LBL引水式水电站初步设计

LBL引水式水电站初步设计

1.流域概况

LBL电站位于L河上。L河为澜沧江中游右岸的一级支流，地处维西傈僳族自治县YZ镇境内。L河流域位于碧罗雪山与云岭之间的澜沧江峡谷，总体地势由西向东倾斜，河流由西向东流入澜沧江。流域地形呈山高谷深的特征，流域最高点海拔高程4553.6m，最低点即L河与澜沧江的汇合口处，海拔高程约1700m。L河全流域面积131.7km²，河道全长21.8km，河道平均坡降90.6‰。水库枢纽及电站进行设计设计，水库建成后，可建装机容量约为2×5000kW的水电站。工程是径流开发引水式水电站，是单一的发电工程，没有航运、过木要求。电站设计引用流量6.67m³/s坝体混凝土采用C15，抗压强度为10MPa,重度采用24KN/m³。

1.2水文特征

坝址各频率洪水流量见表1-1：

表1-1 坝址各频率洪水流量表

1.3电站上、下游特征水位

1.3.1坝址洪水位

上游水位

正常蓄水位： 1958.50m 设计洪水位(P=5.0%)： 1961.11m

校核洪水位(P=1.0%): 1962.19m 淤沙高程： 1955.50m 下游水位

设计洪水位(P=5.0%)： 1955.20m 校核洪水位(P=1.0%): 1955.90m 1.3.2厂址洪水位

澜沧江在L水电站厂址河段处的集雨面积为8.84万km²，百年一遇洪水洪峰流量8280m³/s，相应洪水位约1732m，而L水电站扩建工程的厂房地面高程1732.95m，因此不存在防洪问题。

1.4泥沙

多年平均输沙量：6.54万t(其中悬移质5.03万t) 多年平均含沙量：0.39kg/m

淤沙浮容重取9 KN/m³，内摩擦角为28º

1.5气象

年平均风速1.3m/s 年平均最大风速19m/s （水库吹程3Km） 多年平均气温:11.3℃ 多年平均最高气温:18.5℃ 多年平均最低气温:6.5℃ 多年平均相对湿度：70%

1.6工程地质资料

本工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期0.45s。根据《中国地震基本区烈度区划图》工程区的地震基本烈度为Ⅶ度，工程按Ⅶ度设防。

坝基岩体物理力学指标：LBL水电站扩建坝址位于L河与支流L河汇合口处，属构造侵

蚀深切高中山峡谷地貌。左岸山高坡陡，相对高差大于1000m，坡面上段多呈悬崖绝壁；右岸为一山脊突出部位，山势略缓，相对高差约为1300m，坡面起伏大，为一陡缓相间的复合型坡。坝线上游LBL河由北往南汇入L河，与主河道交汇后形成“T”字型。河流总体流向SE向，坝址段沿突出山体由NNE向SSE呈弧形转弯，坝址处河段流向近E，河底高程1947.5m，河床比降缓，坝轴线河床宽12.0m，河谷呈左陡右缓右岸坡带一台地的“U”型谷，左岸岸坡50°～55°，右岸陡坎台地以上山坡坡度缓，约30°～40°。坝基岩性为二迭系上统下段灰黑色千枚状板岩,长石英细砂岩不等厚亚层，以中厚层长石英砂岩为主。坝基岩体物理力学参数见表1-2。

表1-2

坝基岩土物理力学参数建议值

岩土类别

天然密度

γ(KN/m3)

岩土抗剪强度

岩/岩（岩/砼） 抗剪断强度

抗剪断摩擦系数（f）

弹性模量E (Gpa)

泊松饱和抗允许承载力比μ 压强R [R]

MPa (MPa)

凝聚抗剪凝聚力

力C 摩擦C(Mpa) (Mpa) 系数

（f）

砂砾石 18～20 0

碎石土 20～22 0

23～25 0.2

～0.35

弱风化25～27 0.35石英砂～岩 0.5

强风化石英砂岩

0.4～0.45 0.2～0.28 0.45～0.53 0.53～0.6

/

/ / /

/

/ / / / 0.3～0.35 0.25～0.3

0.3～0.4

/

0.1～0.25

0.5～0.6 (0.6～0.7) 1.0～1.1 (0.9～1.0) 0.6～0.8 5～15 (0.7～0.8)

