1、 水电站引水渠道及前池设计规范 Design specifications for hydropower headrace and forebay DL/T 5079 1997 主编部门北京勘测设计研究院部利水电力工业部批准部门中华人民共和国电力工业部 批准文号电综1998 33号 实行日期1998年5月1日 前 言 本标准是根据电力工业部水利部水利水电勘测设计技术标准体系(1988年9月)中的水工部分水力发电编号15水电站引水渠道设计规范的安排编制的考虑到前池与引水渠道在工程上紧密相连决定增加前池的设计内容名称定为水电站引水渠道及前池设计规范 我国已建设了大量的渠道引水式水电站积累了丰富的工
2、程经验为统一水电站引水渠道及前池的设计原则和技术要求指导设计确保工程质量特制定本标准为编制本标准编制组对我国17个省市自治区的渠道引水式水电站进行了调查开展了专题研究经充分论证将成熟的工程经验和科技成果引入标准编制过程中先后召开过专题研讨会征求意见稿讨论会送审稿审查会于1996年5月完成报批稿 本标准系首次编制其内容反映了我国在水电站引水渠道和前池方面的技术水平 本标准的附录A附录B附录C附录D都是标准的附录 本标准由电力工业部水电水利规划设计管理局提出归口并负责解释 本标准起草单位电力工业部水利部北京勘测设计研究院四川省水利水电勘测设计研究院湖南省水利水电勘测设计研究院水利部新疆维吾尔自治区
3、水利水电勘测设计研究院 本标准主要起草人林可冀韩立艾克明谢致刚罗观育吴季宏陶志成谢文伯唐进虎 1 范 围 本标准适用于中小型水电站工程中以发电为主的引水渠道及前池的设计 2 引 用 标 准 下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文在标准出版时所示版本均为有效所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性 GB 50201 94 防洪标准 GBJ 71 84 小型水力发电站设计规范 GBJ 139 90 内河通航标准 DL/T 5057 1997 水工混凝土结构设计规范 SD 133 84 水闸设计规范 SD 303 88 水电站进水口设计规范 SD 34
4、1 88 溢洪道设计规范 SDJ 12 78 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区丘陵部分) SDJ 21 78 混凝土重力坝设计规范(试行)及其补充规定 SDJ 134 84 水工隧洞设计规范 SDJ 217 84 灌溉排水渠系设计规范(试行) SDJ 217 87 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(平原滨海部分) SDJ 218 84 碾压式土石坝设计规范 SL 18 91 渠道防渗工程技术规范 SL 26 92 水利水电工程技术术语 3 总 则 3.0.1 为统一水电站引水渠道及前池的设计原则和技术要求确保工程设计质量特制定本标准 3.0.2 引水渠道和前池的设计应处理好防洪防污防
5、渗漏防泥沙以及防冰等方面的问题 3.0.3 引水渠道和前池的设计应具备水电站水能规划以及与建筑物设计有关的水文气象地形地质工程建设条件环保要求运行条件等基本资料资料的精度应满足不同设计阶段的要求 4 引水渠道布置 4.1 引水渠道型式的选择 4.1.1 引水渠道型式的选择应结合地形地质施工运行以及枢纽总体布置等条件经技术经济比较选定自动调节渠道非自动调节渠道或自动与非自动相结合的调节渠道 4.1.2 符合下列条件可选择自动调节渠道 1)渠道进水口水位变幅不大渠道长度较短渠底纵坡较缓渠道大都处于挖方内 2)无适宜于修建泄水建筑物的条件 3)运行要求利用渠道积蓄水量作为水电站的调节容量 4.2 引
6、水渠道线路的选择 4.2.1 应避开大溶洞大滑坡泥石流等不良地质地段且不宜在冻胀性湿陷性膨胀性分散性松散坡积物以及可溶盐土壤上布置渠线若无法避免时则应采取相应的工程措施 4.2.2 宜少占或不占耕地避免穿过集中居民点高压线塔重点保护文物军用通信线路油气地下管网以及重要的铁路公路等 4.2.3 山区渠道宜沿等高线布置渠线采用明渠与明流隧洞或暗渠渡槽倒虹吸相结合的布置以避免深挖高填 4.2.4 引水渠道的弯曲半径衬砌渠道宜不小于渠道水面宽度的2.5倍不衬砌土渠宜不小于水面宽度的5倍 4.2.5 寒冷地区渠道线路的选择应符合有关专业技术规范的规定 4.3 引水渠道进水口的闸门设置 4.3.1 非自动
