1、目 录摘要 3前言 41 基本概况 52 设计基本资料 62.1 水文 .62.2 气象 .72.3 水库特性 .72.4 主要地质参数 .72.5 地震 .92.6 工程特性表 103 工程等别及防洪标准 确定 .134 枢纽总体布置 .154.1 闸址的选择 154.2 闸线的选择 154.3 引水线路的选择 164.4 厂址及厂房形式的选择 184.5 枢纽的总体布置 185 确定引水隧洞洞型和尺寸 .225.1 尺寸确定的计算过程 225.2 引水隧洞的水力计算 256 调压室的设置 .346.1 调压室稳定断面的设计 346.2 最高涌波水位的计算及调压室顶部高程的确定 356.3
2、增加负荷时的最低涌波计算 377 压力隧洞的衬砌计算 .417.1 三类围岩的衬砌 417.2 四类围岩的衬砌 547.3 五类围岩的衬砌 658 细部构造设计 .778.1 深孔进口处的细部构造 778.2 洞身细部构造 788.3 灌浆、防渗与排水 789 隧洞计算成果 .8010 结论 81总结与体会 .82谢辞 .83参考文献 .84西华大学毕业设计说明书 3摘 要本次设计基于扎窝水电站前期勘察资料完成全部设计内容。设计内容主要为引水发电系统中的压力隧洞，具体包括隧洞的选线、水力计算、隧洞尺寸拟定、衬砌形式选择、衬砌配筋计算以及细部构造设计等。同时，对进水口、调压室及压力钢管等结构也有
3、少量涉及。在设计中，难点是衬砌设计，因为需根据不同的围岩情况及不同的工况对引水隧洞进行分析计算，并且还要对计算结果进行校核，以检验计算结果是否满足规范要求。关键词：扎窝水电站；引水发电隧洞；隧洞尺寸；水力计算；衬砌厚度；衬砌配筋；构造设计。AbstractThis design based on the preliminary investigation data of Zha Wo hydropower station and completed all the design content.The main contents of the design is the pressure tu
4、nnel diversion power generation system.Including the selection of line tunnel、Hydraulic calculation, The tunnel size determination、Selection the form of lining、 Lining reinforcement calculation and detail structure design Specifically.At the same time, on the water inlet, surge chamber and penstock
5、structure also have a small amount involved. In the design, the difficulty is lining design, Because we need according to the different surrounding rock and different working conditions to Analysis and calculation of diversion tunnel，And also to check the calculation results, in order to test the re
6、sults whether meet the requirements specification.Keywords: Zha Wo hydropower station；Diversion tunnel； The tunnel size；Hydraulic calculation；Lining thickness of lining reinforcement；Structural design前 言引水发电系统是整个水利枢纽工程中的重要项目，其中，水工隧洞又是引水发电系统中的重要项目，其投资占整个引水发电系统的 40%左右，因此，设计一个尺寸合理，线路最短，水头损失最小，运行成本低并且可靠
