水電站引水系統設計

某水電站引水系統設計

該水電站所在河流中下游地段側向侵蝕作用十分強烈，形成迂回曲折的蛇

形地貌，為修建引水式水電站提供了有利的地形條件。某水電站的引水隧洞和

廠房位于南天門嶺，此處分水嶺寬約

800

m

，而兩端河水位差達

13

m

，本區地

層主要是前震旦系的黑云母混合片麻巖通過，沿洞線未發現斷層，且洞線頂上

部新鮮巖體厚達

80～160

m

，深部裂隙已趨閉合因此工程地質條件較好，洞線

前部通過兩條較大巖脈均大致與洞線正交，一條為石英斑巖，寬

30～40

m

，另

一條為正常閃巖，寬

26～30

m

，巖脈與圍巖接觸良好，廠房后山坡地形坡度約

50o～60o，坡高

40

m

左右，后山坡邊坡基本穩定。

7.1

隧洞洞徑及洞線選擇

布置考慮了地質條件、地形條件、施工條件與水力條件，由于施工技術條

件的限制，引水洞徑不宜大于

12

m

，因此，選擇兩條引水隧洞，四條壓力管道

分別給每臺機組供水，供水方式為單元供水（即單管單機），鋼管軸線與廠房軸

線相垂直，這樣可以使水流平順，減小水頭損失。

7.1.1

有壓引水隧洞洞徑計算

由于水輪機選型部分已知單機最大引用流量：

Qmax

124.91

m3

/

s

隧洞斷面面積：

A

2Qmax

Ve

A

4

D2

式中：Ve

4.2

m

/

s

2

124.91

由上式得：

A

2Qmax

Ve

59.48

m2

4.2

4

59.48

則洞徑

D

4

A

8.7

m

3.14

本設計中取

D

9.0

m

。

7.1.2

洞線選擇原則

1）地質條件：盡可能位于完整堅硬的巖石中，避開巖體軟弱、山巖壓力大、

地下水充沛及巖石破碎帶、地震區。必須穿越軟弱夾層或斷層時盡可能正交布

置。隧洞通過層狀巖體時洞線與巖層走向夾角盡可能大，以利于圍巖穩定，提

1

水電站引水系統設計

高承載力。

2）地形條件：出口處的地形宜陡，進口段洞口圍巖厚度宜大于一倍開挖洞

徑，一般要求周圍堅固厚度不小于三倍開挖洞徑。

3）施工條件：便于施工。

4）水力條件：轉彎半徑大于五倍洞徑，轉彎面不宜大于

60o

7.2

進水口設計

7.2.1

進水口型式的選擇

在水利水電工程中，為發電供水等綜合利用的目的，往往需要在水位便服

的天然河道，湖泊或人工水庫和調節池中取水，深式進水口及有壓進水口為了

適應這一需要而設置的一種水工建筑物，深式進水口應滿足水工建筑物的一般

要求，即結構安全，布置簡單，施工方便，造價低廉，運行可靠并適應注意美

觀。其組成為：①行進段②進口段③閘門段④閘門漸變段⑤操作平臺和交通橋。

太平哨水電站為有壓進水式，岸邊地質條件較好，因此選擇深式進水口中

的隧洞式進水口為宜。

深式進水口主要的形式：

隧洞式進水口，其進口段和閘門井均從山體中開鑿而成適應于進口地質條

件良好，擴大斷面和開挖閘門豎井均不會引起塌方，坡度適中。洞式進水口充

分利用了巖石作用，鋼筋混凝土工程量較小，這一種既經濟又安全的結構形式。

①壓力墻進水口：其進口段和閘門段均布置在山體之外適用于洞口附近地

質條件較差或不宜采用洞式進水口時不宜擴大開挖坡度較緩時。

②壩式進水口：其基本特征是進水口附近在壩體上適用于壩后時廠房或河

床式水電站廠房的上游壩體內，進水口與壩體成統一的整體。

③塔式進水口：適用于水電站廠房布置在河床壩后，攔河壩采用當地材料

壩或水庫地質條件較差，坡度較平緩不利于岸坡上修建進水口。

7.2.2

進水口高程確定

該水電站是有壓式進水，岸邊地質條件較好，選擇深式進水口，洞室底板

高程應在水庫淤積高程以上

1.0～1.5

m

，為避免進水口前出現漩渦和吸氣漏斗，

需有一定淹沒水深。

所需要的淹沒深度：

hkp

cva

1

2

式中：

hkp

——無吸漩渦的臨界淹沒水深

2

由上式得：

hkp

cva

2

0.7

4

9.0

2

8.4

m

水電站引水系統設計

c

——經驗系數，一般取

0.55～0.73，對稱進水時取

小值，側面進水時取大值，本設計取

c

0.7

v

——閘門斷面的水流流速，由于閘門面積比引水隧

洞斷面面積稍大，則其流速比引水隧洞小，本

設計取

v

4

m

/

s

a

——閘門孔口高度，本設計取

a

9.0

m

1 1

綜合分析并考慮到風浪影響，取

hkp

10.0

m

則進水口底板高程：

底

死

hkp

a

190.0

10.0

9.0

171.0

m

7.2.3

進水口尺寸的擬定

1）進口段：其作用是連接攔污柵與閘門段。根據國內外實踐經驗，進口段

2

1

頂板曲線采用

1/4

橢圓曲線，曲線方程為：

x2

a2

y2

b

式中：a——橢圓曲線長半軸，一般取(1～1.5)D，本設計取

a

10

m

b

——橢圓曲線短半軸，一般取(1/3～1/2)D，本設計取

b

3

m

一般情況下橢圓曲線

a

/

b

3

:

4

，當引用流量及流速不大時，也可采用圓

弧曲線代替，重要的工程應根據模型試驗決定進口曲線，進口流速不宜太大。

進口面積不小于下式計算值：

A

A'

/

c

cos

式中：

A

——進口斷面面積

A

——引水斷面面積（按漸變段末端）則：

A

D2

/

4

3.14

92

/

4

63.6

m2

——引水道中心線水平面間夾角，本設計取

0

c

——收縮系數，一般取

0.6～0.7，本設計取

c

0.65

由上式得：

A

A'