0.9～1.1 15～20 (0.9～1.0)

30～1.0～1.5 50

50～1.5～2.5 70

2.工程总体布置

2.1洪水调节计算

2.1.1确定工程等别及建筑物级别

水利部、原能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程根据其工程规模效益和在国民经济中的重要性分为五等，见表2-1。

表2-1

水利水电工程分等指标

工程等别

工程规模

水库总库容 防洪 （亿 保护城镇

及

工矿企业重要性

保护 农田 （万亩）

治涝 灌溉 供水 治涝面积（万亩） 供水对象灌溉面积（万亩） 重要性

发电 装机容量（万KW）

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

大（1）型 大（2）型 中型 型 小（2）型

10 101.0

特别重要 500 重要 中等 一般

200 150 特别重要 120

500100

1.00.1

小（1）0.10.01

0.010.001

200～60

100～30 60～15 30～5 15～3 5

3

150～重要

50

50～5 中等 5～0.5 一般 0.5

120～30 30～5 5～1 1

水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级和三级，永久性水工建筑物分级见表2-2。

永久性建筑物系指工程运用期间使用的建筑物，根据其重要性分为：①主要建筑物。系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如坝、水闸、厂房及泵站等。②次要建筑物。系指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，并且易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙及护岸等。

临时性建筑物系指工程施工期间使用的建筑物，如导流建筑物、施工围堰等。 表2-2

2.工程总体布置

2.1洪水调节计算

2.1.1确定工程等别及建筑物级别

水利部、原能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程根据其工程规模效益和在国民经济中的重要性分为五等，见表2-1。

表2-1

水利水电工程分等指标

工程等别

工程规模

水库总库容 防洪 （亿 保护城镇

及

工矿企业重要性

保护 农田 （万亩）

治涝 灌溉 供水 治涝面积（万亩） 供水对象灌溉面积（万亩） 重要性

发电 装机容量（万KW）

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

大（1）型 大（2）型 中型 型 小（2）型

10 101.0

特别重要 500 重要 中等 一般

200 150 特别重要 120

500100

1.00.1

小（1）0.10.01

0.010.001

200～60

100～30 60～15 30～5 15～3 5

3

150～重要

50

50～5 中等 5～0.5 一般 0.5

120～30 30～5 5～1 1

水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级和三级，永久性水工建筑物分级见表2-2。

永久性建筑物系指工程运用期间使用的建筑物，根据其重要性分为：①主要建筑物。系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如坝、水闸、厂房及泵站等。②次要建筑物。系指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，并且易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙及护岸等。

临时性建筑物系指工程施工期间使用的建筑物，如导流建筑物、施工围堰等。 表2-2

永久性水工建筑物的级别

工程等别

永久性建筑物的级别 主要建筑物

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

次要建筑物

1 2 3 4 5

3 3 4 5 5

根据《水利水电工程等别划分及洪水标准》，结合水库枢纽资料和电站装机容量等因素，可确定水库枢纽为小（1）型工程，工程等别Ⅳ等，主要建筑物级别级，次要建筑物级别级，临时性水工建筑物级别级。 2.1.2水库运用方式

水库正常运用期用闸门挡水,以提高电站电站发电水头。水库的正常蓄水位等于防洪限制水位，即水库调洪的起调水位，所以水库的兴利库容与调洪库容重叠为零。洪水到来之前不提前泄洪，洪水到来时，通过调整闸门开度调节下泄流量，当上游来水量大于闸门全开时的泄水量时，开始调洪，此时的泄流量即为起调流量。 2.1.3调洪演算

当水库有下游防洪任务时，它的作用主要是消减下泄洪水流量，使其不超过下游河床的安全泄量。水库的主要任务是滞洪，即在一次洪峰到来时，将超过下游安全泄量的那一部分洪水拦蓄在水库中，待洪峰过去后，再将拦蓄的洪水下泄掉，腾出库容来迎接下一次的洪水。有时，水库下泄的洪水与下游区间洪水或直流洪水遭遇，相叠加后其总泄量会超过下游的安全泄量。这时，就要求水库起“错峰”的作用，使下泄洪水不与下游洪水同时到达需要防护的地区。若水库是防洪与兴利相结合的综合利用水库，则除了滞洪作用外还 有蓄洪作用。即水库在汛期拦蓄部分或全部洪水在兴力库容内，供枯水期兴利部门使用。