7、的水工隧洞尤为重要。另外，随着我国水利工程建设的步伐日益加快，现在越来越多的投资者青睐地下电站，因此引水隧洞也得到了迅猛的发展，要想在水果隧洞的选择、布置和衬砌上既安全又经济，就只有对水工隧洞进行学习和研究，本次设计就是在扎窝水电站的前期勘测设计资料上对水工隧洞的布置和设计，一方面加强对整个水利工程知识的认识，还要了解和掌握水工隧洞设计的具体步骤和方法，为以后的学习工作打下良好的基础。西华大学毕业设计说明书 51 基本概况扎窝电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内，是黑水河干流水电规划“二库五级”开发方案的第四个梯级电站。首部枢纽距茂县县城约 76km，厂区距茂县县城约 60km，距成都
8、250km，213 国道黑水县公路从工程区通过，下行经茂县、汶川、都江堰至成都，对外交通方便。电站采用引水式开发，开发任务为发电，兼顾下游环境生态用水，电站装机容量 150MW，工程枢纽由拦河闸坝、取水口、引水隧洞、调压井、压力管道及地下发电厂房等水工建筑物组成。黑水河系岷江上游最大的支流，发源于羊拱山东麓，奶子沟在甘石坝处与马河坝沟汇合后始称黑水河。黑水河自西北向东南流，在马桥处纳左岸支流打古沟，流经黑水县城芦花镇后折向东流，至西尔下游与左岸大支流毛尔盖河相汇后转向东南流，至扎窝下游有赤不苏沟从右岸加入，于沙坝乡下游的两河口汇入岷江。黑水河干流全长（甘石坝两河口）122 km，流域面积 72
9、40km2。扎窝电站闸址位于龙坝沟沟口下游约 3km 的黑水河干流上，闸址以上集水面积 5785 km2。厂址位于赤不苏沟沟口以上约 200300m 的左岸，集水面积765 km2。电站正常蓄水位 1873.00m，调节库容 88.1 万 m3，具有日调节能力，总装机容量 150MW，枯水期平均出力 46.3MW，多年平均发电量 6.58 亿 kW.h。扎窝电站距离四川负荷中心较近，对外交通方便，电站规模适中，工期较短，技术难度较小。兴建扎窝水电站既符合四川省发展水电支柱产业方针，也符合 “西部大开发”的要求，同时对发展当地少数民族地区经济，加快当地丰富的水能资源开发，尽快将资源优势转变为经济
10、优势，使黑水县人民早日脱贫致富，提高当地群众物质、生活水平都具有积极的推动作用。因此，兴建扎窝电站是十分必要的。2 设计基本资料2.1 水文2.1.1 径流扎窝水电站闸址各径流特征值如下：多年平均年径流量 34.7 亿 m3多年平均流量 110.0m3/s多年平均汛期(5 月10 月)流量 176.0m3/s多年平均枯期(11 月翌年 4 月)流量 42.8m3/s2.1.2 洪水黑水河洪水一般出现在 59 月，其中，67 月发生次数最多。扎窝水电站闸、厂址不同频率的设计洪水成果见表 2-1。表 2-1 扎窝水电站设计洪水成果表 流量：m 3/s各 频 率 设 计 流 量断面 0.1% 0.2
11、% 0.5% 1% 2% 3.3% 4% 5% 10% 20% 50%闸址 1740 1640 1490 1390 1270 1190 1160 1120 991 860 654厂址 417 384 340 306 273 249 241 230 195 161 111注：厂址为赤不苏沟天然情况下来流量2.1.3 泥沙扎窝水电站闸址多年平均悬移质年输沙量 163 万 t，多年平均含沙量470g/m3。悬移质颗粒最大粒径 2.72mm，中数粒径 0.062mm，粒径大于 0.25mm的沙重占 16.0%。悬移质泥沙颗粒级配见表 2-2。表 2-2 扎窝电站闸址悬移质泥沙颗粒级配表粒径(mm) 0
12、.007 0.01 0.025 0.05 0.10 0.25 0.5 1.0 2.0小于某粒径沙重百分数(%)7.6 10.4 21.9 40.6 68.5 84.0 97.7 99.9 1002.2 气象西华大学毕业设计说明书 7本工程气象特征引用就近的茂县气象站资料，根据茂县气象站气象要素统计，多年平均气温 11，极端最高气温 31.8，极端最低气温-11.6，多年平均年降水量 488.9mm，最大一日降水量 104.2mm，多年平均风速 3.7m/s，最大风速 21.0m/s(相应风向 ENE)，多年平均相对湿度 72%。2.3 水库特性正常蓄水位： 1873.0m汛期（5 月9 月）排
