第六章水電站建筑物典型布置型式分類

1.水電站的任務(wù)：水能—機(jī)械能—電能；N=9.81ηQH

發(fā)電必須有流量和水頭，形成水頭方式即水電站的開發(fā)方式。

2.按其集中水頭的方式不同分為：壩式、引水式和混合式三種基本方式。

抽水蓄能電站和潮汐電站也是水能利用的重要型式。6.1水電站的組成和類型原理:利用筑壩集中河道落差，形成水頭。

優(yōu)點(diǎn):水頭高（水頭由壩高決定），調(diào)節(jié)性能好;引用流量較大，電站的規(guī)模也大，水能利用較充分，綜合利用效益高。

缺點(diǎn):淹沒多、移民工作量大。投資大，工期長(zhǎng)。

適用條件:

河道坡降較緩，流量較大，并有筑壩建庫的條件。1、壩式水電站壩式水電站河床式(H＜30~40m)壩后式廠房位置引水道布置于壩內(nèi)引水道布置于河岸壩后式廠房壩內(nèi)式廠房溢流式廠房河岸式廠房壩式水電站分類挑流式廠房廠房位置概念：當(dāng)水頭較大時(shí)，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移到壩后，由大壩擋水。

位置：壩后式水電站一般修建在河流的中上游。

特點(diǎn)：庫容較大，調(diào)節(jié)性能好。如為土壩，可修建河岸式電站。

工程實(shí)例：舉世矚目的三峽水電站就是壩后式水電站，其裝機(jī)容量為18200MW。壩后式水電站壩后廠房

萬家寨壩后式水電站河床式水電站

當(dāng)水頭較小，廠房本身能承受水壓力，與壩并排建在河道中，而成為擋水建筑物的一部分。工程實(shí)例：葛洲壩水電站，富春江水電站。一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上，為避免大量淹沒，建低壩或閘。適用水頭：大中型：25米以下，小型：8~10米以下。特點(diǎn)：引用流量大、水頭低。注：廠房本身起擋水作用是河床式水電站的主要特征。富春江河床式電站葛洲壩河床式電站河岸式廠房將引水道繞過壩體布置在河岸。石門壩后河岸式廠房適用于水頭較高的電站，廠房設(shè)置在壩后，廠房本身不起擋水作用。典型實(shí)例：三峽水電站。壩后式水電站—

壩后式廠房壩后式廠房三峽水電站

——壩后式廠房壩后式水電站—

壩內(nèi)式廠房

當(dāng)河面狹窄無法布置廠房時(shí)，將廠房設(shè)置在混凝土重力壩或重力拱壩的壩體空腹內(nèi)。壩后式水電站—

挑流式廠房當(dāng)河谷較窄而水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)較多、布置廠房有困難時(shí)，可將廠房布置在溢流壩下游，讓溢流水舌挑越廠房頂泄入下游河道，這種布置稱為挑越（流）式水電站。貴州的烏江渡水電站。壩后式水電站—

溢流式廠房

將廠房布置在溢流壩下游，讓廠房頂兼做溢洪道渲泄洪水的布置形式即溢流式廠房。工程實(shí)例如浙江的新安江水電站和云南的漫灣水電站。

2、引水式水電站

原理:

利用引水道集中河道落差，形成水頭。

特點(diǎn)：

1、水頭相對(duì)較高，最大水頭已達(dá)2000米以上。

2、引用流量較小，沒有水庫調(diào)節(jié)徑流，水量利用率較低，綜合利用價(jià)值較差。

3、電站庫容很小，基本無水庫淹沒損失，工程量較小，單位造價(jià)較低。

分類:

無壓引水道式，

有壓引水道式。

適用條件:

坡降大,流量較小的山區(qū)性河段;河道裁彎和跨流域引水。下馬嶺引水式水電站引水式電站示意圖

3、混合式水電站原理:在同一河段上用壩集中上游部分落差，再通過有壓引水道集中下游部分落差而形成總水頭。適用條件:上游有良好的筑壩條件，同時(shí)下游部分坡降大時(shí)。特點(diǎn)：兼有壩式和引水式水電站的優(yōu)點(diǎn)。

典型工程實(shí)例：魯布革水電站，石龍壩水電站。引水式水電站進(jìn)水口引水道調(diào)壓室壓力管道廠房輸變電尾水道石龍壩水電站云南昆明石龍壩水電站是我國大陸的第一座水電站，其裝機(jī)容量?jī)H為1440kW，1910年7月開工建設(shè)，1912年4月發(fā)電。4、抽水蓄能電站原理：設(shè)置上、下兩個(gè)水庫，裝設(shè)具有抽水及發(fā)電雙重功能的機(jī)組，利用電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷期間的剩余電能向上水庫抽水，而在系統(tǒng)負(fù)荷高峰期間從上水庫放水發(fā)電。相當(dāng)于利用上庫存儲(chǔ)電能。兩個(gè)過程：1、抽水蓄能2、放水發(fā)電廣州抽水蓄能電站天荒坪抽水蓄能電站抽水蓄能電站5、潮汐電站潮汐：潮汐現(xiàn)象是海水因受日月引力而產(chǎn)生的周期性升降運(yùn)動(dòng)，即海水的潮漲潮落。

潮汐發(fā)電原理：利用潮水漲、落產(chǎn)生的水位差所具有勢(shì)能來發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽òl(fā)電）的過程。潮汐發(fā)電原理單向潮汐電站雙向潮汐電站僅在退潮時(shí)利用池中高水位與退潮低水位的落差發(fā)電。不僅在退潮時(shí)而且在漲潮時(shí)利用漲潮高水位與池中的水位差發(fā)電。潮汐電站分類法國朗斯潮汐電站1966年投入運(yùn)行，是第一個(gè)商業(yè)化電站。該電站裝機(jī)24臺(tái)，每臺(tái)1萬千瓦，共24萬千瓦。設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量5.44億度。一、樞紐建筑物擋水建筑物：壩、閘泄水建筑物：溢洪道、泄水洞、溢流壩過壩建筑物：過船、過木、過魚二、發(fā)電建筑物進(jìn)水建筑物：進(jìn)水口、沉沙池引水建筑物：引水道、壓力管道、尾水道平水建筑物：前池、調(diào)壓室廠區(qū)樞紐：主廠房、副廠房、變電站、開關(guān)站等6.2水電站的組成建筑物6.3水輪機(jī)水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的一種機(jī)械。現(xiàn)代水輪機(jī)按水能利用的特征分為：反擊式水輪機(jī)、沖擊式水輪機(jī)。

（一）反擊式水輪機(jī)定義：利用水流的勢(shì)能和動(dòng)能做功的水輪機(jī)稱為反擊式水輪機(jī)。特征：在反擊式水輪機(jī)流道中，水流是有壓的，水流充滿水輪機(jī)的整個(gè)流道。類型：反擊式水輪機(jī)按水流流過轉(zhuǎn)輪的方向不同又分為混流式、軸流式、斜流式與貫流式四種型式。

混流式水輪機(jī)軸流式水輪機(jī)斜流式水輪機(jī)貫流式水輪機(jī)混流式水輪機(jī)軸流式水輪機(jī)二、沖擊式水輪機(jī)利用水流的勢(shì)能來做功的水輪機(jī)為沖擊式水輪機(jī)。沖擊式水輪機(jī)主要由噴嘴和轉(zhuǎn)輪組成。在沖擊水輪機(jī)流道中，水流沿流道流動(dòng)過程中保持大氣壓力，水流有與空氣接觸的自由表面，轉(zhuǎn)輪只是部分進(jìn)水，水流不是充滿整個(gè)流道的。水斗式水輪機(jī)是沖擊式水輪機(jī)中目前應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型。

沖擊式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪機(jī)殼噴嘴噴管尾水槽輪葉輪盤水斗式水輪機(jī)6.4進(jìn)水口

功用：位于輸水系統(tǒng)首部，按負(fù)荷要求引進(jìn)發(fā)電用水。進(jìn)水口的功用及要求要求：（1）要有足夠的進(jìn)水能力（流量，高程，防堵塞）（2）水質(zhì)要符合要求(防污、防沙、防冰

)。（3）可控制流量。（4）水頭損失要小（形狀、流態(tài)、流速、防堵塞）（5）滿足建筑物的一般要求（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、造型美觀、造價(jià)低廉、便于運(yùn)行維護(hù)和檢修）。電站整體示意圖按水流條件可分為:1．無壓進(jìn)水口：供水入無壓水道。如明渠和沉沙池。一般用于無壓引水式電站。※2．有壓進(jìn)水口：供水入壓力水道。如壓力管道和壓力隧洞。一般適用于河流水位變幅大或從水庫引水的水電站，即有壓引水式、壩后式和混合式電站。進(jìn)水口的分類無壓引水式水電站供水入無壓水道。無壓進(jìn)水口后引水道是無壓的。有壓引水式水電站有壓引水式、壩后式、混合式供水入有壓水道。有壓進(jìn)水口后引水道是有壓的。有壓進(jìn)水口1、位置：布置原則：合理布置進(jìn)水口在樞紐總體中的位置。①保持水流平順、對(duì)稱，不發(fā)生回流和漩渦，不出現(xiàn)淤積，不聚集污物，泄洪時(shí)仍能正常進(jìn)水。②進(jìn)水口后接壓力隧洞，應(yīng)與洞線布置協(xié)調(diào)一致，要選擇地形、地質(zhì)及水流條件均較好的位置。有壓進(jìn)水口

①

頂部高程:保證在最低運(yùn)行水位以下有足夠淹沒深度，淹沒深度以不產(chǎn)生漏斗狀吸氣旋渦為原則，防止引水道出現(xiàn)負(fù)壓。

②

底部高程：進(jìn)水口的底部高程通常在水庫設(shè)計(jì)淤沙高程以上0.5~1.0m，當(dāng)設(shè)有沖沙設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)排沙情況而定。