水库的调洪作用，在于对入库洪水的滞洪，使出库洪水过程变平缓，洪水历时拉长，洪水流量减小。而影响水库洪水调节的因素，主要是入库洪水、泄流建筑物型式和尺寸以及汛期水库的控制运用方式和下游的防洪要求。若泄流建筑物尺寸减小，同一水位所下泄量也将减小，所需调洪库容则加大。反之。则正好相反。

水库调洪计算的任务，是根据水文分析计算提供的各种标准的设计洪水，对已经拟定的泄洪建筑物型式与尺寸方案，遵循水库汛期的控制运行规则，进行水库的蓄泄调节计算，推求泄流过程和最大下泄流量，并确定有关防洪的特征水位和特征库容。

工程规划设计中防洪设计标准分为两类。第一类是保证水工建筑物自身安全的防洪设计标准，第二类是保障下游防护对象免除一定洪水灾害的防洪标准。水工建筑物的防洪标准又可以分为设计标准（对应正常运用情况）和校核标准（对应非常运用情况）。工程遇到设计标准洪水时应能保证正常运用，遇到校核标准洪水时，主要建筑物不得发生破坏，但允许部分次要建筑物损坏或失效。

水库调洪计算的直接目的，在于求出水库逐时段的蓄水、泄水变化过程，从而获得调节该次洪水后的水库最高洪水位和最大下泄流量，以供进一步防洪计算分析之用。

水库调洪基本原理是逐时段的联立求解水库的水量平衡方程和水库的蓄滞方程。 2.1.3.1水量平衡方程基本方程

在某一时段t内，入库水量与出库水量之差等于该时段内水库蓄水量的变化，公式表示如下。

11

（Q-q）t=(Q1+Q2)Δt-(q1+q2)Δt=V1-V2=△V （2-1）

221

Q—t时段中的平均入库流量（m³/s）,它等于(Q1+Q2);

21

q—t时段中的平均出库流量（m³/s）,它等于(q1+q2);

2Q1、Q2—t时段初、末的入库流量（m³/s）； q1、q2—t时段初、末的下泄流量（m³/s）； V1、V2—t时段初、末水库的蓄水量（m³）； t—计算时段（s）；

△V—t时段水库蓄水量变化值（m³）。

计算时段t，其长短视入库流量的变化程度而定。陡涨陡落的中小河流，t可取短些，流量变化平缓的大河，t可适当取长。 2.1.3.2蓄泄方程

水库通过泄洪建筑物泄洪，该泄量就是水库的下泄流量，水库泄流建筑物的泄流能力，是指某一泄流水头下的下泄流量。在溢洪道无闸门控制或闸门全开的情况下，溢洪道的下泄流量可按堰流公式计算。即

q溢M1BH （2-2）

3

2

q溢—溢洪道的下泄流量（m³/s）； H—溢洪道堰上水头（m）； B—溢洪道堰顶净宽（m）； M1—流量系数，可查水力学书籍。

泄洪洞的下泄流量可按有压管流计算，即

q洞2H （2-3）

1

2

q洞—泄洪洞的下泄流量（m³/s)；

H—泄洪洞计算水头，非淹没出流时，为库水位与洞口中心高程之差；淹没出流时，为上下游水位之差（m）；

ω—泄洪洞洞口的断面面积（m²）； M2—流量系数，可查水力学书籍。

目前常用的调洪计算方法有：列表试算法、半图解法和简单三角形法。

本枢纽的泄洪建筑物采用开敞式溢流堰，堰顶设置闸门，以便于控制洪水的下泄流量，从而达到调洪的目的。其溢流能力按下式计算:

QCmsB2g

H

3

2w

式中:Q—流量；

B—溢流堰净宽,m； Hw—堰顶以上作用水头，m； m—流量系数；

C—上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直面时，C取1.0； ε—侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，可取=0.90～0.95；

σs—淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时=1.0。

本设计已确定堰顶高程，所以只要验算其泄流能力即可。 表2-3

洪水调节计算表

工 况 设 计 校 核

堰顶高程(m)