13、沙运行水位： 1871.00m死水位： 1871.00m枯期（10 月次年 4 月）水库日调节运行水位: 18711873m总库容： 404.5 万 m3正常蓄水位回水长度： 3.97km平均库水面宽： 184m闸前水库深： 28.5m2.4 主要地质参数引水隧洞及厂区围岩分类及力学指标建议值表见表 2-3, 闸址区各岩（土）体开挖建议坡比见表 2-4，闸址区覆盖层物理力学参数建议值见表 2-5，工程区岩体物理力学指标建议值表见表 2-6。表 2-3 引水隧洞及厂区围岩分类及力学指标建议值表变形模量 泊松比 岩体抗剪断强度 普氏系数单位弹性抗力系数Eo tg C fk K0围岩类别GPa MP
14、a MPa -1 810 0.25 0.81.0 0.60.8 45 3545 -2 48 0.30 0.60.8 0.40.6 34 2030 24 0.35 0.50.6 0.20.4 23 1020 0.51 0.35 0.30.4 0.10.2 1 5表 2-4 闸址区覆盖层各土层物理力学参数建议值表抗剪指标天然密度允许承载力压缩模量渗透系数 凝聚力摩擦角d F ES K20 C 分 类名 称g/cm3 Kpa Mpa cm/s MPa 度允许比降层含漂砂卵砾石（Q 3al）2.25 450500 30402.2610-227290.10.15层含漂碎砾石土（Q 3sef）2.10 4
15、00450 2530 2.410-325270.150.2层含漂砂卵砾石（Q 4al）2.2 450500 40506.7810-227290.120.15层含漂砂卵砾石（Q 4al）2.3 400450 30405.1810-227290.10.12层崩坡积块碎石土（Q 4col+dl）2.06 200250 1520 1.010-125270.070.1表 2-5 闸址区岩（土）体开挖建议坡比永 久岩土类型（土层）水 上 水 下临 时覆盖层1：1.25 38391：1.5 33341：1强风化 1：0.71：0.8基 岩弱风化 1：0.31：0.4注：覆盖层坡高大于 15m 应设置马道；基
16、岩坡高大于 40m 应设置马道。西华大学毕业设计说明书 9表 2-6 工程区岩体物理力学指标建议值表抗剪强度岩石天然密度岩石湿抗压强度变 形模 量 岩体/岩体 混凝土/岩体 结 构 面（不含泥） Rw Eo tg C tg C tg C岩 体类 型g/cm3 MPa Gpa MPa MPa MPa新鲜 2.75758510151.01.21.01.5 0.91.0 1.01.2 0.750.85 0变质砂岩弱风化 2.7155608100.91.00.91.0 0.80.9 0.70.8 0.500.60 0新鲜 2.735408100.91.00.80.90.800.900.70.8 0.5
17、00.60 0砂质千枚岩弱风化 2.501520580.70.80.60.70.600.700.50.6 0.400.50 0新鲜 2.551015350.50.60.30.4 0.60.7 0.40.5 0.350.45 0绢云母千枚岩弱风化 2.40 5100.40.50.10.2 0.50.6 0.10.2 0.30.4 02.5 地震根据中国地震动参数区划图(GB18306-2001)，工程区 50 年超越概率10%的地震动峰值加速度为 0.2g，相应的地震基本烈度为度。据四川省地震局工程地震研究所 2003 年 9 月提交的四川省黑水河柳坪电站工程场地地震安全性评价报告：工程区 50
18、 年超越概率 10%的地震动峰值加速度为 0.33g，相应地震基本烈度仍为度。2.6 工程特性表表2-7工程特性表序号 名称 单位 数量 备注一 水文1 流域面积全流域 km2 7240闸址以上 km2 57852 利用水文系列年限 年 483 多年平均年径流量 亿m 3 34.694 代表性流量多年平均流量 m3/s 110实测最大流量 m3/s 1270 1977.6.20调查历史最大流量 m3/s 1350正常运用标准及洪水流量 m3/s 2%，1270非常运用（校核）标准及洪水流量 m3/s 0.2%，1640施工导流流量及标准 m3/s 20%，1795 泥沙多年平均悬移质年输沙量