7、调节渠道应在进水口设置工作闸门和检修闸门 4.3.2 自动调节渠道宜在进水口设置事故检修闸门 4.3.3 具备下列条件的自动调节渠道可不设事故检修闸门 1)渠道长度短且渠堤高度能满足进水口水位变幅要求 2)进水口的水位能够降低从而为渠道检修提供条件者 4.4 引水渠道及渠系建筑物的防洪 4.4.1 引水渠道及渠道上建筑物的防洪标准应根据水工建筑物级别按表4.4.1确定如果建筑物失事会影响厂房安全则其防洪标准应与水电站厂房的防洪标准相同 4.4.2 对靠近进水口的渠段其堤外坡的防洪应根据泄洪情况确定防护范围和相应的工程措施 4.4.3 对傍山渠道的坡面暴雨径流应合理布设坡面截(排)水沟使水流经排
8、洪建筑物泄走 表 4.4.1 引水渠道及渠系建筑物的防洪标准 防洪标准(重现期) 年水工建筑物级别设计校核330 20200 100420 10100 50510304.5 引水渠道上的建筑物布置 4.5.1 泄水建筑物宜采用侧堰或虹吸式泄水道等型式 4.5.2 侧堰宜布置在前池内(或距前池较近处)或渠道跨冲沟处可布置单侧溢流侧堰或根据需要布置两岸对称的双侧溢流侧堰根据需要可在堰上设置闸门当有超过电站引用流量的多余水量进入渠道时经水力计算分析论证可在适当部位增设一道侧堰 4.5.3 侧堰水力设计应满足下列要求 1)引水渠道在设计流量下水电站正常运行时侧堰的堰顶高程应高于过境水流的水面高程0.1
9、m 0.2m 2)堰顶长度堰上平均水头需经计算比较确定 3)过堰水流应保持自由出流堰后应因地制宜布置侧槽或陡槽泄水和必要的消能防冲设施 4)堰型采用实用断面堰或梯形堰也可采用真空剖面堰 5)侧堰两侧导墙满足使水流保持平顺的要求 侧堰水力计算按附录A进行 4.5.4 重要建筑物和难工险段之前应设置退水建筑物在多泥沙条件下宜与排沙设施相结合 4.5.5 为满足渠道检修要求应设置放水孔放水孔宜与排沙或灌溉供水等设施相结合 4.5.6 当渠道较长且沿途有较多污物进入渠道时宜在适当部位增设拦污清污设施 4.5.7 对进入渠道的泥沙(主要是推移质)宜在渠道内设置排沙涡管等有效的排沙设施 4.5.8 引水渠
10、道沿线应设置必要的安全交通等设施 5 引水渠道纵坡及横断面设计 5.0.1 水电站引水渠道的纵坡及横断面设计应根据渠道沿线的地形地质条件以及环境施工运行管理等要求通过水力计算和技术经济比较确定 5.0.2 引水渠道纵坡宜按下列条件选择 1)中低水头大流量引水渠道自动调节渠道清水渠道及土渠采用较缓的纵坡 2)高水头电站的引水渠道多泥沙渠道傍山衬砌渠道不衬砌的岩石渠道以及输冰运行渠道采用较陡的纵坡 3)当渠线长时可根据地形地质条件分段选用不同纵坡多泥沙和输冰运行渠道的分段纵坡宜沿程增大 5.0.3 引水渠道横断面型式宜按下列条件选择 1)地面坡降陡且起伏大地下水位低的山丘地区采用窄深式断面 2)地
11、势平坦地下水位高基土冻胀性较强以及有综合利用要求的渠道采用宽浅式断面 3)易受洪水泥石流等危害以及穿越村镇工矿区的渠道采用城门洞型箱型等暗渠型式的断面 5.0.4 引水渠道在设计流量下的平均流速应小于护面的允许流速在多泥沙条件下应满足不冲不淤的要求渠道的不冲不淤流速各种护面材料的允许流速按SL18和SDJ21784确定 5.0.5 中型水电站和低水头大流量的小型水电站引水渠道的设计流速应经技术经济比较确定小型水电站引水渠道的设计流速的选择范围衬砌渠道宜选用1m/s 2m/s土渠宜选用0.6m/s 0.9m/s输冰和结冰盖运行的引水渠道的流速按有关专业技术规范确定 5.0.6 水电站引水渠道应因
12、地制宜就地取材选用耐久防渗性能好的材料进行衬砌衬砌设计按SL 18进行 5.0.7 引水渠道的边坡和堤顶宽度可按SDJ 217-84确定 5.0.8 渠顶超高对于中型工程应按渠道通过设计流量水电站正常运行条件下突然甩全部负荷产生的最大涌波高度再加安全超高来确定对小型工程可按GBJ71的规定执行对兼有通航的引水渠道应计入船行波的影响 5.0.9 对傍山开挖的引水渠道所形成的高边坡其稳定坡度应根据地质条件边坡高度和施工条件等进行工程类比和稳定分析确定为便于施工和监测维护宜分级设置马道 5.0.9.1 对易于失水干裂卸荷松弛风化掉块和可能失稳的边坡应根据工程的重要性边坡高度与坡度影响边坡稳定的主要因
