可进洞，进洞段围岩类别HI类。进口段fk为12,单位围岩弹性抗力ko为1020MPaCmT。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行管理，选择坝式进水水口方案。(1)结构布置水库正常蓄水位420m,校核洪水位421.02m,死水位413m。进水口布置位置主要

3、基于进水口的高程拟定在距右坝肩较近的位置，以节省工程量。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%。渐变段以后为有压隧洞段。坝式进水口的基础考虑和大坝基础为同一整体，基础采用C20（2）碎，厚2m,宽7.5m,长5m。进水口支承采用排架结构。进口顶部和侧面均布置成1/4椭圆曲线，a=2.0m,b=0.75m0根据进水口的地形条件，栏污栅的清污比较困难。考虑降低过栅流速，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的d/30拟定为30mmo参

4、照小型水电站机电设计手册（金属结构分册）中介绍的不采取清污措施容许过栅流速为0.5ms,复核本处的过栅流速小于0.5ms0因此本处选取固定栏污栅一是能够满足过栅流速要求，二是减少了工程运行管理期间的清污工作量。栏污栅体和框架投资有所增加，和考虑清污措施相比较，投资节省一些。闸室段和排架相连，进水口采用矩形断面,孔口尺寸为2.0TwTW=SHp式中：Tw压力水道中水流惯性时间常数，S；Li压力水道各分段的长度，m；Vi各分段内相应的流速，m/s；g一重力加速度，m/s2；Hp设计水头，m；TwTw的允许值，取4s。根据上式计算，ZLiVi=11013m2s,Tw=5.8sTw,需设置调压室。调压

5、室布置宜接近在压力隧洞末端靠近压力钢管的地方，即小地名为木子林的地方，但该地为石英砂岩夹页岩，层理发育，围岩类别为HI、IV类，一是对调压室的开挖难度增大，不利于开挖成标准断面，容易形成垮塌，二是对该地方地形太陡，开挖的弃渣需外运至50Om以个地方堆放，运输成本增加，因此，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，但压力管线长度增加，会造成压力管线的水击值相对升高。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的稳定断面计算按托马(Thoma)准则并乘以系数K决定：LiA=K（1、2且+命Ja

6、如MJ式中：A托马稳定断面面积，m2；L一压力隧洞长度，取值6060.98m（含有压进水口长度）；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，死水位时额定出力的设计水头185.91m；力a自水库至调压室水头损失系数，a=T=5.91;VV一压力隧洞流速，取平均值1.48ms;hwO压力隧洞水头损失，取值12.97m；hwm一压力管道水头损失，9.12m；K系数，取1.1；计算得A=1.44m2o（3）调压室的内径拟定和水位波动计算根据水电站调压室设计规范（DL/T5058-1996）中关于上游调压室涌波的计算工况：按水库正常蓄水位时，共用同一调压室的全部机组满载运行

7、瞬时丢弃全部负荷，作为设计工况；按上游校核水位时，相应工况作校核。调压室的类型考虑选择阻抗式调压室。可以抑制调压室的波幅振动，加速波动的衰减。有压引水隧洞喷混凝土的内径为2.4m,阻抗孔内径为2m,为有压引水隧洞面积的69%,对压力管道的水锤影响不会很大。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%额定出力时的流量为5.64m3s,调压室以上有压引水隧洞的水头损失为12.58m,则有压隧洞的阻力系数为0.3955s2m5,调压室过在流量5.64m3s的水头损失为0.22m,则进出调压室的的阻力系数为0.006916s2m50调压室以后的有压隧洞水头损失为0.9