19、万t 148多年平均含沙量 g/m3 427多年平均推移质年输沙量 万t 9.66二 水库1 水库水位校核洪水位 m 1854.21设计洪水位 m 1852.69正常蓄水位 m 1873汛期限制水位 m 1871死水位 m 18712 正常蓄水位时水库面积 km23 回水长度 km 3.974 水库容积正常蓄水位以下库容 万m 3 442.4续表 2-7西华大学毕业设计说明书 11调节库容 万m 3 88.1死库容 万m 3 354.35 调节特性 日调节三 下泄流量及相应下游水位1 设计洪水位时最大泄量 m3/s 1270相应下游水位 m 1850.302 校核洪水位时最大泄量 m3/s 1
20、640相应下游水位 m 1851.23四 工程效益指标1 装机容量 MW 1502 枯水年枯水期平均出力 MW 46.33 多年平均发电量 亿kW.h 6.584 年利用小时数 H 4387五 淹没损失及工程永久占地1 淹没耕地 亩 1482 迁移人口 人 1643 房屋 m2 7194 工程永久占地 万m 2 5.0六 主要建筑物及设备1 挡水建筑物型式地基特性 覆盖层地震基本烈度/设防烈度 度 VIII/VIII坝顶高程 m 1875最大坝高 m 34.5坝顶长度 m 1612 泄洪冲砂建筑物泄洪闸孔尺寸（宽*高） m 3-107孔口底高程 m 1844.5冲砂闸孔尺寸（宽*高） m 1-
21、410孔口底高程 m 1844.5设计泄洪流量 m3/s 1270续表 2-7校核泄洪流量 m3/s 1640消能方式 底流3 引水建筑物设计引用流量 m3/s 2134 厂房型式 地下地基特性厚层砂岩夹炭质千枚岩主厂房尺寸（长*宽*高） m50.0117.640.77水轮机安装高程 m 1775.355 开关站型式 地面地基特性 覆盖层面积（长*宽） 41*12.56 主要机电设备水轮机台数 台 3型号 HLD113-LJ-295额定出力 MW 51.5额定转速 r/min 214.3吸出高度 m -3.0最大工作水头 m 94.8最小工作水头 m 78.3额定水头 m 81额定流量 m3/
22、s 71.2发电机台数 3型号 SF50-28/630单机容量 MW 50额定功率因素 0.85额定电压 kv 13.8西华大学毕业设计说明书 133 工程等别及防洪标准确定首部枢纽正常运用（设计）洪水标准为 50 年一遇，相应洪水流量 1270 m3/s；非常运用（校核）洪水标准为 500 年一遇，相应洪水流量 1640 m3/s。厂区枢纽洪水标准按非壅水厂房确定，正常运用（设计）洪水标准为 100 年一遇，相应洪水流量 519 m3/s；非常运用(校核)洪水标准为 200 年一遇，相应洪水流量 553 m3/s(厂址正常与非正常运用洪水为赤不苏沟相应洪水加上电站引用流量213 m3/s)。
23、根据水闸设计规范(SL265-2001)，水闸闸下消能防冲设计洪水标准为 30 年一遇，相应洪水流量 1190m3/s。各永久性主要水工建筑物洪水标准及洪峰流量见表 3-1。表 3-1 各永久性主要水工建筑物洪水标准及洪峰流量设 计 洪 水 校 核 洪 水项 目重现期（年） 流量（m 3/s） 重现期（年） 流量（m 3/s）闸坝 50 1270 500 1640地面厂房 100 519 200 553表 3-2 水电枢纽工程等级划分及设计安全标准防洪 治涝 灌溉 供水 发电工程等别工程规模水库总库容 ( 10 8 m 3 )保护城镇及工矿企业的重要性保护农田 (10 4 亩 )治涝面积(10
24、 4 亩 )灌溉面积(10 4 亩 )供水对象重要性装机容量(10 4 kW)I大 (1) 型10 特别重要 500 200 150 特别重要 120大 (2) 型10 1.0 重要500 100200 60 150 50 重要 120 30 中型 1.0 0.10 中等 100 30 60 15 50 5 中等 30 5IV小 (1) 型0.10 0.01一般 30 5 15 3 5 0.5 一般 5 1V小 (2) 型0.01 0.001 5 3 0.5 1水利水电工程的永久性水工建筑物的级别，应根据其所在的工程的等别和建筑物的重要性，按表 3-3 确定。 表 3-3 永久性水工建筑物级别
25、工程等别 主要建筑物 次要建筑物I 1 3 2 3 3 4IV 4 5V 5 5扎窝水电站水库总库容 404.5 万 m3，装机 150MW，以发电为主的水电工程，无灌溉、防洪、通航等要求。根据防洪标准(GB50201-94)和水电枢纽工程等级划分及设计安全标准 （DL5180-2003）来确定。扎窝水电站为三等工程，其永久性主要水工建筑物按 3 级设计，次要水工建筑物按 4 级建筑物设计。西华大学毕业设计说明书 154 枢纽总体布置4.1 闸址的选择在可行性研究阶段，比较了上下两个闸址，经研究后推荐下闸址。2004 年10 月 30 日31 日，省发改委委托四川省工程咨询研究院在成都主持召开