2、高程③

滿足分期發(fā)電要求（大型）臨界淹沒深度：C：經(jīng)驗(yàn)系數(shù)0.55-0.73；V:閘門斷面流速（m/s)d：閘門孔口高度(m)在滿足臨界淹沒深度S的條件下，進(jìn)水口高程應(yīng)盡可能抬高，以改善受力條件，降低閘門和起閉設(shè)備造價(jià)。有壓進(jìn)水口3、輪廓尺寸①

進(jìn)水口的形狀應(yīng)平滑漸變，使水流平順，無突變和漩渦；流速應(yīng)盡量小且變化均勻。水流不平順或不對(duì)稱，容易出現(xiàn)旋渦，進(jìn)水口前如有回流區(qū)，則漂浮的污物大量聚集，難以清除并影響進(jìn)水。②

進(jìn)口流速不宜太大，一般控制在1.5m/s左右。進(jìn)水口尺寸取決于攔污柵斷面、閘門孔口斷面以及隧洞斷面。有壓進(jìn)水口3、輪廓的一般要求進(jìn)口流速一般控制在1.5m/s左右。進(jìn)口段頂部曲線目前廣泛采用四分之一橢圓曲線。橢圓曲線方程為：D為隧洞直徑進(jìn)口段進(jìn)口段的長(zhǎng)度沒有一定標(biāo)準(zhǔn)，在滿足工程結(jié)構(gòu)布置與水流順暢的條件下，盡可能緊湊。閘門段閘門段是進(jìn)口段和漸變段的連接段，閘門及啟閉設(shè)備在此段布置。閘門段一般為矩形，工作閘門凈過水面積為(1.1~1.25)洞面積；檢修閘門孔口與此相等或稍大。門寬B等于洞徑D，門高略大于洞徑D。漸變段矩形閘門段到圓形隧洞的過渡段。通常采用圓角過渡，圓角半徑r可按直線規(guī)律變?yōu)樗矶窗霃絉

；漸變段的長(zhǎng)度：一般為隧洞直徑的1.5~2.0倍；側(cè)面收縮角為6?~8°為宜，一般不超過10°。有壓進(jìn)水口按進(jìn)水口的結(jié)構(gòu)特征，有壓進(jìn)水口可分為以下四類：①洞式進(jìn)水口②墻式進(jìn)水口③塔式進(jìn)水口④壩式進(jìn)水口4、分類①洞式進(jìn)水口特點(diǎn)：閘門布置在從山體開挖出來的豎井中,進(jìn)口段開挖成喇叭形，以使入水平順。閘門段經(jīng)漸變段與引水隧洞銜接。充分利用了巖體的作用，節(jié)省了混凝土工程量，造價(jià)低，應(yīng)用廣泛。適用條件：地質(zhì)條件好，山坡坡度適宜的情況。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件不好，擴(kuò)大進(jìn)口和開挖豎井會(huì)引起塌方，地形過于平緩，不易成洞，或過于陡峻，難以開鑿豎井。②墻式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：進(jìn)口段和閘門段均布置在山體之外，形成一個(gè)緊靠在山巖上的墻式建筑物。它承受水壓及山巖壓力，要有足夠的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。適用條件：進(jìn)口處地質(zhì)條件較差，或岸坡陡峻，不易挖井的情況。有壓墻式進(jìn)水口示意圖③塔式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：將進(jìn)口段、閘門段、上部框架組成塔式結(jié)構(gòu)，聳立在水庫中，通過工作橋與岸邊相連。可從一邊或四周進(jìn)水。進(jìn)水孔可按高度布置一層或多層（按要求取水）。適用條件：進(jìn)口處地質(zhì)條件較差或岸坡坡度平緩。有壓塔式進(jìn)水口示意圖有壓塔式進(jìn)水口示意圖④壩式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：進(jìn)水口結(jié)構(gòu)依附在壩體上，進(jìn)口段與閘門段合二為一，并與壩內(nèi)壓力鋼管銜接。為了不削弱壩體，進(jìn)水口或其攔污柵可設(shè)在伸出壩體的懸臂平臺(tái)上。攔污柵多數(shù)豎直布置，也可沿壩面傾斜布置（課本68頁5-3b)。適用條件：混凝土壩的壩式電站。有壓壩式進(jìn)水口示意圖有壓進(jìn)水口攔污柵

檢修閘門

工作閘門

充水閥

通氣孔5、主要設(shè)備

攔污柵、檢修閘門、工作閘門①攔污設(shè)備：進(jìn)水口阻止漂浮物的主要措施。有效防止漂木、樹枝、浮冰等漂浮物進(jìn)入進(jìn)水口。②檢修閘門：設(shè)在事故閘門上游測(cè)，當(dāng)檢修工作閘門及其門槽時(shí)用于堵水。一般在靜水中開啟和關(guān)閉。③工作閘門：當(dāng)機(jī)組或引水道內(nèi)發(fā)生事故時(shí)，緊急關(guān)閉閘門切斷水流，以防事故擴(kuò)大。或者用以關(guān)閉進(jìn)水口檢修引水道。要求在動(dòng)水中關(guān)閉，靜水中開啟。a.作用：防止有害污物、漂浮物等進(jìn)入進(jìn)水口，影響過水能力。b.布置：(1)平面傾斜：傾角一般為60-70度。過水?dāng)嗝娲螅子谇逦郏m用于洞式、墻式進(jìn)水口。(2)平面直立：易于清污，適用塔式、壩式進(jìn)水。(3)進(jìn)水面：多邊形或平面的。攔污柵攔污柵傾斜布置洞式、墻式進(jìn)水口塔式進(jìn)水口壩式進(jìn)水口攔污柵直立布置c.結(jié)構(gòu)支承結(jié)構(gòu)：一般金屬框架或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；柵片結(jié)構(gòu)：由若干柵片組成，柵片放在支承結(jié)構(gòu)的柵槽中。尺寸為4.5×2.5m(高×寬)。柵片間距根據(jù)水輪機(jī)的型號(hào)和尺寸選定。對(duì)混流式及軸流式水輪機(jī)，凈距分別為轉(zhuǎn)輪直徑的1/30及1/20。另外，應(yīng)保持過柵流速盡量小，以減小水頭損失和清污的困難，不宜大于1m/s。攔污柵攔污柵圖片攔污柵d.清污及防凍清污：當(dāng)攔污柵前污物堵塞時(shí)，會(huì)造成柵前后水位差，不僅會(huì)增加水頭損失，還會(huì)壓壞柵片，因此必須清污，可以用清污設(shè)備來完成。定期清污（人工、機(jī)械）污物多，清污困難：加設(shè)粗柵或攔污浮排防凍（結(jié)冰）：低壓電流加熱或在攔污柵下部通壓縮空氣，或?qū)r污柵建在室內(nèi)。④充水閥在工作閘門前后設(shè)充水閥的進(jìn)出口，滿足閘門靜水中開啟的要求。

a.作用：開啟閘門前向引水道充水，平衡閘門前后水壓，以便在靜水中開啟閘門，從而減小啟門力。

b.尺寸：根據(jù)充水容積、下游漏水量及要求的充水時(shí)間來確定。

c.布置形式：

①設(shè)置連通閘門上下游側(cè)的旁通管，在管中設(shè)充水閥，將充水閥設(shè)置在廊道內(nèi)。

②設(shè)置在工作閘門上（應(yīng)用較少）。⑤通氣孔

a.位置：有壓進(jìn)水口的事故閘門之后。

b.作用：引水道充水時(shí)排氣，事故閘門緊急關(guān)閉、放空引水道時(shí)，補(bǔ)氣以防出現(xiàn)有害真空。

c.面積：取決于工作閘門緊急事故關(guān)閉時(shí)所需的進(jìn)氣流量（取為進(jìn)水口最大引用水流量）。面積=最大進(jìn)氣流量/允許進(jìn)氣流速Va

露天式管道進(jìn)水口，Va一般取30~50m/s，壩內(nèi)管道和隧洞：Va取70~80m/s。

e.

要求：通氣孔的位置要高于上游最高水位以防止水流溢出,同時(shí)妥善選擇出口位置,以免進(jìn)氣時(shí)吸入周圍物體。引水式電站示意圖6.5壓力管道的功用和類型水輪機(jī)水庫引水管道末端的前池調(diào)壓室有壓狀態(tài)全部或大部分水頭壓力管道的概念

對(duì)壩式電站，壓力管道的起點(diǎn)一般是水庫進(jìn)水口；對(duì)無壓引水式的電站，壓力管道的起點(diǎn)一般是壓力前池；對(duì)有壓引水式電站，壓力管道的起點(diǎn)一般是從調(diào)壓室開始。壩式水電站無壓引水式水電站壓力管道壓力管道有壓引水式水電站調(diào)壓室①坡度陡②承受電站的最大水頭，且承受水錘產(chǎn)生的動(dòng)水壓力比較大。③靠近廠房，因此它必須是安全可靠的，萬一出現(xiàn)事故，將直接危及廠房安全。基于以上特點(diǎn)，壓力管道的經(jīng)濟(jì)性和安全性在水電站設(shè)計(jì)過程中受到特別重視。壓力管道的特點(diǎn)壓力管道的基本參數(shù)壓力管道的主要荷載是內(nèi)水壓力，在工程上，管道內(nèi)徑D(m)和水頭H(m)及其乘積HD(m2)值是標(biāo)志壓力管道規(guī)模及其技術(shù)難度的最重要特征值。隨著國內(nèi)外越來越多的大型常規(guī)電站和抽水蓄能電站的興建，管道的HD值急劇增長(zhǎng)，壓力管道日益向著巨型化和超巨型化發(fā)展。

三峽工程，壩式電站，D＝12.4m，H＝140m，HD＝1730m2；山西西龍池抽水蓄能電站D＝3.5m，H＝1015m，HD＝3552m2；國外HD值最高的出現(xiàn)在抽水蓄能電站，已超過5000m2）按材料分★按布置方式分壓力管道的類型露天式（明鋼管）地下式（地下埋管）混凝土壩身管鋼管鋼筋混凝土管鋼襯鋼筋混凝土管壓力管道中高水頭電站中小型電站HD值較大電站木管應(yīng)用較少木管鋼筋混凝土管鋼管管節(jié)

