壓力前池水位計算

1、第二章 水電站引水道建筑物第一節(jié) 引水道引水道的功用是集中落差，形成水頭，將水流輸送到水電站廠房，然后將發(fā)電后的水流(稱為尾水)排到原河道。引水道分為無壓引水道和有壓引水道兩類。無壓引水道的特點是具有自由水面，引水道承受的水壓不大，適用于無壓引水式水電站，河道或水庫的水位變化不大。在結(jié)構(gòu)型式上，無壓引水道最常用的是渠道和無壓隧洞。渠道常沿山坡等高線布置，受地形及地質(zhì)條件制約，其長度和開挖工程量較大，且運行期要經(jīng)常維護、修理，但由于在地表面施工，因而比較方便，中小型電站常采用渠道引水。某些特殊情況下，如崎嶇的山坡等，可能無法沿著不規(guī)則的等高線布置引水道，則對較深的峽谷可采用渡槽越過，對較淺的峽谷

2、用倒虹吸穿越，對山嶺用無壓隧洞穿過。有壓引水道的特點是引水道內(nèi)為壓力流，承受的水壓力較大，適用于有壓引水式水電站，河道或水庫水位變幅較大。 有壓隧洞是最常用的結(jié)構(gòu)型式，它可以利用巖體承受內(nèi)水壓力和防止?jié)B漏。在很特殊的情況下，有壓引水道可采用壓力管道。一、引水渠道(一) 水電站引水渠道的要求水電站的引水渠道與一般灌溉和供水渠道不同。電網(wǎng)中一天負荷變化很大，水電站一般起調(diào)峰作用，引用流量隨負荷變化而變化，通常將水電站的引水渠道稱為動力渠道。水電站引水渠道應滿足以下基本要求：(1) 有足夠的輸水能力。當電站負荷發(fā)生變化時，機組的引用流量也隨之變化。為使引水渠道能適應由于負荷變化而引起的流量變化要求，

3、渠道必須有合理的縱坡和過水斷面。一般按水電站的最大引用流量Qmax設計。(2) 水質(zhì)要符合要求。防止有害污物和泥沙進入渠道，渠道進口、沿線及渠末都要采取攔污、防沙、排沙措施。(3) 運行安全可靠。應盡可能減少輸水過程中的水量和水頭損失，因此渠道要有防沖、防淤、防滲漏、防草、防凌等功能。渠道內(nèi)水流速度要小于不沖流速而大于不淤流速。渠道的滲漏要限制在一定范圍內(nèi)，過大的滲漏不僅造成水量損失，而且會危及渠道安全。渠道中長草會增大水頭損失，降低過水能力，在易長草季節(jié)，維持渠道中的水深大于1.5m及流速大于0.6m/s可擬制水草的生長。渠道中加設護面既可減小糙率，又可防滲、防沖、防草、有利于維護邊坡穩(wěn)定，

4、保證電站出力，但工程造價增加。在嚴寒季節(jié)，水流中的冰凌會堵塞進水口的攔污柵。為了防止冰凌的生成，可暫時降低水電站出力，使渠道流速小于0.45m/s0.60m/s，并迅速形成冰蓋。為了保護冰蓋，渠內(nèi)流速應限制在2 / 141.25m/s以下，并防止過大的水位變動。在進行線路選擇時主要考慮沿線的地質(zhì)和地形條件。一般應選擇在巖體穩(wěn)定性較好、滲透性和風化較弱的區(qū)域。在下列情況下不宜選擇無壓引水渠道方案：(1) 山坡不穩(wěn)定時；(2) 山坡過陡；(3) 渠道以上的山坡有不穩(wěn)定的山體，或常有石塊滾落下來；(4) 有可能發(fā)生雪崩的部位；(5) 氣候嚴寒，冰凍期較長，渠中水流有冰凍的可能。在遇到這些問題時，可采

