水电站复习Word格式.docx

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内水压、坝体荷载、温差荷载

6、为了减少坝体承担的内水压力，可以在钢管外设置软垫层，将钢管与坝体隔开。

软垫层可以吸收钢管在内压作用下的径向变位，而使内压只有一部分或很小部分传至坝体。

7、结构设计的任务是：

决定钢衬材料和厚度，管外坝体混凝土等级和配筋，钢衬抗外压设施。

第二章进水口及引水道建筑物

1、进水口的分类（按水流条件分，即供水入无压水道/压力水道）：

无压进水口：

表面式进

水口（又称进水闸）常设于凹岸（防止漂浮物、泥沙进入）底部拦污栅式；

有压进水口：

坝式进水口、岸式进水口（竖井式和岸墙式）、塔式进水口。

2、进水口的要求：

1）要有必要的进水能力：

进水口底坎足够低，过水断面足够大，有一定淹没深度；

2）水质符合发电要求：

防止污物、冰块、有害泥沙进入造成淤积和建筑物设备受损；

3）水头损失要小：

形状应平滑渐变，流态平顺，无突变涡流，流速尽量小，防止堵塞；

4）流量可按要求控制：

设工作、检修闸门；

5）施工、安装、运行和检修方便：

选择合理的布置和结构形式；

3、为了防止已经进入进水口的悬移质泥沙中的有害颗粒进入引水道，在无压进水口之后，引水道之前设置沉沙池。

沉沙池原理：

加大过水断面，降低水流流速从而减小其携沙能力，使其有害泥沙（粒径大于0.25mm的泥沙）在沉沙池中逐渐沉积，为此要求沉沙池应有必要的宽度、深度和长度，使流速变小并且均匀。