①明管(exposedpenstock)：暴露在空氣中，一般在引水式地面廠房電站中采用。按照材料的不同，明管可分為：

a．鋼管,白山二期電站的壓力管道

b．鋼筋混凝土管：普通鋼筋混凝土管因易于開裂，在工程中應(yīng)用很少，一般只用在HD值﹤50m2的電站。

c．鋼襯鋼筋混凝土管：鋼襯與外包鋼筋混凝土聯(lián)合承載，可減小鋼襯厚度；按限裂設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮鋼筋作用，適用于HD值較大的電站。明管示意圖為了使管壁受力均勻，支座處管壁加支承環(huán)；為保持鋼管抗外壓穩(wěn)定，有時(shí)在支承環(huán)間加設(shè)加勁環(huán)。

②地下埋管(undergroundpenstock)

：埋藏于地下巖層中的鋼管，它可以是斜的，垂直的，因此也被稱為斜井，豎井。地下埋管是大中型水電站中應(yīng)用最多的一種壓力管道。目前，國內(nèi)外裝機(jī)容量為100萬kW以上的常規(guī)水電站和抽水蓄能電站中，大部分采用了地下埋管。

特點(diǎn)：這種管道布置靈活，能和圍巖共同承擔(dān)水壓力，并且運(yùn)行不受干擾，維護(hù)簡(jiǎn)單。但是在地下水壓較大的地方，管道受外壓失穩(wěn)的威脅比較大，因此對(duì)地下埋管一般需要進(jìn)行襯砌。地下埋管示意圖按照襯砌形式的不同，將地下埋管分為以下四類：

分類適用條件應(yīng)用情況工程實(shí)例不襯砌地質(zhì)條件很好在挪威應(yīng)用的較多廣西天湖水電站壓力豎井和斜井噴錨或鋼筋混凝土襯砌地質(zhì)條件稍差在抽水蓄能電站中廣蓄和天荒坪抽水蓄能電站鋼襯+回填混凝土地質(zhì)條件很差，對(duì)防滲要求較高應(yīng)用比較廣泛二灘水電站和魯布革水電站鋼襯鋼筋混凝土襯砌地質(zhì)條件稍差，施工非常復(fù)雜工程中很少應(yīng)用在國內(nèi)只有天生橋電站中采用

③混凝土壩身管：這種管道形式一般依附于壩身，并且在混凝土壩后式水電站中應(yīng)用非常廣泛。特點(diǎn)：它由于進(jìn)水口設(shè)于壩體，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，因此引水長(zhǎng)度最短，水頭損失小，機(jī)組調(diào)節(jié)保證條件好。但是管道的安裝會(huì)干擾壩體施工，同時(shí)，壩內(nèi)埋管空腔會(huì)削弱壩體，使壩體應(yīng)力惡化。

混凝土壩身管按照管道在壩身上的不同位置，可以分為以下三類：a．壩內(nèi)埋管(penstockembeddedindam)b．壩上游面管(penstocklaidonupstreamsurfaceofdam)c．壩下游面管(penstocklaidondownstreamsurfaceofdam)

布置在壩體內(nèi)部,多為壩后式或壩內(nèi)式廠房采用。布置型式有豎井式和斜井式。工程實(shí)例：直徑最大的是廣西紅水河巖灘電站鋼管，d=10.8m。壩內(nèi)埋管壩后式廠房壩內(nèi)式廠房管道大部分位于水庫內(nèi)，檢修維護(hù)很困難，在國內(nèi)工程中很少使用，比較典型的是伊朗的卡比爾水電站。壩上游面管由于進(jìn)水口較高，減少了對(duì)壩體的削弱，同時(shí)有利于保持大壩的整體性，因此在工程中應(yīng)用很廣泛。在我國東江和緊水灘水電站都采用了這種型式。壩下游面管按布置方式分分類明管：暴露在空氣中(無壓引水式電站)鋼管鋼筋混凝土管鋼襯鋼筋混凝土管地下埋管:埋入巖體。(超過100萬kW

以上的常規(guī)水電站和抽水蓄能電站)不襯砌噴錨或混凝土襯砌鋼襯+回填混凝土鋼襯鋼筋混凝土襯砌混凝土壩身管：依附于壩身(混凝土重力壩及重力拱壩)壩內(nèi)管道壩上游面管壩下游面管壓力管道類型小節(jié)管道與廠房的相對(duì)位置主要取決于整個(gè)廠區(qū)樞紐布置中各建筑物的布置情況，另外水電站機(jī)組往往不止一臺(tái)，壓力管道可能有一根或數(shù)根，壓力管道向機(jī)組的供水常有這樣三種類型：壓力管道的供水方式壓力管道的供水方式

單元供水聯(lián)合供水

分組供水

1．單元供水：一管一機(jī)。機(jī)組前不設(shè)快速閥門。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(無岔管)、工作可靠、靈活性好，易于制作缺點(diǎn)：相同水頭損失下，造價(jià)較高布置：平面尺寸大，與前室、調(diào)壓室連接困難適用：(1)單機(jī)流量大、長(zhǎng)度短的地下埋管或明管；(2)混凝土壩內(nèi)管道壓力管道的供水方式Ⅰ2．聯(lián)合供水：一根主管，向多臺(tái)機(jī)組供水。單機(jī)規(guī)模大，多分岔管。機(jī)組前設(shè)快速閥門。優(yōu)點(diǎn)：相同水頭損失下，造價(jià)較低缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜（岔管）、靈活性差布置：較容易適用：廣泛應(yīng)用于地下埋管和明管，機(jī)組數(shù)較少、單機(jī)流量較小、引水道較長(zhǎng)。壓力管道的供水方式Ⅱ壓力管道的供水方式Ⅲ2．分組供水：設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺(tái)機(jī)組供水。單管規(guī)模適中，少分岔管。設(shè)快速閥門。造價(jià)：介于前兩種之間布置：介于前兩種之間適用：廣泛應(yīng)用于地下埋管和明管。壓力水管較長(zhǎng)，機(jī)組臺(tái)數(shù)多，單機(jī)流量不大的情況。供水方式選定以后，每條管道通過的流量也隨之確定，接著應(yīng)對(duì)管道直徑進(jìn)行選擇。由于管道費(fèi)用較高，直徑越小，管道用材及造價(jià)越低，但管中流速越大，水頭損失與發(fā)電損失也越大。因此管道直徑應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較選定。壓力管道直徑的選擇壓力管道的直徑通過動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算確定。

一般做法是：初擬幾個(gè)直徑，進(jìn)行動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較，選定最優(yōu)直徑。初設(shè)時(shí)可用下列經(jīng)驗(yàn)公式初定管道直徑。Qmax—鋼管的最大設(shè)計(jì)流量，單位：m3/sHp—設(shè)計(jì)水頭，m。壓力管道直徑的選擇

K為系數(shù)，它與摩阻、材料價(jià)格、折舊費(fèi)、維修費(fèi)、電價(jià)、管道年運(yùn)行小時(shí)等因素有關(guān)。

壓力鋼管長(zhǎng)期承受高的內(nèi)水壓及力以及水錘沖擊等動(dòng)力作用，屬于壓力容器類結(jié)構(gòu)，對(duì)材料要求嚴(yán)格，早期壓力鋼管事故多為選材不當(dāng)所致。鋼管的受力管道的受力構(gòu)件有管壁、加勁環(huán)、支承環(huán)、支座滾輪、支承板等。

工作特點(diǎn)：內(nèi)水壓力大，并經(jīng)常承受沖擊荷載的作用；低溫狀態(tài)下工作(水溫在4℃左右)對(duì)鋼材的工作條件不利。制作過程：板裁：冷卷、輥壓成形；現(xiàn)場(chǎng)焊接(焊前對(duì)鋼材和焊接材料進(jìn)行材質(zhì)檢驗(yàn)、可焊性試驗(yàn)，保證材料質(zhì)量)；檢查焊縫(γ射線、超聲波)

壓力管道的工作特點(diǎn)和制作程序鋼材的屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度（屈強(qiáng)比/）斷裂時(shí)的延伸率沖擊韌性（反映材料抵抗沖擊能力）

塑性指標(biāo)（伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ）機(jī)械性能輥軋冷彎（塑性變形、冷作強(qiáng)化、冷脆）焊接（工藝簡(jiǎn)單，無裂紋和殘余應(yīng)力）

加工性能化學(xué)成分：主要是鋼材的化學(xué)和合金的含量方面的要求。它們影響鋼材的強(qiáng)度、ε、焊接性能。例如含碳不要過高(脆)，硫、磷等有害元素需嚴(yán)格控制。鋼材的基本性能機(jī)械性能：一般來說，強(qiáng)度越高，塑韌性越差。對(duì)于壓力鋼管這樣的容器，良好的塑韌性十分重要，它能使結(jié)構(gòu)應(yīng)力趨于均勻，減少應(yīng)力集中，提高承載力，防止脆斷，增加安全性，有利于冷加工成型和焊接。寧可強(qiáng)度低而保證塑韌性高。舉例來說：A3鋼塑韌性好，但容許應(yīng)力（240）低；16Mn鋼強(qiáng)度較高（330），但塑韌性差。當(dāng)HD值不夠大時(shí)，選擇A3鋼；只有當(dāng)HD>600m2，δ=32mm～40mm，A3鋼不易加工時(shí)采用16Mn。常用鋼材高強(qiáng)鋼鋼管一般采用鎮(zhèn)靜溶煉的熱軋平爐低碳鋼或低合金鋼。常用鋼材我國：日本：美國：原蘇聯(lián)：高強(qiáng)鋼A517

1、優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格不貴。加工和焊接性能良好。就是鋼材屈服強(qiáng)度不高。一般A3、16Mn不需論證，可直接采用。

