水电站建筑物

第一章概论1.水力发电的有点：水电是再生性能源，不需要消耗燃料，可以节省开采和运输燃料的花费；水电站的运行管理人员也较少，发电的成本大大低于火电；水利发电具有运行上的高度机动性，可根据负荷的变化迅速改变出力，能很好地额担任电力系统的调峰、调频和事故备用等任务。2.水力发电的缺点：优良的水电工程常位于偏远的山区，给建设和输电带来困难；水电工程会造成淹没损失；对于土建工程大的水电工程，投资大工期长；一些水电可能还会对自然和生态产生不利的影响。3.目前世界上装机容量最大的电站是巴西和巴拉圭的伊泰普电站；最大的抽水蓄能电站是美国的巴斯康蒂电站；最大的潮汐电站是法国的朗斯电站；水头最高的是奥地利的赖斯采克蓄能电站；最大的水轮发电机组是伊泰普的机组。4.目前我国水电开发的重点是黄河上游、长江中上游干支流和红水河流域、澜沧江流域。5.按集中河段落差以形成水头的措施不同，水电站有坝式、引水道式和混合式三中，抽水蓄能电站和潮汐电站也是水电站重要型式。6.坝式水电站有河床式（适用水头不大，安装水轮发电机组的厂房本身能承受上游水压力，成为挡水建筑物的一个组成部分）和坝后式（适用水头较大，机组及厂房的尺寸相对较小，厂房难以独立承受上游水压，将厂房置于坝后）。7.引水道式水电站是在河段上游筑闸或低坝取水，经人工引水道引水到河段下游来集中落差所建的水电站。引水道可以是无压的（明渠、明流隧洞），有压的（有压隧洞、压力管水）。适用于坡降大的河段或是河道裁弯引水和跨流域引水。8.水电站的组成建筑物：枢纽建筑物（挡水建筑物（坝或闸）、泄水泄沙建筑物（溢洪道、泄水孔）、过坝建筑物（过船、过鱼））；发电建筑物（引水建筑物（进水口、沉砂池、引水道、调压室）、发电厂房及其附属建筑物（厂房、变电站、开关站））第二章进水口及引水道建筑物1.进水口的类型，按水流条件可分无压进水口和有压进水口：（1）无压进水口有表面式和底部拦污栅；（2）有压进水口有坝式、塔式（适用岸坡地质条件较差时用以连接隧洞，或在连接坝底埋管时采用）和岸式（适用在地质条件良好处）。2.进水口应满足的要求：要有必要的进水能力，水质符合发电要求，水头损失要小，流量可按要求控制，施工、安装、运行和检修方便。3.拦污栅的倾斜布置和平面拦污栅便于清污，过水流速应尽量小，以减少水头损失和清污困难，还有在寒冷地区要防止结冰。4.有压进水口工作闸门后应设通气孔，其作用：当工作闸门关闭时，给有压引水系统及时补齐，以免系统内发生真空；在压力引水系统充水时，及时排气。5.沉砂池常布置在无压进水口之后，引水道之前。其工作原理：降低水流速度从而减小其挟沙能力，使泥沙在池中沉积。要求：有必要的宽度、深度和长度，使流速变小并均匀。排沙方法有水流冲沙、水力机械排沙或机械排沙6.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。7.无压引水道特点是具有自由水面，承受的水压不大。适用于从河道或水库水位变化不大的场合引水；有压引水道特点是引水道内水流为压力流，承受的水压很大，适用于河道或水库水位有大幅度变化的场合。8.引水道的要求：有符合要求的输水能力，减少水头损失，保证水质。9.渠道的要求：有足够的过水能力；水质符合要求；运行安全可靠；结构经济合理，便于施工及运行。9.涌波：电站丢弃负荷时，造成水轮机引用水量突然减小，但渠道的来水量还来不及减小，多余的水量蓄积起来，渠道水位由下游向上游依次逐渐升高的现象。10.消落波：电站增加负荷，造成水轮机引用水量突然增加，但管道来水量还来不及增加，渠道末的水量被引走，水位有渠道末端想渠首逐渐降低的现象。11.有压隧洞水力计算特点是隧洞过水能力仅取决于洞全长的水头损失，而与洞的纵坡无关，与洞的埋深即洞在上游水位下的深度无关。12.压力前池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。其功用：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；在水电站出力变化或事故时，能与引水道配合，调节流量，并将多余的水量排泄，避免引水道水位过高；在电站停止运行、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以防止事故扩大。防止引水道中杂物、冰凌与有害泥沙进入压力管道。13.压力前池组成部分：前室、压力管道的进水口及设备、泄水和排沙建筑物。