根据水流中泥沙颗粒的大小，池中平均流速应为0.25~0.7m/s。

4、排沙方式可以是连续或定期的，方法有：

水力冲沙、水力机械冲沙、机械排沙。

5、引水道的功用：

集中落差，形成水头，并将水流输送到压力管道引入机组，然后将发电后的水流排到下游。

有无压（无压隧洞、渠道）和有压引水道（有压隧洞、明管、明钢管）。

6、引水道要求：

1）有符合要求的输水能力：

有足够的过水面积和流速，防止引水道中泥沙沉积，防止表面被冲蚀或长草增加n从而减小流速，防止岩石坍塌堵塞；

2）减少水头损失：

减小弯道和断面变化，减小表面粗糙度；

3）保证水质：

进水口采取防范措施，防止泥沙、冰凌、污物等进入；

4）尽量较少引水道向外漏水；

5）运行安全可靠，应能放空和维护检修，结构经济合理，便于施工运行。

7、涌波：

丢弃负荷时，水轮机的引用流量突然减小，渠道水位由下游向上游逐渐升高，这种水位的升高现象是由渠道末端向渠道首端逐渐传递的。

消落波：

电站增加负荷时，水轮机引用流量突然增加，但渠道来流量还来不及增加，渠道末的水量被引走，水位逐渐降低，这种水位降低现象也是由渠末向渠首逐渐传递的。

8、压力前池位于动力渠道末端，是把无压引水道的无压流变为压力管道的有压流的连接建筑物。

功用：

电站正常运行时，把流量按要求分配给压力管道，并使水头损失最小；

水电站出力变化、事故时，与引水渠配合，调节流量；

电站停止运行、压力管道关闭时，供给下游必需的流量；

在压力管道事故时，紧急切断水流；

防止引水道中杂物、冰凌与有害物泥沙进入压力管道。

9、压力前池组成：

扩散段、前室、进水室（压力管道的进水口及设备）、泄水和排沙建筑物。

布置：

充分利用地形；

前池应尽可能接近厂房，以缩短昂贵而且对安全要求高的压力管道；

前池常需布置在靠近河岸的陡坡上，这样就使其工程量增加，对山坡及地基的稳定不利，渗漏可能会使山坡坍滑。

第三章压力管道总论及明钢管

1、压力钢管设计步骤

1）分析拟定钢管的总体布置：

钢管的根数、直径、管道线、敷设方式、布置镇墩、支墩、岔管等；

2）进行钢管的水力计算：

水头损失、水锤分析等；

3）选择钢管的材料、结构形式、初定管壁厚度；

4）分析确定荷载组合，进行较为精确的计算；

5）进行具体设备的细部布置设计；

6）绘制详图；

7）制定钢管的制作安装、试验和维修技术要求。

2、压力钢管定义：

从水库或引水道末端的前池或调压室，将水在有压状态下引入水轮机的输水管。

特点：

坡度陡；

承受电站的最大水头，且受水锤动水压力；

靠近厂房。

压力管道的主要荷载是内水压力，管道内径D（m）、水压H（m）及乘积HD值是标志压力管道规模及其技术难度的重要特征值。

分类：

根据布置形式，分为1）明管（暴露在空气中）；

2）地下埋管（埋藏于地层岩石之中的钢管，可以是斜的、垂直的隧洞式压力管道）；

3）混凝土坝身管道（依附于坝身，有坝内埋管、坝上游面埋管、坝下游面埋管）。

直径选择时经济流速：

4~6m/s。

3、压力管道供水方式：

单元供水；

联合供水；

分组供水；

压力管道水力计算：

水头损失计算和水锤计算。

用以决定水电站的工作水头和作用在水轮机部件上水压力，也用于确定管线，正常工作情况下最高压力线：

计算管厚；

特殊工况下的最高压力线，校核材料强度；

最低压力线：

确定会不会出现负压。

4、压力钢管的材料考虑钢材的工艺性能：

切割、冷弯、焊接等。

还有力学性能，强度校核：

我国采用第四强度理论进行校核：

5、压力钢管的设施和构造：

布置管线时，应使钢管顶部至少在最低压力线下2m，以防管内发生真空。

管道应有进入孔和必要的检查维修设施，进人孔间距一般不宜大于200m。

最低点设置排水设施，用于完全排空管道内积水和闸阀漏水；

管道转变半径一般宜小于3D。

钢管最小壁厚不应小于

或6mm。

考虑锈蚀、磨损及钢板厚度误差，管壁厚度至少比计算值增加2mm。

明管和岔管宜作水压实验，压力值应不小于1.25倍正常工作情况下的最高水压力。

6、明管线路选择，考虑：

管道线路应尽可能短而直，以降低造价，减小水头损失，降低水锤压力和改善机组运行条件。

选择良好的地质条件，使钢管支承在坚固的地基上。

尽量减少管道线路的起伏波折。

7、明钢管引进厂房的三种方式：

正向、纵向、斜向引进。

8、钢管底与地面的净距不得小于0.6m。

9、一般采用分段式敷设。

钢管轴线拐弯处设镇墩，镇墩间管段用支墩支撑，两镇墩间设有伸缩节，有单向滑动套筒式和双向滑动套筒式。

两镇墩之间，支墩宜等间距布置，设有伸缩节的一跨间距宜缩短以减少弯矩。

10、伸缩节的作用：

当温度变化时，管身可在轴向伸缩，从而消除或减少温度应力；