H上（m）

B（m）

设计流量（Qm³/s） 计算流量Q（m³/s）

1955.50 1955.50

5.61 6.69

10.00 10.00

243.00 371.00

255.00 335.50

溢洪道上一般都设有闸门控制，有利于解决防洪与兴利的矛盾，提高水库的综合效益。在同样满足下游河道允许（安全）泄量的情况下，有闸门控制泄流比无闸门自由泄流所需的防洪库容较小；在相同的防洪库容条件下，由闸门控制泄流可以减小最大下泄流量；当下游有较大区间洪水时，有闸门控制泄流可以错开洪峰遭遇，避免造成大洪水危害；同时也为综合利用水库兴利库容与防洪库容结合使用，创造了有利条件。

2.2坝型选择及枢纽布置

2.2.1坝址及坝型选择

大坝按建筑材料、施工方法、体型等方面分为重力坝、拱坝和土石坝。按坝的高度又分为 ①高坝，坝高>70m；②中坝，坝高为30～70m；③低坝，坝高

重力坝是用混凝土或石料等材料修筑，主要依靠坝体自重保持稳定的坝。重力坝按结 构形式分为：实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝；按泄水条件可分为：非溢流坝和溢 流坝；按建筑材料可分为：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。重力坝在水压力及其他荷载作 用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度要求。

重力坝基本剖面呈三角形。在平面上，坝轴线通常呈直线，有时为了适应地形、地质条件，或为了枢纽布置上的要求，也可布置成折线或曲率不大的拱向上游的拱形。为了s适应地基变化、温度变化和混凝土的浇筑能力，沿坝轴线用横缝将坝体分割成若干个独立

工作的坝段。

重力坝的优点:

(1) 结构作用明确，设计方法简便，安全可靠；

(2) 对地形、地质条件适应性强；

(3) 枢纽泄洪问题容易解决；

(4) 便于施工导流；

(5) 施工方便

重力坝的缺点:

(1) 坝体剖面尺寸大，材料用量多；

(2) 坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；

(3) 坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利；

(4) 坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温

度应力和收缩应力，因此，在浇筑混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。

从地质资料来看，坝基岩性为二迭系上统下段千枚状板岩，长石英细砂岩不等厚亚层，以中厚层长石英砂岩为主，经初步布置，满足各建筑物布置的要求。通过对各种坝型的定性比较，综合考虑地形地质条件，分析后认为，可修建混凝土重力坝。因为坝轴线河床宽仅有12.0m,工程规模较小，因此选择混凝土实体重力坝。

2.2.2枢纽组成建筑物

2.2.2.1挡水建筑物

挡水建筑物：用以拦截江河，形成水库或壅高水位，如各种坝、水闸；以及为抗御洪水或挡潮，沿江河海岸修建的堤防、海塘等。拦河修建的河床式电站、船闸也可视为挡水 建筑物，本设计采用坝和闸。

2.2.2.2泄水建筑物

泄水建筑物：用以宣泄多余水量、排放泥沙和冰凌，或为人防、检修而放空水库、渠道等， 以保证坝和其他建筑物的安全。如各种溢流坝、坝身泄水孔；又如各式岸边溢洪道和泄水隧洞等。本设计选择溢流坝表孔泄水和冲沙，以达到安全经济运用的目的。

2.2.2.3输水建筑物

输水建筑物：为满足灌溉、发电和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物，如引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽等。本设计采用无压渠道后接无压隧洞的方式引水。

2.2.2.4取水建筑物

取水建筑物：输水建筑物的首部建筑，如引水隧洞的进口段、灌溉渠道和供水用的进水闸、扬水站等。由于地形、地质、径流来水量、电站引水量、经济等方面的因素，本设计采用无压进水口。

2.2.2.5整治建筑物

整治建筑物：用以改善河流的水流条件，调整水流对河床及河岸的作用，以及防护水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷，如丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。

2.2.2.6专门建筑物

专门建筑物：为灌溉、发电、过坝需要而兴建的建筑物，如专为发电用的压力前池、调压室、电站厂房；专为灌溉用的沉沙池、冲沙闸；转为过坝用的船闸、升船机、鱼道、过木道等。本设计是单一发电工程，除了压力前池、电站厂房、沉沙池外，无其他专门建筑物。

