输水建筑物选型与布置

-----------+ 项目概述 +-----------

要求：

明确引水建筑物的功用与设计要求；理解渠道的分类、作用；明确动力渠道的类型、适用条件及特点；了解渠线选择原则,渠道断面形式及护面类型；明确压力前池的作用、组成及其布置形式；掌握前池各组成部分的构造及设计要求；掌握前池特征水位、高程确定；了解前池结构设计原则；明确调压室的作用、要求及设置条件、基本布置方式；掌握调压室的基本类型及其特点、适用条件；掌握压力管道的作用、特点、分类；了解压力水管的结构型式与适用条件；理解压力水管线路选择原则；掌握压力水管布置方式；掌握明钢管水力计算、以及经济直径确定方法； 掌握管身构造及附件组成；了解岔管的作用、特点及结构形式；掌握压力水管镇、支墩的作用、结构形式，了解其布置要求；

重点：

动力渠道的作用、类型与路线选择原则；压力前池的作用、构成及其尺寸拟定；调压室的作用、布置形式和基本结构类型；压力管道的工作特点、类型及布置方式，露天钢管及其支撑结构的构造。

主要内容：

1．水电站引水道的功用是集中落差，形成水头，输送水流。引水道分无压引水道和有压引水道两类。无压引水道常用的是渠道或无压隧洞，适用于无压引水电站。

2．动力渠道根据其水力特性，又分为自动调节渠道和非自动调节渠道。进行渠线选择时，应尽量选在地质较好的地段，且渠线尽可能高，短而直。

3．压力前池是水电站的平水建筑物，其主要作用是平稳水压、平衡水量， 拦阻杂物与排除泥沙，保证下游供水。压力前池由扩散段、池身、压力墙式进水口，有时还有溢流堰和排沙设备等。压力前池布置应注意稳定和渗漏问题。

4．调压室是位于有压引水道和压力水管之间的平水建筑物，其主要作用是反射水击波，平稳水头。调压室可以布置在厂房的上游、下游或上下游均布置。根据其水力条件和结构型式不同，可分为简单圆筒式、阻抗式、双室式、溢流式、差动式、气压式或半气压式调压室6种。

5．压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管。主要特点是：坡度陡，内水压力大， 靠近厂房。 按布置方式分：明管 (无压引水式电站)、 地下埋管(有压引水电站)、混凝土坝身埋管 (凝土重力坝及重力拱坝)；按材料分钢管(大中型水电站)、钢筋混凝土管(小型电站)、钢衬钢筋混凝土结构。 中高水头电站一般采用焊接钢管，低水头电站有时可采用钢筋混凝土管。

6．压力管道的线路选择原则、供水方式和管径确定。 压力管道的供水方式有单元供水、联合供水、分组供水；应根据电站的不同情况，结合电站的开发方式、水头、流量及管道的长短、地形、地质条件确定压力管道的供水方式和引进方式。

7．明钢管的敷设方式和支承方式。 为了减小温度应力，明钢管的敷设方式通常采用分段式。

一、引水建筑物的功用与设计要求

1、引水建筑物的功用

引水道的功用是集中落差，形成水头，将水流输送到水电站厂房，然后将发电后的水流(称为尾水)排到原河道。引水道分为无压引水道和有压引水道两类。 无压引水道的特点是具有自由水面，引水道承受的水压不大，适用于无压引水式水电站，河道或水库的水位变化不大。在结构型式上，无压引水道最常用的是渠道和无压隧洞。渠道常沿山坡等高线布置，受地形及地质条件制约，其长度和开挖工程量较大，且运行期要经常维护、修理，但由于在地表面施工，因而比较方便，中小型电站常采用渠道引水。某些特殊情况下，如崎岖的山坡等，可能无法沿着不规则的等高线布置引水道，则对较深的峡谷可采用渡槽越过，对较浅的峡谷用倒虹吸穿越，对山岭用无压隧洞穿过。

有压引水道的特点是引水道内为压力流，承受的水压力较大，适用于有压引水式水电站，河道或水库水位变幅较大。 有压隧洞是最常用的结构型式，它可以利用岩体承受内水压力和防止渗漏。在很特殊的情况下，有压引水道可采用压力管道。

2、进水建筑物设计要求

(1)有足够的输水能力。当电站负荷发生变化时，机组的引用流量也随之变化。一般按水电站的最大引用流量Qmax设计。

(2)水质要符合要求。防止有害污物和泥沙进入引水建筑物，尤其是对渠道进口、沿线及渠末都要采取拦污、防沙、排沙措施。

(3)运行安全可靠。应尽可能减少输水过程中的水量和水头损失，因此引水建筑物要有防冲、防淤、防渗漏、防草、防凌等功能。

(4)要选择合理经济的引水建筑物，并便于施工和运行。

-----------+ 任务一：输水道方案选择 +-----------

、引水渠道的类型及水力特性

水电站的无压引水渠道又称为动力渠道。根据其水力特性，可分为自动调节渠道和非自动调节渠道。

1、自动调节渠道

渠顶高程沿渠道全长不变，而且高出渠内可能的最高水位，渠道断面向下游逐渐加大，渠末压力前池处不设泄水建筑物，如图3-1所示。当水电站的引用流量为零时，渠末水位与渠首水位齐平，渠道不会发生漫流和弃水现象；当水电站引用流量等于设计流量时，水流为恒定流，水面线平行与渠底；当水电站引用流量小于渠道设计流量时，渠道内出现雍水曲线；当水电站引用流量大于渠道设计流量时，渠道内为降水曲

线。

这种渠道在最高水位和最低之间有一定的容积，从而在一定程度上起到了自动调节的作用，为电站适应负荷变化创造了条件，但工程量较大。

图3-1 自动调节渠道

2、非自动调节渠道

渠顶大致平行渠底，渠道的深度沿途不变，在渠道末端的压力前池中设泄水建筑物(溢流堰)如图3-2所示。当水电站的引用流量等于渠道设计流量时，水流处于均匀流状态，水面线平行渠底，渠内为正常水深，压力前池水位低于堰顶；当电站引用流量小于渠道设计流量时，水面线为雍水曲线，水位超过堰顶，开始溢流；当水电站引用流量为零时，通过渠道的全部流量泄向下游。