13、素施工和技术经济条件确定综合防护和处理措施 5.0.9.2 对于需要加固处理的边坡可根据地质条件通过技术经济比较采用削坡锚喷灌浆抗滑挡墙抗滑桩(塞)锚洞以及预应力锚索锚固等措施 5.0.9.3 应分层设置排水设施和可靠的排水通道 5.0.9.4 对高陡边坡及地质条件复杂的边坡应加强施工期和运行期的监测以保证工程安全 边坡开挖及处理设计可参照有关专业技术规范的规定进行 6 前池及调节池布置设计 6.1 前池的布置设计 6.1.1 前池的布置应能引导和控制水流从引水渠道向压力管道平稳过渡和均匀配水并保证水电站正常运行和事故情况下的安全 6.1.2 前池的设计包括连接段池身和水电站进水口的设计根据需
14、要可设置泄水排沙排冰放空等建筑物并应布置适当的观测设备 6.1.3 前池应布置在稳定的地基上避开滑坡和顺坡裂隙发育地段并充分注意前池建成后水文地质条件变化对建筑物及高边坡稳定的不利影响确保前池和下游厂房的安全 6.1.4 引水渠道与池身间的连接段在平面上应两边对称扩展其扩展角不宜超过12底部纵坡宜小于或等于1 5 6.1.5 前池的长宽深度应根据地形地质条件压力水管的直径根数间距过栅流速水电站进水口的最小淹没深度排沙设施布置水电站运行条件等要求确定 6.1.6 前池的平面布置宜优先采用水电站进水口中心线与引水渠道中心线相重合的正面进水方式应避免布置在弯道或紧靠弯道的末端如难以避免时则宜在弯道终
15、点与前池入口间设直线调整段或加设分流导向设施重要工程或布置条件复杂的前池其体型应通过水工模型试验确定 受地形条件限制的小型工程可布置地下洞室式前池 6.1.7 前池应设爬梯(踏步)栏杆照明等设施以及运行管理用的观测设备 6.1.8 水电站进水口应采用有闸门控制的布置型式条件适宜时也可采用虹吸式进水口 6.1.8.1 有闸门控制的水电站进水口应设拦污栅检修闸门工作闸门和相应的启闭设备其设计按SD30有关规定进行 6.1.8.2 小型水电站当前池内的水位变幅在3.0m左右时可采用虹吸式进水口但前池最低水位至虹吸喉道断面顶点间的高差应小于当地海拔高程的容许吸入高度其横断面型式可采用矩形或圆形可用钢筋
16、混凝土钢筋混凝土加钢板内衬或钢板制作应保证其气密性 6.1.8.3 虹吸式进水口的拦污栅可与进水口分开设置也可设于进水口处视具体条件经论证确定 虹吸进水口的设计和水力计算按附录B进行 6.1.9 水电站进水口上缘淹没于最低水位以下的深度应按SD30确定 6.1.10 前池内设置侧堰应根据地形地质条件布置并满足4.5.3有关水力设计的规定 6.1.11 前池内设排沙设施时其设计应符合下列要求 1)排沙设施的布置型式以及冲沙方式和冲沙流量大小应考虑水源条件泥沙特性及运行方式等因素合理选定 2)宜采用正面排沙当冲沙底孔布置在水电站进水口底槛内(或前池底部)时其尺寸应便于检修并应设控制闸门 3)当采用
17、非正面排沙时宜辅以导沙设施 6.1.12 寒冷地区的导冰排冰设施的设计按有关专业技术规范进行 6.2 调节池的布置设计 6.2.1 调节池的位置应结合地形地质条件根据所需的调节容积和消落深度利用天然洼地或人工围堤修建 6.2.2 调节池布置设计可因地制宜采用下列方式之一 1)与引水渠道结合或相连通 2)与前池结合或相连通 3)调节池通过连接管(渠)直接向压力管道或前池供水 6.2.3 调节池位置确定后应做好连接渠旁通渠(管)连接建筑物泄水建筑物等的布置设计并通过水力计算确定水流衔接关系 6.2.4 调节池应做好防渗设计可选用沥青混凝土预制混凝土板现浇的钢筋混凝土或适宜的当地材料做表面衬护防渗
18、6.2.5 对多泥沙渠道应采取有效的泥沙控制措施防止调节池淤积 6.2.6 寒冷地区的调节池防冰冻设计按有关专业技术规范进行 7 水 力 设 计 7.0.1 水力设计应完成下列各项任务 1)引水渠道前池系统的恒定流和非恒定流的水力计算 2)泄水建筑物的水力设计及消能防冲 3)排沙设施的水力设计和计算 4)其他过水建筑物的水力计算 7.0.2 引水渠道的设计流量应包括水电站的最大引水发电流量(Qp)以及计入渠道的渗漏蒸发等损失的流量下列情况下可加大相应渠段的设计流量 1)引水渠道兼有灌溉航运工业和民用取水用途的流量 2)考虑专门用于排沙排冰的流量 7.0.3 当经过论证有大于设计流量的多余流量进
19、入引水渠道或有区间入流时可作为校核工况 7.0.4 应以设计流量下水电站正常运行时的水位作为前池的正常水位此时引水渠道系统应在均匀流或接近均匀流状态下工作 7.0.5 前池和引水渠道内的最高水位应按照设计流量下正常运行时水电站突然甩全部负荷时的最高涌波水位确定 7.0.6 前池和引水渠道的最低水位可按下列情况之一来确定 1)设计频率枯水期的最小引水发电流量渠道正常运行时 2)冬季有排冰运行要求时 3)根据电站运行要求的其他情况 最低运行水位应保证满足6.1.9所要求的淹没深度 7.0.7 引水渠道前池系统恒定流的水力设计和计算应完成下列各项任务 1)从渠道进水口至水电站进水口范围内在渠道进水口