/

c

cos

63.6

/

0.65

cos

0

97.85

m2

2）閘門段：閘門段是引水道和進口段的連接段，閘門口采用矩形，考慮進

口的結構穩定性，進水口設支墩，布置兩孔，高

4.5

m

，寬

9.5

m

的矩形平板

3

水電站引水系統設計

閘門并相應設兩孔檢修閘門，檢修閘門與工作閘門間距取

2

m

。

3）漸變段：漸變段是閘門段到壓力引水管道的過渡段，其斷面面積和流速

應逐漸變化，使水流不產生漏流并盡量減小水頭損失。由矩形變成圓形通常采

用四角加圓角過渡圓弧的中心位置和圓角半徑

r

均按直線變化，漸變段長度根

據經驗，一般為壓力隧洞直徑的

1.5～2.0

倍，收縮角不超過

10o，以

6～9o

為

宜。本設計取其長度為

16

m

。

4）通氣孔和進人孔：通氣孔設在事故閘門之后其功用是當引水道充水時可

以排氣，當事故閘門關閉放空引水道時，可以補氣以防出現有害真空。

通氣孔面積按下式計算：

A

2Qa

va

式中：

Qa

——進水口進水量，一般為最大引用流量

6.25

m2

124.91m3/s

取

40m/s

由上式得：

A

2Qa

va

va

——通氣孔進氣流速，一般為

30～50m/s，本設計

2

124.91

40

A

249.82

m2

為了便于進水口及壓力水道的維護與檢修，需設進人孔。本設計采用通氣

孔兼作進人孔。

7.2.4

進口設備

1）攔污柵設計：為防止結冰及漂浮物堵塞和進入進水口，進水口前需設攔

污柵，攔污柵在平面上布置或直線上面為垂直布置，即傾角為

90o，過柵的水

流凈流速應盡量小，以減小水頭損失和清污困難，不宜大于

1m/s，本設計取過

柵流速為

1m/s。則攔污柵凈面積為：

2Qa 2

124.91

va 1.0

2）閘門設計：

工作閘門：選用平板閘門，閘門高度應大于洞徑，本設計取

9.5

m

，閘門

寬度一般等于或小于壓力管道直徑，由于進水口設中墩，閘門寬度取

4.5

m

，

門厚

0.8

m

，要求在靜水中開啟，動水中關閉。

檢修閘門：采用平板閘門，尺寸同工作閘門，要求在靜水中開啟，靜水中

關閉。

檢修閘門與工作閘門之間的距離很近，為了便于檢修，要求

2～4

m

的間距，

本設計取為

2

m

，布置在同一閘室內，在閘門井上方布置一個共用的啟閉機房。

4

水電站引水系統設計

7.3

引水隧洞

7.3.1

線路與坡度的確定

引水隧洞的路線選擇是設計中的關鍵，它關系到隧洞的造價，施工難易，

工程進度，運行可靠性等方面，選擇洞線的一般原則和要求為：

①隧洞的路線應盡量避免不利的地質構造，圍巖可能不穩定及地下水位高，

滲水量豐富的地段，以減小作用于襯砌上的圍巖壓力和外水壓力，洞線要與巖

層層面、構造破碎帶和節理面有較大交角，在高地應力區應使洞線與最大水平

地應力方向盡量一致，以減小隧洞側向圍巖壓力，隧洞的進出口在開挖過程中

容易塌方，易受地震破壞，應選在覆蓋層風化較淺，巖石比較堅固完整的地段。

②洞線在平面上求短直，這樣既可以減少工程量，方便施工。有良好的水

流條件，若因地形，地質

，樞紐布置等必須轉彎時應以曲線相連。