8、5m,压力管道过流量5.64m3s的水头损失为9.5Im,总水头损失为10.46m,则压力管道的阻力系数为0.3288s2m5o阻抗式调压室水位波动的计算的基本微分方程为：连续方程：=(Q-Qm)F=fl(t,Z,Q)dt动力方程：华=(HR-Z-KQSlQS卜RQIQl)gAL=f2(t,Z,Q)at式中:Q、Qm分别为有压隧洞和压力管道的流量，m3/s；F、Z调压室的面积和水位，m2、m；HR水库水位，m；K调压室阻抗水头损失系数，s2m5;Qs调压室的流量，以进入调压室为正，m3/s；R一隧洞的沿程水头损失和局部水头损失系数，s2m5;g一重力加速度，m2/s；A、L有压隧洞的断面面积和

9、长度，m2,m；根据上述基本方程采用龙格一库塔法计算水位波动。已知t时刻的Qt、Zt值，则可以根据以下公式求t+t时刻的Qt+tZt+t之值：Zt+t=Zt+-(K1+2K2+2K3+K4)6Kl=tfl(t,Zt,Qt)K2=tfl(t+,Zt+K,Qt+4)222K3=tfl(t+,Zt+区,Qt+区)222K4=tfl(t+t,Zt+K3,Qt+L3)Qt+t=Qt+-(L1+2L2+2L3+L4)Ll=tf2(t,Zt,Qt)L2=tf2(t+,Zt+区,Qt+4)222L3=tf2(t+,Zt+区,Qt+屋)222L4=tf2(t+t,Zt+K3,Qt+L3)水库正常蓄水位时，2台机

10、组超额定负荷5%运行瞬时丢弃全部负荷，作为设计工况;水库校核洪水位时，全部机组超5%额定负荷运行瞬时丢弃全部负荷，作为校核工况。采用上述方法计算调压室不同内径时的水位波动情况见表5.6-8o机组的设计流量较小，2台机组由2/3负荷增至满载，调压室水位的涌波变化不大，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)44.55调压室壁厚(m)0.40.50.5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)432.38430.50428.75校核工况涌波水位(m)433.46431.41429.80调压井顶部高程(m)434.50432430.5

11、0工程量石方开挖(m3)79510431242碎(m3)329442486模板(m2)546578619钢筋(t)202729投资(万元)49.0364.2971.74调压室的石方开挖按180元/m3计算，衬砌碎按450元/m3计算，模板按78元/m2计算，钢筋制安按7800元/t计算。从表5.6-7得知，调压井在内径为4m时投资最小，因此拟定内径为4m的调压井为推荐方案。(4)结构布置本次设计变更调压室所处的地质条件比原方案变化比较大，原方案为泥盆系上统写经寺组石英砂岩夹页岩、泥灰岩，力学性质相差较大，砂质泥岩、石英砂岩力学性质较好，而页岩力学性质相对较差。本次变更设计改为含燧石灰岩，岩石完

12、整，除局部可能出现节理密集带外，大部分节理不发育，有利于调压室的整体稳定。调压室地面高程为435m,调压室采用阻抗式结构，钢筋硅衬砌。调压室内径4.0m,衬砌厚度0.4Omo阻抗孔内径2m,板厚1.5m。调压室在水库正常蓄水位时机组超5%额定负荷突然丢弃全部负荷时的水位涌波高程为432.38m,在校核工况的最高水位433.46m,调压室顶高程取434.5m。5.6.6压力管道(1)管路布置压力管道范围从调压井后至厂房机组进水管，本次变更设计果将调压井的位置调整到有压隧洞5+638.26桩号处。因此压力管道包括有压隧洞、压力管道主管、支管等部分。其中有压隧洞长度422.72m(5+638.266

13、060.98),压力管道主管从有压隧洞末端至岔管中心长395.00m。岔管中心至1#机长9叫管径0.8m;岔管中心至2#机管长16叫内径0.6m。有压隧洞的围岩从含燧石灰岩过渡到石英砂岩夹岩。压力管道主管位于璞岭向斜北西冀，属岩溶侵蚀中低山地貌，压力管道所经山坡较陡，平均坡度3545。，沿线覆盖层不厚，上部基岩出露较好，中部平缓地段有12m残坡积层。(2)水头损失计算和压力钢管直径选择压力钢管的水力计算采用流量q和直径d为形式参数的函数给出,即h损=f(q,d)0本处只给出各部分的计算公式和参数取值,详细计算过程省略。电站装机2台，从调压室至岔管中心的压力钢管长度395.00m,岔管中心至1