这种渠道的优点是：渠顶能随地形而变化，当渠道较长，底坡较陡时，工程量比较小。溢流堰可限制渠末的水位,保证向下游供水。其缺点是若下游无用水要求而进口闸门又不能及时关闭时，则造成大量无益弃水。

图3-2 非自动调节渠道

二、引水渠道路线选择

渠线选择是根据确定的引水高程和水电站厂房位置进行的，在选择时主要考虑沿线的地质和地形条件。一般应选择在岩体稳定性较好、渗透性和风化较弱的区域。在满足集中落差的前提下，应做到以下几点：

(1)渠线尽量短而直,以减小水头损失,降低造价；

(2)渠线尽可能高,以获得较大的落差；

(3)渠线应选择在地质较好的地段,避免与现有建筑物干扰。

在下列情况下不宜选择无压引水渠道方案：

(1) 山坡不稳定时；

(2) 山坡过陡；

(3) 渠道以上的山坡有不稳定的山体，或常有石块滚落下来；

(4) 有可能发生雪崩的部位；

(5) 气候严寒，冰冻期较长，渠中水流有冰冻的可能。

在遇到这些问题时，可采用相应的工程措施，如将渠道局部封闭等。

三、引水渠道的断面型式和尺寸

引水渠道一般在山坡上采用挖方、回填或半挖半填的方式修建，其断面形状也多种多样，如梯形、矩形等，以梯形最为常见。渠道边坡坡度取决于地质条件及衬砌的情况。在岩基上多采用窄深式矩形断面，土基上一般采用梯形断面。在选择断面型式时，应尽力满足水力最佳断面，同时要考虑施工、技术方面的要求，确定合理实用断面。

决定断面尺寸，首先要满足防冲、防淤、防草等技术条件，拟定几个可能的方案，经过动能经济比较，选出最优方案。经过动能经济计算后，得到的渠道断面Fe称为经济断面。

工程实践表明，渠道的经济流速Ve大致为1.5～2.0m/s，则Fe=Qmax/Ve,粗略估算渠道尺寸时可做为参考。

-----------+ 任务二：压力前池选型与布置 +-----------

引水渠道的末端，将渠底加深，渠道断面尺寸扩大，形成一水池，以便平稳水流和布置压力管道的进水口，这一水池就称为压力前池。它是水电站无压引水建筑物与压力管道的连接建筑物。

一、压力前池的作用

(1) 平稳水压、平衡水量。当机组负荷发生变化时，引用流量的改变使渠道中的水位产生波动，由于前池有较大的容积，就可减少渠道水位波动的振幅，稳定发电水头；另外还可起到暂时补充不足水量和容纳多余水量的作用，适应水轮机流量的改变。

(2) 均匀分配流量。从渠道中引来的水经过压力前池能够均匀地分配给各压力管道，管道进口设有控制闸门。

(3) 渲泄多余水量。当电站停机时，向下游供水。

(4) 再次拦截污物和泥沙。前池设有拦污栅、拦沙、排沙及防凌等设施，防止渠道中漂浮物、冰凌、有害泥沙进入压力管道，保证水轮机正常运行。

二、压力前池的组成建筑物

(1) 前室(池身及扩散段)。前室是渠末和压力管道进水室间的连接段，由扩散段和池身组成。扩散段保证水流平顺地进入前池，减少水头损失。池身的宽度和深度受高压管道进口的数量和尺寸控制，以满足进水室的要求。

(2) 进水室及其设备。指压力管道进水口前扩大和加深部分，通常采用压力墙式进水口。进口处设闸门及其控制设备、拦污栅、通气孔等设施。

(3) 溢水建筑物。当水电站以较小的流量工作或停机时，多余的水量由溢水建筑物泄走，防止前池水位漫过堤顶，并保证向下游供水。溢水建筑物一般包括溢流堰、陡槽和消能设施。溢流堰应紧靠前池布置，其型式可分为正堰和侧堰两种，堰顶一般不设闸门，水位超过堰顶，前池内的水就自动溢流。

(4) 放水和冲沙设备。从引水渠道带来的泥沙将沉积在前室底部，因此在前室的最低处应设冲沙道，并在其末端设有控制闸门，以便定期将泥沙排至下游。冲沙道可布置在前室的一侧或在进水室底板下作成廊道。冲沙孔的尺寸一般不小于1m2，廊道的高度不小于0.6m，冲沙流速通常为2~3m/s。冲沙孔有时兼做前池的放水孔，当前池检修时用来放空存水。

(5) 拦冰和排冰设备。排冰道只有在北方严寒地区才设置，排冰道的底板应在前池正常水位以下，并用叠梁门进行控制。

图3-3 某水电站压力前池布置图

三、压力前池的位置选择与布置

1、位置选择

压力前池的布置与引水道线路、压力管道、电站厂房及本身的溢水建筑物等有密切联系。因此应根据地形、地质和运行条件，结合整个引水系统及厂房布置进行全面和综合的考虑。

(1) 前池的整体布置应使水流平顺、水头损失最少，以提高水电站的出力和电能。布置能使渠道中心线与前池中心线平行或接近平行。前室断面逐渐扩大，平面扩散角β不宜大于10°。前池底部坡降的扩散角也不大于10°。

(2) 前池应尽可能靠近厂房，以缩短压力管道的长度。前池中水流应均匀地向各条压力管道供水，使水流平顺，无漩涡发生。运行方面应力求清污、维护、管理方便，同时应使泄水与厂房尾水不发生干扰。