③隧洞應有一定的埋藏深度，包括：洞頂覆蓋厚度和傍山隧洞岸邊一側的

巖體厚度，統稱為圍巖厚度，圍巖厚度涉及開挖時的成洞條件，運行中在內外

水壓力作用下圍巖的穩定性，結構計算的邊界條件和工程造價等。

④隧洞的縱坡應根據運用要求，上下游銜接，施工和檢修等因素，綜合分

析比較后確定，無壓隧洞的縱坡應大于臨界坡度，有壓隧洞的縱坡主要取決于

進口高程，要求全線洞頂在最不利條件下保持不小于

2

m

的壓力水頭。有壓隧

洞不宜采用平坡或反坡，因為其不利于檢修和排水。

⑤對于長隧洞，選擇洞線時還應注意地形，地質條件。布置一些施工之洞，

斜井，豎井，以便增加工作面，有利于改善施工條件加快施工進度。

太平哨水電站根據上面原則和要求，選擇了兩條引水隧洞，所經路線地質

構造良好，洞線在平面上短直，即減小工程造價、方便施工、具有良好的水流

條件，隧洞有一定的埋深，圍巖厚度大于

3

倍洞徑。

為了利于檢修與排水，隧洞縱坡率為

2%，其工作閘門與檢修閘門設在進口，

隧洞在平面上有彎角，對于低流隧洞曲率半徑不宜小于

5

倍的洞徑，現取

6

倍

的洞徑，即

54

m

，轉角不宜大于

60°，取

30°，具體布置見壩區引水系統平

面布置圖。

7.3.2 斷面形式與斷面尺寸

隧洞斷面形式取決于水流流態、地質條件、施工條件及運行條件等，有壓

隧洞一般采用圓形斷面，原因是圓形斷面的水流條件受力條件都較為有利，本

5

水電站引水系統設計

設計中隧洞斷面采用圓形，直徑為

9

m

。

7.3.3 洞身襯砌

為了保證水工隧洞的安全有效運行通常需要對隧洞進行襯砌，襯砌作用是

①限制圍巖變形，保證圍巖穩定。②承受圍巖壓力、內水壓力等負荷。③防止

滲漏。④保證巖石免受水流，空氣，溫度，干濕變化等充蝕破壞作用。⑤減小

表面糙率。

隧洞襯砌的主要類型

①平整襯砌：亦稱護面或抹平襯砌，它不承受外力只起減小隧洞表面糙率，

防止滲漏和保護巖石不受風化作用平整襯砌適應于圍巖條件較好，能自行穩定

且水頭，流速較低的情況下。

②單層襯砌：由混凝土、鋼筋混凝土或漿砌石等組成，適用于中等地質條

件斷面較大，水頭及流速較高情況。根據工程經驗，混凝土及鋼筋混凝土厚度，

一般約為洞徑或洞寬的

1/8-1/12

且不小于

25

cm

，由襯砌最終計算確定。

③組合式襯砌：由內層的鋼板，鋼筋網噴漿，外層為混凝土或鋼筋混凝土，

有頂拱為混凝土邊墻或底板為漿砌石和頂拱邊墻噴錨后再進行混凝土或鋼筋混

凝土等形式。

渾江太平哨水電站，為了保證引水隧洞安全有效運行，限制圍巖變形，保

證圍巖穩定，承受圍巖壓力，內水壓力等荷載，防止滲漏，保證巖石免受水流、

空氣、溫度、干濕變化等沖蝕破壞作用，減小表面粗糙，需要對其進行襯砌，

根據工程經驗，采用單層襯砌形式，混凝土厚度為

1

m

。

7.4

調壓室設計

7.4.1

是否設置調壓室判斷

為了改善水錘現象，常在有壓引水隧洞與壓力管道銜接處建造調壓室，調

壓室利用擴大的斷面和自由水面的反射水錘波將有壓引水系統分為兩段：上游

段有有壓引水隧洞，調壓室使隧洞基本上避免了水錘壓力的影響；下游為壓力

管道，由于長度縮短了，從而降低了壓力管道中的水錘值，改善了機組運行條