20、前为正常水位下引用设计流量确定引水渠道的基本尺寸和前池特征水位给出各部位的水深流速和水面高程 2)通过水力计算确定渠道进水口来流与引水渠道的水流衔接关系 3)对于通常布置一道侧堰的非自动调节渠道应计算机组关闭后全部设计流量从侧堰下泄时的水面线 4)对于渠道沿程上设置两道侧堰的情况当入渠流量QoQp时应分别计算机组正常引水发电(Q=Qp)以及机组关闭时(Qp=0)全部流量由侧堰宣泄系统在恒定流状况下的水面线 5)根据需要计算其他情况下的水面线 电站在设计流量正常运行条件下对棱柱体渠道应按明渠均匀流进行计算对非棱柱体渠道应按明渠恒定缓变流进行计算水头损失包括沿程摩擦损失以及断面变化弯道桥墩拦污栅门
21、槽等局部损失计算时应同时计算出相应于各项水头损失的水位变化量恒定流水力计算按附录C进行 7.0.8 水电站引水渠道前池系统应进行水电站突然甩负荷引起的最高涌波和突然增负荷时的最低涌波计算涌波计算按附录D进行 7.0.9 水电站突然甩负荷时的涌波计算宜采用下列计算条件 1)初始条件为渠道进水口前为正常水位在设计流量下引水渠道前池系统为恒定流电站满负荷运行 2)假定水电站各机组均突然由满发流量减至零 3)当采用涌波控制措施时可按实际的流量变化进行计算 7.0.10 电站突然增负荷时的负涌波计算宜针对孤立运行的水电站或在电力系统中担负事故备用任务的水电站进行其突然增负荷的容量(机组数)应根据负荷特性
22、或电力系统的要求确定 8 结构设计和地基处理 8.1 结构设计的一般规定 8.1.1 建筑物的结构设计应满足稳定强度变形抗裂抗渗及抗冻等方面的要求 8.1.2 建筑物的结构设计应包括下列内容 1)结构型式布置及材料的选择 2)荷载计算及其组合 3)稳定计算 4)强度计算 5)细部结构设计 8.2 荷载及其组合 8.2.1 作用在建筑物上的荷载分为基本荷载和特殊荷载两类基本荷载包括 1)结构自重及其上的永久设备重量 2)设计水位时的静水压力 3)设计水位时的扬压力(包括渗透压力和浮托力) 4)泄流时的动水压力(只在泄水建筑物结构计算时考虑) 5)土压力 6)泥沙压力 7)冰压力冻胀力 8)其他出
23、现机会较多的荷载 特殊荷载包括 1)最高水位时的静水压力 2)最高水位时的扬压力 3)最高水位时的波浪压力 4)最高水位时的动水压力(只在泄水建筑物结构计算时考虑) 5)地震荷载 6)其他出现机会很少的荷载 8.2.2 荷载计算方法和公式应按SDJ21 SD341等有关规定执行 8.2.3 荷载组合分为基本组合和特殊组合两类基本组合由基本荷载组成特殊组合由基本荷载和一种或几种特殊荷载所组成根据各种荷载实际同时出现的可能性按表8.2.3选择最不利的情况进行计算 表8.2.3 荷载组合表 荷 载 自重静水 压力扬压力波浪 压力动水 压力土压力泥沙 压力冰压力地震 荷载其他 荷载荷载 组合 计算情况
24、 (1) (2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)说 明 正常水位 基 本 组 合 冰冻情况按冬季运行水位计算(2)(3)项检修情况前池完全放空 最高水位特 殊 组 合地震情况 按正常 水位计算 (2)(3)(4)项 注 1.对施工期情况应做必要的核算作为特殊组合 2.在运行期可考虑排水失效的情况作为特殊组合 3.检修情况是考虑前池完全放空作为控制条件如存在降低前池水位检修的工况则应考虑实际情况进行核算 8.3 稳 定 计 算 8.3.1 岩基上的挡水墙堰闸等重力式建筑物沿基底面的抗滑稳定安全系数应按下列抗剪断强度公式计算 KfWcAP11=+(8.3.1-1) 式中K1按抗剪
25、断强度计算的抗滑稳定安全系数 f1混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数 c混凝土与基岩接触面的抗剪断粘聚力(MPa) A建筑物与基岩接触面的面积(m2) W作用在结构物上的全部荷载对计算滑动面的法向分量(包括扬压力)(kN) P作用在结构物上的全部荷载对计算滑动面的切向分量(包括扬压力)(kN) 对中小型工程若无条件进行抗剪试验取得c值时也可按下列抗剪强度公式计算沿基底面的抗滑稳定安全系数 KfWP22=(8.3.1-2) 式中K2按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数 f2混凝土与基岩接触面的抗剪摩擦系数 8.3.2 采用式(8.3.1-1)或式(8.3.1-2)计算的抗滑稳定安全系数应不小于表8.