14、机长9m,管径0.8m；岔管中心至2#机管长16m,内径0.6m。沿程水头损失计算采用斯考倍公式：h沿=mQ1.9L/(0.6319D4.9)式中：a管道形式影响系数，取值0.00083m一使用年限系数，取值1.22v、D、L为钢管中水的流速(m/s)、内径(m)和长度(m)压力钢管局部水头损失主要包括以下几个组成部分： .各个弯管转弯半径按3D考虑，弯管水头损失：(7D1aC弯=0.131+0.163()0.5R式中：R弯管转弯半径(m)；D弯管内径(m)；a弯管转角，见压力管道布置图。 .岔管：岔管的局部水头损失系数参照水电站调压室设计规范(DL/T5058-1996)取值为0.2o钢管

15、管径的的选择直接关系到水电站的经济效益，首先按经济管径近似公式计算几个参考管径后，然后采用技术经济比较选择最合适的管径。参照“彭德舒”经验公式：D=7152Qniax式中QmaX与H分别为钢管中的最大流量和设计水头，采用公式计算的经济管径为1.16m,取1.2m0在调压室水位和机组喷嘴中心高程已知的情况下，水机工作水头由压力管道的毛水头和水头损失决定，而管路的水头损失同时又与机组的流量、管径相关。压力钢管的管径以1100mm为基准方案，另增加内径为120Omm、130Omm、140Omm三个方案进行比较，方案比较采用差额内部收益率法。压力钢管经济比较中水能计算的方法同前，投资变化的因素考虑压力

16、钢管直径变化引起的金属结构工程量的变化和土建投资的变化。压力钢管包括直管、弯管、加劲环和支承环等部分，其平均加权制安单价按13000元/t计入投资。计算期内的上网电价按0.35元/kWh计算，有效电量系数0.95,线路损耗9%,电费的增值税按17%考虑。表5.6-9压力钢管经济技术比较表方案方案1方案2方案3方案4方案5钢管内径（mm）10001100120013001400装机规模（kW）l5000+l3200水库正常蓄水位（m）420420420420420死水位（m）413413413413413机组尾水4立（m）205205205205205水头损失小计21.812.748.325.8

17、4.27其中：沿程损失18.3810.166.924.83.54局部损失3.422.581.410.73额定流量（m3s）5.725.405.265.185.14投资变化钢管重量增加（t）28.2914.6338.2235.43钢管附件重量增加（本体10%）2.831.463.823.54钢管投资增加（万元）40.4620.9254.6550.66水工投资增加（万元）5.457.638.267.83投资增加小计（万元）45.9128.5562.9158.49发电量变化（万kWh）62.3434.2310.237.56收益变化（万元）16.128.852.651.96差额内部收益率IRR（%）3

18、5.0330.86-1.58-3.54从表5.6-9中可以看出，方案2比方案1多投资45.91万元，年收益增加16.12万元，按1年施工期（考虑钢管施工期，小于1年按1年计取）,取计算期为21年得差额内部收益率AIRR为35.03%,大于社会折现率Is=8%,故方案2优于方案1；同样方案3和方案2进行比较得出差额内部收益率1队为30.86%,大于社会折现率Is=8%,故方案3优于方案2；同理可得，方案4和方案3比较得差额内部收益率AIRR为-1.58%,小于社会折现率Is=8%,说明方案3优于方案4。因此选择方案4（内径120Omm）为推荐方案。根据推荐的1200mm内径的压力钢管，计算水库在

