对水电站取水枢纽工程设计

科技风2021年5月水利电力DOI：10.19392/ki.1671-7341.202115086光明水电站二期工程枢纽工程方案比选及工程设计崔永建吉林省水利水电勘测设计研究院吉林长春130021摘要：本文首先论述了安图县光明水电站二期工程的五道白河挡水坝段坝型比选和消能方式的方案比选，确定了比选方案，详细介绍了结构布置和结构设计。

关键词：管线；输水;线路1工程概况五道白河挡水建筑物包括浆砌石挡水坝段、浆砌石溢流坝段、冲砂闸段组成。

五道白河挡水建筑物从左向右依次为桩号坝0+000m~坝0+011.9m左岸浆砌石挡水坝段，长度为11.9m；坝0+011.9m~坝0+018.9m为冲砂闸坝段，宽度为7.0m；坝0+018.9m~坝0+068.9m为溢流坝段，长度为50.0m；坝0+068.9m~坝0+083.9m为右岸浆砌石挡水坝段,长度为15m;坝顶总长度为83.9m#坝0+083.9m~坝0+ 164.9m为右岸砼截渗墙段,长度为81m#2五道白河挡水坝(1[]2.1坝型选择根据地形、地质条件分析,本坝址适合修建的坝型有土石坝、面板堆石坝及浆砌石重力坝#以上三种坝形的优缺点如下：(1)土石坝方案:土石坝方案采用黏土心墙坝，从当地条件看，由于库区缺乏黏土及过渡层料，致使土料运距远，造价增加;从结构上看，土石坝坝坡较缓，坝体工程量较大;从地质条件看，没有适宜位置布置溢洪道，使溢洪道工程量会比浆砌石溢流坝大#从施工角度看，黏土心墙施工受降雨、低气温等气候因素影响大，施工质量不易控制，另外河道狭窄(河道宽度约50m)，土石坝施工工序复杂,施工干扰大#(2)面板堆石坝方案:从建筑材料看，面板堆石坝堆石体和浆砌石重力坝坝体均可采用引水洞开挖料，节省造价，但砼面板量较浆砌石重力坝大;与土石坝方案一样布置溢洪道的工程量会比浆砌石溢流坝大;从结构上看,面板对基础沉降很敏感，而本工程基础为块石且有架空，所以基础处理造价会加大，另外该地区严寒冰冻对面板的影响也很大#面板的底座趾板需座于岩基上,趾板上下游的填料要求很高,施工工序复杂#(3)从坝长、坝高看，河道狭窄，五道白河坝长仅83.9m,最大坝高18.4m；四道白河坝长仅130.2m,最大坝高5.0m#从上面的论述看，无论采用何种坝型，工程造价相差不会很大，且浆砌石重力坝结构及施工技术简单，质量容易保证，运行管理也比较方便#综上所述,设计选定采用浆砌石重力坝方案#2&2结构布置五道白河挡水坝段总长为26.9m,其中左岸11.9m，右岸15m，坝顶高程为1033.20m,最大坝高为18.4m，坝顶宽度为5.0m，左岸浆砌石挡水坝段有交通要求，坝顶路面为素砼路面，素砼厚度为0.15m#挡水坝上游折坡点高程为1028.70m,上游坝坡为1:0.20,表面为钢筋砼防渗面板，厚度为0.8m，下游坝坡为1:0.8,折坡点高程为1031.20m#坝体内每隔3.0m设置一竖向排水管,上端通至坝顶，下端通至水平向排水管，由水平排水管将坝体渗水引至两侧坝肩，利用自流排至下游#坝体沿坝轴线方向每隔15m分一横缝，缝内用沥青油毛毡填充，并设止水#2.3基础及坝肩处理坝基坐落级配良好的砾上,但为解决渗漏问题上游防渗面板嵌入气孔状玄武岩以下1.0m,由于气孔状玄武岩透水率q=12~221e,属中等透水岩体，且透水岩层很厚，设计采用悬挂式帷幕灌浆，灌浆深度按0.7倍水头控制#为解决左坝肩渗漏问题，帷幕灌浆线伸至正常蓄水位1030m与地下水位相交处,即利用灌浆平洞向左坝肩山体深入55.65m进行帷幕灌浆#为解决右坝肩渗漏问题，设计采用砼截渗墙方案，深入右侧山体81m,砼截渗墙厚50cm#2.4五道白河相关计算成果表1五道白河坝坝顶高程计算成果表计算工况校核洪水位设计洪水位正常蓄水位单位m m m水位1032.611032.111030.00风速(m/s)1116.526.4 2h]0.170.270.49h e0.300.300.40h00.040.060.13坝顶安全超髙0.510.63 1.02坝顶髙程1033.121032.741031.02表2五道白河挡水坝坝体抗滑稳定计算结果表计算部位安全系数校核洪水位设计洪水位正常蓄水位计算值允许值计算值允许值计算值允许值挡水坝(坝0+011.9)K 1.9 1.0 2.0 1.05 2.8 1.05b 4.5 2.5 3.2 3.0 3.02 3.0197卞'水利电力科技风2021年5月表3五道白河挡水坝坝基应力计算结果表计算部位运行情况上游边缘正应力下游边缘正应力单位(Dm2)(Dm2)允许值计算值允许值计算值挡水坝(坝0+011.9)校核洪水位>03(3525.4设计洪水位>0 3.8(3524.6正常蓄水位>07.1(3521.3施工完建期(3529.7>010.33五道白河溢流坝光明水电站二期工程为径流式水电站，水库无调节能力，下游无防洪要求,另外从五道白河河床、两岸多分布崩积块石,从地质描述看粒径在20-60cm范围,抗冲刷能力强，同时洪峰流量小，以及运行管理方面考虑溢流坝设计为开敞式溢洪道。