2、缺點(diǎn)：隨著水電站鋼管參數(shù)的提高，常用鋼材已不能滿足要求，如繼續(xù)采取強(qiáng)度等級(jí)低的鋼材，鋼板厚度必然增加。當(dāng)厚度增加到一定程度時(shí)，加工焊接和運(yùn)輸都會(huì)出現(xiàn)困難，造價(jià)也將增加。要改善這一狀況，必須采用強(qiáng)度等級(jí)高的鋼材。常用的鋼材優(yōu)缺點(diǎn)高強(qiáng)鋼優(yōu)缺點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)上有利。鋼管厚度可以減薄，用材量少，運(yùn)輸、加工、焊接、安裝等費(fèi)用可降低，總成本相對(duì)較低。另外，由于重量輕，有利于將管節(jié)焊成較長(zhǎng)管段進(jìn)行安裝，可縮短工期。2、缺點(diǎn)：含有鎳、鋁等合金元素，價(jià)格高，焊接較困難。注：若采用高強(qiáng)鋼，要有充分的論證。鋼材的容許應(yīng)力水電站鋼管多按允許應(yīng)力設(shè)計(jì)，允許應(yīng)力常以鋼材屈服強(qiáng)度百分比表示。，安全系數(shù)K可參考有關(guān)規(guī)范。應(yīng)力區(qū)域膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū)荷載組合基本特殊基本特殊內(nèi)力性質(zhì)軸力軸力軸力彎矩軸力軸力彎矩允許應(yīng)力明管0.55σs0.7σs0.67σs0.85σs0.8σs1.0σs地下埋管0.67σs0.9σs

壩內(nèi)埋管0.67σs0.8σs0.9σs

①對(duì)基本荷載組合，對(duì)明管和鋼管膜應(yīng)力區(qū)，K取大值，即［σ］取小值；②對(duì)特殊荷載組合，對(duì)埋藏式鋼管和鋼管的局部應(yīng)力區(qū)，K取小值，即［σ］取大值；③對(duì)于屈強(qiáng)比大的鋼材，試用新鋼材和彎管、岔管或特別重要的部位，［σ］需適當(dāng)降低；另外，焊縫強(qiáng)度的折減系數(shù)，應(yīng)根據(jù)焊縫類別和探傷要求，取為0.90~0.95。

第四強(qiáng)度理論:其中：焊縫系數(shù)一般可取0.9-0.95,與焊縫方法、探傷標(biāo)準(zhǔn)、建筑物等級(jí)有關(guān)。可忽略時(shí)，強(qiáng)度校核可近似表示作：鋼材的強(qiáng)度校核鋼管環(huán)向，徑向和軸向應(yīng)力;鋼管各方面剪應(yīng)力;壓力鋼管按其構(gòu)造又分為無縫鋼管、焊接管和箍管，其中焊接管應(yīng)用最普遍。

1、無縫鋼管無縱縫，橫縫用焊接、法蘭連接成整體，強(qiáng)度高，造價(jià)高，施工困難。國內(nèi)：D≤60cm；國外：D≤120cm。適用高水頭小流量電站。

管身構(gòu)造鋼管管節(jié)

2、焊接管：鋼板按要求的曲率輥成弧形，焊接成管段。適用于各種直徑、水頭，造價(jià)低。

(1)縱縫：焊縫交錯(cuò)排列，避開兩個(gè)中心軸。

(2)相鄰管壁厚度差≯2mm，內(nèi)部光滑，外部成臺(tái)階狀。焊接管3、箍管：鋼管外加鋼箍。應(yīng)用少。直徑一般不大于3.0m。當(dāng)HD＞1000m2時(shí)，鋼板厚度一般會(huì)超過40mm，對(duì)如此厚的鋼板進(jìn)行焊接和壓卷很困難，常采用箍管，由管壁與管箍共同承擔(dān)內(nèi)水壓強(qiáng)。在光滑的無縫鋼管或焊接管上套管箍，可減小壁厚。鋼管最小厚度：δmin≮(D/800+4)mm，或6mm防腐、防銹措施：涂料、噴鍍、化學(xué)保護(hù)。加防銹厚度2mm。箍管教材中對(duì)焊接管一些最主要的構(gòu)造要求作了說明，如（最小壁厚、管徑變化、焊縫要求、橢圓度、管壁防銹厚度等），進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)需查閱有關(guān)規(guī)范。

比如：對(duì)于明鋼管，1.縱縫不應(yīng)布置在橫斷面的水平軸線和垂直軸線上，與軸線的夾角應(yīng)大于10o。2.管壁最小結(jié)構(gòu)厚度為：,也不宜小于6mm。并且要考慮2mm銹蝕厚度。3.鋼管安裝完畢后，其橢圓度（即相互垂直的兩管徑的最大差值與標(biāo)準(zhǔn)管徑之比）不得超過0.5%等。主要的構(gòu)造要求明管線路選擇

(1)管道線路應(yīng)盡可能短而直，以降低造價(jià)，減少水頭損失，降低水錘壓力和改善機(jī)組運(yùn)行條件。

(2)選擇良好的地質(zhì)條件，使鋼管支承在堅(jiān)固的地基上。避開可能滑坡和崩塌的地段，以及對(duì)個(gè)別地段采取切實(shí)可靠的防護(hù)措施。

(3)盡量減少管道線路的起伏波折。管線應(yīng)避免與交通線路或其他管道交叉，不可避免時(shí)設(shè)專門橋涵互相隔離并采取其他安全措施。明管的線路選擇應(yīng)與水電站引水系統(tǒng)中其他建筑物,特別是前池或調(diào)壓室還有和水電站廠房的布置統(tǒng)一考慮.正向引進(jìn)：鋼管軸線與廠房縱軸線垂直。優(yōu)點(diǎn)：水流平順，水頭損失小。缺點(diǎn)：管道破裂，高壓水流對(duì)廠房和人員的威脅大。適用：中低水頭電站；高水頭增加防護(hù)措施斜向引進(jìn)：介于正向引進(jìn)和縱向引進(jìn)之間。當(dāng)?shù)匦巍⒌刭|(zhì)、引水系統(tǒng)及廠房布置要求適宜時(shí)采用這種布置方式。適用：分組供水和聯(lián)合供水的水電站縱向引進(jìn)：鋼管軸線與廠房縱軸線平行。優(yōu)點(diǎn)：減輕了對(duì)廠房人員威脅。缺點(diǎn)：水頭損失增加，開挖量增加適用：高中水頭電站明管布置

一、明鋼管敷設(shè)方式明鋼管一般敷設(shè)在一系列支墩上，離地面不小于60cm，支墩僅起支承管身的作用，管身可在支墩的支座上移動(dòng)；轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當(dāng)于梁的固定端。按兩鎮(zhèn)墩間是否設(shè)伸縮節(jié)，明鋼管敷設(shè)方式可劃分為：明鋼管敷設(shè)和支承方式連續(xù)式分段式明鋼管敷設(shè)方式示意圖

連續(xù)式:

兩個(gè)鎮(zhèn)墩之間的管段是連續(xù)的即不設(shè)伸縮節(jié)。由于水管兩端受鎮(zhèn)墩的約束，所以當(dāng)溫度變化時(shí)，管壁中會(huì)產(chǎn)生很大的溫度力，對(duì)鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定不利。除了在特殊部位，一般很少采用這種方式。分段式:

在兩個(gè)鎮(zhèn)墩之間的鋼管上設(shè)置一個(gè)伸縮節(jié)。為減少伸縮節(jié)內(nèi)內(nèi)水壓力和便于安裝鋼管，伸縮節(jié)宜設(shè)在靠近鎮(zhèn)墩的下游側(cè)。當(dāng)溫度變化時(shí)，水管可以沿軸線方向自由伸縮，從而①消除了管壁內(nèi)的大部分溫度應(yīng)力，也②減小了作用在鎮(zhèn)墩上的作用力，同時(shí)還能③適應(yīng)少量的不均勻沉陷和變形。（一）支墩

1、作用：支承鋼管，承受管重和水重的法向分力，相當(dāng)于梁的滾動(dòng)支承。溫度變化時(shí)允許水管在軸向自由移動(dòng)。

2、類型：

支墩按其支座與管身相對(duì)位移的特征分：

滑動(dòng)式支座（鞍式、支承環(huán)式）；

滾動(dòng)式支座；

搖擺式支座。明鋼管的支墩和鎮(zhèn)墩支墩鞍形滑動(dòng)式支座：將管道直接支承在一個(gè)鞍形的混凝土支座上，包角為90o-120o。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但管身受力不均勻，摩擦力大（支座上鋪鋼板，同時(shí)接觸面加潤滑劑），適用于直徑小于1m的鋼管。支承環(huán)式滑動(dòng)支墩：鋼管通過支承環(huán)放置在鞍形支墩上，改善了支承部分管壁的受力不均勻現(xiàn)象，適用于直徑小于2m的鋼管。滾動(dòng)式支座特點(diǎn)是在支承環(huán)與支承面之間設(shè)置圓柱形輥軸，摩擦系數(shù)小，常用于垂直荷載較小而管徑大于２米的鋼管。擺動(dòng)式支座在支承環(huán)和支承面之間設(shè)一個(gè)可以擺動(dòng)的短柱，其下端與支承板鉸接，上端以圓弧面與支承環(huán)的上托板接觸，鋼管變形時(shí)，短柱前后擺動(dòng)，摩擦力很小，用于管徑大于２米的鋼管。（二）鎮(zhèn)墩

1、作用：

將鋼管固定在山坡上，主要承受因管道轉(zhuǎn)彎而產(chǎn)生的軸向不平衡力，不允許管道在鎮(zhèn)墩處發(fā)生任何位移。鎮(zhèn)墩是依靠自重來維持穩(wěn)定。

2、布置：在水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超過150m。

若超過可在其間加設(shè)鎮(zhèn)墩；若管道縱坡較緩，也可不加鎮(zhèn)墩，而將伸縮節(jié)置于該管道中部，以減少管身與支墩間摩擦力引起的鋼管軸力。