26、了四川省阿坝州黑水河扎窝水电站可行性研究报告审查会，会后批复同意设计单位推荐的闸址在红水沟下游约 500m 处的河段上。4.2 闸线的选择闸址区河谷相对开阔，考虑首部枢纽闸坝及下游消能防冲建筑物的布置，初步拟定了两条闸线进行比较。上闸线位于顺直河段的开始段，距红水沟口约 500m，该闸线处枯水期水面宽度 37.80m。下闸线位于上闸线下游约 35m 处，该闸线处枯水期水面宽度 34.10m。经过首部枢纽布置，在闸顶高程 1875.00m 时，上闸线谷宽 149.0m，下闸线谷宽 143.0m，两闸线在地形地貌和基本地质条件上无实质性差异，首部枢纽布置及建筑物型式上也无较大区别，主要区别在于：（
27、1）上闸线主河床宽度略宽，其下游消能防冲建筑物后还有一定的顺直河段，利于泄洪水流的归槽；而下闸线的布置，其下游消能防冲建筑物后即为一小弯道，在枢纽布置中需妥善解决泄洪水流的归槽问题；（2）考虑引水隧洞布置于黑水河右岸，而下闸线右岸谷坡岩体较破碎，进水口成洞条件较差，开挖工程量也较大；上闸线进水口具有较好的进洞条件；（3）上闸线取水口处于河道凹岸末端，便于引水防沙；（4）若闸线再向下移，也无合适的闸线可选，而且下游消能防冲建筑物的布置较为困难。上、下闸线主要工程量比较见表 4-1。经综合分析比较，本阶段选择上闸线为推荐闸线。表 4-1 上、下闸线主要工程量比较表数 量序号 项 目 单 位上闸线
28、下闸线备 注1 覆盖层开挖 万 m3 16.49 16.892 石方明挖 万 m3 3.27 3.953 石方洞挖 万 m3 0.11 0.114 块石回填 万 m3 3.41 3.415 混凝土浇筑 万 m3 14.03 14.216 喷混凝土 m2 6227 63937 钢 筋 t 3811 38568 钢 材 t 248 2489 锚 杆 根 1673 1735 25，L=5m10 回填灌浆 m2 239 23911 帷幕灌浆 m 2330 238712 固结灌浆 m 6680 663513 混凝土防渗墙 m2 2129 2088 墙厚 0.8m14 排水管 m 995 99515 橡胶
29、止水 m 645 65816 铜片止水 m 645 65817 上坝公路改线 m 4200 41604.3 引水线路的选择水工隧洞的布置是其设计问题中的关键，隧洞的选线则是隧洞布置得首要问题，直接关系到施工期限，工程造价及工程运行的可靠性。影响隧洞线路选择堵塞因素很多，诸如地形、地质条件，施工条件等。设计时必须根据隧洞的用途，综合考虑地形地质、施工，枢纽总体布置及对周围环境的影响等各种因素，拟定不同方案，经技术经济比较后确定。 有压隧洞（引水）的进水口高程取决于发电死水位，尾水高程取决于下游最低尾水位。纵向坡度的选取考虑施工排水和防空隧洞进行检修的要求，一般为不小于 0.5%0.1%的正坡。无
30、压泄水隧洞的进口高程取决于水库要求泄放的最低水位，出口高程决定于下游最高洪水位，应避免水跃。其纵坡通过水利计西华大学毕业设计说明书 17算确定，多采用陡坡以防止洞内泥沙淤积。 运行条件：不影响枢纽和其他建筑物的正常工作。泄水隧洞出口应与拦河坝的坝脚有一定距离，泄洪消能出口与坝脚相距 200 米以上，以防出洞水流冲刷坝脚。发电洞尾水则应避开或隔开枢纽建筑物泄流时可能导致的水位波动。 施工开挖条件：洞线应与枢纽其他建筑物保持一定距离以免洞室开挖爆破影响建筑物基岩的稳定。长隧洞可设几个支洞以增加开挖面。 影响因素多，要进行经济分析比较确定，隧洞选线的一般原则： A. 地质条件 （1）应使轴线与层面的
31、走向交成较大的夹角（45）,轴线垂直走向优于平行，倾角陡立最好，形成自然拱。当岩层倾斜时，向开挖面倾斜比背向开挖面倾斜好。当通过皱褶轴部时，易形成梯形棱柱体造成洞顶塌方。 （2）覆盖厚度 考虑弹性抗力（不利岩体构造）：3 不考虑弹性抗力：不衬砌1H,衬砌0.4H 进出口：1 B. 地形条件 （1）纵向布置 短而直，R5B 或 ，60，过渡直线段 L5B 或 。 （2）进出口位置合适：进出口水流应平顺对称，避免产生涡流，防止水流的冲刷。进出口岩石要坚硬、完整。 C. 水流条件 进出口水流平顺、直，与其他建筑物要有足够的距离 D. 施工条件考虑施工方便：一洞多用，布置施工支洞、斜洞、竖井以便分段施