其布置：尽可能接近厂房，以缩短昂贵且对安全要求极高的压力管道；选择良好的地质条件，池身尽量建在挖方中，要防止渗漏破坏第三章压力管道总论及明钢管1.压力管道是从水库或是引水道末端的前池或是调压室，将水在有压力的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；靠近厂房。管道直径D和水压H及其乘积HD值是标志管道及其技术难度的重要特征值。 2.压力管道类型：明管；地下埋管；混凝土坝身管道（坝内管道、坝上游面管道、坝下游面管道）3.压力管道的供水方式：单元供水、联合供水、分组供水。适用条件：单元适用于混凝土坝身管道，单管流量很大或是长度较短的地下埋管或明管；联合适用于地下埋管和明管，机组台数较少时，单机流量较小，引水道较长时；分组适用于地下埋管和明管，机组台数较多时，单机流量不大，引水道较长时。4.管道水力计算包括水头损失和水锤计算，用以决定水电站的工作水头和作用在水轮机部件上的水压力，也用于确定管线的：正常工作情况最高压力线，特殊工作情况最高压力线，最低压力线。5.明管线路选择：管道线路短而直，以降低造价，减少水头损失，降低水锤压力和改善机组的运行条件；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。6。常采用的明钢管引近厂房的方式：（1）正向引近，优点：水流平顺，水头损失小，厂房基础开挖量小，进厂方便；缺点：当管道破裂时高压水流对厂房和人员构成危害。适用于中低水头的水电站。（2）纵向引近，优点：减轻钢管破裂时对厂房及人员的威胁；缺点：水头损失增加。适用于高中水头的水电站。（3）斜向引近，适用于地形、地质条件、引水系统及厂房不要求适宜的分组和联合供水电站。7.明钢管一般宜采用分段设敷设，在转弯处设镇墩（防止位移），镇墩间管段用支墩（起支承管身的作用），两镇墩间设伸缩节（减少温度应力）。8.镇墩的型式：封闭式、开敞式。支墩形式：滑动式支座、滚动式支座和摇摆式支座。9.加劲环必须满足的条件：加劲环不能失稳屈曲；加劲环不失稳时，其横截面的压应力小于材料允许值。10.明钢管抗外压失稳的设计步骤：首先根据已定的光滑管管壁厚度计算其临界压力；外压稳定校核，不满足则设置加劲环；根据加劲环抗外压稳定和横截面压应力校核；得出加劲环的尺寸。第四章地下埋管1.地下埋管比明钢管，具有的有点：（1）布置灵活方便。埋管设在岩体内部，地质条件优于地表，管线位置选择比较自由，而且往往可以缩短管道长度；（2）利用围岩承担内水压力，减少钢衬壁厚。即使地质条件较差，采取适当措施后仍可发挥围岩的承载力，减少钢衬壁厚能减少工程造价；（3）运行安全。运行不受外界条件影响，维护简单。2.地下埋管的施工程序：开挖、钢衬安装、混凝土回填和灌浆。3.地下埋管的工作原理：埋管承受内压后，钢衬发生径向位移，使缝隙消失后，继续向混凝土衬圈传递内压，使混凝土内发生环向拉应力，从而在衬圈内产生径向均匀的裂纹；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。4.影响钢衬应力因素：围岩的单位抗力系数k0（措施是采用固结灌浆来加固围岩，提高k0），缝隙值∆，包括施工缝隙∆0，钢衬冷缩缝隙∆s，围岩冷缩缝隙∆r。5.钢衬的外压荷载：地下水压力、钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力、回填混凝土时流态混凝土的压力。6.不论哪一种的屈曲状态，都是以钢衬的最大纤维应力达到屈服强度作为钢衬失稳的判断依据。埋管钢衬的临界压力必然与材料的屈服强度和初始缝隙值直接有关，这是埋管与明钢管外压下失稳的重要区别。7.防止埋管受外压失稳的措施：降低地下水压力是根本办法，排水廊道结合排水孔，精心施工并做钢衬与混凝土之间的接缝灌浆，减小缝隙。8.地下埋管的改进途径：研制和采用高强度钢材，改进设计理论，改进结构型式和工程措施。第五章混凝土坝体压力管道1.混凝土坝体压力管道按其布置方式可分为：坝内埋管，特点是管道全部埋在坝体内。坝上游面管道，特点是管道的大部分位于上游坝面坝体外，仅厂房前较短一段穿过坝体。坝下游面管道，特点是除进水口后一小段管道穿过坝体外，主要部分沿坝下游面铺设。2.坝内埋管的原则：尽量缩短管道的长度；减少管道空腔对坝体应力的不利影响；减少管道对坝体施工的干扰并有利于管道本身的安装施工。3.