(3) 前池应建在天然地基的挖方中，不应设置在填方或不稳定地基上，以防由于山体滑坡和不均匀沉陷导致前池及厂房建筑物的破坏。

2、布置方式

图3-4 压力前池布置图 图3-5 压力前池平面布置图 1-渠道；2-压力前池；3-压力水管；4-厂房 1-引水渠；2-前室；3-进水室；

4-溢流堰；5-压力水管

（1）直线布置，见图3-4（a）。渠道、压力前池、压力水管轴线相一致，水流平顺]水量分配均匀，水头损失小，但这种方式溢流较困难，挖方量大，只能在地形条件许可或渠道跌水式电站中采用。

（2）直角布置，见图3-4（c）。渠线与压力水管轴线成直角，这样可适应地形条件，使渠线与等高线平行，压力水管与等高线垂直，减小开挖量，溢流堰可做成正堰，有利于排水、排冰、排污，且泄水道远离厂房，不影响厂房安全。但此时前池中的水流偏向一侧，易形成旋涡，水头损失大，水量分配不均匀，转角处易形成死水区，泥沙易淤积，排沙困难。

（3）曲线布置，见图3-4（b）。渠线与压力水管轴线成一定角度斜交。这种布置在实际工程中较常见，能适应地形地质条件，水流、开挖、排沙、排水、排冰等条件都介于前面两者之间。

四、压力前池构造和尺寸拟定

（一）前室

前室是引水渠道末端与进水室之间的扩大加深部分，见图3-3，其主要作用是将渠道断面过渡至进水室需要的宽度和深度。前室在平面上以β=100~150的扩散角逐渐增加。若β过大，则水流因扩散过快而在两侧形成旋涡；若过小，则将增大长度而使造价增加。当渠道较窄而前池较宽时，为了减小池身的长度而不过分加大扩散角度，应在前室进口设置分流墩（见图3-6）。前室的宽度B约为进水室宽度的1.0~1.5倍 ，长度L为(2.5~3.0)B 。

当渠线与管轴线不一致时，为防止出现死水区，应在前室前加设导流墙，见图3-6（b）。为便于沉沙、排沙、防止有害杂质进入进水室，前室末端底板高程

应低于进水室底板高程0.5m以上。

图3-6 分流墩与导流墙

(二)进水室

进水室是压力前池最主要的组成部分，前接压力前池，后接压力水管进口的压力墙。当布置有两根以上的压力水管时，应以隔墩分成若干独立的进水室，每一进水室都设置拦污栅、检修闸门、工作闸门、通气孔、旁通管、工作桥和启闭设备等，见图3-7。

1、进水室中特征水位的确定

（1）进水室正常水位

取引水道通过电站最大引用流量时的渠末正常水位 减去各种水头损失： Z进=Zc-(△h进+△h门槽+△h栅+......) （3-1）

（2）进水室最高水位

对于自动调节渠道，进水室最高水位与渠首最高水位相同；

对于非自动调节渠道，进水室最高水位等于溢流堰顶高程加上最大溢流水深，即：

Zmax=Z堰顶+Hmax （3-2）

（3）进水室最低水位

进水室最低水位取以下两者中的较低者：

a、枯水期渠道来流量为水电站最小引用流量时渠末水深；

b、水轮机突增负荷，池中水位突降时刻。

图3-7 压力前池构造与尺寸

1-溢流堰；2-检修闸门；3-拦污栅；4-工作闸门；5-通气孔；6-工作桥；

7-压力墙；8-压力水管进口；9-压力水管；10-支墩；11-旁通管

2、进水室各部分高程的确定

（1）压力管道顶部高程

▽管顶=Zmin-d0 （3-3）

式中：d0 ——闸门孔口净高，m；

（2）进水室底板高程

▽进底=Zmin-d0-D/cos α （3-4）

其中，α为压力管道轴线与水平线的倾角。

（3）压力前池围墙顶部高程

▽墙顶=Zmax+δ （3-5）

其中，δ为安全超高，可查表求得。

3、进水室尺寸拟定

（1）进水室宽度 ，与压力水管直径、根数及水电站的最大引用流量有关。对

一独立的进水室宽度有：

b≥ Qmax/v进h进n （3-6）

式中：v进——拦污栅的允许过栅流速，一般不超过1.0~1.2m/s； h进——进水室入口水深；

n——进水室个数，与压力水管根数相同。

若压力水管根数为n，隔墩厚度为d，则进水室总宽度：

B进=nb进+(n-1)d （3-7）

（2）进水室长度

进水室长度取决于拦污栅、检修闸门、工作闸门、通气孔等的布置需要，对于小型电站，常取3~5m 。

（三）压力墙

压力墙是进水室末端的挡墙，也是压力水管进口的闸墙，一般用混凝土或浆砌石筑成。

（四）泄水道

泄水道通常设于渠末或前池的边墙上，有溢流堰和虹吸管两种型式。溢流堰的布置可为正堰或侧堰，下游布置泄水陡槽和消能设施，断面形状一般为流线型的实用堰，当前室最高水位确定后，所需溢流堰长度为：

3/2 L= Qmax/Mha （3-8）

式中：ha——堰顶允许最大溢流深度；

M ——溢流堰流量系数。

（五）冲沙道和排冰道

在前室的最低处设置冲沙道，其进口方向可与管道进口方向相同。排冰道用来排除进入压力前池的冰凌，其底槛应位于前室正常水位以下。排冰道对见于北方电站中。

五、压力前池的主要设备

压力前池的主要设备有拦污栅、检修闸门、工作闸门、通气孔、旁通管、启闭设备和清污机等。

1、拦污栅

拦污栅构造、作用等与潜没式进水口拦污栅相同。

2、检修闸门和工作闸门

检修闸门位于工作闸门之前，拦污栅之前或之后，供检修拦污栅、工作闸门和进水室时堵水之用，一般为叠梁门或平板门。

工作闸门是当压力水管、水轮机阀门或机组发生事故或检修时，用来关闭压力水管进口。另外,当电站长时间停机时,为了防止水轮机阀门漏水,常需关闭工作闸门。一般为平面定轮闸门。