引水式水电站设计分析摘要：随着国民经济水平的不断提高，我国的电力事业也得到了很大的发展。

水电站在电力行业中占有很大的比重，其设计、施工质量对于电力企业的生产具有重要的影响。

引水式水电站是较简单的一种引水发电站类型，工程涉及战线长、范围广、考虑因素多。

文章主要讨论引水式水电站设计对坝址、厂址、引水线路的选择及压力前池设计和电站装机容量的确定等，供引水式水电站设计者参考。

关键词：引水式水电站；坝址；厂址；引水渠道；压力前池一、引水式水电站坝址的选择及布置1.1 水电站坝址的选择在引水式水电站的设计过程中，设计人员要注重坝址的选择。

在实际的操作过程中，相关工作人员要加强对相关河道的自然条件进行调查和分析，关注相关的地质问题，而且还要对工程投资以及综合管理进行分析。

在引水设计方面，要选择河床比较稳定并且水量大的河段。

此外，对于要求比较严格的水电站，相关工作人员要将相关的渠道设置在河水溢出带的下游，这样就能够增大河水从河床两侧的溢出量，可以在很大程度上提高水电站的发电量，使得水电站在冬季能够正常运行。

值得注意的是，对于在春季和冬季上游冰量较多的河道，相关工作人员还要采取一定的除冰设计措施。

要设置科学合理的水闸，使得冰块能够顺利通过。

在渠道型式的选择上，要注重选择合理的模式。

一般来讲，当前使用较多的渠道，其正面一般用作排沙、泄洪以及排冰，而侧面则主要是拦河闸和拦河坝。

在实际的河道考察和设计过程中，要密切注意水流方向以及水流条件，使得河道的轴线与排冰、泄洪能够在一条直线上，这样能够切实地保护相关河道不会受到较多破坏，实现耗水量少、流水效果好的目的。

1.2 枢纽布置在引水式水电站的设计过程中，水电站枢纽的布置非常重要。

在实际操作过程中，应根据工程开发的方式以及河流的水流特点，合理布置枢纽。

当前比较常见的枢纽形式主要包括坝、闸混合式以及全闸布置两种形式。

坝、闸混合式枢纽的优点是运行较为方便灵活，投资相对较少，而且具有较强的安全性能，在投入使用之后，其管理控制相对较为方便。

7.3 引水隧洞7.3.1 线路与坡度的确定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m进口高程，要求全线洞顶在最不利条件下保持不小于2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m的洞径，即54，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m设计中隧洞断面采用圆形，直径为9。

