复习水电站1DOC.docx

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第五章水电站布置和组成

一、水电站的基本概念

水电站：

是水、机、电的综合体，是将水能→电能的场所。

组成：

（七大部分）

挡水建筑物—集中落差，形成水头

泄水建筑物—防洪保坝

进水建筑物—按发电要求引水

引水建筑物—引水、集中水头

平水建筑物—调压室、压力前池

发电建筑物—水能→电能

其他过坝建筑物—综合利用（过船、过水、过鱼、灌溉）

二、水电站布置型式

为什么要分类？

怎样分类？

原因：

河流特性不同，开发型式不同，布置方式就不同。

按位置方式分

第六章：

进水建筑物

一、有压进水口类型和要求

功用和要求：

1、功用：

按负荷要求引水。

2、要求：

足够进水能力，

能调节流量，

水流平顺，

水质清洁，

结构稳定

二、有压进水口的类型

1．洞式进水口

特点：

山体中挖竖井、安全、经济。

适用：

山体地质条件较好。

山体过平，不易成洞；

山体过陡，不易开洞；

2．墙式（岸式）进水口

特点：

进口建筑为山体挡墙，岸式倾

斜依靠岸坡

适用：

山体条件较差，但坡较陡

3．塔式进水口

特点：

进水口位于水库中塔式结构。

适用：

地质条件较差，但坡又较缓。

4坝式进水口

特点：

进水口附于坝体上

应用：

坝后式采用

适用：

砼坝

三有压进水口设备

1．拦污设备

2．闸门和启闭设备

（1）工作闸门（事故闸门）：

事故时紧急关闭

要求：

动水关闭，静水开启

启闭设备：

固定卷扬启闭机或油压启闭机→一门一机。

（2）检修闸门：

检修工作门和门槽时堵水用

要求：

静水启闭

启闭设备：

移动式门机或临时启闭设备——多门一机

3．通气孔

作用：

充水排气，放水补气

位置：

位于事故闸门之后。

4．充水阀

作用：

闸门开启前冲水，平压。

位置：

位于闸门上，或采用旁通管。

三有压进水口轮廓尺寸确定

要求：

水流平顺，无漩涡，不出现淤积

1．进口顶部高程：

最低水位以下，并有一定淹没深度S

临界淹没深度S=cv

（2-1）

其中：

d——闸门净高

v——闸门断面的流速

c——经验系数0.55～0.73

2．进口底部高程：

高于水库的设计淤积高程。

3．进口的轮廓尺寸

原则：

使水流平顺

减少水头损失

四无压进水口

1．工作条件和特点

2.组成——进水闸

拦污栅——拦污

工作门、检修门

拦砂、排砂、沉砂池等

3.沉砂池

位置：

无压进水口之后，引水道之前

原理：

加大过水断面。

减小流速，使泥沙下沉

第七章：

引水建筑物

一、压力前池

前池：

是无压引水道和压力管道的连接建筑物。

作用：

（1）平稳水流，分配水量，

并起一定的调节作用。

（2）拦污清杂，保证水质，

并泻泄多余的水量。

布置：

尽可能靠近厂房，缩短压力管道长度。

要求：

地质条件要好，工程稳定。

组成：

（1）扩散段：

保证水流平顺，减少水头损失

（2）前室：

扩大、加深断面，减缓水流，便于清杂

布置有：

拦污排、冲沙孔、尺寸：

取决进水和沉沙要求。

（3）进水室：

将水均匀引入压力管道

（4）压力墙：

挡水

（5）池水道：

渲泄多余流量

二、日调节池

作用：

对担任系统调峰任务的电站起调节作用。

布置：

在压力前池附近。

三、隧洞断面形状及尺寸

因素：

用途、流态、地质条件、地应力、施工方式等。

1．断面形状

受力条件：

希望园形

施工条件：

希望平底、直墙

常用的断面形式

（1）园形

（2）城门洞型

（3）马蹄形断面

四、地质条件对选线的影响

原则：

选择好岩体