件。

調壓室功用歸納為以下三點：①反射水錘波，基本上避免了壓力管道中水

錘波進入有壓引水道。②縮短壓力管道的長度從而減小壓力管道及廠房過流部

分鐘水錘壓力。③改善機組在負荷變化時的運行條件及系統供電質量。

在有壓引水系統中設置調壓室后，一方面使有壓引水道基本上避免了水錘

壓力影響，減小了壓力管道中的水錘壓力，改善了機組的運行條件，從而減小

6

水電站引水系統設計

了他們的造價；但另一方面卻增加了設置調壓室的造價，所以是否設置調壓室

應進行技術經濟方案的比較來決定。

我國《水電站調壓室設計規范》建議以下式作為初步判別是否需要設置上

游調壓室的近似準則：

Tw

LiV

gH

0

i

式中：Li——壓力水道（包括蝸殼機為水管）長度，有壩區

系統平面圖量得約為

800-850

m

Vi——壓力水道中的平均流速，取

4.5

m/s

g——重力加速度，取

9.81

H0——電站最小靜水頭；即：

死水位至電站下游水位

190.0-152.6=37.4

m

則：

Tw

850

4.5

9.81

37.4

10.43s

6s

需要設置調壓室。

7.4.2

調壓室位置的選擇

調壓室位置選擇的一般原則為：

①調壓室的位置需根據壓力管道的地形、地質條件與廠房位置統一考慮，

應盡可能靠近廠房，以減少壓力管道與水輪機的水擊壓力。

②調壓室距廠房較近，且多設在臨近山坡處，以避開不利的地質條件，以

減輕電站運行后滲水對圍巖及邊坡穩定的不利影響，以免由于地下水改變導致

圍巖失穩塌滑。

太平哨水電站調壓室所處地形為長條形山脊，且山脊寬度較小，為獲得調

壓室上覆蓋巖體有足夠的厚度，并使兩個調壓室間保持一定的距離，把兩個調

壓室沿山脊一前一后布置，調壓室所處風化層較厚，為了保持頂拱以上新鮮巖

體有較大厚度，則調壓室位置需盡量往進水口方向布置，但這樣縮短了主洞線，

增加了壓力管道長度，不僅增加了工程量和投資，而且對機組調節保證也有不

利影響，為了滿足各方面要求，選取較為合理的位置，1#主洞長

675

m

，壓力

管道長

125

m

，2#主洞

625

m

，壓力管道長

175

m

。

7.4.3 調壓室的布置方式與型式的選擇

根據調壓室與廠房的相對位置關系，調壓室的基本方式有三種：上游調壓

室、下游調壓室、上下游雙調壓室，太平哨水電站上游又較長的引水道，而下

7

水電站引水系統設計

游無尾水隧洞，故選擇布置方式為：上游調壓室。其基本類型有：圓筒式、阻

抗式、雙室式、溢流式、差動式、氣墊式，太平哨水電站從投資、施工難易以

及地形、地質條件綜合考慮，選用簡單圓筒式，并采用“三合一”的型式，即

調壓、分岔及閘門三者布置在一個井中。

7.4.4 調壓室的水利計算

調壓室的基本尺寸是由水力計算來確定的，其內容包括：

調壓室水位波動的穩定條件，確定調壓室斷面面積

確定調壓室最高涌水位，從而確定調壓室頂部高程

確定調壓室最低涌水位，確定其底部及壓力管道進口高程。

1）應根據電站及引水道的實際情況，選擇可能出現的最不利情況作為水力

計算條件，使調壓室自阿確保安全的前提下最經濟合理，采用托馬公式：

Fk

L

f

2g

(H

2hwm0

)

