5水电站输水系统渠道

2016/4/5《水电站》主要内容渠道隧洞压力前池与日调节池第五章水电站引水建筑物2016/4/5第五章水电站引水建筑物功用：集中落差，形成水头，输送水量到水轮机。也用作尾水渠，将发电以后的水排到下游河道。类型:无压引水道：渠道(channel)、无压隧洞(freeflowtunnel)。具有自由水面，引水道承受的水压力不大。适用于无压引水电站。有压引水道：有压隧洞(pressuretunnel)。洞中水流为压力流，隧洞承受内水压力很大。适用有压引水电站第一节渠道水电站的引水渠道称为动力渠道(为适应负荷变化，Q、H在不断变化——非恒定流)2016/4/5一、渠道的要求和类型1、要求：有足够的输水能力。按水电站的Qmax设计。水质要符合要求。渠道进口、沿线及渠道末端都要采取拦污、防沙、排沙措施。运行安全可靠防冲、防淤：渠道内水流速度：V淤V设V冲；对渠道加设护面，可减小糙率、防渗、防冲、防草、维护边坡稳定，保证电站出力；防草：维持渠道水深大于1.5m及流速大于0.6m/s；防凌：尤其是北方寒冷地区。结构经济合理，便于施工及运行2、类型①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溢流堰。适用：引水道较长，对下游有供水要求。溢流堰作用：限制渠末水位；保证向下游供水。当水电站引用流量Q=Qmax，压力前池水位低于堰顶；QQmax,水位超过堰顶,开始溢流；Q=0时，通过渠道的全部流量泄向下游。2016/4/5②自动调节渠道渠道首部和尾部堤顶的高程基本相同，并高出上游昀高水位，渠道断面向下游逐渐加大，渠末不设泄水建筑物。适用：渠道不长，底坡较缓，上游水位变化不大的情况。水电站引用流量Q=0时，渠道水位是水平的，渠道不会发生漫流和弃水现象；QQmax时为雍水曲线。Q=Qmax为降水曲线。渠道类型非自动调节渠道自动调节渠道2016/4/5渠道类型对比类型自动调节渠道非自动调节渠道渠顶高程沿全长不变逐渐降低断面尺寸由小变大基本相等泄水建筑物无有3、渠道的线路选择渠线应尽量短而直，以减小水头损失，降低造价。需转弯时，有衬砌渠道的转弯半径宜不小于渠道水面宽度的2.5倍，无衬砌的土渠宜不小于水面宽度的5倍（冲刷问题）。应选择地质条件较好的地段。渠线应尽量提高，以获得较大的落差。避免深挖高填。2016/4/5二、渠道的水力计算任务主要任务：根据设计流量，选定断面尺寸、糙率、纵坡和水深。(1)恒定流计算：确定底坡、横断面尺寸等。(2)非恒定流计算计算电站丢弃负荷时渠道涌浪(昀高水位)，确定堤顶高程。计算电站增加负荷时渠道涌波(昀低水位)，确定压力管道进口高程。水电站按日负荷图工作时，渠道中水位及流速变化过程，以研究水电站的工作情况。AR三、明渠均匀流水力计算1.按横断面的形状分类常见的人工明渠横断面有梯形、矩形和圆形。水力半径：：断面面积：湿周河道的横断面常呈不规则形状。A2016/4/5三、明渠均匀流水力计算以工程中应用昀广的梯形渠道为例，其过水断面等水力要素关系如下：水面宽度：过水断面面积：湿周：水力半径：2BbmhAbmhh221bhm()221AbmhhRxbhm常见的过水断面的水力要素断面形状bmhb2hdh2*sin82dhmhbbhhb2212mhbd21sin14d212mhbhmhbhbbh2水面宽度B过水断面积A湿周x水力半径RBBhbmbB*式中以弧度计2016/4/52.按断面形状、尺寸是否沿流程变化分类断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲渠道，称为棱柱体渠道；否侧为非棱柱体。三、明渠均匀流水力计算sini3.明渠的底坡明渠渠底纵向倾斜的程度称为底坡。以符号i表示，等于渠底线与水平线夹角的正弦，即只有在顺坡明渠中才有可能产生均匀流。