19、不同水位下压力钢管的水头损失情况见表5.6-10o本表计算成果是考虑机组在正常尾水位205m的情况下。表5.6-10压力管道水力计算成果表机组名称死水位413m正常蓄水位420m设计洪水位420.88m校核水位421.02m压力主管引用流量(m3s)5.525.265.235.225000kW机组总水头损失8.637.897.807.76其中:沿程水头损失7.086.476.406.37局部水头损失1.551.421.401.393200kW机组总水头损失9.588.758.658.62其中:沿程水头损失8.057.367.287.25局部水头损失1.531.391.371.37(3)压力钢管

20、壁厚拟定电站属于高水头,加工压力钢管的钢板执行碳素结构钢(GB700-88),选择牌号Q235C级。其力学性能主要指标为：壁厚16mm的屈服点s225Mpa;抗拉强度b=375Mpa0明管壁厚由工作厚度及锈蚀裕量两部分组成，压力钢管的壁厚按锅炉公式计算：=YH设xR()式中:Y水的容重，取9.81lO3kN;H设一考虑水击上升值的计算水头(m),按20%的水击上升值估算；R一钢管内径(m)；焊缝系数，取0.85;容许应力，因未计入其它荷载，将允许应力降低20%,取0.80.55s,取值为99Mpa;根据以上公式进行计算，结合钢管加工的制造壁厚规格，考虑锈蚀壁厚2mm。经计算0#镇墩至1#镇墩计

21、算壁厚为2.6mm,小于最小壁厚6mm,因此取6mm,压力钢管不能满足抗外压稳定要求,且0#镇墩至1#镇墩距离不长，因此将壁厚增加到Iomm,以满足抗外压稳定要求；1#镇墩至2#镇墩计算壁厚为7.6mm,取计算壁厚8mm,制造壁厚为IOmm；2#镇墩至3#镇墩计算壁厚为13.8mm,取计算壁厚14mm,制造壁厚为16mm；3#镇墩至4#镇墩计算壁厚17.5mm,取计算壁厚18mm,制造壁厚20mm；4#至5#镇墩计算壁厚17.9mm,取计算壁厚18mm,制造壁厚20mmo(4)水击计算调压室布置在有压隧洞5+638.26桩号处，调压室后的有压隧洞长度422.72m(5+638.266+060.

22、98),压力管道主管从有压隧洞末端至岔管中心长395.0Om。岔管中心至1#机长9m,管径0.8m；岔管中心至2#机管长16m,内径0.6m。主阀至蜗壳长4.0m,蜗壳长3.5m,尾水长4.5m。水击计算目的是求出管道中的最大和最小内水压强，最大内水压强考虑在调压室为最高水位时，电站超额定出力5%,丢弃全部负荷时的水击压力上升值为控制工况；最小内水压强的大小主要取决于工作水头、流量变化和阀门调节时间等水管特性因素。水库在校核水位时电站按额定出力超发5%时的工况对应的流量为5.56m3s0考虑水库为死水位时，电站机组由全关到全开达到额定出力时的水击下降值为控制工况。电站的压力钢管为复杂管型，既有

23、串联管，又有分岔管，采用合肢法计算电站的水击值。按下式计算水锤波传播速度：1435式中：C一水锤波传波速度，m/s；、Ew水的体积弹性模量，取2.06r2回填混凝土的内半径、外半径，m；rfJ单位管道中钢筋的截面积和钢筋圈的半径，m；按照上述公式计算的加权平均水击波速为1123mso水轮机为混流式机组，因管线较长，水头较高，取导叶全关闭时间Ts=8s,则导叶有效关闭时间为Ts,=5.6s0计算2La=1.51小于TsL属于间接水锤，计算水管特性常数P=F=0.8539、2gM=JnU=02295。计算pm,即最大水锤压强属于第一相水锤。水击上升值采用g0J-s22公式l=，水击下降值采用近似计算公式l=O详细计算见表5.6-H。+p-1+p+cr表5.6-11压力钢管水击计算成果表管段编号LV(m2s)最大水头(m)最小水头(m)水击上升值(m)水击下降值(m)最大水头(m)最小水头(m)隧洞段74843.6523.193.211.3346.8621