26、3.2规定的数值 表8.3.2 抗滑稳定安全系数 K2 建 筑 物 级 别荷载组合K1 345基 本 组 合3.01.051.051.05特 殊 组 合2.51.01.01.08.3.3 当岩石地基内存在不利的软弱构造时其抗滑稳定需作专门研究 8.3.4 土基上重力式建筑物沿基础底面的抗滑稳定和地层整体稳定按SD 133进行设计 8.3.5 挡水土堤设计应按SDJ 218中有关规定进行 8.4 强 度 计 算 8.4.1 各种荷载组合情况下建筑物基底面上的最大垂直正应力应小于地基容许压应力最小垂直正应力应大于零必要时应复核地基深层应力 8.4.2 应力分析可用材料力学方法闸室底板可用弹性地基梁
27、法或用有限元法计算 8.5 地基处理设计 8.5.1 地基处理设计应结合建筑物的结构和运用特点满足各部位对承载能力抗滑稳定地基变形渗流控制以及耐久性等方面的要求保证运行安全 8.5.2 当地基为软岩或存在规模较大性状差的断层破碎带软弱夹层岩溶等不良地质构造时应进行专门的处理设计处理方案应根据工程的重要性部位地质条件施工条件和运用要求等因素经技术经济比较确定 土质地基的处理设计按SD 133有关规定进行 8.5.3 地基的渗流控制应采用防排并重的设计原则根据工程地质和水文地质条件建筑物的重要性和部位作用水头的大小等确定相应的措施 8.5.4 建筑物建基面及边坡坡面开挖应按设计要求成型其开挖深度应
28、根据要求结合地质条件施工条件及处理措施等因素综合研究确定 前池闸室挡水建筑物的地基宜开挖至弱风化岩层中部或经技术经济比较确定对易风化易泥化的基岩应提出相应的施工保护措施 地基处理措施的设计应参照有关专业技术规范进行 附 录 A (标准的附录) 侧堰水力计算 A.0.1 本附录适用于侧堰段为矩形断面棱柱体渠道且渠内水流为缓流的情况 图A1 明渠侧堰溢流示意图 A.0.2 如图A1所示描述侧堰段恒定变量流的基本微分方程为 ()ddfhxiiQqgAQgAB=+ 22321(A1) 对于沿程减量流的侧堰其单宽流量为 ()qQxmghP= = ddL232/(A2) 当把堰上水头用侧堰首末端的平均值来
29、表示即()2121HHH +=且其流量系数用Lm表示时侧堰的泄流能力公式为 QmLgHLL= 232/(A3) 以上三式中i渠道底部纵坡 if侧堰段的水力摩阻坡降用谢才公式计算 动量改正系数可取1.1 Q侧堰段任一断面的渠道流量(m3/s) Q1Q2分别为侧堰上游和下游的渠道流量(m3/s) Ucos侧向出流速度在渠道流速v方向上的分量(m/s) v侧堰段渠道任一断面的平均流速(m/s) 侧向出流影响系数=Ucos /v P侧堰堰高(m) h侧堰段任一断面的渠道中线水深(m) A与H相对应的断面面积(m2) B与A和h相对应的水面宽(m) L侧堰长度(m) g重力加速度(m/s2) 式(A1)
30、可用数值计算求解 按式(A1)求解计算水面线时对本规范所论的以发电为主的引水渠道水流为缓流其水流弗劳德数Fr大多在0.2 0.4范围内其值的大体范围是1.2 1.7且侧堰分流比(QL1)大Fr值小时取大值作为一种简化处理应用时宜在此范围内选取 这里要指出的是尽管侧堰段前后流量的平衡关系是Q1=QL+Q2但堰后渠道内与Q2相适应的水深却只能是在Q1QLQ2动态平衡条件下的水深而不是相应于Q2均匀流动时的水深 A.0.3 对于通常设一道侧堰的布置当水电站在设计流量下正常水位运行侧堰不溢水当水电站突然甩全部负荷待水流稳定后全部流量从侧堰溢出时为控制工况此时侧堰下游引水渠道流量为零侧堰泄流能力可按式(
31、A3)确定根据试验资料这种情况下其H1/H2=0.9 1.0可近似看作H1H2其流量系数mL宜取(0.9 0.95)m0而m0为正堰的流量系数 A.0.4 对于渠道沿程上设两道侧堰的布置当确认存在水电站正常运行两道侧堰也同时过水的工况时则应利用上述公式和渠道水面线计算公式通过试算求得在渠道进水口流量Q0第一道侧堰泄流量QL1第二道侧堰泄流量QL2机组引水流量Qp的条件下的动态平衡并且水轮机导叶按推得的前池水位来操作计算方可成立 鉴于侧堰段的水流为复杂的三维流动用一维流水力学方法进行计算只能得到近似的结果对重要工程或条件复杂的布置宜进行水工模型试验 附 录 B (标准的附录) 前池虹吸式进水口的