中华人民共和国行业标准水电站引水渠道及前池设计规范发布实施中华人民共和国水利部发布中华人民共和国行业标准水电站引水渠道及前池设计规范主编部门电力部水利部北京勘测设计研究院批准部门中华人民共和国水利部年月日中华人民共和国水利部的通知号以北京勘测设计研标准名称和编号为本标准自年月在实施过程中各单位应注意总结经验如有问题请函告水一九九八年三月三十一日前言年分水力发电本规范所包括的内容有本规范首次编制本规范解释单位本规范主编单位参编单位有疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院本标准主要起草人韩立罗观育艾克明谢致刚吴季宏麦达铭陶志成沈征明宋友海谢文伯唐进虎吉尔格昌卫安鲍筱斌总则引水渠道布置引水渠道纵坡及横断面设计前池及调节池布置设计水力设计结构设计和地基处理附录侧堰水力计算附录前池虹吸式进水口的设计附录引水渠道恒定流水力计算附录引水渠道系统的涌波计算引水渠道和前池的设计引水渠道和前池的设计引水渠道布置引水渠道型式的选择符合下列条件可选择自动调节渠道渠道进水口水位变幅不大引水渠道线路的选择引水渠道的弯曲半径衬砌渠道宜不小于渠道水面宽度的面宽度的寒冷地区渠道线路的选择引水渠道进水口的闸门设置具备下列条件的自动调节渠道可不设事故检修闸门应根据水工建筑物级别按表确定如果应根据泄洪情况确定防护范围和相应的工程措表引水渠道及渠系建筑物的防洪标准引水渠道上建筑物布置当有超过电站引用流量的多余水侧堰水力设计应满足下列要求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侧堰水力计算按附录在多泥沙条件下引水渠道纵坡及横断面设计引水渠道纵坡宜按下列条件选择不衬砌的岩石渠道以及输冰运行渠引水渠道在设计流量下的平均流速按衬砌设计按引水渠道的边坡和堤顶宽度可按突然丢弃全部负对小型工程可按对傍山开挖的引水渠道所形成的高边坡对高陡边坡及地质条件复杂的边坡前池及调节池布置设计前池的布置设计前池的布置充分注意前池建成后水文地宜小于或等于重要工程或布置条件复杂的前池条件适宜时按当小型水电站前池内的水位变幅在可采用矩形或前池内设置侧堰式等因素合理选定当采用非正面排沙时调节池的布置设计根据所需的调节容积和消落深度利用天然洼地或与引水渠道结合或相连通调节池应做好防渗设计对多泥沙渠道水力设计水力设计应完成下列各项任务此时引水渠道系统应以均设计频率枯水期的最小引水发电流量最低运行水位应保证满足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对于渠道沿程上设置两道侧堰的情况当存在入渠流量时应分别计算机组正常应按明渠均匀流进行计算对非棱柱体渠道恒定流水力计算按附录水电站引水渠道前池系统涌波计算按本规范附录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满负荷运行结构设计的一般规定建筑物的结构设计应包括下列内容荷载及其组合基本荷载包括特殊荷载包括基本组合由基本荷载组成特殊组合由基本荷载选择最不利的可考虑排水失效的情况作为特殊组合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稳定计算沿基底面的抗滑稳定安全系数应按抗剪断强度公式计算式中计算沿基式中规定的挡水土堤设计应按强度计算地基处理设计地基处理设计要性和部位作用水头的大小等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根据要求结合地质条图明渠侧堰溢流示图如图当把堰上水头用侧堰首末端的平均值来表示即且其流量系数用表示时侧堰的泄流能力公式为以上各式中可取水流弗劳德数范围内其这里要指出的是尽管侧堰段前后流量的平衡关系是相适此时侧堰下游引水渠道流量近似看作堰泄流量的条件下的动态平衡并且水轮机导叶按对于图所示的矩形断面虹吸式进水口其特点是其主要参数可在下面的范围内选择图矩形断面虹吸式进水口示意图喉道断面的宽高比喉道中心半径与喉道高之比进口断面积与喉道断面积比喉道断面积与压力管道面积比进口断面和喉道断面间的水平距离与其高度之比当断面和间的上肢段采用圆形断面时其主要特点是缩段长度宜大于或等于进水口直径的最大负压值出现在喉道断面顶点点的最大负压值按下式确定式中式中计算断面处的大气压强水柱高可由表在体型拟定后可表水温与水的汽化压强水柱高关系表最小淹没深度式中喉道断面的水流弗劳德数虹吸的发动与断流宜选用以下的几种装置和方法来实现水力真空装置在已知值时真空破坏时的瞬间最大进气量可按式式中真空破坏阀系统的流量系数对于虹吸发动和断流的装置和方式明渠恒定均匀流的基本公式流速公式流量公式流量模数满宁公式式中满宁粗糙系数水面线以型壅水曲线和求解明渠恒定缓变流水面曲线宜采用逐段试算法逐段试算法式中和和和或式中和则和和水位变化量图水位变化量求解图矩形断面明渠内桥墩的水位变化量可按图值作水平线和图内已知出乘的右上角小图按式中渐变段长度和中的值可按照图和表图渐变段形状图对明渠各种形式的渐缩或渐扩的值参照图和表表渐变段的局部损失系数注表中局部损失系数故其明渠渐变段的长度须按此角度推计算其中损失系数表明渠渐变段局部损失系数式中弯道中心线半径式中对于梯形和矩形明渠的简单圆曲线式弯道可取当弯道中心半径与水面宽度之比值大于时八字斜墙图渐缩段与渐扩段的型式按明渠非恒定流的基本方程圣维南方程进行涌波计算对任一形状断面棱柱体明式中平均流速沿渠底度量的距离向下游为正对于求解的水电站引水渠道中的涌波属于弱解对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的水弹性水电站突然丢弃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行进波所携带的流量波流量可用式波的传播速度的公式为式中梯形断面的边坡系数中的各参数应写成和对于逆行波根号外取对正涌波根号内取对负涌波取电站突然丢弃负荷在引水渠道系统中产生逆行正涌波而突然增荷时如图当电站突水电站突然甩负荷时涌波分析示意图减至当丢弃全部负荷时这时在前池引水渠道系统内将产生渠中水最高水位的面传播到渠首断面所需的时间相应于丢弃负荷时刻的初始波高和波速的断面和距渠道末端断面为的断面面行进到时间式中断面与为而其中式中和和断面和断面任设一个出沿程各断面的逆行正涌波传播到渠首断面的总历时式中在而前池处有式中断面第二阶段所需的时间波流量式中断面反射波的传播速度可采用简化了的公式式中和分别为当渠中水位为将下标换成便可求出相应的求出各段的涌波平均传播速度所需的时间图渠末水位随时间变化关系图面所需的时间涌波往返一次的总历时处的最高水位图中的为断面处未受扰动的初始为突然丢弃负荷后的瞬间升高水电站突然增荷时前池引水渠道系统最低水位计算相水电站突然增负荷时涌波分析示意图计算仍可分相应于电站增加负荷时刻的波高和波速如果初始流量在电站突然增加负荷式和和处相应于依断面和断面间的流量连续条件和缓变流动条件可有式中断面值进行计算直到所设的值为时当随着逆行负涌波向上游推进在断面时的水位而已知断面的最低水位高程包括断面计算时假定其坡降由下式决定图渠末水位随时间变化关系图逐段计算求出反射波从断面进而得到涌波往返一次的总历时从中查取断面处的最低水位对于自动调节渠道上述任何方法即对引水渠道系统来说控制工况是将恒定流时的堰上水头乘以的系数对侧堰的系数构成新的水面线在此基础上再加安对于入渠流量的流量泄出的条当侧堰处于前池内或靠近前池处时其处理方法同本条第波高度款的方法的系数构成新的水面线。

