水电站引水系统设计
某水电站引水系统设计
该水电站所在河流中下游地段侧向侵蚀作用十分强烈，形成迂回曲折的蛇形地貌，为修建引水式水电站提供了有利的地形条件。某水电站的引水隧洞和厂房位于南天门岭，此处分水岭宽约800m，而两端河水位差达13m，本区地层主要是前震旦系的黑云母混合片麻岩通过，沿洞线未发现断层，且洞线顶上部新鲜岩体厚达80～160m，深部裂隙已趋闭合因此工程地质条件较好，洞线前部通过两条较大岩脉均大致与洞线正交，一条为石英斑岩，宽30～40m，另一条为正常闪岩，宽26～30m，岩脉与围岩接触良好，厂房后山坡地形坡度约50o～60o，坡高40m左右，后山坡边坡基本稳定。
7.1隧洞洞径及洞线选择
布置考虑了地质条件、地形条件、施工条件与水力条件，由于施工技术条件的限制，引水洞径不宜大于12m，因此，选择两条引水隧洞，四条压力管道分别给每台机组供水，供水方式为单元供水（即单管单机），钢管轴线与厂房轴线相垂直，这样可以使水流平顺，减小水头损失。
7.1.1有压引水隧洞洞径计算
由于水轮机选型部分已知单机最大引用流量：Qmax?124.91m3/s 隧洞断面面积：A??2Qmax A?D2
4Ve式中：Ve?4.2m/s
由上式得：A?2Qmax2?124.91??59.48m2 Ve4.2则洞径D?4A??4?59.48?8.7m
3.14本设计中取D?9.0m。
7.1.2洞线选择原则
1）地质条件：尽可能位于完整坚硬的岩石中，避开岩体软弱、山岩压力大、地下水充沛及岩石破碎带、地震区。必须穿越软弱夹层或断层时尽可能正交布置。隧洞通过层状岩体时洞线与岩层走向夹角尽可能大，以利于围岩稳定，提高承载
1
水电站引水系统设计
力。
2）地形条件：出口处的地形宜陡，进口段洞口围岩厚度宜大于一倍开挖洞径，一般要求周围坚固厚度不小于三倍开挖洞径。
3）施工条件：便于施工。
4）水力条件：转弯半径大于五倍洞径，转弯面不宜大于60o
7.2 进水口设计
7.2.1进水口型式的选择
在水利水电工程中，为发电供水等综合利用的目的，往往需要在水位便服的天然河道，湖泊或人工水库和调节池中取水，深式进水口及有压进水口为了适应这一需要而设置的一种水工建筑物，深式进水口应满足水工建筑物的一般要求，即结构安全，布置简单，施工方便，造价低廉，运行可靠并适应注意美观。其组成为：①行进段②进口段③闸门段④闸门渐变段⑤操作平台和交通桥。
太平哨水电站为有压进水式，岸边地质条件较好，因此选择深式进水口中的隧洞式进水口为宜。
深式进水口主要的形式：
隧洞式进水口，其进口段和闸门井均从山体中开凿而成适应于进口地质条件良好，扩大断面和开挖闸门竖井均不会引起塌方，坡度适中。洞式进水口充分利用了岩石作用，钢筋混凝土工程量较小，这一种既经济又安全的结构形式。
①压力墙进水口：其进口段和闸门段均布置在山体之外适用于洞口附近地质条件较差或不宜采用洞式进水口时不宜扩大开挖坡度较缓时。
②坝式进水口：其基本特征是进水口附近在坝体上适用于坝后时厂房或河床式水电站厂房的上游坝体内，进水口与坝体成统一的整体。
③塔式进水口：适用于水电站厂房布置在河床坝后，拦河坝采用当地材料坝或水库地质条件较差，坡度较平缓不利于岸坡上修建进水口。
7.2.2进水口高程确定
该水电站是有压式进水，岸边地质条件较好，选择深式进水口，洞室底板高程应在水库淤积高程以上1.0～1.5m，为避免进水口前出现漩涡和吸气漏斗，需有一定淹没水深。
所需要的淹没深度：hkp?cva2
式中：hkp——无吸漩涡的临界淹没水深
1c——经验系数，一般取0.55～0.73，对称进水时取
小值，侧面进水时取大值，本设计取c?0.7
2
水电站引水系统设计
由于闸门面积比引水隧洞v——闸门断面的水流流速，
断面面积稍大，则其流速比引水隧洞小，本设计取v?4m/s
a——闸门孔口高度，本设计取a?9.0m
由上式得：hkp?cva2?0.7?4?9.02?8.4m 综合分析并考虑到风浪影响，取hkp?10.0m
则进水口底板高程：?底??死?hkp?a?190.0?10.0?9.0?171.0m
117.2.3进水口尺寸的拟定
1）进口段：其作用是连接拦污栅与闸门段。根据国内外实践经验，进口段
x2y2顶板曲线采用1/4椭圆曲线，曲线方程为：2?2?1
ab式中：a——椭圆曲线长半轴，一般取(1～1.5)D，本设计取
a?10m
b——椭圆曲线短半轴，一般取(1/3～1/2)D，本设计取
b?3m
一般情况下椭圆曲线a/b?3面积不小于下式计算值：
A?A'/c?cos?