2.2.3枢纽总体布置

电站根据集中落差方式的不同，可分为坝式、引水式、混合式。根据水电站水库调节性能和取得流量方式的不同，则可分为无调节和有调节以及蓄水式和径流式。根据引水建筑物中水流状态的不同，可将引水式电站分为无压引水式和有压引水式电站两种类型。无压引水式电站引水建筑物（如明渠、无压隧洞）中水流具有自由表面。有压引水式水电站的引水建筑物（如压力隧洞、压力水管）中水流为满流。

本工程是径流开发引水式水电站，是单一的发电工程，没有航运、过木要求。因此， 河谷坝址处仅布置挡水建筑物与泄水建筑物，大坝左端布置引水明渠进水口，电站枢纽另行布置。

坝体总长度45m，溢流坝右侧挡水坝段长19m；溢流坝段长度12m，其中两个泄水闸宽10m,中墩及边墩宽2m；溢流坝左侧与进水口相连，进水口总宽度3.5m，净宽2.42m，进水口左侧挡水坝段长10.05m。

3.无压进水口及沉沙池设计

3.1无压进水口设计

一座水电站的输水系统是由布置在压力管道之前的进水建筑物、引水建筑物和平水建筑物组成的。

3.1.1.进水口的功用

进水口又称进水建筑物，位于水电站输水系统的首部，它的功用是按照发电要求，自水源（水库或河流）取水，引入水电站引水道。

3.1.2进水口设计要求

进水建筑物是水电站输水系统的一个重要组成部分，其位置和形式的选择、尺寸的拟定与整个枢纽工程总体布置密切相关。只有通盘考虑，并通过方案比较，才能在枢纽工程总体布置最佳的前提下，确定合适的设计方案。具体设计要求如下：

3.1.2.1要有良好的地形、地质条件

为保证工程安全运行，要尽量选择良好的地质地段布置进水口，并避免高边坡开挖。若因枢纽工程布置所限，进水口未能避免不良地质和高边坡开挖时，应因地制宜地采取优化布置和辅助必要的加固措施。

3.1.2.2要有足够的进水能力和顺畅的进水条件

在任何工作水位下，进水口都能引进必需的流量，并使进流匀称，水流顺畅，水头损失小。为此，设计进水口时，应重视以下工作：①应着重于工程布置，使其与相关建筑物 布置相协调，不使趋近进水口的水流流向突变，形成回流；②尽量避免进水口一侧紧靠陡峻的岸坡而造成进水口的水流不对称，产生偏流；③进水口与后接水道平顺过度，以保证水流条件良好衔接；④合理确定进水口高程和过水断面尺寸，以保证各级工作水位下的引水流量满足发电要求，并在正常运用条件下，避免产生贯通式漏斗漩涡；⑤防止泥沙、漂污和流冰积聚在进水口门前，影响正常引流。

3.1.2.3水质要符合要求

进水口应能拦截有害的泥沙、漂污和流冰，避免其进入引水系统，对建筑物和水电站水轮发电机组造成磨损或堵塞流道，影响机电设备耐久性和降低工程效益。为此，除了合理安排进水口高程外，还要设置拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备。

3.1.2.4可控制流量

进水口须设置必要的闸门，以便在事故时紧急关闭截断水流，避免事故扩大，也为输水系统的检修创造条件，无压引水式水电站引进流量的大小可由进口闸门控制。

3.1.2.5满足水工建筑物的一般要求

进水口要有足够的强度、刚度和稳定性，结构简单、施工方便、造型美观、造价低廉、便于运行、维护和检修。

3.1.3分类

3.1.3.1按照水流特性分

按照水流特性，将进水口分为有压进水口和无压进水口两类。

有压进水口设在水库最低发电水位以下，进水口流道均淹没于水中，并始终保持满流状态，属有压流动，其后紧接有压隧洞或管道。它主要用于从水位变幅比较大的水库或河流中引水的坝式、有压引水式和混合式水电站。

3.1.3.2按照与枢纽建筑物的关系分

水电站进水口按照与枢纽建筑物的关系，通常分为整体布置进水口和独立布置进水口。整体布置进水口与枢纽工程主体建筑物组成整体结构，其整体稳定安全标准应与所在的主体建筑物相同，因为一旦失事，不仅影响工程效益，而且还将造成下游危害。坝式水电站和河床式水电站的进水口就属于整体布置进水口。