支承環(huán)鎮(zhèn)墩支墩伸縮節(jié)加勁環(huán)3、類型：

鎮(zhèn)墩依靠本身重量固定鋼管，一般用混凝土澆制，按鋼管在鎮(zhèn)墩上的固定方式，分為封閉式和開敞式兩種形式。將彎管段用錨拴錨在管道下部的混凝土墩上，鎮(zhèn)墩處管道受力不均勻，但易于管道檢修。應(yīng)用較少。將彎管段整個(gè)埋在混凝土中，在鎮(zhèn)墩表面布置溫度筋，鋼管周圍設(shè)環(huán)向鋼筋和一定數(shù)量的錨筋。固定管道效果較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鎮(zhèn)墩處管道受力均勻。應(yīng)用廣泛。封閉式開敞式環(huán)向鋼筋和錨筋錨拴6.5平水建筑物1---壓力前池壓力前池是把無壓引水道的無壓流變?yōu)閴毫艿赖挠袎毫鞯倪B接建筑物。實(shí)際上是擴(kuò)大斷面的渠道。①分配水量：正常運(yùn)行時(shí)把流量平順的分配給各壓力管道。②平穩(wěn)水壓：荷載突然變化或事故時(shí)，配合引水渠排泄多余的水;在電站停止運(yùn)行、壓力管道關(guān)閉時(shí)供給下游必需的水量;在壓力管道事故時(shí)，緊急切斷水流防止事故擴(kuò)大。③防污、防沙、防冰：保護(hù)壓力管道，使水輪機(jī)不受其害。壓力前池位置示意圖日調(diào)節(jié)池：調(diào)節(jié)水電站一天的發(fā)電用水。壓力前池：平穩(wěn)水流，分配水量。沉沙池：排走有害顆粒。壓力前池和壓力管道壓力前池的組成①前室(池身)：渠道末端加寬、加深的過渡段以滿足進(jìn)水口布置需要。②壓力管道進(jìn)水口：其構(gòu)成與有壓進(jìn)水口相似，常采用擋水墻式。③泄水和排沙建筑物：泄水建筑物常采用溢流堰,用于泄水排污排冰。排沙建筑物主要指管道進(jìn)水口底坎下設(shè)攔沙檻和沖沙孔。①安全：地質(zhì)條件好、地基穩(wěn)定、一定要置于挖方中。（由于緊靠陡坡，滲徑短，易于失穩(wěn)、沉陷、滑坡）②經(jīng)濟(jì)：盡量靠近廠房（縮短昂貴且安全要求高的壓力管道），開挖工程量少。③水流平順：以減小水頭損失。④便于施工、運(yùn)行、檢修。壓力前池的布置要求水電站生產(chǎn)特點(diǎn)：電能生產(chǎn)、分配、消費(fèi)在同一時(shí)間完成。即供電均衡用電

Mt=Mg但這種動(dòng)平衡狀態(tài)往往由于各種原因不斷遭到破壞。6.6水錘現(xiàn)象及研究水錘的目的水錘現(xiàn)象機(jī)組Mg：瞬變Mt：不能瞬變，也不允許Mt適應(yīng)Mg的變化有一調(diào)節(jié)時(shí)間△t

在△t過程中壓力水管中壓力變化（水錘）Mg≠M(fèi)tn變化壓力變化相對(duì)值關(guān)機(jī)時(shí)間Ts大,ξ小,β大關(guān)機(jī)時(shí)間Ts小,ξ大,β小兩者是矛盾的

正確處理三者之間的關(guān)系水擊及調(diào)節(jié)保證計(jì)算的基本任務(wù)轉(zhuǎn)速變化相對(duì)值水錘：由水流的動(dòng)能引起（管道末端流量急劇變化→管道中流速和壓力隨之變化→“水錘”）。導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，在壓力管道和蝸殼中將引起壓力上升，尾水管中則造成壓力下降。導(dǎo)葉開啟時(shí)則相反，將在壓力管道和蝸殼內(nèi)引起壓力下降，而在尾水管中則引起壓力上升。危害：1、壓強(qiáng)升高過大→水管強(qiáng)度不夠而破裂；2、尾水管中負(fù)壓過大→尾水管汽蝕，水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)；3、壓強(qiáng)波動(dòng)→機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和供電質(zhì)量下降。三峽水電站蝸殼施工現(xiàn)場(chǎng)水錘及調(diào)節(jié)保證計(jì)算的任務(wù)：1、計(jì)算有壓引水系統(tǒng)的最大和最小內(nèi)水壓力。最大內(nèi)水壓力作為設(shè)計(jì)或校核壓力管道、蝸殼和水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)；最小內(nèi)水壓力作為壓力管道線路布置，防止壓力管道中產(chǎn)生負(fù)壓和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)。2、計(jì)算丟棄負(fù)荷和增加負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速變化率，并檢驗(yàn)其是否在允許的范圍內(nèi)。3、選擇調(diào)速器合理的調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)規(guī)律，保證壓力和轉(zhuǎn)速變化不超過規(guī)定的允許值。4、研究減小水錘壓強(qiáng)及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的措施。引起的負(fù)荷變化較大水錘計(jì)算控制工況引起水輪機(jī)流量變化的原因有：水電站正常運(yùn)行情況下的負(fù)荷變化水錘波傳遞的過程擔(dān)任調(diào)峰或調(diào)頻任務(wù)的電站，水輪機(jī)的流量處于不斷變化中；正常的開機(jī)或停機(jī)變化緩慢由此引起的水錘現(xiàn)象不起控制作用水電站事故引起的負(fù)荷變化水電站可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的事故，而要求水電站丟棄全部或部分負(fù)荷幾個(gè)名詞：①水錘波

；②水錘壓力；③水錘波入射、反射，水庫端異號(hào)等值反射，封閉端同號(hào)等值反射；④相長(zhǎng)：水錘波傳播一個(gè)來回的時(shí)間

；⑤周期。假設(shè)：1.簡(jiǎn)單管；管材、壁厚、管徑沿管長(zhǎng)不變。2.不計(jì)摩阻;3.考慮管道和水體的彈性。閥門全開流速為v0,水管末端水頭為H0，水的密度ρ，管徑為d。閥門突然關(guān)閉時(shí)段流速變化流速方向壓強(qiáng)變化壓強(qiáng)傳遞方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)水體狀態(tài)水錘傳播過程水閥庫門水閥庫門閥水門庫閥水門庫增高恢復(fù)原狀降低恢復(fù)原狀閥水門庫水閥庫門閥水門庫水閥庫門減速增壓減速減壓增速減壓增速增壓恢復(fù)原狀恢復(fù)原狀壓縮膨脹水錘實(shí)際上是由于水流速度變化而產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)突然啟閉閥門時(shí)，由于啟閉時(shí)間短、流量變化快，因而水擊壓力往往較大，而且整個(gè)變化過程是較快的。由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水擊壓力將以彈性波的形式沿管道傳播。水擊波傳播過程中，在外部條件發(fā)生變化處(即邊界處)均要發(fā)生波的反射。其反射特性(指反射波的數(shù)值及方向)決定于邊界處的物理特性。水錘特性其大小與水的彈性模量，管壁的材料、厚度、管徑等有關(guān)。由水流的連續(xù)性方程，可以得出水擊波傳播速度的具體表達(dá)式。書上給出了一般的表達(dá)式：水擊波的傳播速度其中Ew是水體彈性模量，K是管道的抗力系數(shù)，需根據(jù)不同情況取不同的公式計(jì)算。為聲波在水中的傳播速度，約為1435m/s。要精確計(jì)算水擊波速并不容易，一般來說，水電站的明鋼管水擊波速可近似地取為1000m/s，埋藏式鋼管可近似地取為1200m/s。

1、明鋼管

K=Esδs/r2，Es和δs分別為鋼管的彈性模量和壁厚，r為半徑。c≈1000m/s

2、巖石中的不襯砌隧洞

K=100K0/r，K0為巖石的單位抗力系數(shù)。

3、埋藏式鋼管

K=Ks+Kc+Kf+Kr，分別為鋼管、鋼管外混凝土、環(huán)向鋼筋、圍巖的抗力系數(shù)。c≈1200m/s水錘現(xiàn)象的物理本質(zhì)是屬于牛頓二定律的范圍。因此可依據(jù)水流的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程導(dǎo)出水錘的基本方程，書上直接給出了結(jié)果：(1)(2)水錘基本方程V—管道中的流速，向下游為正；H—壓力水頭；x—距離，以管道進(jìn)口為原點(diǎn)，向下游為正；t—時(shí)間；c—水錘波速；g—重力加速度；d—管道直徑；f—摩阻系數(shù)。忽略摩阻損失和非線性項(xiàng)，則方程（1）和（2）簡(jiǎn)化為:(3)(4)方程(3)和(4)是一組標(biāo)準(zhǔn)的雙曲型線性偏微分方程，其通解是：(5)(6)方程(5)和(6)稱為水錘基本方程。F、f稱為任意波函數(shù)。其量綱與水頭H量綱相同，故可視為壓力波。F是以速度c沿x軸負(fù)方向，向上游傳播的水擊波，稱為逆流波，它是所有逆流波的總和；同理，f是以速度c沿x軸正方向，向下游傳播的水擊波，稱為順流波，它是所有順流波的總和。若閥門啟閉時(shí)間，則在水庫反射波到達(dá)管道末端之前，開度變化已結(jié)束。管道末端的水錘壓力只受向上游傳播的逆流波的影響，這種情況習(xí)慣上稱為直接水擊。因?yàn)椴ê瘮?shù)f=0，所以方程(5)和(6)聯(lián)立消去F，可得直接水擊的計(jì)算公式。直接水錘和間接水錘1.直接水錘從上式可看出：①關(guān)閉閥門，流速減小，水錘壓力為正，發(fā)生正水錘；②開啟閥門，流速增大，水錘壓力為負(fù)，發(fā)生負(fù)水錘；③水錘壓力僅與流速變化和水擊波速有關(guān)，而與開度的變化速度、變化規(guī)律以及管道長(zhǎng)度無關(guān)；④直接水錘產(chǎn)生的壓力是巨大的，在水電站中絕對(duì)不允許出現(xiàn)直接水錘。(5)(6)例如：若管中初始流速V0=5m/s,