3、通气孔和旁通管

通气孔布置在紧靠工作闸门的下游面，起充气和排气的作用。

旁通管布置在进水室边墙和隔墩内，用闸阀控制，可以是铸铁管、钢管或钢筋混凝土管。

4、启闭机

拦污栅和检修闸门可用移动式启闭机，工作闸门应每个进水室固定一台。要设置工作桥和启闭机排架。

六、压力前池结构设计原则

1、压力墙承受自重、顶部设备重和上游水荷载，应在上游为进水室最高水位条件下，按挡水坝进行强度和稳定计算。

2、边墙承受自重、设备重、水压力和土压力等荷载，应按挡土墙设计；溢流

堰段则按溢流重力坝设计。

3、工作桥和启闭机架，一般为钢筋混凝土板梁和框架结构，承受自重、设备重、启闭力、风荷载和活荷载，应按框架和板梁设计。

4、进水室底板构造和受力情况与水闸底板相似。当采用钢筋混凝土结构时，按弹性地基上的板设计；采用素混凝土或浆砌石时，板厚直接取0.5~1.0m。

5、压力前池的整体稳定需进行核算。土基上，应验算压力前池整体可能沿地基表面或连同部分土体沿某一滑弧面滑动的稳定条件；岩基上，应验算压力前池沿地基表面或连同部分岩体沿某一节理面滑动时的稳定条件。

-----------+ 任务三：调压室选型与布置 +-----------

一、调压室功用、要求及设置条件

（一）调压室的功用

在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水击压力，满足机组调节保证计算的要求，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。这样，从水库到调压室为纵向坡度较缓的压力隧洞，其内压力较低，而从调压室到厂房为坡度较陡的高压管道。有时如果尾水隧洞的长度较大，也可设置尾水调压室。

调压室利用扩大断面和自由水面反射水击波，它将有压引水系统分成两段：上游段为压力引水道，下游段为压力管道。调压室的功用可归纳为以下几点：

(1) 反射水击波。基本上避免(或减小)了压力管道传来的水击波进入压力引水道；

(2) 缩短了压力管道的长度，从而减小了压力管道及厂房过水部分的水击压力；

(3) 改善机组在负荷变化时的运行条件；

(4) 由于从水库到调压室之间引水道的水压力较低，从而降低了其设计标准，节省了建设经费。

（二）调压室的基本要求

根据其功用，调压室应满足以下基本要求：

(1) 调压室应尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度；

(2) 调压室内水体应有自由表面和足够的底面积，以保证水击波的充分反射；

(3) 调压室的工作必须是稳定的。在负荷变化时，引水道及调压室水体的波动振幅小并迅速衰减，达到新的稳定状态；

(4) 正常运行时，水流经过调压室底部造成的水头损失要小。为此调压室底部和压力管道连接处应具有较小的断面积；

(5) 结构安全可靠，施工简单方便，造价经济合理。

（三）调压室的设置条件

调压室是改善有压引水系统和水电站运行条件的一种可靠措施。但调压室一般尺寸较大，投资较高，工期长，特别是对于低水头电站，调压室在整个引水系统造价中可能占相当大的比例。因此是否设置调压室，应在机组过流系统调节保证计算和机组运行条件分析的基础上，考虑水电站在电力系统中的作用、地形及地质条件、压力管道的布置等因素，进行技术经济比较后加以确定。

1、上游调压室的设置条件

初步分析时，可用水流加速时间(也可称为压力引水道的水流惯性时间常数)Tw来判断，设置上游调压室的条件：

(3-9)

式中：Li——引水道(包括蜗壳和尾水管)各段长度，m；

Vi——上述各段引水道的流速，m/s；

Hp——水轮机设计水头，m；

[Tw]——Tw的允许值，一般取2~4s。

Tw的物理意义：在水头Hp作用下，不计水头损失时，管道内水流速度从0增大到V所需的时间。

显然，Tw越大，水击压力的相对值也越大，对机组调节过程的影响也越大。另外

[Tw]的取值与电站出力在电力系统中占的比重有关。我国的调压室设计规范规定：

(1) 水电站单独运行或其容量在电力系统中所占的比重超过50%时，[Tw]取较小值。

(3) 电力系统中所占比重小于10%~20%时，[Tw]取大值。

2、下游调压室的设置条件

机组下游尾水调压室的功用是缩短尾水道的长度，减小甩负荷时尾水管中的真空度，防止水柱分离。下游调压室的设置条件是以尾水管内不产生液柱分离为前提，判别条件为：

(3-10)

式中：Lw——压力尾水道的长度，m；

Ts——水轮机导叶关闭时间，s；

Vw0——稳定运行时尾水管的流速，m/s；

Vwj——尾水管入口处的流速，m/s；

Hs——吸出高度，m；

▽——机组安装高程，m。

最终通过调节保证计算，当机组丢弃全部负荷时，尾水管内的最大真空度不宜大于8m水柱。但在高海拔地区应作高程修正。

二、调压室的基本布置方式

根据调压室与厂房相对位置不同，调压室的布置有四种基本方式：

(1) 上游调压室(引水调压室)

调压室位于厂房上游的引水道上，如图3-8(a)所示，这种布置方式适用于厂房上游有较长的有压引水道的情况，应用也最广泛。

(2) 下游调压室(尾水调压室)

当厂房下游尾水隧洞较长时，需设置尾水调压室以减小水击压力，特别是防止在丢弃负荷时产生过大的负水击。尾水调压室应尽可能靠近水轮机，如图3-8(b)所示。 尾水调压室水位变化过程与上游调压室相似，但变化方向相反。当丢弃负荷时，水轮机引用流量减小，调压室需向尾水隧洞补充水量，水位先下降，达到最低点后再开始回升。当负荷增加时，尾水调压室的水位先开始上升，达到最高点后再开始下降。