独立布置进水口布置于枢纽工程主体建筑物之外，如岸式进水口、塔式进水口、堤防涵闸式进水口等，其整体稳定安全标准根据地质条件分别按照SL285—2003《水利水电工程进水口设计规范》（岩石地基）或SL265—2001《水闸设计规范》（土质地基）的有关规定选取。

3.1.4无压进水口的工作条件

无压进水口的工作条件要比有压进水口复杂的多。首先，有压进水口深埋在水库最低工作水位以下，其取水是有保证的，而无压进水口直接从河流中取水，如何保证在水电站设计保证率范围内的河流各种水位下，引取发电所需的流量，就成为进水口布置的首要问题。其次，与有压进水口深层取水不同，无压进水口是表层取水，而进水口前的水流仍具有相当大的流速，进水口底板又接近河床，所以水流中挟带的悬移质泥沙和推移质泥沙极易进入进水口，因此，如何采取措施来防沙和冲沙，成为无压进水口布置和设计的一个重要问题。第三，在寒冷地区，河流在冬季和春季将有大量的浮冰和底冰逼近进水口可能阻塞和撞击拦污栅，如何采取措施来防冰和排冰，就成为寒冷地区无压进水口布置和设计的又一个重要问题。最后，无压进水口还可能有综合利用要求，例如结合通航或灌溉，那么，

在进水口的布置和设计时就必须统筹考虑。

3.1.5进水口位置选择

从枢纽组成来说，无压进水口的布置有两种形式，即无坝取水和有坝取水。

当水电站引用流量仅占河流流量的一小部分，在河流上可不建坝，这种取水方式称作无坝取水。当水电站引用流量占河流流量的一大部分，或者需要拦蓄一部分水量进行日调节，就要在河流上建造低坝，这种取水方式称为有坝取水。

无论是有坝取水还是无坝取水，进水口的位置都应尽可能选在河流的凹岸。这样布置可以利用河湾处的横向环流，使进水口引进表层较清的水，而底沙则由底流带向凸岸。在选择进水口位置时，还应避开上游由浅滩、急滩的地点，因为它们容易搅浑底沙和形成冰凌。

建造拦河闸或低坝时，要充分考虑泥沙的影响。原则上要尽量维持河流原有的形态，洪水期要使上游冲下来的泥沙（特别是推移质）绝大多数经闸下泄。进水闸与冲沙闸的相

对位置以“正面进水，侧面冲沙”的原则进行布置，应根据自然条件和引水流量的大 小确定最佳引水角度。冲沙闸与溢流坝之间常设分水墙，形成冲沙槽。此外，也可设置冲沙廊道排除进口前的淤沙。冲沙廊道中的流速一般应达到4～6m/s，才能有效冲沙。

为使水流平顺，在进水闸前应有一段喇叭口与河流相衔接，在喇叭口入口处可以设置浮排，浮排与水流方向成～交角布置，浮排用以拦截洪水期的漂浮物及冬季浮冰。进水闸的底板高程高于冲沙设施底板高程（高差一般不小于1.0m），形成底坎槛，用以拦截底沙和底冰。

布置进水口时，要尽可能防止有害的泥沙（粒径大于0.25mm的泥沙）进入引水道。有害泥沙容易淤积在引水道里，减小引水道的过水能力，而且会磨损水轮机转轮，导叶等过流部件。有害泥沙中的推移质泥沙，由于它是沿河底滚动的，所以只要在进水口前设拦沙坎，即可防止其进入进水口，但要注意及时清除拦沙坎前的泥沙，否则，堆积过多会使拦沙坎失去作用。

本设计引水方式采用有坝引水，无压进水口一般布置在凹岸，结合地形图综合分析，进水口布置在坝的右端。

3.1.6进水口尺寸确定

3.1.6.1无压进水口底板高程确定

无压进水口底板高程应保证在上游最低运行水位时，能够引进设计流量，并且无压进水口底板高程应高于水库或天然河床冲於平衡高程。当不满足这一要求时，应设置排沙、沉沙、冲沙措施，保证进水口设计处于排沙漏斗范围内，沉沙高程以上。本设计坝前淤沙高程为1955.50m，现取进水口底板高程1957m。