(b)平坡明渠(c)逆坡明渠三、明渠均匀流水力计算(a)顺坡明渠2016/4/51、明渠均匀流的特性（1）过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。（2）过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；因而，水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。（3）总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即.IJJz明渠均匀流的特性及其生产条件三、明渠均匀流水力计算θihhJJzvv2、明渠均匀流产生的条件充分必要条件力学条件渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的分力始终平衡（大小相等，方向相反）。三、明渠均匀流水力计算能量条件水面下降值始终等于水头损失。2016/4/5三、明渠均匀流水力计算由水流动量方程得由均匀流条件：P1＝P2；v1＝v2，则021fFPGPsinv2v1P2τ0GθABCDP1Ff0sinorsinGFiFGff2、明渠均匀流产生的条件恒定流流量沿程不变（无分叉和汇流情况）渠道为长、直的棱柱体顺坡渠渠中无闸、坝、跌水等建筑物的局部干扰底坡、糙率沿程不变三、明渠均匀流水力计算必要条件2016/4/5实际渠中总有各种建筑物。因此，多数明渠流是非均匀流。严格说，不存在明渠均匀流，均匀流是对明渠流动的一种概化。近似符合这些条件的人工渠、河道中一些流段可认为是均匀流。离开渠进口或水工建筑物一定距离的顺直棱柱体明渠恒定流天然河道某些顺直、整齐河段在枯、平水期三、明渠均匀流水力计算离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直棱柱体明渠恒定流三、明渠均匀流水力计算明渠中的流动均匀流段非均匀流段非均匀流段2016/4/5（1）基本计算公式：①谢才公式基于明渠水流资料获得的经验公式②连续方程RJCvAvQ三、明渠均匀流水力计算3、明渠均匀流的计算公式1769年谢才（A.Chezy）法国水力工程师（1718~1798），在一系列渠道水流实测资料总结分析的基础上，提出明渠均匀流流速与流量的经验公式－谢才公式，以后又有确定谢才系数的曼宁公式(R.Manning)、巴普洛甫斯基公式。三、明渠均匀流水力计算2016/4/5yRnC/11611RnC谢才系数C:反映断面形状、尺寸和边壁粗糙程度的一个综合系数。常用曼宁公式计算。R：水力半径，以米（m）计n：糙率三、明渠均匀流水力计算三、明渠均匀流水力计算明渠均匀流水力计算的基本公式讨论:谢才系数是反应断面形状尺寸和壁面粗糙程度的一个综合系数。R对C的影响远比n对C的影响小得多，因此，根据实际情况正确地选定粗糙系数，对明渠的计算将有重要的意义。),(RnfCnRnnRnC612611RRnnRRC611611RCnC2016/4/5糙率n:选择时应谨慎：选得偏小，渠道断面尺寸偏小，对实际输水能力影响较大。某渠设计时选n=0.015，竣工后实测为0.016。设计水深时，渠道过不了设计流量（即实际流量比设计流量小）。通过设计流量时，实际水深比设计计算的水深大，可能造成水漫渠顶事故。三、明渠均匀流水力计算n三、明渠均匀流水力计算0.04~0.05野草丛生的砂壤土或砾石渠面0.033~0.04散布粗石块的土渠面0.025~0.030砾石（直径20~60mm）渠面0.017~0.020夯实光滑的土面土渠：n渠道衬砌材料人工渠道的糙率2016/4/5三、明渠均匀流水力计算0.05~0.065粗劣的极不规则的凿岩渠0.04~0.05细致开爆的凿岩渠0.033~0.040中等粗糙的凿岩渠0.025~0.035光滑而均匀石渠：n渠道衬砌材料人工渠道的糙率三、明渠均匀流水力计算人工渠道的糙率0.020~0.025喷浆表面不整齐的混凝土0.018~0.023喷浆粗劣的混凝土衬砌0.0155~0.0165表面较光的刮平混凝土0.01~0.011水泥浆抹光，钢模混凝土混凝土渠：n渠道衬砌材料2016/4/5三、明渠均匀流水力计算人工渠道的糙率0.020~0.025喷浆表面不整齐的混凝土0.018~0.023喷浆粗劣的混凝土衬砌0.0155~0.0165表面较光的刮平混凝土0.01~0.011水泥浆抹光，钢模混凝土混凝土渠：n渠道衬砌材料iKRiACQRACK综合反映断面形状、尺寸、水深、糙率对过水能力的影响。