(3)上下游双调压室系统

由于布置上的原因，有些地下厂房的上下游都有较长的压力水道，为减小水击压力，改善机组运行条件，在厂房的上下游均设置调压室而成为双调压室系统，如图3-8(c)所示。

丢弃全部负荷时，上、下游调压室的工作互不影响，可分别求出最高和最低水位。增加负荷或丢弃部分负荷时，水轮机的流量发生变化，两个调压室的水位都将发生变化，而任一个调压室的水位变化，都将引起水轮机流量新的改变，从而影响到另一个调压室水位的变化，两个调压室的水位变化相互制约和相互诱发，这使整个引水系统的水力现象非常复杂。特别是当引水隧洞和尾水隧洞的特性接近时，可能发生共振，设计时不能只限于推求第一振幅，而应求出波动的全过程，研究波动的衰减情况。

图3-8 调压室布置方式

（a）上游调压室；（b）下游调压室；（c）上下游调压室；（d）上游双调压室

(4) 上游双调压室系统

当上游引水道较长，也有设置两个调压室，如图3-8(d)所示。靠近厂房的调压室对于反射水击波起主导作用，称为主调压室；靠近上游的调压室用来帮助衰减引水系统的波动，降低主调压室的高度，称为辅助调压室。辅助调压室愈接近主调压室所起的作用越大，愈向上游其作用越小。引水系统水位波动的衰减由两个调压室共同保证，增加一个调压室断面可以减小另一个调压室的断面，但两个调压室的断面之和总是大于只设一个调压室的断面积。如果引水道上有施工竖井可利用，采用双调压室可能是经济的。辅助调压室有时是因为电站扩建或电站运行条件改变，原有调压室容积不够而增设的；有时因结构、地质等原因，用设置辅助调压室以减小主调压室的尺寸。

三、调压室的基本类型

1、简单圆筒式调压室

如图3-9(a)所示。这种调压室的特点是自上而下具有相同的断面，结构简单，反射水击波效果好。但水位波动振幅较大，衰减较慢，因而调压室的容积较大；在正常运行时，引水系统与调压室连接处水力损失较大。为了克服上述缺点，可采用有连接管的圆筒式调压室，如图3-9(b)所示。这种类型一般适用于低水头小流量的水电站。

2、阻抗式调压室

将圆筒式调压室的底部，用较小断面的短管或用较小孔口的隔板与隧洞及压力管道连接起来，这种孔口或隔板相当于局部阻力，即为阻抗式调压室，如图3-9(c)、

(d)所示。进出调压室的水流在阻抗孔口处消耗了一部分能量，可以有效地减小水位波动的振幅，加快了衰减速度，因而所需调压室的体积小于圆筒式。正常运行时水头损失小。由于阻抗的存在，水击波不能完全反射，压力引水道中可能受到水击的影响。一般阻抗孔的面积不小于引水道的15%也不大于60%。适用于引水道较短的中、低水头电站。

3、双室式调压室

双室式调压室是由一个竖井和上下两个储水室组成，如图3-9(e)所示。上室供丢弃负荷时储水用，一般在最高净水位以上，在正常运行时是空的。下室在正常运行时充满水，供增加负荷时补给水量用，应在调压室中最低静水位以下。竖井是用来连接上下室和引水道与压力管道的。在恒定流情况下，调压室中的自由水面位于竖井中。刚丢弃负荷时，由于竖井断面较小，水位迅速上升，当水位达到上室时，其上升的速度放慢，从而减小波动振幅。当增加负荷时，水位迅速下降到下室中，并由下室补充不足的水量，因此限制了水位的下降。这种调压室适用于水头较高、要求的稳定断面较小、水库水位变化较大的水电站。

4、溢流式调压室

溢流式调压室顶部设有溢流堰，如图3-9(f)、(g)所示。当丢弃负荷时，调压室的水位迅速上升，达到溢流堰顶后开始溢流，限制了水位的进一步升高，有利于机组的稳定运行，溢出的水量，可以设上室加以储存，也可排至下游。

5、差动式调压室

由两个直径不同的同心圆筒组成，中间的圆筒直径较小，上有溢流口，称为升管，其底部以阻力孔口与外筒相通，外筒又称为外室，如图3-9(h)。丢弃负荷时，升管内的水位首先迅速升高，到达溢流堰口时开始溢出到外室。当升管内的水位降低到低于外室水位时，外室内的水通过底部的阻抗孔口回流，这样可以减小外室水位的波动幅度。在波动过程中，由于升管与外室大井之间常存在水位差，所以称为差动式。但在正常运行时，二者的水位是相同的。外室断面由波动稳定条件控制。差动式调压室所需容积较小，水位波动衰减得也较快。

此种调压室兼顾了阻抗式调压室和溢流式调压室的优点，但其构造复杂，施工难度大，造价高。适用于地形和地质条件不允许设置大断面的中高水头水电站。

图3-9 调压室的结构型式

6、气压式或半气压式调压室

如图3-9(i)所示，在压力隧洞上靠近厂房的位置建造一个大洞室，室中一部分充水，另一部分充满高压空气。利用调压室中的空气压缩或膨胀，来减小水位涨落的幅度。这种形式的调压室可以靠近厂房布置，从而大大减小水击压力，反射水击波比较充分，但水位波动稳定条件较差，需要较大的调压室断面，还需配置压缩空气机，定期补气增加运行费用。适用于深埋于地下的引水道式地下水电站。目前我国尚未采用。

-----------+ 任务四：高压管道选型与布置 +-----------

一、压力管道的功用和特点

压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管，一般为有压状态。其特点是集中了水电站大部分或全部的水头，另外坡度较陡，内水压力大，还承受动水压力的冲击(水锤压力)，且靠近厂房，一旦破坏会严重威胁厂房的安全。所以压力管道具有特殊的重要性，对其材料、设计方法和加工工艺等都有特殊要求。

压力管道的主要荷载为内水压力，管道的内直径D(m)和其承受的水头H(m)及其乘积HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。目前最大直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。HD值最高的常见于抽水蓄能电站，已超过5000m2。