《水工手冊》

7-156

式中：Fk——臨界界面

Lf——引水道長度與斷面面積

g——重力加速度

H——穩定狀態時水輪機承受的靜水頭，

采用可能出現的最小凈水頭，取

34.6

m

hwm0

——壓力管道的水頭損失

α——引水道的水頭損失系數

hw0

LV

2

C

2

R

V

2

2g

V

2

2g

hw0

Ln

2V

2

1

R

3

V

2

2g

V

2

2g

式中：R——為水力學半徑

R=A/x=D/4=9/4=2.25

V——引水道內流速

，取

4.2

m

/

s

ξ——局部水頭損失系數

ξ

為局部水頭損失系數

，查《水力學》表

3-3

eq

\o\ac(○,得：)

1

進水口水頭損失

t

ξ1=0.1

eq

\o\ac(○,，)

攔污柵水頭損失 2

(

)

3

sin

1.6

(

0.03

3

2

B

4

0.14

4

)

0.205

eq

\o\ac(○,，)

3

閘門段

水頭損失（門槽） 3

0.3

eq

\o\ac(○,，)

漸變段局部水頭損失：ξ4=0.05，則∑ξ=0.655

4

8

水電站引水系統設計

R

則：

hw0

Ln

2V

2

1

3

V

2

2g

V

2

2g

0.792

0.589

0.899

2.28

V

hw0

2

2

.28

4.22

0.129

壓力管道水頭損失計算（局部忽略不計）：

hwo

LV

2

C

2

R

Ln

2V

2

4

R

3

D

5.6

取

D=6

m

式中：L——壓力管道查長度取

1#洞長為

125

m

N——糙率《水力學》表

3-2

取

0.012

V——管內流速，取

5

m

/

s

D——壓力管道直徑，即：

4Q 4

124.19

V 5

3.14

R——水力半徑 取

R=D/4=6/4=1.5

m

則：

hwo

LV

2

C

2

R

Ln

2V

2

4

R

3

125

0.0122

52

4

1.5

3

0.262

所以臨界斷面：

Fk

L

f

2g

(H

2hwm0

)

675

63.585

2

0.129

9.81

(34.6

2

0.262)

497.65

m2

調壓室直徑：

D

4Fk

4

497

.65

3.14

25.18

m

對于投入電力系統運行，當電站容易小于

1/3

系統無調頻任務時或機組及

調速器性能度機組穩定運行有充分時，取

F=KFK（其中

K

為折減系數）實際工程

D=20m

2）計算調壓室最高涌波水位：

查《水工設計手冊》7-134

LfV02

2gFhw0

675

63.585

52

2

9.81

493.85

2.28

48.2

x0

hw0

2.28

48.2

0.048

查《水電站》表

10-5

得

9

水電站引水系統設計

Xmax=0.27

則：Zmax=Xmaxλ=0.27×48.2=13.0

Z=Z

校+Zmax=194.7+13=207.33

取調壓室頂部高程為

210.0

m

3）計算調壓室最低涌波水位

查《水電站》10-5

得

X2=0.21

所以：Z2=X2λ=0.21×48.2=10.1

Z=Z

設-Z2=191.5-10.1=181.4

m

最低涌波水位（181.4）-

隧洞頂高程（179.0）=2.4

m

取

2.5

m

，滿足隧洞布置要求。

7.5

水擊及調節保證計算

7.5.1

調保計算目的

水擊計算的目的：確定管道為最大的內水壓力作用為設計或校核壓力管道、

蝸殼和水輪機強度的依據，確定管道內最小水壓力作為管道布置、防止壓力管

道中產生負壓和校核尾水管內真空度的依據，研究水擊和機組穩定運行的惡關

系（調保計算）研究降低水擊壓強的措施.