物理意义：水力坡度为1时的流量（当i=1时，Q=K）。单位：（m3/s）三、明渠均匀流水力计算核心公式！2016/4/533因此，在i、n已定条件下，4、水力昀佳断面4、水力昀佳断面底坡i：根据地形条件、技术条件考虑选定糙率n：取决于渠壁材料)(，，nifQ断面形状和尺寸)(fQ（断面形状和尺寸）面积一定而过水能力（流量Q)昀大的明槽(渠)断面三、明渠均匀流水力计算iKRiACQ均匀流算公式3.221356111iAnRiARnRiACQ当i、n、A=给定→minR→RmaxQ→Qmax三、明渠均匀流水力计算2016/4/5三、明渠均匀流水力计算昀佳断面形状：半圆形原因：由几何学，面积相同图形中，周界昀小的断面为圆形。因此，明渠昀佳断面形状是半圆形。例如，预制钢筋混凝土、钢丝网水泥渡槽等，但土渠难挖成半圆形，且两岸边坡不稳定。从地质和施工条件考虑，工程中接近圆形断面形状的为梯形断面。三、明渠均匀流水力计算梯形水力昀佳断面条件梯形水力昀佳断面条件i、n、A及m＝Const0dd0dd0dd),(22minhhhAhb3.221356111iAnRiARnRiACQ2016/4/5212mhbhmhbhbAA)(),(012dddd0dddd2mhbhmhbhmhbhA)()(消去，则hbddmmhbm21222()()22121mmmmmmAbmhhmhhRbhmmβm为梯形昀佳断面的宽深比三、明渠均匀流水力计算三、明渠均匀流水力计算βm和m的关系为推论：矩形断面的水力昀佳断面mmhbm212=20.00.51.01.52.02.500.511.522.53mβm边坡越来越缓宽窄形断面深窄形断面mmhbm2122016/4/5三、明渠均匀流水力计算梯形水力昀佳断面的宽深比仅是边坡系数m的函数。在任何边坡系数的情况下，水力昀佳矩形断面的水力半径R为水深h的一半。矩形或梯形水力昀佳断面实际上是半圆的外切多边形断面。三、明渠均匀流水力计算综合考虑水力昀佳断面不太合理一般土渠边坡m1，βm1，即梯形水力昀佳断面通常都是窄而深的断面。这种断面虽然工程量昀小，但不便于施工及维护；所以，无衬护的大型土渠不宜采用梯形水力昀佳断面。因此，限制了水力昀佳断面在实际中应用11])211([2)11(2)1(221111222mmmmmmmmmhbxxxm时，当2016/4/5保证渠道正常运行的允许流速上限和下限值三、明渠均匀流水力计算5、允许流速允许流速是为了保持渠道安全稳定运行在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。（1）不冲流速v’：渠道冲刷的临界断面平均流速，取决定于渠壁材料的物理性质和水深，可查阅有关水力设计手册。三、明渠均匀流水力计算（2）不淤流速v’’：渠道中悬沙淤积的临界流速，取决于水流条件和挟沙特性以及水中含沙量大小，可根据经验公式确定。渠道中杂草可滋生的临界流速一般约0.5m/s。渠水冬季结冰的临界流速（北方地区）约0.6m/s。电站引水渠、航运渠道中的流速还应满足技术经济要求及管理运动要求，参照有关规范选定。渠道中流速'''vvv2016/4/5三、明渠均匀流水力计算不冲流速由均匀流公式,,,,QACRifmbhin含有6个变量（含Q）；边坡系数m和糙率n一般根据土质或衬砌材料用经验法确定；水力计算任务：给定Q、b、h、i中三个，求解另一个。（1）计算公式6、