32、工。选线是设计中一个至关重要的问题，它关系到工程造价、施工难易、工期长短和运行可靠性等方面。扎窝电站引水建筑物由引水隧洞、调压井和压力管道等组成。在可研阶段对右岸引水与左岸引水两个方案进行了比较研究。综合各方面原因，我们将引水线路布置在右岸。首先，右岸总体为凸岸，闸、 厂址间主要分布有子母河沟和扎窝沟，两沟切割较深，常年有水，对洞线布置有一定的影响。但进水口处在凹岸，有利于取水；其次，根据黑水河的走向，在满足施工工期的支洞布置条件下，布置在右岸引水隧洞洞线比较顺畅，且穿越子母河沟和扎窝沟洞顶覆盖厚度达 150m 左右，不存在绕沟问题，同时引水路线的长度仅为 10.198km，比布置在左岸距离短
33、；再次，左岸有三条冲沟，而右岸只有两条，选择右岸可降低施工难度和支护成本；最后，右岸的山体较为完整，整体性较左岸好。因此，引水隧洞布置在黑水河右岸。同时，省发改委委托四川省工程咨询研究院在成都主持召开四川省阿坝州黑水河扎窝水电站可行性研究报告审查会，会后同意右岸引水线路方案。4.4 厂址及厂房形式的选择根据可研阶段的审查意见：“本电站尾水与柳坪蓄水位相接， 报告比较了位于黑水河与赤不苏沟交汇口上游右岸的上厂址与黑水河右岸支流赤不苏沟左岸的下厂址，两方案无修建地面厂房的地形条件，均为地下厂房。两方案工程布置相似，从工程地质条件及对茂黑公路的影响考虑，下厂址位于赤不苏沟内。为了充分利用水头，宜在赤
34、不苏沟下游寻找厂址，因此报告推荐下厂址方案，基本同意报告推荐的厂址。 ”本阶段主要研究下厂址地下厂房方案。通过对闸址、引水线路与厂址各方案的比较论证，推荐在洪水沟口下游建闸、从右岸引水至赤不苏沟沟口上游 250m 左岸修建地地下厂房作为扎窝电站的工程总体布置方案。枢纽建筑物主要由首部枢纽、引水建筑物和厂区建筑物等组成。4.5 枢纽的总体布置首部枢纽位于龙坝沟口下游约 2.5km，为一砼拦河闸坝，拦河闸坝轴线方向为 N5456E，闸顶高程为 1875.00m，闸基置于河床含漂碎砾石土上，最大闸高为 34.50m，闸（坝）顶总长为 161.00m。正常蓄水位 1873.00m，汛期运行水位 187
35、1.00m。枢纽各建筑物均为混凝土结构，闸坝基础防渗采用全封闭式混凝土防渗墙，两岸坝肩采用帷幕灌浆防止绕坝渗漏。泄洪闸、冲沙闸布置在主河床，底板高程均为 1844.50m，泄洪闸孔口尺寸10.07.0m（宽高） ，冲沙闸孔口尺寸 4.07.0m（宽高） ，闸室长度均为40.0m。泄洪闸前设 15.0m 长的铺盖，冲沙闸前设长约 40.0m 长的铺盖，泄洪、冲沙闸后为 52.0m 长的护坦，护坦末端接 20.0m 长的钢筋混凝土柔性海漫。4.5.1 进水口的选型进水口是引水建筑物的首部结构，其选型型式主要由当地的地质和地形情况决定，不同的的进水口有不同的适应情况，根据实际情况，进水口附近的围岩情
36、况较好，主要是1 类围岩，加上岸坡较为陡峻，因此我们采用岸塔式进水口。取水口布置在右岸，采用“正向泄洪排沙，侧向取水”的布置型式。取水口上游右侧布置扶壁式导墙平顺水流，并与岸坡相连接。为了提高供水保证率，我们在进水口处设置两孔的取水口，根据取水口和引水隧洞的渐变比例，西华大学毕业设计说明书 19一般比例为 1:1.51:2 之间，我们选择 16.5 米宽的取水口，其中，中墩厚度为2.5 米，即取水口单孔宽度为 7 米，顶部高程与拦河坝同高，为 1875.00 米。进水闸为胸墙式，设有一道工作闸门，为了更好的和后面的引水隧洞连接和过渡，进水闸的宽度为 9 米。4.5.2 进出口高程的确定进水口的
37、选择是非常重要的一环，因为进水口的选取决定了引入发电厂房的用水的质量。如果高程过高，在低水位运行的时候不容易取到足量的水；如果高程过低，有可能进水口会被泥沙淹没，甚至在引水发电时候引入大量的泥沙，这会对机组造成巨大的磨损。因此确定好进水口的高程十分必要，进水口高程的主要确定原则有两点：一是高于淤沙高程 12 米；二是低于最低运行水位且不产生气旋漩涡（临界淹没深度）为原则。根据设计的基本资料，河道高程约为 1844 米，泄洪闸闸底板高程约为1844.5 米，因此，进水口高程须高于 1844.5 米。临界淹没计算公式：(4-1)12crSCVd式中：临界淹没深度crS经验系数，其值为 0.550.