波速c=1000m/s,g取10，在丟棄全負(fù)荷時(shí)若發(fā)生直接水錘，ΔH將達(dá)500m，因此水電站中直接水錘是應(yīng)當(dāng)絕對(duì)避免的。若閥門啟閉時(shí)間，則在開度變化終了之前，從水庫反射回來的壓力波已影響管道末端的壓力變化。這種水錘現(xiàn)象稱為間接水錘。由于波的反射和疊加，間接水錘的計(jì)算要復(fù)雜得多，間接水錘是水電站中經(jīng)常發(fā)生的水錘現(xiàn)象，所以它是本章研究的主要問題。2.間接水錘(5)(6)水錘基本方程中有4個(gè)未知數(shù)，即H、V、x和t。但方程只有兩個(gè)，要用水錘基本方程求解間接水錘時(shí)，兩個(gè)方程無法解出4個(gè)未知數(shù)，必須借助于已知的初始條件和邊界條件。簡(jiǎn)單管水錘的連鎖方程指壓力管道的管徑、管壁材料和厚度沿管長(zhǎng)不變①水庫端：具有很大容積，該處水頭可視為不變的常數(shù)，即=0；等值異號(hào)反射;②封閉端：V=0；等值同號(hào)反射；根據(jù)封閉端水流特性可知：初始條件是水輪機(jī)開度未發(fā)生變化時(shí)，管道中為恒定流，此時(shí)壓強(qiáng)和流速是已知的。邊界條件：（一）初始條件、邊界條件負(fù)荷變化后，孔口處(或管中)流量:③沖擊式水輪機(jī)（孔口出流）：根據(jù)水力學(xué)孔口出流規(guī)律，正常運(yùn)行時(shí)，孔口處(或管中)最大流量:流量系數(shù)噴嘴全開時(shí)斷面積任意時(shí)刻管中相對(duì)流速，V為任意時(shí)刻流速,Vmax為最大流速。沖擊式水輪機(jī)任意時(shí)刻噴咀相對(duì)開度，ω為任意時(shí)刻開度,為最大開度。任意時(shí)刻閥門處相對(duì)壓力，△H任意時(shí)刻水錘壓力，H0為初始水頭。（1）（2）（3）（4）連鎖方程的推導(dǎo)過程（二）水錘的連鎖方程第一相末的水錘壓力：由推導(dǎo)得：第二相末的水錘壓力：同理得：同理可求出第n相末：連鎖方程優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)于任意關(guān)閉規(guī)律的求解。缺點(diǎn)：連鎖方程為一遞推公式，需逐項(xiàng)求解，繁瑣，欲求必須先求出水錘的連鎖方程：計(jì)算公式的條件：(1)沒有考慮管道摩阻的影響，因此只適用于不計(jì)摩阻的情況；(2)采用了孔口出流的過流特性，只適用于沖擊式水輪機(jī)，對(duì)反擊式水輪機(jī)必須另作修改；(3)這些公式在任意開關(guān)規(guī)律下都是正確的，可以用來分析非直線開關(guān)規(guī)律對(duì)水錘壓力的影響。進(jìn)行水錘計(jì)算關(guān)鍵是求出最大值。閥門開度隨時(shí)間t的變化規(guī)律可以是曲線變化，也可以是直線變化，如果是直線規(guī)律變化，則不用解連鎖方程，即可求得最大水錘壓力值。開度依直線變化的水錘2.每一相的開度變化為:，起始開度:調(diào)速器總的關(guān)閉時(shí)間為Tz,有效關(guān)閉時(shí)間Ts.整個(gè)關(guān)閉過程:前段：調(diào)速器由于慣性，關(guān)閉曲線幾乎成水平狀，水錘很小中段：為斜直線段；后段：有一緩沖段，只對(duì)關(guān)閉接近終結(jié)時(shí)的水錘有影響。1.為簡(jiǎn)化計(jì)算，取有效關(guān)閉時(shí)間Ts進(jìn)行水錘計(jì)算，一般Ts/Tz=0.6~0.95，缺乏資料時(shí)可取0.7。對(duì)于直線關(guān)閉情況的水錘，根據(jù)最大水錘壓力出現(xiàn)的時(shí)間歸納為兩類：即一相水錘和極限水錘，產(chǎn)生不同水錘現(xiàn)象的原因是由于閥門的反射特性不同造成的，即可能為正反射也可能為負(fù)反射。因此使得最大水錘壓力出現(xiàn)的時(shí)間不一樣。其判別條件是是否大于1。1、水庫端：等值異號(hào)反射，反射系數(shù)：2、封閉端（即閥門全關(guān)閉狀態(tài)）:等值同號(hào)反射；反射系數(shù)：3、閥門端：減值異號(hào)或減值同號(hào)反射。反射系數(shù)：水錘波在水管特性變化處的反射所謂一相水錘是指最大壓力出現(xiàn)在第一相末的水錘，第一相水錘發(fā)生在管道較長(zhǎng)的高水頭電站中。其判別條件r為正，閥門對(duì)水錘波的反射是不變號(hào)的1、一相水錘為一相水錘計(jì)算式。表示閥門開度變化時(shí)管中水流動(dòng)量相對(duì)變化率水錘常數(shù)當(dāng)時(shí)，r小于0，閥門對(duì)水錘波的反射是變號(hào)的，發(fā)生極限水錘。即最大水錘發(fā)生在閥門關(guān)閉終了的末相。常發(fā)生在管道較短的低水頭電站中。2、極限水錘為極限水錘計(jì)算式。水錘常數(shù)用是否大于1作為判別水錘類型的條件是近似的。水擊類型可根據(jù)和的數(shù)值查圖得到。圖中的曲線是根據(jù)求得，即；45度斜線區(qū)分直接水錘和間接水錘；曲線、斜線和的橫坐標(biāo)將整個(gè)圖域分成5區(qū)。說明：Ⅰ區(qū)，屬極限正水錘范圍；Ⅱ區(qū)，屬一相正水錘范圍；Ⅲ區(qū)，屬直接水錘范圍；Ⅳ區(qū)，屬極限負(fù)水錘范圍；Ⅴ區(qū)，屬一相負(fù)水錘范圍。當(dāng)時(shí),發(fā)生極限水錘;當(dāng)時(shí)，經(jīng)常發(fā)生一相水錘;當(dāng)時(shí)，隨σ值的不同可能發(fā)生一相水錘也可能發(fā)生極限水錘。個(gè)別情況下發(fā)生直接水錘。由圖可以看到：由一相水錘判斷條件得：

所以，只有在高水頭情況下，才產(chǎn)生一相水錘，而在低水頭情況下產(chǎn)生極限水錘。則H0>150-250m。一明壓力鋼管內(nèi)徑D=3m，管壁厚δ=20mm，水體彈模Ew

=2.03GPa，鋼材彈模E=210GPa，求水擊波速c.若管長(zhǎng)L=2km，V0=5m/s，H0=120m。閥門初始開度τ0=1，有效關(guān)閉時(shí)間Ts分別為3,6和12秒時(shí)，分別產(chǎn)生何種水擊？水擊壓力分別為多少？1、求水擊波速c2、若管長(zhǎng)L=2km，閥門有效關(guān)閉時(shí)間Ts為3s時(shí)發(fā)生直接水擊。水擊壓力：閥門有效關(guān)閉時(shí)間Ts為6s和12s時(shí)發(fā)生間接水擊。τ0=1發(fā)生極限水錘。閥門有效關(guān)閉時(shí)間Ts為6s閥門有效關(guān)閉時(shí)間Ts為12s曲線Ⅰ閥門關(guān)閉速度為勻速關(guān)閉曲線Ⅱ閥門關(guān)閉速度為先快后慢，因此水錘壓強(qiáng)迅速上升到最大值，而后關(guān)閉速度減慢，水錘壓強(qiáng)逐漸減小。曲線Ⅲ閥門關(guān)閉速度為先慢后快水錘壓強(qiáng)是先小后大。水錘壓強(qiáng)的上升速度隨閥門的關(guān)閉速度的加快而加快，最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在關(guān)閉速度較快的那一時(shí)段末尾。關(guān)閉規(guī)律對(duì)水錘的影響從圖中可以看出，關(guān)閉規(guī)律Ⅰ較為合理，最不利的是規(guī)律Ⅲ。在高水頭電站中，常發(fā)生第一相水錘，可以采取先慢后快的非直線關(guān)閉規(guī)律Ⅲ

，以降低第一相水擊值；在低水頭水電站中，常發(fā)生極限水錘，可采取先快后慢的非直線關(guān)閉規(guī)律Ⅱ

，以降低末相水擊值。減小水錘壓強(qiáng)的措施(一)縮短壓力管道的長(zhǎng)度縮短壓力管道長(zhǎng)度，使從進(jìn)水口反射回來的水錘波能夠較早地回到壓力管道末端，從而減小水錘值。從管道特性系數(shù)σ＝LVmax/gH0Ts中可看出，減小L可以減小σ，在較長(zhǎng)的引水系統(tǒng)中，設(shè)置調(diào)壓室，是縮短壓力管道的常用措施。(二)減小壓力管道中的流速減小流速可減小壓力管道中單位水體的動(dòng)量，從而減小水擊壓力。但是水電站在運(yùn)行中要求流量是一定的，要減低流速必要加大管徑，增加管道造價(jià)。因此用加大管徑辦法降低水擊壓強(qiáng)，往往是不經(jīng)濟(jì)的，但在一定條件下，如果適當(dāng)加大管徑后便可不設(shè)調(diào)壓室，還是比較合理的。(三)延長(zhǎng)有效的關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)有效的關(guān)閉時(shí)間Ts，可降低水錘壓力，但使機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率β值增加，甚至超過允許值，要解決這個(gè)矛盾，可采取以下措施：1．反擊式水輪機(jī)設(shè)置減壓閥(空放閥)：在蝸殼的進(jìn)口附近裝設(shè)減壓閥。在關(guān)閉過程中，導(dǎo)葉按照不超過轉(zhuǎn)速變化允許值要求的關(guān)閉時(shí)間關(guān)閉，同時(shí)，受到同一調(diào)速器控制的減壓閥及時(shí)打開，向下游泄放部分流量。導(dǎo)葉完全關(guān)閉時(shí)，減壓閥流量達(dá)最大，后慢慢關(guān)閉。增壓時(shí)不起作用。減壓閥裝置示意圖