能适应少量的不均匀沉陷或变形，同时为阀门拆装提供方便。

11、镇墩：

分为封闭式、开敞式两种，管道的外包砼厚度不小于管径的0.4~0.8倍；

为维护、检修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。

12、支墩：

小型钢管，间距12m-15m左右；

大型钢管，间距3m-6m左右。

分为滑动式、滚动式、摇摆式。

13、作用受力在明钢管上的力按方向分为：

轴向、径向、切向。

14、钢管应力分析计算时选择四个基本部位：

跨中断面、支承环旁管壁膜应力区边缘、加劲环及其旁管壁、支承环及其旁管壁。

15、支承环的支承方式：

侧支承、下支承。

16、应力不满足强度校核时可重新调整管壁厚度或支墩间距，直到满足强度要求为止。

17、明钢管外压失稳的原因及失稳现象：

机组运行过程中由于负荷变化产生负水锤，而使管道内产生负压；

管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空；

管道在外部的大气压力作用下，可能丧失稳定，管壁被压扁；

必须根据钢管处于真空状态时不产生不稳定变形的条件来校核管壁厚度。

。

18、当管径和管壁厚度一定时，加劲环的间距越小，管壁在外压下屈曲的波数便愈多，临界压力值便愈大；

设置加劲环的明钢管在外力作用下，需满足两个要求：

a、加劲环不能失稳屈曲；

b、加劲环不失稳时，其横截面的压应力小于材料允许值。

19、圆环临界压力：

；

对长圆筒的薄钢管要考虑平面应变问题，则上式E以E/（1-U2）代替，

，即得光滑管亦即无刚性环的明钢管不失稳的最小管壁厚度为：

D/130。

不满足上式时，可设置加劲环来增加管壁的刚度，通常，这比加厚管壁要经济。

20、加劲环的弹性稳定临界压力：

21、明钢管设计步骤

1）初估管壁厚度（锅炉公式）；

2）荷载分析和组合；

3）选取计算断面（至少四个）；

4）进行每个断面的应力计算；

5）应力复核，强度校核（第四强度理论）；

6）抗外压稳定，校核光滑管、加劲环（环间距、自身强度要求等）、

22、明钢管抗外压失稳的设计步骤

1）根据已定的光滑管管壁厚度计算其临界压力；

2）如不满足，可设置加劲环，此时根据钢管应有的临界压力值，由式3-38（下式）选定加劲环间距，然后根据加劲环抗外压稳定和横截面压应力小于允许值这两个条件，计算出加劲环的尺寸。

第四章地下埋管

1、地下埋管的施工程序：

开挖、钢衬安装、混凝土回填、灌浆。

2、地下埋管的灌浆：

回填灌浆、接缝灌浆、固结灌浆。

3、地下埋管是埋藏于地层岩石中的钢管，可以是斜的、垂直的，故也称作斜井、竖井，或称为隧洞式压力管道。

4、优点：

1、布置灵活方便，不受地面地形地质限制；

2、利用围岩承载，减少钢衬壁厚，可解决HD值很大的技术难关；

3、运行安全，超载能力强。

缺点：

1、构造较复杂，施工安装程序多，工艺要求较高而地下施工条件又较差。

这些因素使得造价增加，工程质量不易保证，且影响工期。

2、在地下水压力较大的地方，钢衬可能承受甚大外压，造成失稳

5、构造施工要求：

1）尽量采用光面、预裂爆破或掘进机开挖，保持圆形孔口，减少松动爆破影响。

2）钢衬与围岩之间回填的砼仅起传递径向内压力而不承受环向拉力，因此砼标号不必太高，但也不宜小于150号。

3）斜管及平管的底部，止水环和加劲环附近尤须加强震捣，不允许出现疏松区和空洞。

4）在地下水丰富区的地层施工时，要特别注意地下水冲走水泥浆而影响砼密实。

6、地下埋管承受内压基本原理：

埋管承受内压后，钢衬发生径向位移，钢衬和混凝土衬圈间的缝隙消失后，继续向混凝土衬圈传递内压，混凝土内产生环向拉应力产生径向裂缝；

内压通过混凝土楔块继续向围岩传递，围岩产生向外的径向位移并形成围岩抗力，使埋管在内压下得到平衡。

（钢衬——混凝土衬圈——围岩，尽可能利用围岩抗力）

7、影响钢衬应力因素

1）围岩的单位抗力系数K0；

2）缝隙值：

施工缝隙、钢衬冷缩缝隙、围岩冷缩缝隙。

8、钢衬的外压荷载：

1）地下水压力；

2）钢衬与砼之间接缝灌浆压力，一般为0.2MPa（2kgf/cm2）；

3）回填砼时流态砼的压力。

9、失稳两种假设：

阿氏公式（一个屈曲波）和几个初始波，前者偏大，后者偏小。

10、防止埋管钢衬受外压失稳的措施：

降低地下水压力，精心施工和做好钢衬与混凝土接缝灌浆减小裂缝。

11、地下埋管和明管抗外压失稳的外荷载区别：

地下埋管的外压荷载主要为地下水压力，施工期还有钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力和回填混凝土时流态混凝土的压力，而明管的外压为大气压力（0.1MPa）。