38、73，对于对称的进水口取小值，侧向进C水口取大值。孔口流速V闸门高度d代入公式得出： 120.73597.365crS那么则有：进水口高程= 187.6=84m因此，进水口高程在 1844.51854 米之间，为了加大防止泥沙进入的安全性以及防止气旋产生的可能性，我们在 1844.4 高程的基础上适当提高高程，在1854 米的高程的基础上适当下调高程，最终我们选择 1849.00m 作为我们的进口高程。至于出水口的高程，是通过下游水位以及水力发电机组的安装高程以及调压室等多个条件确定，并且需要多次校核，多次调整才能得出正确的高程，我们会在调压室的计算中提到。4.5.3 喇叭口椭圆过流断面的设计
39、1、喇叭口形体设计进水口是隧洞的首部，其形体应与空口水流的流态相适应，避免产生不利的负压和空蚀破坏，同时还应尽量减小局部水头损失，以提高泄流能力。隧洞进口常采用顶板和两侧边墙顺水流方向三向收缩的平底矩形断面形成喇叭口形状。本工程仅仅采用顶板收缩，即仅在进水口的顶部进行椭圆过流设计：收缩公式为：(4-2)21xyab式中:a对于顶板为闸门处孔口高度，对于两侧为闸门处孔口宽度。也可以为压力隧洞直径的 1.01.5 倍，但通常采取 1.1 倍 D；b对于顶板为闸门处孔口高度的三分之一，对于两侧为闸门处孔口宽度的三分之一，一般 。/34ab由以上公式可得： 219xy但是为了降低模板制作的难度，以及由
40、于水流的速度比较小，我们将进口的椭圆曲线进行了优化，采取的原椭圆长短半轴尺寸的三分之一左右，即： 213.47xy4.5.4 引水隧洞的布置引水隧洞布置于黑水河右岸，从右岸引水至赤不苏沟沟口上游左岸地下厂房发电，引水隧洞全长约 10.19km，断面为圆形，内径 9.0m，进口底板高程1849.00m，至调压井底板下部降至 1838.00m，纵坡 i1.08。引水隧洞全线采用钢筋混凝土衬砌，、类围岩段的衬砌厚度分别为30cm、50cm、70cm。、类围岩段周边进行固结灌浆，隧洞全线进行顶拱回填灌浆。 （由后面结构计算得出）西华大学毕业设计说明书 214.5.5 调压井的布置调压井布置为埋藏式，主
41、要由井筒、井筒底板下部的分岔洞和交通洞等组成。井筒布置为长而窄的矩形，总长 115.6m，宽 9.0m，底板高程 1838.00m，顶拱高程 1916.3m，高 78.3m，采用钢筋混凝土衬砌，衬厚 1.20m。4.5.6 压力管道布置压力管道采用埋藏式，采用一管三机方式，由上平段、斜管段、下平段组成，圆形断面，内径为 7.2 m，衬砌厚度 0.6m，斜井水平倾角 55，压力管道主管长 172.23m。4.5.7 地下厂房布置地下厂房拟布置于距赤不苏沟口约 250m 附近。赤不苏沟径流方向 N45E，沟谷狭窄，呈“V”型谷，两岸谷坡陡峻、山体雄厚。厂址岸坡度为6085，局部为倒悬陡崖，基岩裸露
42、；区内构造简单，无大的断层发育，岩体呈单斜构造，地层总体产状 N5060 W/SW60 70，与沟谷呈大角度相交，为横向谷。厂房段砂岩比例较高，岩性为厚层变质砂岩夹少量的千枚岩，属-2 类围岩，岩体完整性相对较好，具备修建地下厂房的工程地质条件。地下厂房采用两洞室方案，厂区枢纽建筑物主要由主机间、安装间、副厂房、母线洞、配电装置室、尾水系统（尾水闸门廊道、闸门竖井、尾水洞） 、出线洞、排风洞、地面开关站、交通系统（进厂交通洞、交通桥、进开关站交通公路及交通平台）等组成。主厂房与配电装置室平行布置于左岸山体中，两洞室间距 26m。主厂房纵轴线方位为 N10E，安装高程 1775.35m，尾水与柳
43、坪正常蓄水位相接。地面开关站布置在厂房下游阶地上，无后边坡稳定问题，布置长 145.00m 左右的公路与茂县黑水的公路相接。并布置公路连接开关站、尾水平台、交通洞和通风洞。在交通洞口处布置跨河交通桥与对岸赤不苏乡公路连通，形成厂区对外交通。通风系统主要由交通洞进风，排风洞、出线洞出风。5 确定引水隧洞洞型和尺寸电站设计引用流量为 213 m3/s，隧洞断面选择内圆型，并全断面钢筋混凝土衬砌，主要考虑：a 、本电站引用流量 213m3/s，相对较大，相应的经济洞径已达 9m，圆形断面水力学条件、受力条件均较好。b 、隧洞沿线围岩以类为主，但岩性以板岩夹千枚岩为主，若采用喷锚支护在水头损失相当的前