在立面上，坝内埋管有三种典型的布置形式：倾斜式布置（优点是进水口位置较高，承受的水压小，有利于进水口的各种设施；管道纵轴与坝体内较大的主压应力方向平行，能减少管道周围坝体内由坝的荷载所引起的拉应力；管道位置高，与坝体施工的干扰较少；缺点是管道较长，弯段多）；平式和平斜式布置(优点是进水口位置较低，承受的水压大，不利于进水口的各种设施；管道纵轴与坝体内较大的主压应力方向不平行，不能减少管道周围坝体内由坝的荷载所引起的拉应力；管道位置低，与坝体施工的干扰较大；缺点是管道较短，弯段少)；竖直式布置(适用于坝内厂房，或是为了避免钢管安装对坝体施工的干扰，在坝体内预留竖井，后期在井内安装钢管；缺点是管道弯曲大，水头损失大，管道空腔对坝体应力不利）。4.坝内埋管的结构有两个特点：管内水压力会通过钢管传到管外的坝体混凝土上来；管道空腔的存在，使坝体应力和实体坝的相比，产生了拉应力集中。5.坝内埋管的荷载：内水压力、坝体荷载或坝体应力、温度变化引起的应力、坝体渗流水压力、施工荷载。坝内埋管的真正破坏状态主要是从坝体混凝土开裂丧失承载力引起的 6.坝内埋管结构设计的主要任务是：决定钢衬材料及壁厚、管外坝体混凝土等级和配筋、钢衬抗外压设施。其设计要求是：钢衬和钢筋的应力小于钢材允许值；坝体混凝土不开裂，至少裂缝的规模和范围受到限制；钢衬在外压作用下不失稳。7.坝内埋管钢衬的外压荷载：外水压力；施工时的流态混凝土压力和灌浆压力。在埋管外设置软垫层的目的是减少坝体承担的内水压力，同时还可以吸收钢管在内水压力作用下的径向变位。设置软垫层的优点：使钢管比较充分的地发挥承受内压的作用；大大减少坝体混凝土内的拉应力，增加抗裂的安全性，减少配筋量；可以允许钢管浅埋，以减少坝体施工与钢管安装的干扰。8.坝下游面管道与坝内埋管相比，具有的优点：（1）便于布置，（2）减少管道空腔对坝体的削弱，有利于坝体安全，（3）坝体施工不受管道施工与安装的干扰，可以提高坝体施工质量，并加快进度，（4）管道可以随机组的投产后分期施工，有利于合理安排施工进度。9.坝下游面管道有两种结构型式：坝下游面明钢管；坝下游面钢衬钢筋混凝土管。10.坝下游面钢衬钢筋混凝土管道的优点：允许管壁混凝土开裂，使钢衬和钢筋可以充分发挥承载作用；利用钢筋承载，可以减少钢板厚度，避免采用高强度钢、厚钢板引起的技术、经济问题；环向钢筋的接头是分散的，工艺缺陷不会集中；减少外界因素对管道破坏的可能性。11.坝下游面钢衬钢筋混凝土管道承受的荷载：内水压力、坝体变形引起的作用在管道上的力、温度变化、振动。第六章分岔管1.分岔管用以分配水流，特点是水头损失较大，岔管处静动水压力最大。岔管应满足如下要求：（1）水流平顺，水头损失小，避免涡流和振动；（2）机构合理简单，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。2.岔管的典型布置形式：卜形布置、对称Y形布置、三岔形布置。明钢管按其所用加强方式或受力特点，可有以下结构型式：三梁岔管、内加强月牙肋岔管、贴边岔管、无梁岔管、球形岔管和隔壁岔管。第七章有压引水系统非很定流的物理现象及基本方程1.当水轮机突然丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。反之降低。2.管道中运动着的水流，由于阀门突然关闭，使得水流流速和动量发生急剧变化，从而引起水压强的骤然变化，导致水流对管道、阀门产生很大的锤击作用，这种现象称为水锤。导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降，反之是则相反。启闭时间愈快，转速变化愈小，水锤压力愈大。3.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；决定管道内的最小内水压力，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，4.调节保证计算的目的：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.水轮机调节保证一般可按照以下两种工况计算：（1）在设计水头下丢弃全负荷；（2）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。这是因为导叶的总关闭时间Ts是按设计水头下丢弃全负荷关闭导叶全行程所需的最小时间来整定的。所以在最大水头下丢弃全负荷时，其导叶总关闭时间Ts2比上述的小，故转速上升值也较小。6.