12、地下埋管的改进途径:

研制和采用高强度钢筋、改进设计理论、改进结构形式工程措施。

13、地下埋管的改进措施：

采用高强度钢材、采用双层钢管作为钢衬、采用箍管、采用柔性钢衬、采用预应力混凝土钢衬、完全取消衬砌、不考虑围岩的影响，按明钢管计算，但提高钢材的允许应力。

第六章分叉管

1、采用联合供水或分组供水时，即一根管道需要供应两台或更多机组用水时，需要设置分岔管，其位于厂房上游侧。

2、岔管应满足下列要求：

1）水流平顺，水头损失小，避免涡流和振流；

分岔管宜采用锥

管过渡，半锥角一般是5゜~10゜；

宜采用较小的分岔角，常用范围是45゜~60゜；

2）结构简单合理，受力条件好，不产生过大的应力集中和变形；

3）制作、运输、安装方便。

3、对于低水头电站，应更多考虑减小水头损失；

对于高水头电站，有时为了使结构合理简单，可以容许水头损失稍大一些，更应该考虑安全。

4、分岔管的布置形式：

卜形布置、对称Y形布置、三岔开布置。

5、明钢岔管：

三梁岔管123、内加强月牙肋岔管12、贴边岔管1、无梁岔管123、球形岔管23、隔壁岔管（扩散段、隔壁段、变形段）。

6、地下式埋藏岔管：

埋藏式钢岔管、埋藏式钢筋混凝土管、钢衬钢筋混凝土岔管。

7、三梁岔管管壁实测最大应力可达到理论膜应力的1.5~2倍，因此，岔管处主、支管的管壁应适当地比直管段加厚。

8、月牙肋岔管是三梁岔管的一种发展，它是用一个嵌入管内的月牙肋板来代替三梁岔管的U型梁，取消腰梁，由主管扩大段和只管收缩段组成。

第七章有压引水系统非恒定流的物理现象及基本方程

1、水轮机调节在产生两种现象：

引起机组转速的较大变化、在有压管道中出现水锤现象。

2、水锤定义：

当管道末端流量急剧变化时，产生附加水头的现象。

3、调节保证计算的内容:

1）丢弃负荷时，机组转速的最大升高值；

压力管道及蜗壳内的最大水锤压强值；

尾水管真空度的校核，同时应注意开度变化终了后的反水锤是否超过增加负荷时的水锤值。

2）增加负荷时：

转速降低的最大值，只对单独运行的电站，加入系统的电站，转速受到频率的影响，降低很大；

压力管道及蜗壳内最大压力降低值。

4、调节保证计算的目的：

通过调节保证计算和分析，正确合理地解决导叶启闭时间、水锤压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水锤压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。

5、水锤计算的目的：

决定管道内的最大内水压力，作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；

决定管道内最小内水压力，作为管线布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；

研究水锤与机组运行的关系，如对机组转速变化的影响等。

6、水锤压力的计算标准：

1）压力升高：

水锤压力的最大升高值通常以相对值

表示，当

>

100m时，

=0.15~0.30；

当

=40~100m时，

=0.30~0.50；

<

40m时，

=0.50~0.70。

2）压力降低：

在压力引水系统的任何位置均不允许产生负压．且应有2~3m水住高的余压．以保证管道尤其是钢管的稳定和防止水柱分离．尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱高。