2．沖擊式水輪機(jī)的機(jī)組裝置偏流器(折流器)丟棄負(fù)荷時(shí)，以較快速度在1~2s內(nèi)動(dòng)作，將射流偏折，離開轉(zhuǎn)輪，防止機(jī)組流速變化過大。偏流器構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，且無需增加廠房的尺寸，在水斗式水輪機(jī)的機(jī)組中經(jīng)常采用。注：偏流器在增荷時(shí)不起作用。3．設(shè)置水阻器注：水阻器對(duì)于增加負(fù)荷時(shí)不起作用。(四)選擇合理的調(diào)節(jié)規(guī)律采用合理的關(guān)閉規(guī)律能有效地降低水錘壓力值。中低水頭電站：最大水錘壓強(qiáng)常出現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程終了，水輪機(jī)導(dǎo)葉可采取先快后慢的關(guān)閉規(guī)律，以提高開始階段的水錘壓強(qiáng)，降低終了階段的水錘值；高水頭電站：最大水錘壓強(qiáng)通常出現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程開始階段，可采用先慢后快的調(diào)節(jié)規(guī)律。 注：采用合理的關(guān)閉規(guī)律減小水錘壓強(qiáng)，簡(jiǎn)單易行，又比較經(jīng)濟(jì)，應(yīng)優(yōu)先考慮。6.7平水建筑物2---調(diào)壓室問題：為什么設(shè)置調(diào)壓室？在較長(zhǎng)的壓力引水系統(tǒng)中，為了降低高壓管道的水錘壓力，滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求，常在壓力引水道與壓力管道銜接處建造調(diào)壓室。調(diào)壓室將有壓引水系統(tǒng)分成兩段：上游段為壓力引水道，下游段為壓力管道。

調(diào)壓室的功用可歸納為：（1）反射水錘波。基本上避免了(或減小)壓力管道傳來的水錘波進(jìn)入壓力引水道。（2）減小了水錘壓力(壓力管道及廠房過水部分)。縮短了壓力管道的長(zhǎng)度。（3）改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件。一、調(diào)壓室的功用（1）盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長(zhǎng)度。（2）應(yīng)有自由水表面和足夠的底面積，以保證水錘波的充分反射； （3）調(diào)壓室的工作必須是穩(wěn)定的。負(fù)荷變化時(shí)，引水道及調(diào)壓室水體的波動(dòng)應(yīng)該迅速衰減；（4）正常運(yùn)行時(shí)，水流經(jīng)過調(diào)壓室底部造成的水頭損失要小。（5）結(jié)構(gòu)安全可靠，施工簡(jiǎn)單方便，經(jīng)濟(jì)合理。二、調(diào)壓室的基本要求三、調(diào)壓室的設(shè)置條件調(diào)壓室一般尺寸較大，投資較大，工期長(zhǎng)，特別是對(duì)于低水頭電站，調(diào)壓室的造價(jià)可能占整個(gè)引水系統(tǒng)造價(jià)的相當(dāng)大的比例。是否設(shè)置調(diào)壓室，應(yīng)在機(jī)組過流系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計(jì)算和機(jī)組運(yùn)行條件分析的基礎(chǔ)上，考慮水電站在電力系統(tǒng)中的作用、地形及地質(zhì)條件、壓力管道的布置等因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后加以確定。當(dāng)Tw<2~4s時(shí)，可不設(shè)調(diào)壓室。當(dāng)水電站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，或機(jī)組在電力系統(tǒng)中所占的比例超過50%時(shí)，取小值(2s)；當(dāng)比重小于10%~20%時(shí)，可取大值。1、上游調(diào)壓室的設(shè)置條件(初步判定)用水流加速時(shí)間(也稱為壓力引水道的時(shí)間常數(shù))Tw

來判斷是否設(shè)置調(diào)壓室：2、下游調(diào)壓室的設(shè)置條件以尾水管內(nèi)不產(chǎn)生液柱分離為前提，條件為：Lw—尾水道長(zhǎng)度；Vw0—穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)尾水管流速；Vwj—尾水管入口處流速；▽—安裝高程。最終通過調(diào)節(jié)保證計(jì)算，當(dāng)機(jī)組丟棄全部負(fù)荷時(shí)，尾水管內(nèi)的最大真空度不宜大于8m水柱。但在高海拔地區(qū)應(yīng)作高程修正(見規(guī)范)。

四、調(diào)壓室的工作原理及基本方程丟棄負(fù)荷增加負(fù)荷調(diào)壓室的工作原理調(diào)壓室具有較大的容積和自由水面，它將電站因負(fù)荷變化而引起的有壓系統(tǒng)非恒定流分為性質(zhì)不同而又互相聯(lián)系的兩部分：壓力管道的水錘和“水庫—引水道—調(diào)壓室”的水流波動(dòng)。丟棄全負(fù)荷流量變?yōu)?壓力管道中發(fā)生水錘水流繼續(xù)流入調(diào)壓室調(diào)壓室水位升高流速逐漸降低，直到為0，此時(shí)水位最高反向流動(dòng)，水位下降水位與水庫持平時(shí)，水流慣性使得繼續(xù)流向水庫，直到流速=0再次向下游流動(dòng)，循環(huán)往復(fù)。增加負(fù)荷，與其相反。經(jīng)常性的負(fù)荷變動(dòng)水位相應(yīng)變動(dòng)(負(fù)荷保持不變)流量相應(yīng)變化調(diào)壓室水位波動(dòng)。調(diào)壓室水位波動(dòng)管道水錘過程是水擊波的傳播，振幅大、變化快，往往在很短時(shí)間內(nèi)即消失。調(diào)壓室水位波動(dòng)主要由于水體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起，特點(diǎn)是振幅小、變化慢、周期長(zhǎng)，往往長(zhǎng)達(dá)幾十秒到幾百秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間。調(diào)壓室的水位波動(dòng)有兩種趨勢(shì)，一種是逐漸衰減；另一種是逐漸增大，這是調(diào)壓室設(shè)計(jì)應(yīng)該避免的。研究調(diào)壓室水位波動(dòng)的目的研究調(diào)壓室水位波動(dòng)的目的：確定調(diào)壓室中可能出現(xiàn)的最高和最低涌波水位及其變化過程，以確定調(diào)壓室的高度、布置高程和引水道的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力。根據(jù)水位波動(dòng)穩(wěn)定的要求，確定調(diào)壓室所需的最小斷面面積。五、調(diào)壓室的布置方式和類型

1、上游調(diào)壓室(引水調(diào)壓室)

位于廠房上游引水道上。適用：廠房上游有壓引水道較長(zhǎng)，應(yīng)用最廣泛。調(diào)壓室的布置方式

2、下游調(diào)壓室(尾水調(diào)壓室)

位于廠房下游尾水洞上。適用尾水隧洞較長(zhǎng)，需設(shè)置尾水調(diào)壓室以減小水擊壓力，特別是防止丟棄負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生過大的負(fù)水擊，尾水調(diào)壓室應(yīng)盡可能靠近廠房。

3、上下游雙調(diào)壓室系統(tǒng)當(dāng)采用中部地下廠房時(shí)，上下游都有較長(zhǎng)的壓力水道，在廠房上下游均設(shè)置調(diào)壓室。

4、上游雙調(diào)壓室系統(tǒng)適用于上游引水道較長(zhǎng)情況。靠近廠房的調(diào)壓室對(duì)反射水擊波起主導(dǎo)作用，稱為主調(diào)壓室；另一調(diào)壓室?guī)椭p引水系統(tǒng)的波動(dòng)，稱為輔助調(diào)壓室。水位波動(dòng)的衰減由兩個(gè)調(diào)壓室共同保證，增加一個(gè)調(diào)壓室可以減小另一個(gè)調(diào)壓室的斷面。調(diào)壓室的基本類型

1、簡(jiǎn)單式調(diào)壓室特點(diǎn)：斷面尺寸形狀不變，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反射水擊波效果好。但水位波動(dòng)振幅較大，衰減較慢，因而調(diào)壓室的容積較大；在正常運(yùn)行時(shí)，引水系統(tǒng)與調(diào)壓室連接處水力損失較大。為了克服上述缺點(diǎn)，可采用有連接管

的圓筒式調(diào)壓室。

適用：低水頭小流量電站。

2、阻抗式調(diào)壓室

將圓筒式調(diào)壓室底部改為阻抗孔口，這種孔口或隔板相當(dāng)于局部阻力，即為阻抗式調(diào)壓室。特點(diǎn)：①可以有效減小水位波動(dòng)振幅，加快衰減速度，因而所需調(diào)壓室的體積小于圓筒式。②正常運(yùn)行時(shí)水頭損失小。③由于阻抗的存在，水擊波不能完全反射，壓力引水道中可能受到水擊的影響。

3、雙室式調(diào)壓室

特點(diǎn)：雙室式調(diào)壓室是由一個(gè)豎井和上下兩個(gè)儲(chǔ)水室組成。丟棄負(fù)荷時(shí)，水位迅速上升，當(dāng)水位達(dá)到上室時(shí)，其上升速度放慢，從而減小波動(dòng)振幅。增加負(fù)荷時(shí)，

水位迅速下降到下室中，并

由下室補(bǔ)充不足的水量，因

此限制了水位的下降。適用：水頭較高，要求的穩(wěn)定斷面較小，水庫水位變化比較大的水電站。

4、溢流式調(diào)壓室

由雙室式調(diào)壓室發(fā)展而成，頂部設(shè)有溢流堰。丟棄負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓室的水位迅速上升，達(dá)到溢流堰頂后開始溢流，限制了水位的進(jìn)一步升高，有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)

行，溢出的水量，可以設(shè)

上室加以儲(chǔ)存，也可排至

下游。5、差動(dòng)式調(diào)壓室由兩個(gè)直徑不同的同心圓筒組成，中間的圓筒直徑較小，上有溢流口，稱為升管，其底部以阻力孔口與外室相通。特點(diǎn)：外室直徑較大，起盛水及保證穩(wěn)定的作用，其斷面積由波動(dòng)穩(wěn)定條件控制。差動(dòng)式調(diào)壓室所需容積較小，水位波動(dòng)衰減得也較快。但其構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，造價(jià)高。適用：地形和地質(zhì)條件不允許大斷面的中高水頭水電站，我國采用較多。