調節保證計算的目的：為了

保證電站運行的經濟與安全，需選擇合理的導

葉啟閉時間，使水擊壓強及機組轉速變化率都控制在允許的范圍內：

7.5.2

調節保證計算的內容

丟棄全負荷或部分負荷時：

機組轉速最大升高值

壓力管道及蝸殼內的最大水擊壓強

尾水管真空度校核，同時應注意開度變化時的反擊水擊是否超過了增加負

荷時的水擊值

增加全負荷或部分負荷：

機組轉速最大降低值，只對單獨運行的電站運行，加入系統運行的電站，

轉速受系統頻率的制約，不可能有很大降低。

壓力管道和蝸殼內最大壓力降低值

說明：大中型水輪發電機組通常并入電力系統運行，大幅度突增負荷的情

況一般不會出現，只有對單獨運行的電站，增加負荷的調保計算才有意義，本

電站建成后并入東北電網，因此不用進行增加全部負荷或部分負荷時的計算：

《機電設計手冊》P206

10

水電站引水系統設計

7.5.3

調節保證計算的過程

(1)水電站的調保計算一般按兩種工況計算，并取較大值：

eq

\o\ac(○,1)

eq

\o\ac(○,2)

在設計水頭下用全負荷（通常發生最大轉速升高）

在最大水頭下用全負荷（通常發生最大壓力值）

ⅰ.

壓力管道長度：

2#引水隧洞的壓力管道長度大于

1#

所以

2#

管道取

L=175

m

ⅱ.

壓力管道直徑

D：

由前面計算

D=6.0

m

ⅲ.

壓力管道平均水擊波速：

壓力管道是地下埋式鋼管，水擊波速

C=1200

m

/

s

ⅳ.

機組轉速：（額定容量、單機引水流量）

n0=107.1r/min

N=4

萬

KW

Q=124.91m3/s

ⅴ.

導葉起閉時間：

初選擇

TZ=8

s

所以，有效時間為：

Ts=（0.54+0.047Z）TZ=（0.54+0.04×8）×8=6.88

s

ⅵ.

水電站設計水頭：Hr=36.2

m

ⅶ.

機組轉動慣貫

GD2

：

GD2=K2Di3.5lt 《機電手冊》P164

式中：Di——定子鐵芯內徑 Di=8.42

m

lt——定子鐵芯長度 lt=1.35

m

K2——經驗系數查表

3-10 K2=5.2

所以，GD2=5.2+8.423.5×1.35=12159.88t·

m2

(2)水擊壓強與調節保證計算

①在設計水頭下用全荷載

2l

c

2

75

1200

0.292

，

Ts

6.8s

2l

c

所以，發生間接水擊。

D

3.14

Vmax

Qmax

2

A

124.91

62

4

4.42

m

/

s

11

水電站引水系統設計

特性常數

CVmax

2gH

0

1200

4.42

2

9.81

36.2

7.5

丟棄全荷載時：Z0=1，

ρZ0=7.5

>1 所以發生末相水擊

LVmax

gH

0Ts

175

4.42

9.81

36.2

6.68

0.317

式中：σ——閥門開度變化時管道中水流流量的德相對變化

率

m

2

(

2

4

)

0.

317

25

(

0.317

2

4

0.317)

0.371

水擊壓強:

△H=ξmHr=0.371×36.2=13.4

m

總壓力值：Hr

eq

\o\ac(△,+)

H=36.2+13.4=49.6

m

轉速變化率：

1

36.5N

0Ts

f

2

n0

GD

2

1

式中：N0——機組額定容量，取

4

萬

KW

Ts1=0.85Ts=0.85×6.88=5.848

s

F——水擊影響系數，查《水電站》9-22

得：f=1.47

N——額定轉速，取

107.1

r

/

min

1

36.5

4

104

5.848

1.

47

2

107.10

12159.88

1

0.378

機組轉速最高值：nmax=n0（β+1）=107.1×（0.378+1）=147.58

r

/

min

②最大水頭下用全負荷：

2H

c

2

175

1200

0.292

Ts

6.88間接水擊

42

Vmax

4.

（前面已知）

CVm

ax

2gH

0

1200

4.42

2

9.81

38.1

7.1

丟棄全負荷時

Z0=1 ρZ0=7.1

＞1

發生末相水擊

LVmax

gH

0Ts

175

4.42

9.81

38.1

6.88

0.3

m

2

(

2

4

)

0.