32、设计 B.0.1 对于图B1所示的矩形断面虹吸式进水口其特点是断面由高矩形进水口(1 1)等宽过渡到矩形喉道断面(2 2)再经适当长度(l1)的渐变段变到圆形其主要参数可在下面的范围内选择 图B1 矩形断面虹吸式进水口示意图 1)喉道断面的宽高比b0/h0=1.5 2.5 2)喉道中心半径与喉道高之比r0/h0=1.5 2.5 3)进口断面面积与喉道断面面积之比A1/A0=2 2.5 4)喉道断面面积与压力管道面积之比A0/Am=1 1.65 5)喉道断面底部高程(b点)在前池正常水位以上的超高值z=0.1m 0.2m 6)进口断面和喉道断面间的水平距离与其高度之比l/P=0.7 0.9 7)
33、当断面1 1和2 2间的上肢段采用圆形断面时其主要特点是A0/Am=1.0或略大于1.0 r0d01.9弯管采用分节焊接时每节中心角宜为22.5左右进水口(断面11)后的圆锥形收缩段长度宜大于或等于进水口直径的0.6倍或根据布置需要合理确定 B.0.2 最大负压值出现在喉道断面顶点a处a点的最大负压值按下式确定 hzzhvghpB.a w=+ + 0022*/(B1) 式中z前池内正常水位与最低水位间的高差(m) h0喉道断面高度(m) hw从进水口断面1 1至喉道断面2 2间的水头损失(m) p*/因法向加速度所产生的附加压强水头(m) 附加压强水头按下式计算 pvgrrh*/ =+0200
34、02212(B2) 式中r0喉道断面中心半径(m) 计算结果须满足下列条件 hB.aha-hv(B3) 式中ha计算断面处的大气压强水柱高对不同海拔高程按90033.10估算(m) hv水的汽化压强水柱高可由表B1按水温查取(m) 式(B1)中的hw项在体型拟定后可参照一般水力计算确定一般情况下hB.a可依下面的简化公式近似计算 hzzhvghhB.a a v=+ 0022(B4) 表B1 水温与水的汽化压强水柱高关系表水温 水温 05101520253040hv m 0.060.090.130.170.240.320.430.75B.0.3 最小淹没深度S(图B1)可按下式估算 ()Sh F
35、r/.001157=(B5) 式中Fr0喉道断面的水流弗劳德数000/ ghVFr =B.0.4 虹吸的发动与断流宜选用以下的几种装置和方法来实现 1)用真空泵抽气发动可根据设计条件和工况做设备选型 2)自发动 3)水力真空装置 4)水箱抽气装置 B.0.5 断流装置常采用真空破坏阀在已知hB.a值时真空破坏时的瞬间最大进气量可按下式估算 QghaaaB.a= 2(B6) 式中真空破坏阀系统的流量系数 wa真空破坏阀的断面面积(m2) a分别为水和空气的密度 可根据式(B6)合理选择真空破坏阀的形式和直径 对于虹吸发动和断流的装置和方式设计时应因地制宜参照已建工程的经验经论证比较后合理选择应用
36、 附 录 C (标准的附录) 引水渠道恒定流水力计算 C.0.1 明渠恒定均匀流的基本公式如下 流速公式 vCRi=(C1) 流量公式 QAvACRi=(C2) 流量模数 KACR=(C3) 式中C谢才系数对于平方摩阻区宜按曼宁公式确定即 CnR=116/(C4) R水力半径(m) i渠道纵坡 A过水断面面积(m2) n曼宁粗糙系数其值按SL 18确定 C.0.2 水电站引水渠道中的水流为缓流水面线以a1型壅水曲线和b1型落水曲线最为常见求解明渠恒定缓变流水面曲线宜采用逐段试算法对棱柱体和非棱柱渠道均可应用逐段试算法的基本公式为 xhvghvgii=+ +22221112f (C5) hk未缩
37、窄渠道断面的临界水深(m) hk2桥墩间 断面处的临界水深(m)z水位变化量(m) h1h3收缩前后渠道断面的水深(m) =Wp/WcWp桥墩总宽度(m) Wc渠道断面总宽度(m) 图C1 水位变化量求解图 (a)水面线示意图(b)3X关系曲线 式中x流段长度(m) g重力加速度(m/s2) h1h2分别为流段上游和下游断面的水深(m) v1v2分别为流段上游和下游断面的平均流速(m/s) 1 2分别为流段上游和下游断面的动能修正系数 if流段的平均水力坡降一般可采用 )(21f2f1fiii +=(C6) 或 ihxnvRnvRff= +1212121432222243/(C7) 式中hfx