二、压力水管的结构型式和适用条件

压力管道可按照布置型式和所用的材料分类。

（一）坝体压力管道

1、坝内埋管：压力管道埋设在坝体内部，常采用钢管。

（1）斜式，见图3-10

进水口高程较高，上部管道内水压力小，管轴线平行于大坝主应力线，减少钢管周围钢筋用量，进口闸门及启闭设备造价较低，但弯道较多，用钢量较大，多适用于坝后式电站。

（2）平式，见图3-11

进水口高程较低，进口闸门承受较大水头，结构复杂，管道内水压力较大，但管线短而直，水头损失和水击压力小。适用于薄拱坝、支墩坝和较低的重力坝坝后式电站。

图3-10 斜式坝体压力管道 图3-11 平式坝体压力管道

（3）竖井式，见图3-12

进水口与厂房水平距离近而垂直高差大时采用。管道短，但弯管弯曲半径小，水头损失大，管道孔洞对坝体应力影响大。适用于坝内式和地下厂房电站。

图3-12 竖井式坝体压力管道

2、坝后背管

钢管穿过上部坝体后布置在下游坝坡上，见图3-13。此时，管道较长，管壁要承受全部内水压力，壁厚，用钢量多。多用于宽缝重力坝、薄拱坝、支墩坝。

图3-13 坝后背管

（二）地面压力管道

沿山坡脊线敷设的露天地面压力管道，又称为明管。

1、钢管

强度高，抗渗性能好，广泛适用于中高水头的水电站和坝后式电站。钢管所使用的钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等因素参照设计规范选定。

2、钢筋混凝土管

钢筋混凝土管造价低、刚度较大、经久耐用，通常用于内压不高的中小型水电站。除了普通的钢筋混凝土管外，还有预应力和自应力钢筋混凝土管、钢丝网水泥管和预应力钢丝网水泥管等。普通钢筋混凝土管适用于HD

3、钢衬钢筋混凝土管

钢衬钢筋混凝土管是在钢筋混凝土管内衬钢板。在内水压力作用下，刚衬与钢筋混凝土联合受力，从而可以减小钢板的厚度，适用于HD较高的情况。由于钢衬可以防渗，外包的钢筋混凝土允许开裂，有利于充分发挥钢筋的作用。

（三）地下压力管道

将压力管道布置在地面以下，有回填管(多用于尾矿坝排水管)、地下埋管、木管、铸铁管等。在地面开挖沟槽，压力水管敷设在沟槽内，然后回填土石，这叫回填管。将压力管道埋入岩体中，这叫地下埋管。

三、压力管道线路选择

压力管道的线路选择应结合引水系统中其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房的布置统一考虑，选择在地形和地质条件优越的地段。明钢管线路选择的一般原则为：

(1) 管道路线应尽可能短而直，以降低造价，减少水头损失，降低水锤压力，改善机组运行条件。因此，地面压力管道一般敷设在陡峻的山脊上。

(2) 选择良好的地质条件。要求山体稳定、地下水位低，避开山崩、雪崩、沉陷量很大的地区、洪水集中的地区、村镇居民区和交通道路等。如果无法满足要求，要有切实可行的防护措施，若不能避开村镇居民区，要考虑工程对环境的影响。

(3) 尽量减小管道线路的上下起伏和波折，避免出现负压；如果需要在平面上转弯时，转弯半径可采用2~3倍管道直径D；尽量避免与其它管道或交通道路交叉，若不可避免，应设桥、涵来互相隔离。

(4) 水头高、线路长的管线，要满足钢管运输安装和运行管理、维修等交通要求。 此外，为了避免钢管一旦发生意外事故时，危机电站设备和人身安全，需要设置事故排水和和防冲工程设施。沿管线一般要设置交通道路，并有照明设施。根据工程具体情况，可在交通道路沿线设置休息平台、扶手栏杆、越过钢管的爬梯或管底通道等。 对于地下埋管，其线路也应选择在地质和地形条件优越的地区，岩石要尽量坚固、完整，要有足够的上覆岩石厚度，以利用围岩承担内水压力。埋管轴线要尽量与岩层构造面垂直，并避开活动断层、滑坡、地下水压力和壅水量很大的地带，以避免钢衬在外水压力作用下失稳，同时应注意施工的便利。进水口应选择在相对优良的地段。如果选用多根管道，相邻管道间的岩体要满足施工期和运行期的稳定和强度要求。

四、压力水管的布置型式

（一）供水方式

压力管道向多台机组供水的方式有三种，即单元供水、联合供水、分组供水。

1、单元供水(单管单机)

每台机组都有一条压力管道供水，如图3-14(a)，不设下阀门。其特点是：结构简单(无岔管)，工作可靠，灵活性好，当某根管道检修或发生事故时，只影响一台机组工作，其它机组照常工作。另外，单元供水的管道易于制作，无岔管，但管道在平面上所占尺寸大，造价高。适用于单机流量大或长度短的地下埋管或明管，混凝土坝身管道也常用这种供水方式。

2、联合供水(一管多机)

一根主管向多台机组供水，在厂房前分岔，在进入机组前的每根支管上设快速阀门，如图3-14(b)。其特点是单管规模大，分岔管多，容易布置，但造价较低，此外一旦主管道检修或发生事故，需全厂停机。适用于单机流量小、机组少、引水管道较长的引水式水电站。地下埋管中开挖距离相近的几根管井多有一定困难，所以常采用这种方式。

3、分组供水(多管多机)

设多根主管，每根主管向数台机组供水，在进入机组前的每根支管上设快速阀门，如图3-14(c)。其特点介于上面两种供水方式之间。适用于压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的地下埋管和明管。

图3-14压力水管的供水方式

(a) 单元供水 (b) 联合供水 (c) 分组供水

o—有时可以不设的阀门； ×—必须设置的阀门或闸门

（二）引进方式

管道与主厂房的关系主要取决于整个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，常采用的明钢管引近厂房的方式有三种：

1、正向引近。如图3-15(a)和(b)，管道的轴线与电站厂房的纵轴线垂直。其工作特点是水流平顺，水头损失小，开挖量小，交通方便，但钢管发生事故时直接危及厂房安全。适用于中、低水头电站。