在无法避开的岩体构造时，应注意：

1．洞线方位与地质构造面的交角应尽量大于300

2．洞线方位与第一主应力方向平行

3．洞线方位最好与断层走向垂直

第八章水电站压力管道

§8-1压力管道的类型和功用

1．压力管道类型——按材料分

（1）钢管：

强度高，防渗好，抗外压较差

（2）钢筋砼管：

造价低、节省钢才，抗外压好，经久耐用。

（3）钢衬钢筋砼管：

钢衬和混凝

土联合工作，综合上述优点，可以综

合发挥钢衬防渗、混凝土抗外压、混

凝土内钢筋承压的作用。

2．按布置分：

压力管道类型：

明管、地下埋管、

坝内管

§8-2压力管道的布置和供水方式

一、管线选择

原则：

管线短、；转弯少、安全经济

因素：

1.水流条件：

直线布置。

减少损失

2．地质条件：

布置在稳定的岩基上，防止基础开裂

3．地形条件：

沿山脊布置，防止水流冲刷

二、供水方式

1．单元供水：

一机一管

优：

结构简单，工作可靠。

运行灵活缺：

造价大

适用：

低水头，大流量，线路短

2．联合供水：

总管向全部机组供水

优：

经济

缺：

结构复杂，灵活性差

适：

高水头，小流量

3．分组供水

一管向数台机组供水

介于上述两者之间

适：

管线长、机组台数较多

§8-4明管的敷设方式和支承结构及附件

明管：

是敷设在一系列支墩和镇墩上的管道——高出地面0.6m

特点：

受力明确，易于维护

一、敷设方式

1．分段式：

在两镇墩间设有伸缩节

2．连续式：

在两镇墩之间是连续的，无伸缩节

二、支承结构

1．支墩——位于镇墩之间的支承结构

作用：

承担法向分力，减小挠度

特点：

相当滚动支承（允许轴位移）

布置：

按管身与支墩间相对位移的特征可分为三种：

（1）滑动支墩：

从鞍型

支承环式（接触面小）

特征：

管道伸缩时，沿顶部滑动

结构：

管子放在一个鞍型支座上

特点：

结构简单，但摩阻大，受力不均

适用：

D≤1m（支承环式D≤2m）

（2）滚动支墩

特征：

管道伸缩时，沿滚轴滚动

结构：

支承环与墩子之间加园柱辊轴

特点：

摩阻较小，但辊轴承力不大

适用：

D>2m

（3）摆动支墩

特征：

管道伸缩时，沿墩铰摆动

结构：

支承环与墩之间设短柱并铰结于墩上

特点：

摩阻小，承压大，结构复杂

适用：

大管径

小结：

滑动→滚动→摆动支墩

摩阻：

从大→小，变位从难到易

承力：

从小→大，布置从不均→均

结构：

从简→难，造价从小→大

管径：

从小→大，技术从简→难

2．镇墩

作用：

起固定作用，承受轴、剪、弯短

特点：

相当于固定端，限制任何位移

布置：

管道弯段，和水平段超过100～150m处

型式：

按水管被固定的方式分为两种

（1）开敞式

特征：

通过锚定环固定管道，管道外露

结构：

由砼墩、锚定环和锚栓组成

特点：

易于检修、但受力不均

适用：

作用力较小处

（2）封闭式

特征：

用砼将管道全部封闭

结构：

砼墩

特点：

结构简单、受力条件好，不宜检修

适用：

运用较广

三、钢管上的设备附件

1．阀门

（1）位置：

压力管道进口和水轮机进口处一般要求设置阀门

引水进口闸门：

控制流量，隧道检修，调压井检修

压力管进口闸门：

当水轮机进口蝶阀事故时，紧急关闭，检修、蝶阀

水轮机进口闸门：

当水轮机导叶被卡，事故时，紧急关闭，机组检修

（2）设置要求：

在下列情况下水轮机进口可不设阀门

（a）坝内埋管：

因为进口设有闸门，管较短，可以不设

（b）上游设有调压室或前池，压力管道阀门视情而定。

*当为单元供水时，水头不高，容量不大时，可以不设。

因为调压室或前池的管道进口一般设有闸门。

小结:

单元供水:

一般在进口设置工作阀门，水轮机进口可不设阀门，但水头高，容量较大，或管道较长时，需在水轮机进口设阀门。

联合供水，分组供水：

一般在进口设置检修阀门，水轮机进口需设工作阀门。

当分岔管处设有调压井，调压井后设有工作阀门，水轮机进口可不设工作阀门，但容量较大，或压力管道较长，需设工作阀门。

但在进口设有事故闸时，且压力管道较短时可以不设阀门

（3）阀门类型

平板阀：

与平板闸相似

蝴蝶阀：

由阀壳和阀体组成

球阀：

由球形外壳，可旋转的园筒体构成

小结：

平板阀→蝴蝶阀→球阀

结构：

从简→难，

启闭力：

从大→小

运用：

从差→好，

适用水头：

从低→高

造价：

从低→高

2伸缩节

位置：

一般布置在镇墩的下游侧

作用：

消除温度应力，适用不均匀沉陷

型式：

3．进人孔

位置：

最好设在镇墩附近

作用：

为了检修、进人用的

4．通气阀

位置：

设在阀门后

作用：

阀门关闭和充水中，通气和排气

§8-5镇墩设计

二、镇圢设计要求

1．镇圢自身重量要求

原则：

要求满足抗滑稳定

根据稳定要求：

≥ke

即：

镇圢自重：

Ｇ≥

2应力要求－断面型式要求

原则：

最小应力不许出现拉应力，

最大应力小于容许承载应力

即：

σmin>0σmax≤[σ]

讨论：

（1）要求σmin>0即

σmin=

e<

即：

合力的作用点必须在镇墩底宽的三分点之内

（2）要求σmax

既：

σmax=

（3）为不产生不均匀沉陷。

要求基础应力分布尽可能均匀。

一般要求σmax/σmin<2

§8－6明管的应力分析

一、四个典型断面

各断面特点及应力计算公式

公式1－1２－２３－３４－４

特点M大，Q=0M大，Q大M，Q，M‘，Q‘M，Q，M‘，Q‘，MK，QK，NK，

应力4个5个7个10个

1.σr=-γHp√√√√

2.σt=

√√／/

3.

／／√√

4.

／／／√

5.

=NK/FK／／／√

6.