3.1.6.2无压进水口闸门尺寸确定

取进水闸顶高程与溢流堰顶闸门顶部高程相等，即为1963m。则闸门高度为6m。闸门宽度稍大于明渠过水断面净宽，即2.5m。

3.2进水口主要设施

进水口安装工作闸门和检修闸门，为防止有害泥沙进入引水道，以免淤积引水道，降低过流能力，以磨损水轮机转轮和过流部件，进水口前常设拦沙坎。拦沙坎顶部高程为1957.5m。

3.3沉沙池设计

由于径流含沙量较大，为了防止水中有害的或过多的泥沙进入引水道，减少引水道淤积和对水轮机的磨损，常在进水口之后，引水道之前修建沉沙池。沉沙池的基本原理是加大过水断面，减小水流的流速及挟沙能力，使有害泥沙沉淀在沉淀池内，而将清水引入引水道。

本设计采用矩形单室冲沙池，排沙方式采用水力连续冲沙。

3.3.1沉沙池结构布置及尺寸

设计沉沙池首先要决定其过水断面及长度。过水断面取决于池中水流的平均流速，平均流速一般为0.25～0.7m/s，视有害泥沙的粒径而定。沉沙池长度不足，则有害泥沙尚未下沉到池底已流出沉淀池，达不到沉沙效果；沉沙池过长，则造成浪费。实际工程中沉沙池的长度和过水断面要通过专门的计算和实验加以确定。

沉沙池中沉淀的泥沙应予以排除，其排沙方式可分为人工清沙、机械排沙和水力冲沙

三种。水力冲沙又分为连续冲沙和定期冲沙。沉沙池进口处设置分流设备，以便池中水流分布均匀，提高沉淀效果。

沉沙池由进口段、冲沙池室、出口段、冲沙廊道和泄水闸组成。为使沉沙池进水口和出水口水流平顺、流速分布均匀，一般在沉沙池的进水口和出水口用渐变段与上下游渠道连接，使水流沿平面及深度上均能均匀扩散和收缩。渐变段在平面上扩散角(常用)，现取。进口段的长度一般取15~30m，现取20m；出口段的长度一般取10~20m现取15m。本设计引用流量较小，单冲沙池室即可满足要求。

3.3.2沉沙池池身的尺寸

3.3.2.1泥沙的沉降速度

通常将泥沙按机械组成分成组，计算每一组的平均沉降速度，然后求出泥沙加权平均沉降速度ωcp。

1 =(1+2+12) （3-1） 3

ωcp=Σωiрi/100

1、2——该组泥沙中最粗及最细泥沙的沉降速度，cm/s;

ωi——各组泥沙的平均沉降速度，cm/s;

рi——各组泥沙含量的百分数（按重量计）。

取泥沙的最最粗和最细粒径分别为0.005mm、1.0mm。水温取10℃，查表得泥沙的沉降速度1=0.0129mm/s，2=107 mm/s。则

11ω=(1+2+12)=(0.0129+107+0.0129107)=39.72㎜/s 33

3.3.2.2沉沙池长度

沉沙池中的泥沙一方面在水平流速作用下向前流动，同时在重力作用下向下沉降。沉沙池长度按下式：

L=ξHpVcp/ω （3-2）

L——沉沙池长度，；

ξ——系数，一般取1.2—1.5；本设计连续冲沙取=1.2。

Hp——沉沙池内工作水深，m，Hp=H-ha；H为沉沙池的设计水深，一般取5～6m，本设计取5m；ha为冲沙前的设计淤积高程，本设计不考虑。

Vcp——沉沙池水流的平均速度，m/s,视设计沉淀泥沙粒径而定，本设计取0.25m/s。 ω——泥沙沉降速度，本设计取平均值。

则L=1.2×5×0.25/0.03972=37.76m 取L=38m

3.3.2.3沉沙池宽度

本设计沉沙池取矩形断面。按下式计算沉沙池宽度：

B=Q/(VcpHp)