38、段的水头损失(m) n1n2分别为上下游断面的曼宁粗糙系数当壁面条件相同时则n1=n2=n R1R2分别为上下游断面的水力半径(m) A1A2分别为上下游断面的过水断面面积(m2) 计算时将整个明渠分成若干段一般落水曲线变化大分段宜短壅水曲线水面变化小分段可长些计算段内的断面形状粗糙系数和纵坡应尽可能一致如有变化宜作为分段的位置 C.0.3 各项水头损失的计算如下 1)沿程水头损失的计算公式为 hx nvRnvRf=+212121432222243/(C8) 2)矩形断面明渠内桥墩的水位变化量可按图C1确定求解时按已知的3值作水平线和图内已知曲线相交由交点向下作直线即可定出X值求通过桥墩的水位
39、差z时对于圆头桥墩由无桥墩缩窄时渠道临界水深hk乘以X就得z对于图中示出的其他墩形(有联结隔板的双圆柱墩无隔板的双圆柱墩等)则以临界水深hk乘以rX得z其中r值由图C1的右上角小图按3值查取 3)渐变段的水头损失当断面渐缩变化时水头损失计算公式为 hhhfvgvgiL=+= +cf cf221222(C9) 相应的水位变化量按下式计算 zhvgvg=+ 221222(C10) 式中h渐变段的水头损失(m) hc断面渐缩或渐扩引起的局部水头损失(m) hf渐变段长度L的沿程水头损失(m) fc断面渐缩或渐扩的局部损失系数 v1渐缩或渐扩段前的断面平均流速(m/s) v2渐缩或渐扩段后的断面平均流
40、速(m/s) if渐变段长度L范围内水力坡度的平均值22f1ffiii+=if1和if2分别为渐变段前后的水力坡度 当断面渐扩变化时其计算公式的形式与式(C9)和式(C10)相同只需将右边括号中的vg122和vg222互相换位即可 对于倒虹吸隧洞暗渠进出水口渐变段的fc值可按照图C2和表C1选用 图C2 渐变段形状图 表C1 渐变段的局部损失系数 渐变段形状变化情况渐缩的fc 渐扩的fc 矩形断面宽度对称渐变末端与矩形的进口相连接图C2(a)0.10.2短形断面宽度对称渐变末端与圆形进口平顺连接图C2(b)(c)0.20.3 梯形与矩形断面间用扭曲面连接图C2(d)0.20.3梯形与矩形断面间
41、用扭曲面连接末端与圆形进水口平顺连接图C2(e) (f)0.30.4八字墙梯形与矩形断面间用折线(八字墙)连接末端与矩形进口相接图C2(g)0.30.5八字墙梯形与矩形断面间用折线(八字墙)连接末端与圆形进口相接图C2(h)0.40.7注表中局部损失系数是在两边壁与渠道中心线间的夹角为1230的实验条件下做出的故明渠渐变段的长度须按此角度推算图C3 渐缩段与渐扩段的型式 (a)扭曲面(b)14直立圆柱面(c)八字斜墙 表C2 明渠渐变段局部损失系数 渐变段形状变化情况渐缩的fc 渐扩的fc 扭曲面图C3(a)0.10.21/4的直立圆柱面图C3(b)0.150.25八字斜墙图C3(c)0.30
42、.54)弯道段的总水头损失可按下式计算 hvg=22(C11) 其中损失系数x =+21342gLCRBr/(C12) 式中B按中心线水面高程算得的水面宽度(m) L弯道中心线长度(m) C谢才系数 R水力半径(m) r弯道中心线半径(m) v断面平均流速(m/s) 弯道横向水面超高可按下式推算 yKvBgr=2(C13) 式中K超高系数对于梯形和矩形明渠的简单圆曲线式弯道可取K=0.5 当弯道中心半径与水面宽度之比值大于10时弯曲损失可以不计 5)门槽拦污栅的水头损失计算参照SD 303进行 附 录 D (标准的附录) 引水渠道系统的涌波计算 D.0.1 按明渠非恒定流的基本方程圣维南方程进
43、行涌波计算对任一形状断面棱柱体明渠其运动方程和连续方程为 ()()vtvvxghxgi iqAvv+=+ 0f q(D1) AtQxq+=(D2) 式中A横断面面积(m2) Q流量(m3/s) v平均流速(m/s) h水深(m) i0渠底纵坡 if摩擦坡度 t时间(s) x沿渠底度量的距离向下游为正(m) g重力加速度(m/s2) q横向进流量入流为正出流为负m3/(s m) vq横向进流流速沿下游方向的分量(m/s) 对于求解的水电站引水渠道中的涌波属于弱解其差分格式应满足相容性收敛性稳定性及幅度耗散性 计算的初始条件渠道恒定流时的流速和水深上游边界条件一般假定上游水位为常数这对于自动调节渠