44、提下，洞径将扩大至 11.2m，隧洞规模增大，成洞条件降低，施工难度加大，故选择了全断面钢筋混凝土衬砌。引水隧洞沿线承受内水压力为 0.240.56MPa，所处围岩以板岩夹千枚岩为主，部分中厚层状层纹理发育的变质石英砂岩夹板岩、千枚岩，薄中厚层灰岩，地质部门初步推测，类围岩约占 70%，、类围岩约占 30% 。5.1 尺寸确定的计算过程5.1.1 引水隧洞直径的确定由引水流量为 213m3/s,根据彭德舒公式以及经济流速公式：(5-1)1.QDV或者(5-2)4e式中：引水隧洞的直径，单位：Dm引水发电设计流量，单位：Q3/s引水隧洞平均流速，单位：V引水隧洞的经济流速，单位: ,我国的经济流
45、速一般采用e /2.54 。/ms代入公式得： 213.0.48.25Dm或者西华大学毕业设计说明书 2342130.4823(.5)Dm5.1.2 压力钢管直径的确定同理，压力钢管也可以采用彭德舒公式或者经济流速的公式计算，只是压力钢管的经济流速和平均流速较压力隧洞大，约为 46m/s。(5-3)11.3QDV或者(5-4)14e式中：压力钢管的直径，单位：1Dm引水发电设计流量，单位：Q3/s引水隧洞平均流速，单位：V压力钢管的经济流速，单位: ,我国的经济流速一般采用 46e /。/ms代入公式得： 213.8.46.72Dm或者 42138.6.72()因此根据计算结果，结合隧洞经济流
46、速和引水线路的地质地形及施工条件，本阶段拟定直径为 8.5m、9.0m、9.5m 三个压力隧洞洞径方案及相应压力钢管管径 6.9m、7.2m、7.5m 方案组成三个引水道尺寸方案进行比较。动能经济比较指标见表 5-1。表 5-1 扎窝水电站引水道尺寸比较表由表 5-1 可看出，随着隧洞直径的增加，电站的水头损失随之减少，电站的损失电量在减少，因此适当增加引水道直径有利提高电站的发电效益。当洞径由 8.5m 增加至 9.0m 时，电站引水系统投资增加 1575.49 万元，其补充单位电能投资为 0.815 元；当洞径由 9.0m 增加至 9.5m 时，电站引水系统投资增加 2030.21 万元，
47、其补充单位电能投资为 1.452 元。从单位动能指标来看，引水隧洞 9.0m 方案较优。故本阶段推荐扎窝水电站隧洞直径为 9.0m，相应压力钢管直径为 7.2m。其中隧洞流速为 3.4m/s，压力钢管流速为 5.2m/s。方 案 单 位 方案一 方案二 方案三洞 径 m 8.50 9.00 9.50隧洞流速 m/s 3.8 3.4 3.0管径 m 6.90 7.20 7.50压力钢管流速 m/s 5.7 5.2 4.8总水头损失 m 15.554 11.906 9.267隧洞水头损失 m 11.341 8.424 6.362其中管道水头损失 m 4.213 3.482 2.905引水道水头损失
48、系数 0.34171 0.26157 0.20359隧洞水头损失系数 0.24915 0.18507 0.13977其中管道水头损失系数 0.09256 0.07650 0.06382发电引用流量 m3/s 213 213 213设计枯水年枯期平均出力 万 kW 2.23 2.23 2.23引水系统直接投资 万元 29109.16 30684.65 32714.86电量损失差 亿 kWh 0.1932 0.1398引水系统直接投资差 万元 1575.49 2030.21补充单位电能投资 元/kWh 0.815 1.452西华大学毕业设计说明书 255.2 引水隧洞的水力计算5.2.1 沿程水头损失计算水头损失由沿程摩擦损失与局部损失两部分组成，沿程损失采用谢才曼宁公式计算。(5-5)2fvhlCR(5-6)16nR 为水力半径，等于 ，糙率 n 值可参考表 A1。局部水头损失计算通式/4d为，局部水头损失系数 值参见表 5-2。表 5-2 压力水道糙率 n 值表糙率 n序号水道表面情况平均 最大 最小岩面无衬砌(1)采用光