水锤压力∆H不是在阀门关死的一瞬间在全管道出现的，而是以“波”的形式自阀门处沿管道逐渐向上游传播，这就是水锤波。其大小决定于管壁材料特性及水体的压缩性，在同一水体中，管道的刚度愈大，波速也愈大。7.调压室实际上是一个具有自由水面的筒式或井式建筑物，其作用：限制了水锤压力继续向引水道传播，避免了管道水锤压力的影响；缩短了压力管道的长度，减小了压力管道中的水锤压力；改善机组在负荷变化时的运行条件。8.引水道——调压室系统中的水位波动现象与压力管道中产生的水锤过程虽然均为非恒定流，服从同一水流规律，但其波动性质有很大的差别：调压室的水位波动主要是由于水体的往复运动引起，其特点是振幅小、变化慢、周期长，往往长达几十秒到几百秒；引水道的水位波动振幅大、变化快，往往在几秒钟内即消失。第九章水锤及调节保证计算的解析方法σ1.儒可夫斯基方程：∆H=—∆l∆t×∆vg=—ag∆v或H-H0=ag(v0-v)说明：（1）当v0>v时，∆H为正值，产生正水锤，代表阀门关闭；反之是开启；（2）水锤压力值大小与波速a成正比；（3）水锤压力值的大小与流速变化的绝对值有关。2.直接水锤：当有水库处异号反射回来的水锤波尚未到达阀门之前，阀门已经关闭终止而产生的水锤。3.间接水锤：有水库处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，使阀门处大的水锤升压值小于直接水锤值。4.管道特性系数：ρ=av02gH05.当阀门开度依直线规律变化时，阀门处水锤压力的变化过程有：第一相水锤和末相水锤。6.减小水锤压力措施：（1）缩短压力管道，设置调压室，（2）延长有效地关闭时间，（3）减小压力管道中的流速，（4）改 变调速器调节程序。第十章调压室1.调压室应该满足的要求：尽可能充分反射由压力管道传来的水锤波，以减少压力管道中水锤压力。并使传至引水道中的水锤值控制在合理范围内；应能保证调压室中发生的一切水位波动都具有逐渐衰减的性质，并且衰减得愈快愈好；负荷变化时，引起的波动振幅小，频率低；在正常运行时，水流经过调压室与引水道连接处的水头损失应尽量小。2.调压室的基本布置方式：上游调压室（适用于厂房上游有压引水道比较长的情况）；下游调压室（适用于厂房下游具有较长的有压隧洞）；上、下游双调压室系统（适用于厂房的上下游都有较长的压力水道）；上游双调压室系统（适用于引水道很长，因地质、结构等原因不能满足要求时的厂房）。3.调压室的基本类型：简单圆筒式调压室、阻抗式调压室、氺室式调压室、溢流式调压室、差动式调压室、气垫式或半气垫式调压室。4.水位波动计算的图解法步骤：（1）定出坐标系统，（2）作辅助线作引水道的水头损失曲线，绘制∆v=β(-z-hw)关系曲线，绘制∆z=av-A曲线，（3）图解计算。5.水位波动稳定条件：波动无限小，调速器严格保持出力为常数，电站独自运行，机组效率保持不变，不考虑调压室底部流速水头的影响。第十一章厂房总论1.厂房的任务：满足主、辅设备及其联络的线、缆和管道布置的要求与安装、运行、维修的需要；保证发电质量；为运行人员创造良好的工作环境；以美观的建筑造型协调与美化自然环境。2.厂房的类型：（1）地面式厂房河床式厂房（闸墩式厂房、泄水式厂房）坝后式厂房（坝后式明厂房、坝跺式厂房、溢流式厂房、挑越式厂房）坝内式厂房岸边式厂房（户内式、封闭式和露天式）（2）地下式厂房（3）抽水蓄能电站厂房（4）潮汐电站厂房3.立式水轮发电机结构就其支撑方式可分为：（1）悬式，（2）伞式（普通伞式、半伞式、全伞式）4.厂房的水机辅助设备：（1）油系统（透平油系统、绝缘油系统），（2）压缩空气系统（高压压缩空气系统、低压压缩空气系统），（3）供水系统（技术用水、生活用水、消防用水），（4）排水系统（机组检修排水、厂内渗漏排水）5.起重设备的参数：起重量、跨度、起升高度。6.厂房布置的基本资料：地形资料，工程地质和水位地质资料，水位资料，气象资料，水能规划资料，主机组和机电设备资料，厂房的设计标准及对厂房的特殊要求，建筑材料供应和交通运输情况。7.机墩的形式：圆筒式机墩（抗扭、抗震及抗压性能好，刚度大，一般为少筋混凝土，用钢量省），块式机墩（刚度和抗震性能都很好，但混凝土用量大），环梁立柱式及刚架式机墩（材料用量较省，便于安装检修机组）8.透平油管分压力油管漆红色，排油管漆黄色；输气管漆白色；水管漆浅蓝色。9.厂房结构的组成：屋盖结构，吊车梁，排架柱或壁柱，发电机层和装配场楼板，围护结构，发电机机墩，蜗壳和水轮机座环，尾水管，基础。