图3-15 压力水管引近厂房的方式

(a)、(b) 正向引进 (c)、(d) 纵向引进 (e) 斜向引进

2、纵向引近：如图3-15(c)和(d)，管道的轴线与电站厂房的纵轴线平行。其工作特点是一旦钢管破裂时可以避免水流直冲厂房，但水流条件不太好，增加了水头损失，且开挖工程量较大。适用于高、中水头电站。

3、斜向引近。如图3-15(e)，其管道的轴线与电站厂房的纵轴线斜交。其工作特点介于上述两种布置方式之间，常用于分组供水和联合供水的水电站。

五、压力管道直径的选择

压力管道直径的确定是压力管道的主要设计内容之一。管道的直径越小，管道的用材和造价越低，但管道中的流速也就越高，水头损失和发电量损失也越大。因此，管道直径的确定不仅是一个技术问题，还是一个经济问题，应通过技术经济比较确定。目前国内外计算压力钢管经济直径的理论公式和经验公式很多，但其基本原理和基本方法都相似。

实际设计中，由于有些因素(如施工工艺和技术水平等)无法在计算公式中考虑，所以

按照公式计算的结果一般作为参考。通常可以根据已有工程经验和计算公式确定几种直径，再分别进行造价和电量计算，再考虑技术方面的因素后，选择最优直径。 在可行性研究和初步设计阶段，也可以用下面的经验公式法或经济流速方法确定压力钢管的直径。

(1) 经验公式法

(3-11)

3 式中：Qmax——压力管道设计流量，m/s；

H——设计水头(包括水锤压力)，m。

(2) 经济流速法

压力管道的经济流速一般为4~6m/s，最大不超过7m/s。选定经济流速Ve后，根据水管引用流量Q用下面的公式确定管道直径：

(3-12)

六、明钢管的构造

（一）接缝与接头

钢管按管身构造可分为以下几种：

(1) 无缝钢管。其直径较小，适用于高水头小流量的情况。

(2) 焊接钢管。适用于较大直径的情况。焊接钢管由弯成圆弧形的钢板焊接而成，焊缝结构如图3-16所示，一般相邻两节管道的纵缝应错开一定角度，以避免焊缝薄弱点在同一直线上。

(3) 箍管。当HD>1 000m2时，钢板厚度一般会超过40mm，其加工比较困难，因而在这种情况下常采用箍管。箍管是在焊接管或无缝钢管外套以无缝的钢环(钢箍，称为加劲环)，从而使管壁和钢箍共同承受内水压力，以减小管壁钢板的厚度。由于箍管加工复杂，故仅用于水头极高的水电站。

图3-16 焊缝布置图 图3-17 弯管示意图

（二）弯管和渐缩管

明钢管随地形布置，经常会出现改变方向的情况，需要装置弯管，见图3-17、3-18。每一折线段两端径向线不宜超过10°，夹角越小，水流条件越好，弯管的曲率半径不宜小于3倍管径。

不同直径钢管段连接时，需设置渐缩管。

图3-18弯管及弯管生产机械

（三）加劲环

当薄壁钢管不能抵抗外压和满足不了运输或安装要求时，单纯增加管壁厚度来满足刚度要求不经济，因此要加设加劲环，见图3-19。

图3-19 加劲环

（四）分岔管

当采用联合供水或分组供水时，需设置分岔管，将总管水流分配给各支管。当钢管正向进水时，采用对称分岔；当钢管为侧向和斜向进水时，多采用非对称分岔，见图3-20。

图3-20 分岔管

（a）、（c）对称分岔；（b）、（d）非对称分岔

七、明钢管的阀门和附件

(一) 阀门

压力水管的进、出口处都要设置控制阀门，以便在压力管道发生事故或检修时用以切断水流，且对分组供水和联合供水的压力水管，也可提高它的运行灵活性。设在进口处的通常采用平板闸门，因为平板闸门价格便宜，构造简单，便于制造。对于上游有压力前池或调压室的明管，为了在发生事故时紧急关闭和检修放空水管的需要，

在钢管进口处一般也要设置闸门，闸门装在压力前池或调压室内。

阀门一般设置在紧靠压力管道末端，即水轮机蜗壳进口处的钢管上。在分组供水和联合供水时，为避免一台机组检修影响其他机组的正常运行，或在调速器、导水叶发生故障时紧急切断水流，防止机组产生飞逸，在每台机组前都应设置阀门，通常称为下阀门。坝内埋管长度较小，只须在进口处设置闸门，不设下阀门。有时虽是单独供水，但水头较高、容量较大时也要设下阀门。水电站压力水管的阀门常见的有三种。

(1) 闸阀。闸阀由框架和板面构成，阀体在门槽中的滑动方式与一般的平板闸门相似，如图3－21所示。闸阀一般用电动或液压操作。这种阀门止水严密，运行可靠，但需要很大的启闭力，动作缓慢，易产生汽蚀，用于直径较小的水管。

图3-21 闸阀 图3-22闸阀实物图

(2) 蝴蝶阀。如图3－23、3-24所示，蝴蝶阀由阀壳和阀体组成。阀壳为一短圆筒，阀体形似圆盘，在阀壳内绕水平或垂直轴旋转。阀门关闭时，阀体平面与水流方向垂直；开启时，阀体平面与水流方向一致。蝴蝶阀的操作有电动和液压两种，前者用于小型，后者用于大型。这种阀门启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价较低；但在开启状态时由于阀门板对水流的扰动，造成附加水头损失和阀门内汽蚀现象；在关闭状态时，止水不严密，不能部分开启。适用于大直径、水头不很高的情况。

目前蝴蝶阀应用最广，最大直径可达8m以上，最大水头达200m。蝴蝶阀可在动水中关闭，但必须用旁通管平压后在静水中开启。

图3-23 蝴蝶阀 图3-24蝶阀实物图

(3) 球阀。球阀由球形外壳、可旋转的圆筒形阀体及其他附件组成，如图3-25、3-26所示。阀体圆筒的轴线与水管轴线一致时，阀门处于开启状态，若将阀体旋转90o，使圆筒一侧的球面封板挡住水流通路，则阀门处于关闭状态。