6、氣墊式或半氣墊式調(diào)壓室在壓力隧洞上靠近廠房的位置建造一個(gè)大洞室，室中一部分充水，另一部分充滿高壓空氣。利用空氣的壓縮或膨脹，來減小水位漲落的幅度。

適用：表層地質(zhì)條件不適于建造常規(guī)調(diào)壓室的情況下,

深埋于地下的引水式地下水電站。目前我國尚未采用。六、調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定問題調(diào)壓室在運(yùn)行過程中，可將水位波動(dòng)分為兩種類型：①大波動(dòng)，即電站發(fā)生大幅度的負(fù)荷變化，調(diào)壓室中將發(fā)生較大的水位波動(dòng)，且波動(dòng)逐漸增強(qiáng)，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；②小波動(dòng)，即電站微小的負(fù)荷變化所造成的水位小幅度波動(dòng)，由于摩阻的影響，波動(dòng)一定是衰減的，我們稱之穩(wěn)定波動(dòng)。對(duì)調(diào)壓室水位波動(dòng)需研究穩(wěn)定條件和改善措施。1910年在德國漢堡水電站上曾發(fā)生過調(diào)壓室波動(dòng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，托馬首先進(jìn)行了研究。基本假定：波動(dòng)為無限小，以使微分方程線性化，從而容易得出解析解答；調(diào)速器能絕對(duì)保證水輪機(jī)出力為一常數(shù)；電站單獨(dú)運(yùn)行，機(jī)組效率保持不變；調(diào)壓室與引水道直接連接，因而可不考慮調(diào)壓室底部流速水頭的影響。小波動(dòng)穩(wěn)定性2、引水道和壓力管道水頭損失之和必須小于水電站靜水頭的1/3，即壓力管道水頭損失引水道水頭損失α為引水道總阻力系數(shù)保證調(diào)壓室小波動(dòng)穩(wěn)定的兩個(gè)條件：1、必要條件是調(diào)壓室斷面F大于調(diào)壓室穩(wěn)定波動(dòng)臨界斷面Fk（通常稱托馬穩(wěn)定斷面）：如果調(diào)壓室水位的波動(dòng)幅值較大，則波動(dòng)微分方程式不能認(rèn)為是線性的了，因此托馬條件不能直接應(yīng)用于大波動(dòng)。研究表明，如小波動(dòng)穩(wěn)定不能保證，大波動(dòng)必然不能衰減。為了保證大波動(dòng)的穩(wěn)定，一般要求調(diào)壓室斷面大于托馬斷面，初步分析時(shí)可取(1.0～1.1)Fk，作為調(diào)壓室的設(shè)計(jì)斷面，然后利用數(shù)值方法求解和驗(yàn)證。大波動(dòng)穩(wěn)定性1、水電站水頭的影響水電站水頭越小，要求的穩(wěn)定斷面越大，對(duì)穩(wěn)定越不利。中低水頭的水電站多采用簡(jiǎn)單式、差動(dòng)式或阻抗式調(diào)壓室；高水頭水電站中，主要受振幅控制，多采用雙室式調(diào)壓室。調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面采用水電站正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最低水頭進(jìn)行計(jì)算。影響波動(dòng)穩(wěn)定的主要因素2、引水系統(tǒng)糙率的影響引水系統(tǒng)糙率愈大，水頭損失系數(shù)α愈大，雖然H1=H0-hw0-3hwm0隨糙率的增大而減小，但其影響遠(yuǎn)比α小。即要求的穩(wěn)定斷面越小。因此，為了安全，計(jì)算Fk時(shí)應(yīng)采用可能的最小糙率。3、調(diào)壓室位置的影響由H1=H0-hw0-3hwm0可知，在引水線路不變的情況下，調(diào)壓室愈靠近廠房，H1愈大，有利于水位波動(dòng)的衰減。因此，調(diào)壓室應(yīng)盡量靠近廠房。由此可見：引水道直徑越大，長(zhǎng)度越短，流速水頭影響越顯著。調(diào)壓室底部的流速水頭將對(duì)波動(dòng)穩(wěn)定是有利的。但由于調(diào)壓室底部水流狀態(tài)紊亂，故不能考慮全部流速水頭的作用。4、調(diào)壓室底部流速水頭的影響對(duì)引水道而言，流速水頭的作用與水頭損失相似，相當(dāng)于加大了摩阻損失。但對(duì)水輪機(jī)來說并不減小水電站的有效水頭。因此，托馬公式應(yīng)修改為：5、水輪機(jī)效率的影響前面假定水輪機(jī)的效率為常數(shù)，實(shí)際上水輪機(jī)的效率隨著電站水頭和流量的變化而變化。水輪機(jī)效率、調(diào)速器和電力系統(tǒng)等因素對(duì)穩(wěn)定斷面的影響，一般只有在充分論證的基礎(chǔ)上才加以考慮。6、電力系統(tǒng)的影響對(duì)于單獨(dú)運(yùn)行的水電站，當(dāng)調(diào)壓室內(nèi)水位變化而引起出力變化時(shí)，只能依靠本電站水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)使出力保持常數(shù)。如果水電站在系統(tǒng)中運(yùn)行，則可由系統(tǒng)中各電站的機(jī)組共同來保證系統(tǒng)出力不變，因此可減小本電站流量變化的幅度，有利于波動(dòng)穩(wěn)定。電站并網(wǎng)運(yùn)行有利于波動(dòng)穩(wěn)定。水電站廠房是將水能轉(zhuǎn)為電能的綜合工程設(shè)施，包括廠房建筑、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)站等，也是運(yùn)行人員進(jìn)行生產(chǎn)和活動(dòng)的場(chǎng)所。6.8廠房的任務(wù)和組成任務(wù)作用(1)將水電站的主要機(jī)電設(shè)備集中布置在一起，使其具有良好的運(yùn)行、管理、安裝、檢修等條件。(2)布置各種輔助設(shè)備，保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保證發(fā)電質(zhì)量。(3)布置必要的值班場(chǎng)所，為運(yùn)行人員提供良好的工作環(huán)境。1）從設(shè)備布置及運(yùn)行要求的空間劃分：①主廠房：布置機(jī)組及其輔助設(shè)備的主機(jī)間和安裝、檢修設(shè)備的裝配場(chǎng)組成。②副廠房：電站運(yùn)行、控制、監(jiān)視、通訊、試驗(yàn)、管理等房間。③主變場(chǎng)：布置主變壓器場(chǎng)所。④開關(guān)站：布置高壓配電設(shè)備，高壓開關(guān)、母線保護(hù)設(shè)備等。

組成主廠房：主機(jī)間+安裝、檢修設(shè)備的裝配場(chǎng)副廠房：電站運(yùn)行、控制、監(jiān)視、通訊、試驗(yàn)、管理等房間。應(yīng)緊靠主廠房，基本上布置在主廠房的上游側(cè)，下游側(cè)和端部。主變壓器：電流運(yùn)輸損失隨電壓增加而減小。出廠布置升壓變壓器，用戶端布置降壓變壓器。開關(guān)站：布置各種高壓配電裝置和保護(hù)設(shè)備。通常布置在廠房附近山坡上，也有布置在主廠房頂上的。2）從設(shè)備組成分：①水流系統(tǒng)：壓力管道進(jìn)水閥蝸殼尾水管②機(jī)械系統(tǒng)（主機(jī)組及其輔助設(shè)備系統(tǒng)）：機(jī)組、調(diào)速系統(tǒng)、油、氣、水系統(tǒng)等。③電氣設(shè)備系統(tǒng)：一次設(shè)備：直接發(fā)、配、輸電設(shè)備(變壓器等)二次設(shè)備：以中控室為中心的控制，保護(hù)、檢測(cè)、監(jiān)視設(shè)備（機(jī)旁盤、自動(dòng)遠(yuǎn)動(dòng)、通訊、調(diào)度及其直流系統(tǒng)）水流系統(tǒng)3）從結(jié)構(gòu)分(以發(fā)電機(jī)層樓板面為界)

：上部結(jié)構(gòu)：與工業(yè)廠房基本相似，板、梁、柱系統(tǒng)。水平面上分為主機(jī)室和裝配場(chǎng)。下部結(jié)構(gòu)：大體積混凝土結(jié)構(gòu)，布置過流系統(tǒng)，是廠房的基礎(chǔ)：蝸殼、尾水管等。運(yùn)行管理的主要場(chǎng)所布置機(jī)組和輔助設(shè)備機(jī)電設(shè)備到貨、卸車、拆箱、組裝和檢修時(shí)使用場(chǎng)所上部結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)下部塊體結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)層樓板

3）岸邊式廠房

4）地下廠房

5）其他特殊類型廠房：抽水蓄能電站廠房、潮汐電站廠房等2）壩后式廠房1）河床式廠房壩后式明廠房挑越式廠房壩內(nèi)式廠房溢流式廠房廠房的類型地面式廠房1）河床式廠房葛洲壩水利樞紐壩后式明廠房示意圖2）壩后式廠房

--壩后式明廠房烏江渡水電站2）壩后式廠房

--挑越式廠房鳳灘水電站2）壩后式廠房

--壩內(nèi)式廠房新安江水電站2）壩后式廠房

--溢流式廠房3）岸邊式廠房4）地下式廠房廣西天湖水電站受地形、地質(zhì)的限制，在地面上找不到合適位置建造地面式廠房，而地下有良好的地質(zhì)條件或國防上需要，將廠房布置在地下山體內(nèi)，則稱為地下式廠房。5）其他類型廠房法國朗斯潮汐電站某抽水蓄能電站廠房的主要機(jī)電設(shè)備機(jī)械設(shè)備主機(jī)組電氣設(shè)備及布置起重設(shè)備①水輪機(jī)主要是蝸殼、尾水管尺寸②調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電力系統(tǒng)要求自動(dòng)調(diào)整機(jī)組的出力，同時(shí)使機(jī)組保持一定的額定轉(zhuǎn)速。主機(jī)組③發(fā)電機(jī)：主