44、道是适宜的对非自动调节渠道(通常设有侧堰)或有调节池布置的情况宜按实际情况建立其上游边界条件下游边界条件一般为出流量变化条件此时忽略压力管道中水的弹性假定机组过流量的变化就是前池出流量的变化 D.0.2 水电站突然甩负荷或增荷时在引水渠道系统中所产生的正涌波或负涌波也可用行进波方法来计算 行进波所携带的流量波流量可用下式确定 Qn=CnBn n(D3) 波的传播速度的公式为 CgABBAvnnnnnnn=000132(D4) 式中n涌波高度(m) Bn过水断面在半波处的顶宽(m) Bn=Bn0+mnm梯形断面的边坡系数 Bn0断面n-n处初始的水面宽度(m) An0断面n-n处初始的过水断面面
45、积(m2) vn0断面n-n处初始的平均流速(m/s) 脚标n代表断面序号例如n为0时代表起点断面0 0对起点断面0 0式(D4)中的各参数应写成0B0B00A00和v00式(D4)中的号对于逆行波根号外取-号顺行波根号外取+号对正涌波根号内取+号对负涌波根号内取-号电站突然甩负荷在引水渠道系统中产生逆行正涌波而突然增荷时产生逆行负涌波 图D1 水电站突然甩负荷时涌波分析示意图 D.0.3 如图D1所示初始条件为电站正常运行时的水面线和相应的水力要素当电站突然甩负荷时流量从原来的Q0减至Q0于是有 Q=Q0-Q0(D5) 当甩全部负荷时Q0=0则波流量Q=Q0这时在前池引水渠道系统内将产生逆行
46、正涌波随着涌波向上游行进渠中水位逐渐升高一直持续到反射波(这反射波是在渠首断面当逆行正涌波抵达时所产生的)回到渠道系统的末端断面为止这个时候就相当于末端断面处的最高水位最高水位的计算可分为三个阶段进行 第一阶段计算逆行正涌波由水电站断面0 0传播到渠首断面L L所需的时间T1先要由式(D3)和式(D4)联立求解找出起点断面0 0相应于甩负荷时刻的初始波高0和波速C0如图D1 把全部渠道分为若干段例如距渠道末端为Sn的断面n和距渠道末端断面为Sn+1的断面n+1就组成一个渠段其长度为l=Sn+1-Sn进行逆行正涌波计算要利用波额到达断面与起点断面0 0间的连续方程例如涌波从n断面行进到n+1断面
47、(所需时间为tn)的连续方程为 Q0tn=Wn+1Wn(D6) 式(D6)右边即为图D1中的阴影线部分的体积 Cltn=式中C n断面与n+1断面间的涌波平均传播速度则 ()121+=nnCCC(D7) Cn+1可表示为 ClQWWCnnnn+=1012 (D8) 而 ()WSff ffnn n n=+1300()WSff fnn n n+ + +=+11010113(D9) 且 ()()fBmnn n000 1 10 1=+ + + +(D10) ()11011 +=nnnnmBf (D11) 式中f0fn+1分别为涌波在断面0-0和断面n+1处的波面积(m2) Bn+1,0断面n+1处初始
48、的水面宽度(m) n+1断面n+1和断面0-0间初始的水面落差(m) 任设一个n+1值进行计算直到所设的n+1满足式(D4)所求出的Cn+1值为止依次求出沿程各断面的值和渠首断面L-L的L值逆行正涌波传播到渠首断面的总历时 Ttiik11=(D12) 式中k所分渠段的数目 ti各渠段长度内涌波的行驶时间(s) 在t=T1时刻渠首断面的水位 =+LLL0(D13) 式中L0断面L L处初始的水位(m) 而前池处有 =0 L (D14) 第二阶段计算反射波(顺行负涌波)由断面L L传播到断面0-0所需的时间T2波流量 QL=Q0CLBL L(D15) 式中BL断面L L在逆行正涌波半波高处的过水断
49、面宽度(m) 反射波的传播速度可采用简化了的公式 CgABQAnnLnLLnL=+(D16) 式中AnLBnL分别为当渠中水位为L时任一断面n n处的过水断面积和断面顶 宽 将式(D16)中各量的下标n换成n+1便可求出相应的Cn+1仍像计算逆行正涌波那样求出各段的涌波平均传播速度C参见式(D7)渠段长li所需的时间ti进而求出反射波从断面L L推进到断面0-0所需的时间 Ttiik21=(D17) 图D2 渠末水位随时间变化关系图 图D3 水电站突然增负荷时涌波分析示意图 涌波往返一次的总历时 T0=T1+T2(D18) 第三阶段绘制关系曲线0=f(t)如图D2所示从中查取断面0 0处的最高水位0max图D2中的00为断面0 0处未受扰动的初始水位0=00+0为突然甩负荷后的瞬间升高水位 D.0.4 水电站突然增荷时前池引水渠道系统最低水位计算如图