=∑A/F√√√√

7.σX2=Mθ/W√√√√

8.σX3=M′/W′／／√√

9.τxt=QS1/Jb／√√√

10.τxr=

／／√√

11.τtr=QKSK/JKa／／／√

二、抗外压失稳

结论：

当pcr

小结：

（1）明管失稳的外因是管道放空，通气孔失灵，造成管内负压

（2）明管失稳的内因是管壁为薄壁园环结构，抗拉强，抗弯刚度低，在很小的外压作用下，容易造成弯曲失稳。

（3）抗外压失稳的主要结构措施是：

加密刚性环，增加变形的约束力

§8-7分岔管

一、六种岔管的型式、特点、适用条件

1．贴边岔管

型式：

用补强板加固相贯线

特点：

补强板刚度小，变形大，板壳共同承担水压

适用：

中低水头地下埋管，HD可达990m2

受力分析：

无合适理论，一般凭经验

壁厚近似公式

2．三梁岔管

型式：

三根首尾相接的曲梁作为相贯线的加固梁

特点：

不平衡力由梁全部承担，梁壳刚度相差大，局部应力大

适用：

高水头，小流量的明管

受力特征：

管壁受梁约束，有较大的局部应力，梁中的应力主要是弯曲应力，材料强度未得充分发挥

3．月牙肋岔管

月牙肋是三梁岔管的一种改进和发展。

型式：

一个倒锥管，两个顺锥管组成，三者有一个公切球。

特点：

不平衡力之合力作用在月牙

肋断面形心上，成为轴心受拉构件，

能充分发挥材料的作用。

优点：

（1）改善了受力条件：

轴心受拉，

受力均匀，材料能充分发挥作用。

（2）改善了水流条件：

倒锥管，A

点转角小，水流平顺，过水断面大，

水头损失小，但在非设计工况，水流

条件仍较差。

（3）改善了制作条件，取消u梁，尺寸减小，制作方便。

适合：

中、低水头电站

4．球型岔管

型式：

由球壳、补强板、导流板组成

球壳：

主要承担内水压力、约束力

补强板：

主要承担球壳的作用力及内水压力

导流板：

设有平压孔，不受力，主要起导流作用。

特点：

受力条件好，容易布置，但结构复杂

适用：

高水头电站

5．无梁岔管

无梁岔是在球岔基础上改进和发展起来的。

型式：

由球壳、锥壳和柱壳组成的空间壳体结构

特点：

省去了加强结构，结构连续

光滑，受力条件好，但分岔处断面急

剧增大，水流易产生涡流，制造复杂。

适用：

高水头埋管

6．隔壁岔管

型式：

由扩散段、隔壁段、变形段组成

特点：

为完整的封闭壳体，除隔壁外，无其他加强结构。

应用较少。

小结：

贴边→三梁→月牙→球岔→无梁

受力：

从差→好；承载：

从小→大

结构：

从简→复杂；技术：

从易→难

造价：

从小→大

二、比较三梁岔和月牙肋的受力特点

1．三梁岔

1垂直荷载Ｖ使Ｕ梁产业弯应力，是不利荷载

Ｖ大→弯应力大→抗弯戴面大→浪费材料

2改进措施

＊采用⊥型－中性轴外移－惯性矩加大→弯应力减小→省材

＊U梁内嵌－跨度减小－弯应力减小－轴心受拉→改为月牙肋

2、月牙肋的工作特点

（1）肋板轴心受拉，应力均匀，能充分发挥材料作用

（2）肋板内嵌，岔管尺寸小，减少开挖，有利发挥围岩作用

（3）水力损失小，但偏离设计工艺，肋板阻力增加

（4）岔管外壁转折处，有应力集中，需在（Ｄ处）增加贴边

8-8地下埋管

一、埋管的工作原理

结构特征：

由钢衬、回填砼、围岩组成的多层结构

工作原理：

钢衬受内力变形，密实

缝隙后与砼接触，通过砼将内水压传

给围岩，使围岩产生径向变形形成围

岩抗力，以此保持与内水压力平衡。

二、埋管的影响因素

讨论：

（1）已知钢衬允许应力Φ[σ]，则按下式确定厚度δ

*当Δ=0时，

越大，δ越小；

*当

，

越大，δ越大，说明缝隙过大，此时围岩已不起作用，上述公式不适用。

（2）弹性抗力k0对钢衬厚度和应力有较大影响

（3）减小缝隙措施

接触灌浆——减小施工缝，

固结灌浆——减小岩体蠕变

控制施工温度——减小冷缩缝

三、外压失稳的原因和机理

1．外压失稳的外因——外荷载

（1）地下水——外压失稳的主要荷载

措施：

采取排水措施，减小渗透水压

（2）灌浆压力——钢衬和砼之间的接触灌浆

措施：

控制灌浆压力，即密实又不失稳

（3）流态砼压力——浇筑时的临时压力

措施：

控制浇灌高度h

2．外压失稳的内因——材料性能

钢材：

抗拉性能好，但抗弯刚度底，易受压失稳

砼：

抗压性能好，但抗拉性能差，易受拉开裂

机理：

钢衬在外压作用下，临界平衡状态遭到破坏，使钢材产生过大变形，造成弯矩过大使钢衬局部纤维应力达到屈服，丧失承载能力。

埋管失稳特点：

埋管受围岩约束，失稳曲波增多，抗外压失稳能力增大，但机理复杂，因缝隙难定，失稳时的形状也难定。

四、防止钢衬外压失稳的措施