4，当引用流量及流速不大时，也可采用圆弧
曲线代替，重要的工程应根据模型试验决定进口曲线，进口流速不宜太大。进口
式中：A——进口断面面积
A?——引水断面面积（按渐变段末端）则：
A???D2/4?3.14?92/4?63.6m2
?——引水道中心线水平面间夹角，本设计取??0?
c——收缩系数，一般取0.6～0.7，本设计取c?0.65
由上式得：A?A'/c?cos??63.6/0.65?cos0?97.85m2
2）闸门段：闸门段是引水道和进口段的连接段，闸门口采用矩形，考虑进口的结构稳定性，进水口设支墩，布置两孔，高4.5m，宽9.5m的矩形平板闸门并相应设两孔检修闸门，检修闸门与工作闸门间距取2m。
3）渐变段：渐变段是闸门段到压力引水管道的过渡段，其断面面积和流速应逐渐变化，使水流不产生漏流并尽量减小水头损失。由矩形变成圆形通常采用
3
水电站引水系统设计
四角加圆角过渡圆弧的中心位置和圆角半径r均按直线变化，渐变段长度根据经验，一般为压力隧洞直径的1.5～2.0倍，收缩角不超过10o，以6～9o为宜。本设计取其长度为16m。
4）通气孔和进人孔：通气孔设在事故闸门之后其功用是当引水道充水时可以排气，当事故闸门关闭放空引水道时，可以补气以防出现有害真空。
通气孔面积按下式计算：A?2Qa va式中：一般为最大引用流量124.91m3/s Qa——进水口进水量，
va——通气孔进气流速，一般为30～50m/s，本设计取
40m/s
由上式得：A?2Qa2?124.91??6.25m2 va40为了便于进水口及压力水道的维护与检修，需设进人孔。本设计采用通气孔兼作进人孔。
7.2.4进口设备
1）拦污栅设计：为防止结冰及漂浮物堵塞和进入进水口，进水口前需设拦污栅，拦污栅在平面上布置或直线上面为垂直布置，即倾角为90o，过栅的水流净流速应尽量小，以减小水头损失和清污困难，不宜大于1m/s，本设计取过栅流速为1m/s。则拦污栅净面积为：
A?2Qa2?124.91??249.82m2 va1.02）闸门设计：
工作闸门：选用平板闸门，闸门高度应大于洞径，本设计取9.5m，闸门宽度一般等于或小于压力管道直径，由于进水口设中墩，闸门宽度取4.5m，门厚0.8m，要求在静水中开启，动水中关闭。
检修闸门：采用平板闸门，尺寸同工作闸门，要求在静水中开启，静水中关闭。
检修闸门与工作闸门之间的距离很近，为了便于检修，要求2～4m的间距，本设计取为2m，布置在同一闸室内，在闸门井上方布置一个共用的启闭机房。
7.3 引水隧洞
7.3.1 线路与坡度的确定
4
水电站引水系统设计
引水隧洞的路线选择是设计中的关键，它关系到隧洞的造价，施工难易，工程进度，运行可靠性等方面，选择洞线的一般原则和要求为：
①隧洞的路线应尽量避免不利的地质构造，围岩可能不稳定及地下水位高，渗水量丰富的地段，以减小作用于衬砌上的围岩压力和外水压力，洞线要与岩层层面、构造破碎带和节理面有较大交角，在高地应力区应使洞线与最大水平地应力方向尽量一致，以减小隧洞侧向围岩压力，隧洞的进出口在开挖过程中容易塌方，易受地震破坏，应选在覆盖层风化较浅，岩石比较坚固完整的地段。
②洞线在平面上求短直，这样既可以减少工程量，方便施工。有良好的水流条件，若因地形，地质 ，枢纽布置等必须转弯时应以曲线相连。
③隧洞应有一定的埋藏深度，包括：洞顶覆盖厚度和傍山隧洞岸边一侧的岩体厚度，统称为围岩厚度，围岩厚度涉及开挖时的成洞条件，运行中在内外水压力作用下围岩的稳定性，结构计算的边界条件和工程造价等。
④隧洞的纵坡应根据运用要求，上下游衔接，施工和检修等因素，综合分析比较后确定，无压隧洞的纵坡应大于临界坡度，有压隧洞的纵坡主要取决于进口高程，要求全线洞顶在最不利条件下保持不小于2m的压力水头。有压隧洞不宜采用平坡或反坡，因为其不利于检修和排水。
⑤对于长隧洞，选择洞线时还应注意地形，地质条件。布置一些施工之洞，斜井，竖井，以便增加工作面，有利于改善施工条件加快施工进度。
太平哨水电站根据上面原则和要求，选择了两条引水隧洞，所经路线地质构造良好，洞线在平面上短直，即减小工程造价、方便施工、具有良好的水流条件，隧洞有一定的埋深，围岩厚度大于3倍洞径。
为了利于检修与排水，隧洞纵坡率为2%，其工作闸门与检修闸门设在进口，隧洞在平面上有弯角，对于低流隧洞曲率半径不宜小于5倍的洞径，现取6倍的洞径，即54m，转角不宜大于60°，取30°，具体布置见坝区引水系统平面布置图。
7.3.2 断面形式与断面尺寸
隧洞断面形式取决于水流流态、地质条件、施工条件及运行条件等，有压隧洞一般采用圆形断面，原因是圆形断面的水流条件受力条件都较为有利，本设计中隧洞断面采用圆形，直径为9m。
7.3.3 洞身衬砌
为了保证水工隧洞的安全有效运行通常需要对隧洞进行衬砌，衬砌作用是①限制围岩变形，保证围岩稳定。②承受围岩压力、内水压力等负荷。③防止渗漏。④保证岩石免受水流，空气，温度，干湿变化等充蚀破坏作用。⑤减小表面糙率。
5