7、转速变化的计算标准：

限制机组转速过大的变化主要是为了保证机组正常运行和供电的质量．在丢弃全负荷的情况下，主要是防止机组强度破坏、振动和由于过速引起过电压而造成发电机电气绝缘的损坏。

当机组容量占电力系统总容量的比重较大，且担负调频任务时．宜小于45％．

当机组容量占电力系统总容量的比重不大或担负基荷时，宜小于55％，

对斗叶式水轮机，宜小于30％。

当大于上述值时，应有所论证。

8、调保计算条件：

水轮机的调节保证一般可按以下两种工况计算，并取其中较大值作为保证值

在设计水头下丢弃全负荷；

在最大水头下丢弃全负荷；

通常，工况

（1）发生最大转速升高，在工况

（2）发生最大压力（静水压力加水锤压力）。

9、水锤特性：

（1）水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。

（2）由于管壁具有弹性和水体有压缩性，故水锤压力将以弹性波的形式沿管道传播。

（3）水锤波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，在外部条件发生变化处（即边界处）均要发生波的反射。

其反射特性（指反射波的数值及方向）决定于边界处的物理特性。

10、水锤波的传播速度随温度和压力的升高而增大，当水中含有气体时，波速将急剧下降。

在缺乏资料的情况下，露天钢管近似取1000m/s，埋藏式钢管取1200m/s。

11、调压室：

是一个具有自由水面的井式或者筒式平水建筑物。

12、水锤过程、调压室水位波动过程及机组转速变化这三种过程是相互联系、互为因果的。

13、基本方程式：

1）水锤基本微分方程：

当略去摩阻时水锤的基本微分方程：

波动方程：

，

，其通解为：

，

称为逆流波，f（t）称为顺流波。

连锁方程：

管道任意两断面之间满足压力和流速的关系。

下角标表示时间，上角标表示位置。

2）调压室基本方程

3）水轮机组转速方程

第九章水锤及调保计算的解析方法

1、水锤波在管道中传播一个来回的时间为2L/a（L为管道长度，a为水锤波波速），称为“相”,两个相为一个周期。

2、直接水锤（Ts《2L/a）：

当阀门关闭时间Ts等于或小于一相时，也即是由水库处反射回来的水锤波尚未到达阀门之前，阀门已经关闭终止，这种水锤称为直接水锤。

直接水锤产生的压力升高是相当巨大的，应采取种种措施避免。

其按下式计算：

.