水电站大坝截流方案1 工程说明1.1工程概况毛滩河水电站枢纽工程位于毛滩河峡谷出口位置，大坝坝址采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程508m，建基面高程455m，毛滩河水电站混凝土拱坝位于毛滩河峡谷出口位置，河道高程459.2m采用混凝土双曲线拱坝，坝顶高程508 m,建基面高程455m，最大坝高53m大坝坝顶宽4m，建基面上坝底宽10m。

1.2依据与规范（1）《利川市毛滩河土建工程招标文件》技术部分；（2）《水利水电工程施工组织设计手册》（中国水利水电版）；（3）《防洪标准》；（4）《水利水电建设工程验收规程》；（5）《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》；（6）《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》；（7）《水利水电工程施工组织设计规范》；（8）《水电站基本建设工程验收规程》。

1.3本次导截流的特点及对策1.3.1本次导截流的特点根据现场踏勘并结合我局多年来在同类工程施工经验，本工程导截流及上游围堰施工有以下特点：（1）戗堤“合龙”时壅水过高：因围堰轴线处河床高程为459m导流洞进口底板高程为461m。

故在截流时，戗堤前水位壅高约2m才具备分流条件。

经计算分析，戗堤“合龙”时龙口水流流速不大，上下游落差大（3m）。

（2）上游围堰堰基渗水、排水量大：在戗堤“合龙”时，龙口需抛投大量块石，因块石间空隙大，势必在龙口处渗漏水较多。

为确保上游围堰填筑施工质量（上游围堰为坝体一部分），需加大上游围堰基础渗水、排水工作，为上游围堰填筑提供旱地作业条件。

（3）上游围堰施工场地过小：依据设计图纸，上游围堰上游坡脚与戗堤下游坡脚相接，造成上游围堰施工场地过小，且不利于戗堤后排水坑槽布置。

（4）上游围堰C15心墙砼需在冬季施工：根据合同节点工期要求， 9月份实现截流施工后，需要完成戗堤压实、闭气、基坑抽排水、上游围堰基础开挖、上游围堰463m高程以下的混凝土心墙等施工作业，最快也需二个多月，即到11月底完成上述工作。

随后进行上游围堰463m高程以上堰体填筑及C15心墙砼防渗体施工，此时业已进入冬季（合同技术条款文件要求，心墙施工外界最低温度不低于5℃），给堰体C15心墙砼施工带来诸多不便。