5、用相應的工程措施，如將渠道局部封閉等。(二) 動力渠道的類型1非自動調(diào)節(jié)渠道。渠頂大致平行渠底，渠道的深度沿途不變，在渠道末端的壓力前池中設泄水建筑物(溢流堰)。當水電站的引用流量等于渠道設計流量時，水流處于均勻流狀態(tài)，水面線平行渠底，渠內(nèi)為正常水深，壓力前池水位低于堰頂；當電站引用流量小于渠道設計流量時，水面線為雍水曲線，水位超過堰頂，開始溢流；當水電站引用流量為零時，通過渠道的全部流量泄向下游。這種渠道的優(yōu)點是：渠頂能隨地形而變化，當渠道較長，底坡較陡時，工程量比較小。溢流堰可限制渠末的水位,保證向下游供水。其缺點是若下游無用水要求而進口閘門又不能及時關(guān)閉時，則造成大量無益棄水。2自動調(diào)節(jié)

6、渠道。渠道首部堤頂和尾部堤頂?shù)母叱袒鞠嗤?，并高出上游最高水位，渠道斷面向下游逐漸加大，渠末不設泄水建筑物。當水電站的引用流量為零時，渠道內(nèi)水位是水平的，渠道不會發(fā)生漫流和棄水現(xiàn)象；當水電站引用流量小于渠道設計流量時，渠道內(nèi)出現(xiàn)雍水曲線；當水電站引用流量大于渠道設計流量時，渠道內(nèi)為降水曲線。這種渠道在最高水位和最低之間有一定的容積，從而在一定程度上起到了自動調(diào)節(jié)的作用，為電站適應負荷變化創(chuàng)造了條件，但工程量較大。(三) 渠道的斷面尺寸引水渠道一般在山坡上采用挖方、回填或半挖半填的方式修建，其斷面形狀也多種多樣，如梯形、矩形等，以梯形最為常見。邊坡坡度取決于地質(zhì)條件及襯砌的情況。在巖石中開鑿出來

7、的渠道邊坡可近于垂直而成為矩形斷面。在選擇斷面型式時，應盡力滿足水力最佳斷面，同時要考慮施工、技術(shù)方面的要求，確定合理實用斷面。決定斷面尺寸時，首先要滿足防沖、防淤、防草等技術(shù)條件，擬定幾個可能的方案，經(jīng)過動能經(jīng)濟比較，選出最優(yōu)方案。經(jīng)過動能經(jīng)濟計算后，得到的渠道斷面Fe稱為經(jīng)濟斷面。工程實踐表明，渠道的經(jīng)濟流速Ve大致為1.52.0m/s，則Fe=Qmax/Ve,粗略估算渠道尺寸時可做為參考。(四) 渠道的水力計算特點渠道的水力計算主要任務是根據(jù)設計流量，選定斷面尺寸、糙率、縱坡和水深。1 恒定流計算(1) 根據(jù)均勻流計算出流量Q、過水斷面F、水力半徑R、底坡 i、糙率n之間的關(guān)系。當 i

8、、F均已選定，可求出渠道正常水深與流量之間的關(guān)系曲線hnQ。(2) 根據(jù)斷面F，假定一系列臨界水深hc，可算得與其相對應的流量Q，從而作出hcQ關(guān)系曲線，即曲線。 (3) 非均勻流計算的目的是決定水面曲線。對于給定的渠首設計水深h1(即水庫為設計低水位、閘門全開下的渠首水深)，利用水力學中非均勻流水面曲線的計算方法可求出渠道通過不同流量時渠末水深h2，繪出h2Q關(guān)系曲線，即曲線。(4) 根據(jù)渠末溢流堰的實際尺寸，按堰流公式可以得出渠末水深h2(等于堰頂至渠底的高度hW，加上堰上水頭)與溢流流量QW的關(guān)系曲線 hW QW即曲線。這幾條曲線的關(guān)系及意義如下： 曲線與曲線的交點N表示h1= h2，渠