3、间接水锤（Ts大于2L/a）：

当阀门关闭过程结束前，水库异号反射回来的降压波已经到达阀门处，降压波对该处产生的升压波起着抵消作用，使阀门处的水锤升压值小于直接水锤值，这种水锤称为间接水锤。

4、冲击式水轮机喷嘴的出流规律，也就是管端处的边界条件：

4、第n相末的水锤压力：

，适用条件：

1）没有考虑管道的摩阻，因此只能用于不计摩阻的情况；

2）阀门端采用了孔口出流的特性，因此只适用于冲击式水轮机，对反击式水轮机必须另作修正；

3）其在任意开度下都是适用的。

4）开度指相对开度，适用于直线变化。

5、管道特性系数：

6、开度依直线规律变化的水锤

为了简化计算，常取阀门的关闭过程

线的直线段加以适当延长得到，称

为有效关闭时间。

一般为0.6~0.95，则

一个相对开度的变化

7、

，经常发生第一相水锤，最大水锤压力出现在第一相末。

常发生在管道较长的高水头（250m以上）电站。

，经常发生末相水锤，最大水锤压力发生在阀门关闭终了的相末，又称为极限水锤。

末相水锤常发生在管道较短的低水头（200m以下）电站。

，随

不同而发生第一相或者末相，个别情况下，发生直接水锤。

8、计算公式：

9、起始开度对水锤的影响：

临界开度时，发生最大直接水锤，

水轮机的空转开度，从空转到停机，导叶可以关闭很慢，水锤压力大大减小，如果大于临界开度，就不可能发生直接水锤

，空转开度与机型有关，混流式0.08~0.12，转浆式0.07~0.10。

10、开度变化规律对水锤压力的影响：

在水电站运行实践中，阀门的启闭规律不完全是直线而往往采用非直线的；

2）在高水头电站中常要发生第一相水锤，所以可以采取先慢后快的非直线关闭规律，以降低第一相水锤值；

3）在低水头水电站中常要发生末相水锤，所以可采取先快后慢的非直线关闭规律，以降低末相水锤值；

4）如果阀门采取直线关闭规律，发生的水锤值都远较非直线规律关闭的水锤大；

5）通过调速器或针阀等设备采取比较合理的启闭规律，可以作为减小水锤压力和解决调节保证问题的措施之一。

11、当闸门启闭终了后，水锤不是立即消失，而是要经历一定的时间后才趋于稳定。

设闸门终了开度为

，则：

，闸门完全关闭时，管道末端出现不衰减的水锤压力。

当部分关闭时，1）

1，压力变化周期性衰减；

2）

=1，终了后不发生发射，水锤过程突然消失；

3）

1，相邻两项水锤具有相反的符号，并随着相数增加，逐渐衰减，但不发生波动现象。

越小，越容易发生反水锤。

阀门开启出现的水锤，其值永远小于0.25，当

=1/3时，最大。

12、常见的是复杂管路系统，共有三种类型：

1）一种是管壁厚度随水头增加而逐渐加厚，而直径随水头增加而逐渐减小，这种复杂管有时称为串联管，采用等价管法计算，串联管转化为简单管后应满管长、相长和管中水体动能等与原管相同；

2）另一种是分岔管，这在分组供水和联合供水中经常遇到．无论是串联管或分岔管，水锤波在水管特性变化处都将会发生反射和透射，从而使水锤现象和计算大为复杂，采用截肢法计算；

3）装有反击式水轮机的管道系统，应考虑蜗壳和尾水管的影响，而且其过流特性与孔口出流不一样，流量不仅与作用水头有关，而且与水轮机的机型和转速有关，将蜗壳视作压力水管的延续部分，并假想把导叶移至尾水管的末端，成为压力管道的一部分，水锤压力为管道末端和尾水管中水锤压力之和（关闭时均取正，开启时取负值）。

13、极限水锤压力分布规律：

，以直线分布。

第一相水锤不是直线变化，正水锤向上凸，负水锤向下凹，假定按直线分布偏于安全。

14、减小水锤压力的措施：

1）缩短压力管道的长度，在较长的引水系统中设置调压室，是缩短压力管道的常用措施；

2）延长有效的关闭时间；

反击式水轮机设置减压阀（空放阀），冲击式水轮机设置折流板；

3）减小压力管道中的流速，但是减小了水体动能，从而减小水锤压力，流量一定的情况下，需要增加断面，增加管道造价，要和设调压室比较。

4）采用合理的阀门调节规律；

5）设置水阻器。

15、必须注意的是：

设减压阀的压力管道强度需按减压阀失灵而产生的水锤压力校核。

第十章调压室

1、调压室的功用：

为了改善水锤现象，常在有压引水隧洞（或水管）与压力管道衔接处建造的反射水锤波、降低水锤压力而设置的建筑物。

2、调压室的原理：

调压室利用扩大的断面和自由水面反射水锤波，将有压引水系统分成两段。

引水道—调压室系统：

上游段为有压引水隧洞，调压室使隧洞基本上避免了水锤压力的影响；

下游段为压力管道，由于长度缩短了，从而降低了压力管道中的水锤值，改善了机组的运行条件及供电质量。

引水道—调压室系统不稳定流的特点，是大量水体的往复运动，周期较长，伴随着水体运动，引水道内有不大的和缓慢的压力变化，特点与水锤相同，当调压室水位达到最高水位之前，水锤压力早已衰减，两者最大值一般不会同时出现。

产生两边系统正向波叠加的机率很小，但不能说没有可能。

3、调压室的功用可归纳为以下三点：

（1）反射水锤波；

（2）缩短压力管道的长度。

（3）改善机组在负荷变化时的运行条件及系统供电质量。

4、调压室的大部分或全部设置在地面以上的称为调压塔；

调压室大部分埋在地面之下者，则称为调压井。

5、对调压室的基本要求：

（1）调压室的位置应尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。

（2）能较充分地反射压力管道传来的水锤波。

（3）调压室的工作必须是稳定的。

在负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减，达到新的恒定状态。

（4）正常运行时，水头损失要小。

（5）工程安全可靠，施工简单方便，