3

2

(

0.32

4

0.3)

0.35

水擊壓力：△H=ξmHmax=0.35×38.1=13.335

12

水電站引水系統設計

總壓力值：

eq

\o\ac(△,H+)

H=38.1+13.335=51.435

水擊壓力系數，查《水電站》表

2-22

知

f=1.45

n0

GD

1

36.5H

0Ts

f

2

2

1

1

36.5

40000

5.848

1.45

107.12

12159.88

1

0.374

機組轉速最高值：

nmax=n0（1+β）=107.1×（1+0.374）=147.16

r

/

min

水擊壓力的計算標準如下：

壓力升高：當

H＜40m

時 [ξ]=0.7-0.5

本設計中：ξ＝ｍａｘ（ξＨｒ，ξＨｍａｘ）＝0.371<[ξ]

所以滿足要求。

（3）壓力降低：負水擊時，一壓力管道頂部任何一點不出現負壓并有

2

m

H2O

以上余壓為限，尾水管進口的允許最大真空度為

8

m

H2O。

轉速變化率的計算標準：

丟棄全負荷時[β]=0.6 《機電手冊》P98

本設計

β=max（0.378，0.374）=0.378<[β]=0.6

滿足要求

7.6

壓力管道設計

7.6.1

壓力管道的布置

結合電站廠房綜合考慮，廠房和機組間距

17

m

，故壓力管道中心間距也定

為

17

m

，管道內徑

6

m

，襯砌厚度

60-160

cm

，開挖直徑

7.2-8

m

，則管道間

巖壁厚味

9-9.8

m

，靠近調壓室附近的分岔起點處巖壁厚

5

m

，厚度雖小，但

圍巖巖性較好，節理裂隙不發育，采用混凝土襯砌，可以滿足設計要求，這種

平面布置，從調壓室后以

25°角分岔，并設平面線

R=30

m

，中心角

α=12°

30′，此處在布置壓力管道是充分考慮到了地質條件，調壓室后壓力管道的不

只。在立面上適宜位置處轉彎，以避免不了的地質條件，滿足廠房安裝高程的

要求。

7.6.2

壓力管道直徑的選擇

依據管內經濟流速

4～6

m

/

s

，進行直徑確定，經計算管徑為

6

m

，相應流

速為

4.42

m

/

s

，毅力管道直徑取值不計算值稍大原因是：

eq

\o\ac(○,1)

、壓力管道較長。

采用較大洞徑，相對流速

較低，可改善機組運行條件；

eq

\o\ac(○,2)

、太平哨水電站為中

水頭大流量電站，水流較為寶貴，采用較大洞徑可獲得較多電能。

13

水電站引水系統設計

7.6.3

調節保證計算

經調節保證計算，確定水輪機導葉啟閉時間為

8s，最大水擊壓力為

13.34，壓力管道壓力值為

51.435，機組轉速最大升值

147.16

r

/

min

，滿足要

求。

7.6.4

壓力管道的結構設計及穩定計算

基本資料：《水工設計手冊》普通碳素鋼

A3，屈服強度

σs=235000KPa

低合金鋼

16Mn，屈服強度

σs=345000KPa，巖石彈性拉力系數

K0=400，為

了安全，涉及何在為外水壓力

50

m

水柱高，內水壓力

60

m

水柱高，鋼材彈性

模量

E

為：E=2.06×108KPa，泊松比為

0.3

壓力管道壁厚初估：

為了安全起見，不考慮巖石的彈性拉力，自阿內水壓力作用下，荷載由鋼

管單獨承擔，依據鍋爐公式：

Pv0

[

]

HD0

2[

]

《水電站》P143

式中：γ——水溶重 9.81

H——內水壓力

為

60

m

D0——管道直徑為

6

m

φ——焊縫系數，采用雙面對焊

0.95

[σ]——鋼材允許應力，

本設計采用

16Mn

鋼，取

0.55σs，再降低

20%。

9.81

60

6

2

0.55

345000

0.2

0.012m

Pcr

3440（）/

s

1.7

考慮鋼管銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，管壁應力比計算值增加了

2

mm

，所

以結構厚度為

12+2=14

mm

另外，管壁最小厚度除滿足上述結構穩定要求，還需考慮制造工藝、安裝

運輸等要求，管壁有必要的剛度，因此管壁最小機構厚度應滿足

δ≥D/800+4=11.5

mm

,且不小于

6

mm

，故利用鍋爐公式計算出的

12

mm

與結構

厚度

14

mm

，滿足要求。

鋼管抗外壓失穩計算

（1