9、內(nèi)發(fā)生均勻流。此時的流量相應于渠道的設計流量Qd。若水電站引用流量大于Qd，h2 hn，渠中出現(xiàn)降水曲線，且隨著流量的增加h2迅速減小。h2的極限值是臨界水深hc，即曲線與曲線的交點C。此時的流量Qc為給定渠首水深h1下渠道的極限過水能力。Qd一般采用水電站的最大引用流量Qmax，這是因為： (l) 使渠道經(jīng)常處于雍水狀態(tài)工作，以增加發(fā)電水頭； (2) 避免因流量增加不多而水頭顯著減小的現(xiàn)象； (3) 使渠道的過水能力留有余地，以防止渠道淤積、長草或?qū)嶋H糙率大于設計采用值時，水電站出力受阻(即發(fā)不出額定出力)。水電站引用流量小于Qmax(即Qd)時，渠中出現(xiàn)雍水曲線，渠末水位隨流量減小而上升。

10、當水電站引用流量等于QA時，即曲線與堰頂高程線的交點A處，h2 = hW，剛好不溢流。當水輪機流量Qt在0與QA之間時，h2 > hW ，溢流堰發(fā)生溢流，溢流流量為QW，通過渠道的流量為QtQW。當水電站停止運行(Qt = 0)時，通過渠道的流量全部由溢流堰溢走，相應于曲線與曲線的交點B，這就是溢流堰在恒定流情況下的最大溢流流量QWmax，相應水位為恒定流下渠末最高水位。當水庫水位在一定范圍內(nèi)變化時，渠首水深h1也要發(fā)生變化，可取幾個典型h1進行非均勻流計算，得出相應的h2Q曲線，進行綜合分析。2非恒定流計算非恒定流計算的目的是研究水電站負荷變化時渠道中水位和流速的變化過程。計算內(nèi)容包括

11、：(1) 水電站突然丟棄負荷時渠道涌波的計算，求出渠道沿線的最高水位，用以確定堤頂高程；(2) 水電站突然增加負荷時渠道的涌波計算，求得最低水位，以確定壓力管道進口高程；在任何情況下，壓力管道進口不得露出水面；(3) 水電站按日負荷圖工作時渠道中水位及流速變化過程，以研究水電站的工作情況。二、引水隧洞 發(fā)電隧洞水電站最常見的輸水建筑物之一。從功用上來分，發(fā)電隧洞分為引水隧洞和尾水隧洞；根據(jù)隧洞的工作條件，又可分為有壓隧洞和無壓隧洞,發(fā)電引水隧洞多數(shù)是有壓的，尾水隧洞則以無壓洞居多。(一) 隧洞路線選擇隧洞的線路選擇是設計中的重要內(nèi)容，關(guān)系到隧洞的造價、施工難易、施工安全、工程進度和運用可靠性等

12、。隧洞線路選擇要和進水口、調(diào)壓室、壓力管道及廠房位置聯(lián)系起來綜合考慮，必須在認真勘測的基礎(chǔ)上擬定不同的方案，進行技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。在滿足水電站樞總體布置的前提下，隧洞線路布置的總原則是：洞線短、彎道少，沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件要好，并便于布置施工平洞。(1) 地形條件。隧洞進出口處地形宜陡，進出口段應盡量垂直地形等高線，其洞頂圍巖厚度應不小于1.0倍開挖洞徑，洞身的埋藏深度應滿足洞頂以上圍巖重量大于洞內(nèi)靜水壓力的要求；擬利用圍巖抗力時，圍巖厚度不應小于3.0倍開挖洞徑；要利用山谷等有利地形布置施工支洞。(2) 地質(zhì)條件。隧洞線路應布置在地質(zhì)構(gòu)造簡單、山巖比較完整堅固、山坡穩(wěn)定的地區(qū)，盡量