1．结构措施——从结构本身提高抗外压能力

（1）提高σs，δ，但很不经济

（2）加刚性环和锚环，增加曲波数，提高Pcr值

2．工程措施——提高外部环境

（1）设排水孔，降低地下水

（2）固结灌浆，减小各向异性影响，提高承载能力

3．施工措施——减少人为影响因素

（1）保证开挖质量，减少超挖，保持围岩的完整性

（2）保证钢管制造质量，减少应力集中

（3）保证砼浇筑质量，减少初始缝隙和流态砼影响

（4）做好各种灌浆，防止过压失稳

顶拱回填灌浆——减小顶拱形成的空洞

岩石与砼接触灌浆——减小砼冷缩缝隙

钢衬与砼接触灌浆——减小砼冷缩缝隙

岩石固结灌浆——提高岩石承载能力，防止局部失稳

五地下埋管的改进途径

（一）问题

设计理论不完善，存在以下问题：

1初始缝隙值人为假定。

2按内水分担围岩荷载，理论化设计，不能充分发挥围岩作用。

实际情况围岩承担能力很大，设计偏于保守。

3假定围岩各向同性，不能反应实际。

实际情况围岩各向异性，节理裂隙发育，导致衬砌受力不均。

4设计理论假定钢衬、围岩在弹性范围工作（取

屈服强度），不能充分发挥钢材作用。

5当K0较小，HD很大时，钢衬厚度很大，钢衬和围岩不能完全联合受力。

6设计理论要求灌浆，减小初始缝隙

，施工代价高，技术难道大，很难达到设计要求。

（二）、改进措施

1提高钢衬材料性能和承载能力

a）采用高强钢，提高[

]，可以减小衬砌厚度

。

小，钢衬砌容易变形，能充分发挥围岩抗力作用。

成本较高，施工时热处理难度高。

b）采用双层钢管，减小衬砌厚度

，减小焊接难度，保证施工质量，提高抗外压能力。

c）采用箍管，产生予应力，减小衬砌厚度

，提高抗外压能力。

d）采用柔性钢衬，增加变形，钢衬防水，围岩承担内水压力。

总之，减小

，增加钢衬变形，充分发挥围岩作用。

2改进设计理论

a）采用弹塑性理论设计，提高钢材使用平台，增加钢衬变形，发挥围岩作用。

b）采用予应力设计理论：

硬岩：

高压灌浆

软岩：

予应力张拉管道

c）采用不衬砌或钢筋混凝土衬砌结构。

没有抗外压问题，设计简单

d）采用明管设计。

对于软岩采用明钢管，受力明确、可靠。

§8-9砼坝体压力管道

坝内管：

穿过坝体的压力管道

特点：

穿过坝体，管道应力与坝体结构密切相联

类型：

主要按布置和受力特点分

一、按布置方式分为三类：

1．坝内埋管——管道全部埋在坝体内（三峡）

2．坝上游面管道——管道的大部分位于上游坝面坝体外

3．坝下游面管道——进口小部分穿过坝，大部分位于坝下游

二、按受力结构形式分为二类

1．弹性垫层管

管道与外围砼用弹性垫层分开——受力明确

钢管承担全部内水压力，按明管设计——钢材较多

外围砼按坝内孔口应力计算——配筋较少

2．联合受力管

钢管和砼结合为整体——联合受力——按埋管考虑

要求：

（A）钢衬和砼之间进行接触灌浆

（B）外围砼不能小于一倍管径

三、坝内管布置方式

坝内管一般承受水头较大，管径也大，均采用钢管—坝内钢管

1、坝内管的工作特点:

特点：

管道全部埋在坝体内

优点：

坝管位于坝体内，与埋管相似，受坝体混凝土保护，受力条件较好，管道安全；结构紧凑，管线短，水头损失小，调节性能好。

缺点：

穿过坝体，坝内形成空腔，使坝体应力恶化；大坝施工干扰大，影响工期。

适应：

混凝土重力坝

2、布置原则：

（1）尽可能短：

减少工程量

（2）尽可能减少管道空腔对坝体应力的不利影响，保持坝体稳定

（3）尽可能减少管道对坝体施工影响，加快施工速度

四、立面布置型式

1．倾斜式布置：

管线与下游坝面平行

优点：

管线与坝体主应力基本平行，受力条件好；进口高，内压小。

缺点：

管线长，弯段多，管道与下游面之间的砼较少，对坝体承压不利。

2．平式和平斜式：

管道布置在坝体下部

优缺点与倾斜式布置相反。

适应：

拱坝和坝体厚度不大的情况

3．竖直式布置：

管道大部分竖直布置

适应：

坝内式厂房

缺点：

弯曲大，水头损失小，对坝体应力不利

五、坝内管的工作原理

坝内管：

由钢衬和管外坝体砼两部分组成

在内水压力作用下，通过钢衬变形，压实钢衬与外围砼的缝隙，通过钢衬和砼联合工作使砼变形产生抗力，平衡内水压力。

当荷载加大致使钢衬和砼达到超过各自材料强度极限时，坝内管道产生破坏。

说明：

1.一般情况下，钢衬和外围砼缝隙不大，首先是砼产生破坏

2．当钢衬和砼的缝隙较大时，钢衬首先达到屈服力，由于钢衬有良好的塑性变形，将内水压力不均匀传给砼，使砼局受力而引起破坏。

因此：

坝内管的真正破坏状态主要是从坝体砼开裂并丧失承载力而引起破坏。

3．坝内管一般首先从拉应力最大的部位开裂。

例如：

坝体两侧砼厚度较薄，首先产生破坏。