球阀的优点是在开启状态时实际上没有水头损失，止水严密，结构上能承受高压；缺点是尺寸和重量大，造价高。适于作高水头电站的水轮机前阀门。球阀是在动水中关闭，但需要用旁通阀平压后在静水中开启。

图3-25 球阀 图3-26 球阀实物图

(a) 关闭状态 (b) 开启状态

(二) 附件

1、伸缩节。露天式压力钢管受到温度变化或水温变化的影响时，为了使管身能沿轴线自由伸缩，以消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷，常在上镇墩的下游侧设置伸缩节。对伸缩界的基本要求是：能随温度变化自由伸缩，能适应镇墩和支墩的

基础变形而产生的线变位和角变位，并留有足够余度。伸缩节的型式较多，较常见的几种见图3-27。在阀门处的伸缩节应便于阀门拆卸，并允许产生微小的角位移。

图3－27伸缩节

图3-28 双法兰卡箍伸缩接 图3-29法兰松套伸缩接

2、通气阀。通气阀常布置在阀门之后。当阀门紧急关闭时，水管中的负压使通气阀打开向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，管中空气从通气阀排出，然后再关闭阀门。

3、进人孔。为了检修方便，在钢管镇墩的上游侧通常设置进人孔。进人孔间距一般为150m，不宜超过300m。进人孔为圆形或椭圆形，其直径(或短轴)一般不小于45cm。为保证正常运行期间不漏水，进人孔盖与外接套管之间要设止水盘根，如图3-30所示。

图3-30 进人孔

1-孔盖； 2-垫圈； 3-螺栓； 4-接管

4、旁通阀。旁通阀设在水轮机进水阀门处，与闸门处的旁通管作用相同，使阀门前后平压后开启，以减小启闭力。

5、过流保护装置和防腐蚀措施。大型钢管应设置过流保护装置。这种装置在钢管破裂后管内流速增大时，能迅速发出信号关闭进口闸阀，防止事故扩大。为了防止钢管关闭内外被泥沙磨损和锈蚀，应在关闭表面喷镀一层150~200μm的锌或者用油漆涂料保护。

八、钢管的敷设方式和支承结构

（一）敷设方式

由于明钢管一般长度都很大，所以常分段敷设，即在直线段每隔120~150m或在钢管轴线转弯处(包括平面转弯和立面转弯)设置镇墩，以固定钢管，防止钢管发生位移。明钢管的敷设方式有以下两种：

图3-31 明钢管敷设方式

（a）连续式；（b）分段式

1-镇墩；2-伸缩接；3-支墩

1、分段式

在相邻两镇墩之间设置伸缩接头，当温度变化时，管道可沿管轴线方向移动，见图3-31（b）、3-32所示。伸缩接构造复杂，易漏水，常布置在镇墩以下第一节管的横向接缝处，以减少伸缩接内水压力。镇墩之间的管段用一系列等间距的支墩支承，支墩的间距由钢管应力分析，并考虑钢管的安装条件、地基条件和支墩型式，经技术经济比较确定。靠近伸缩节的一跨，支墩间距可缩短一些。

图3-32 压力钢管分段式敷设

2、连续式

两镇墩之间的管身连续敷设，中间不设伸缩接，见图3-31（a）。由于管道两端固定，当温度变化时，管身将产生很大的轴向温度应力。

为了使钢管受力明确并易于维护检修，要求钢管底部高出地面至少60cm。

（二）钢管支承结构

1、镇墩

镇墩的作用是靠本身的重量固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力，防止水管产生位移。镇墩一般设置在压力管道转弯处，当管道直线段较长时，每隔100~150m应设置一个中间镇墩。镇墩一般为混凝土重力式结构，混凝土强度等级一般不低于C15。若基础为土基，镇墩底面宜作成水平；若为岩基，底面宜作成台阶式。在寒冷地区，墩底基面应深埋在冻土线以下。分封闭式和开敞式两种型式。

1、封闭式：见图3-33，钢管被埋在封闭的混凝土体中。镇墩表层需布置温度筋，钢管周围设置环向筋和一定数量锚筋。这种布置方式结构简单，节约钢材，固定效果好，应用较广泛。

2、开敞式：见图3-34，利用锚栓将钢管固定在混凝土基础上。镇墩处的管壁受力不均匀，锚环施工复杂，其优点是便于检查维修。我国很少采用。

图3-33封闭式镇墩 图3-34 开敞式镇墩

(二) 支墩

支墩用于承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温度变化时)。按支墩上的支座与管身相对位移的特征，有以下几种型式：

1、滑动支墩。钢管发生轴向伸缩时，沿支座顶面滑动。滑动式支墩又可分为无支承环鞍形支墩、有支承环鞍形支墩和有支承环滑动支墩三种。无支承环鞍形支墩，见图3-35(a)，是将钢管直接支承在一个鞍形混凝土支座上，其包角β在90o~120o之间。为了减少管壁与支座之间的摩擦力，在支座上铺设钢板并在接触面上加润滑剂。这种支墩结构简单，但管身受力不均匀，摩擦力大。适用于管径1m以下的钢管。有支承环滑动支墩，见图3-35(b)，支承环放在金属的支承板上，比上面两种支墩的摩擦力更小。适用于管径1～3m的钢管。

2、滚动支墩。如图3-36所示，在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，钢管发生轴向伸缩时，辊轴滚动，摩擦系数约为0.1，适用于垂直荷载较小而管径大于2m的钢管。

3、摆动支墩。如图3-37所示，在支承环与支承面之间设置一摆动短柱。短柱下端与支承板铰接，上端以圆弧面与支承环的承板接触。钢管沿轴向伸缩时，短柱以铰为中心前后摆动。其摩擦力很小，能承受较大的垂直荷载，适用于管径大于2m的钢管。

图3-35 滑动式支墩

(a) 鞍式； (b) 支承环式

图3-36 滚动式支墩 图3-37 摇摆式支墩