13、避開不利的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、破碎帶和可能發(fā)生滑坡的不穩(wěn)定地段，同時應盡量避開山巖壓力很大、滲水量很大的巖層。當洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及主要較弱帶相交時，其夾角應盡量靠近90°。在整體塊狀結(jié)構(gòu)的巖體中，其夾角不宜小于30度。在層狀巖體中，特別是層間結(jié)合疏松的高傾角薄巖層，其夾角不宜小于45度。隧洞的進出口在開挖時易于坍方，在運用中也容易受地震破壞，所以應選擇覆蓋或風化層淺、巖石比較堅固完整的地段，以避免施工和運用中發(fā)生塌方、堵塞洞口的事故。如果無法避開，可以通過結(jié)構(gòu)設計和施工措施加以改善。(3) 施工條件。對于長隧洞，洞線選擇時還應考慮設置施工支洞問題，以便于增加施工工作面，有利于改善

14、施工條件，加快施工進度。有壓隧洞要設0.30.5的縱坡，以利施工排水及放空隧洞。 (4) 水力條件。洞線盡可能直，少轉(zhuǎn)彎；必須轉(zhuǎn)彎時彎曲半徑一般大于5倍洞徑，轉(zhuǎn)角不宜大于60度，以使水流平順，減小水頭損失。(二) 隧洞水力計算 有壓隧洞的水力計算包括恒定流及非恒定流兩種。(1) 恒定流計算。目的是研究隧洞斷面、引用流量及水頭損失之間的關(guān)系，以便確定隧洞尺寸。(2) 非恒定流計算。目的是求出隧洞沿線各點的最大、最小內(nèi)水壓力值，首先求出調(diào)壓室內(nèi)的最高及最低水位，水庫水位與調(diào)壓室內(nèi)的最高水位的連線即為隧洞的最大內(nèi)水壓力坡降線，據(jù)此確定隧洞襯砌的設計水頭, 水庫的低水位與調(diào)壓室最低水位的連線即為隧洞最

15、小內(nèi)水壓力坡降線，隧洞頂各點高程應在最低壓坡線之下，并有1.52.0m的壓力余幅，以保證洞內(nèi)不出現(xiàn)負壓。當隧洞末端無調(diào)壓室時，其非恒定流計算即為水擊計算。要避免在隧洞中出現(xiàn)時而無壓時而有壓的不穩(wěn)定工作狀態(tài)。 (三) 隧洞的斷面尺寸常見的隧洞斷面型式有圓形、城門洞形、馬蹄形及高拱形四類。有壓隧洞常采用圓形斷面。對于無壓隧洞，地質(zhì)條件良好時通常為城門洞形，洞頂和兩側(cè)圍巖不穩(wěn)時采用馬蹄形，洞頂巖石很不穩(wěn)定時采用高拱形。發(fā)電隧洞的斷面尺寸應根據(jù)動能經(jīng)濟計算來選定，對不太重要的工程，常采用經(jīng)濟流速控制。根據(jù)經(jīng)驗，有壓隧洞的經(jīng)濟流速Ve一般在4m/s左右，求出Qmax/Ve值，即可求得經(jīng)濟斷面。第二節(jié) 壓

16、力前池與日調(diào)節(jié)池壓力前池設置在引水渠道或無壓隧洞的末端，是水電站無壓引水建筑物與壓力管道的連接建筑物。一、壓力前池的作用(1) 平穩(wěn)水壓、平衡水量。當機組負荷發(fā)生變化時，引用流量的改變使渠道中的水位產(chǎn)生波動，由于前池有較大的容積，就可減少渠道水位波動的振幅，穩(wěn)定了發(fā)電水頭；另外前池還可起到暫時補充不足水量和容納多余水量的作用，適應水輪機流量的改變。(2) 均勻分配流量。從渠道中引來的水經(jīng)過壓力前池能夠均勻地分配給各壓力管道，管道進口設有控制閘門。(3) 渲泄多余水量。當電站停機時，向下游供水。(4) 攔阻污物和泥沙。前池設有攔污柵、攔沙、排沙及防凌等設施，防止渠道中漂浮物、冰凌、有害泥沙進入壓

17、力管道，保證水輪機正常運行。二、壓力前池的組成建筑物(1) 前室(池身及擴散段)。前室是渠末和壓力管道進水室間的連接段，由擴散段和池身組成。擴散段保證水流平順地進入前池，減少水頭損失。池身的寬度和深度受高壓管道進口的數(shù)量和尺寸控制，以滿足進水室的要求。(2) 進水室及其設備。指壓力管道進水口部分，通常采用壓力墻式進水口。進口處設閘門及其控制設備、攔污柵、通氣孔等設施。(3) 溢水建筑物。當水電站以較小的流量工作或停機時，多余的水量由溢水建筑物泄走，防止前池水位漫過堤頂，并保證向下游供水。溢水建筑物一般包括溢流堰、陡槽和消能設施。溢流堰應緊靠前池布置，其型式可分為正堰和側(cè)堰兩種，堰頂一般不設閘門

18、，水位超過堰頂，前池內(nèi)的水就自動溢流。(4) 放水和沖沙設備。從引水渠道帶來的泥沙將沉積在前室底部，因此在前室的最低處應設沖沙道，并在其末端設有控制閘門，以便定期將泥沙排至下游。沖沙道可布置在前室的一側(cè)或在進水室底板下作成廊道。沖沙孔的尺寸一般不小于1m2，廊道的高度不小于0.6m，沖沙流速通常為23m/s。沖沙孔有時兼做前池的放水孔，當前池檢修時用來放空存水。(5) 攔冰和排冰設備。排冰道只有在北方嚴寒地區(qū)才設置，排冰道的底板應在前池正常水位以下，并用疊梁門進行控制。三、壓力前池的布置壓力前池的布置與引水道線路、壓力管道、電站廠房及本身的溢水建筑物等有密切聯(lián)系。因此應根據(jù)地形、地質(zhì)和運行條件

19、，結(jié)合整個引水系統(tǒng)及廠房布置進行全面和綜合的考慮。(1) 前池的整體布置應使水流平順、水頭損失最少，以提高水電站的出力和電能。布置能使渠道中心線與前池中心線平行或接近平行。前室斷面逐漸擴大，平面擴散角不宜大于10°。前池底部坡降的擴散角也不大于10°。(2) 前池應盡可能靠近廠房，以縮短壓力管道的長度。前池中水流應均勻地向各條壓力管道供水，使水流平順，無漩渦發(fā)生。運行方面應力求清污、維護、管理方便，同時應使泄水與廠房尾水不發(fā)生干擾。(3) 前池應建在天然地基的挖方中，不應設置在填方或不穩(wěn)定地基上，以防由于山體滑坡和不均勻沉陷導致前池及廠房建筑物的破壞。四、壓力前池的尺寸擬定

20、(一) 前池中特征水位1正常水位正常。正?？山撇捎卯斠罏樵O計流量時的渠末正常水位渠末正常，即正常=渠末正常 (2-1)2前池最高水位最高對于自動調(diào)節(jié)渠道一般認為與渠道設計流量最高水位高程齊平或按水電站丟棄全部負荷時產(chǎn)生的最大涌波高程考慮；對非自動調(diào)節(jié)渠道為溢流堰頂加堰上最高溢流水深h堰，由于堰頂高程通常按前池的正常水位加上35cm計及； 所以 最高正常h堰(0.030.05)(m) (2-2)溢流堰下泄流量，常取水電站的最大引用流量。3前池中的最低水位最低最低應根據(jù)下面兩種情況確定：(1) 枯水期渠道來水量為電站最小引用流量時，渠末水位為前池最低水位，即最低渠末底h渠末 (2-3)式中

21、的渠末底為渠末底部高程，h渠末為最小引用流量時渠末水深。(2) 發(fā)生在水輪機突然增加負荷，池中水位突然最大下降的前池水位。此時應根據(jù)運行可能出現(xiàn)的最不利情況進行計算，例如其他機組滿發(fā)而最后一臺機組突然帶上滿負荷，若非恒定流的落波計算值為波，而增加負荷前，前池中的水位為起始，則前池中的最低水位即為：最低=起始-波 (2-4)落波的波高一般可按以下近似公式計算 (2-5) (2-6)式中 c 落波沿渠道的傳播速度，m/s； A 流量變化前渠道過水斷面的面積，m2； 波落波高，m； V0流量變化前渠道中的流速，m/s； 由于負荷增加，相應增加的流量，m3/s； B1 落波高度一半處渠道過水斷面的水面

22、寬度 ，m；g 重力加速度，9.81m2/s。若B代表流量變化前的過水斷面寬度 ，a坡代表渠道的邊坡系數(shù),則 B1=B-a坡·波 (2-7)由上述幾個公式可以看出 ，落波波的計算是一個試算過程，先假定一個波，由式(2-6)和式(2-7)求出B1和c，再求出，若計算值和波相一致，即為所求的波，否則再重新計算。4. 進水室中的正常水位進 。進為前室正常水位減去局部水頭損失：進=前正常-(h進+h門槽+h欄)=前正常-h (2-8)式中的h進，h門槽，h欄分別為水流經(jīng)進水室、閘門槽及攔污柵時的水頭損失。5. 進水室的最低水位進最低進最低即壓力水管進口處的最低水位： 進最低=最低-h (2-

23、9)(二) 前池尺寸擬定1前室邊墻高程墻頂。對自動調(diào)節(jié)渠道，前池邊墻的高程與進水口頂部的高程相同，對非自動調(diào)節(jié)渠道，池身邊墻的高程墻頂，應保證水流不漫頂并有適當?shù)陌踩?。墻?最高+ (2-10)的值一般可取0.5m，前池面積較小時，可取略小于0.5m的數(shù)值。2寬度BB與進水室前沿的總寬度BK相等。3前室入口部分的深度hh為渠道末端底部至邊墻頂部的高度。4前室末端的深度H為：H=Hk+h攔沙 (2-11)h攔沙為攔沙壩的高度，取(0.51.0)m。 5前室的長度L為了保證渠道在平面上和前室最大寬度相連接，在深度上和池身最大深度相連接，前室長L應為：L=(35)(H-h)+(0.51.0) (

24、m) (2-12)6進水室的寬度一個進水室的寬度bk約為壓力水管直徑D的1.51.8倍，則進水室前沿的總寬度： Bk=nbk+(n-1)d (2-13)式中 n壓力水管數(shù)目； bx單個進水室的寬度； d中間隔墩厚度，漿砌塊石隔墩取0.81.0m，混凝土隔墩取0.50.6m。7進水室的進口水深hkhk應使進口流速不超過攔污柵的允許過柵流速V，故； hk (2-14)式中 qmax每個進水室的最大流量；V進口攔污柵允許過柵的流速。當采用人工清污機時，柵前流速一般不超過0.81.0m/s。8進水室底板高程進底根據(jù)hk，進底進最底hk，同時進底還應滿足不讓空氣帶入壓力水管的條件，即要求： 進底進最低 (2-15)式中 S等于(23)；Vmax壓力水管通過最大引用流量時的流速，m/s; D壓力水管直徑，m; 壓力水管中心線與水平面的交角。9進水管長度進進水室長度進主要決定于攔污柵、工作閘門、通氣孔、工作橋啟閉機等設備的布置。小型電站一般為(35)m。10前池瞬時容積的校核前池調(diào)節(jié)的作用是當發(fā)電流量在產(chǎn)生