B——沉沙池的总工作宽度，m；

Q——沉沙池内的流量，m3/s；

Vcp——沉沙池水流的平均流速，m/s；

Hp——沉沙池的计算深度，m，一般取设计水深的70%～80%。

则 B=6.67/（0.25×5）=5.336m 取B=5.5m

3.3.2.4沉沙池的深度

H=z+q/vs-iL

H——沉沙池的设计水深，m；

z——沉沙池上游与排沙沟下游的水位差，m；

q——沉沙池的单宽冲沙流量，m2/s；

vs——沉沙池的冲沙流速，m/s，本设计取2m/s；

L——沉沙池长度，m；

i——沉沙池的底坡坡度，本设计取与渠道坡度相等。

H=0.076+1.21/2-0.002×38=0.61m 取H=0.7m

4.引水建筑物的设计

水电站引水建筑物是指进水口渐变段末端至调压室或压力前池之间，用于输送发电水量和集中发电水头的建筑物，常见有渠道、隧洞和管道等，也包括渡槽、涵洞及倒虹吸等一些交叉建筑物。

水电站引水建筑物也分为有压引水建筑物和无压引水建筑物两大类，有压引水建筑物衔接于有压进水口之后，其常用建筑物形式为有压隧洞和压力引水管。当地形、地质条件不利时，或洞径过小而不宜于开挖隧洞时，可采用压力引水管。无压引水建筑物衔接于无

压进水口之后，通常是引水渠道，对于盘山开挖的引水渠道，为了缩短渠线，或为了避开不利的地形、地质条件，可将局部渠段改用无压隧洞或渡槽。

在无压进水口之后设置无压引水渠道，根据已知地形条件，需盘山开挖部分引水渠道，为了缩短渠线，避开不利的地形地质条件，将局部渠段改为无压隧洞，因此，本设计在无压渠道后布置无压引水隧洞。

4.1无压引水渠道类型的选择

水电站引水渠道按其控制方式可分为非自动调节渠道和自动调节渠道两种类型，两 者可以结合使用。

非自动调节渠道，是指当水电站丢弃部分或全部负荷时，渠道内水位仅能升高至引水渠平行于渠底的渠堤堤顶，渠道末端接有前池，前池处设置溢流堰，当电站引用流量小于渠中通过流量时，多余水量由溢流堰泄往下游。这种渠道的优点是工程量小；缺点是若电站下游无固定用水要求时将造成弃水。

自动调节渠道，是指当水电站丢弃部分或全部负荷时，渠道内水位能升高至与水库或前池水位齐平而不发生弃水的渠道。其特点是渠道堤顶高程自渠首至渠末不变，渠道断面越向下游越深，前池处不设溢流堰。当水电站引用流量变化时，渠槽本身起着调蓄作用，使进出流量达到平衡。这种渠道的优点是不产生弃水；缺点是单位工程量较大。

结合地形地质施工运行和枢纽布置条件，考虑技术经济的因素，无压引水渠道采用非自动调节形式。

4.1.1引水渠道设计的基本要求

水电站引水渠道设计的主要内容是选择渠线，确定渠道的断面尺寸及纵坡。渠道不仅要满足输送最大引用流量以及防冲、防淤、防草等技术要求，而且还应符合动能经济的原则。

4.1.1.1渠线选择基本要求

（1）渠线应避开大溶洞、大滑坡、泥石流等不良地质地段，且不宜在冻胀性、湿陷性、膨胀性、分散性、松散性堆积物以及可溶盐土壤上布置渠线。若无法避免时，则应采

取相应的工程措施。

（2）宜少占或不占好地，避免穿过集中居民点、高压线塔、重点保护文物、军用通信线路、地下输油管网以及重要的铁路、公路等。

（3）山区渠道宜沿等高线布置渠线，采用明渠与明流隧洞或暗渠、渡槽、倒虹吸相结合的布置，以避免深挖、深填。

（4）引水渠道的弯曲半径，衬砌渠道宜不小于渠道水面宽度的2.5倍，不衬砌渠道宜不小于水面宽度的3倍。

（5）寒冷地区渠道线路的选择，应符合有关专业技术规范的规定。

4.2明渠水力计算及断面选择

4.2.1引水渠道设计要求

4.2.1.1引水渠道断面设计的基本要求

（1）地面坡降陡且起伏大、地下水位低的山丘地区，采用深窄式断面。

（2）地势平坦、地下水位高、基土冻胀性较强以及有综合利用要求的渠道，采用宽浅式断面。

（3）易受洪水、泥石流等危害以及穿越村镇、工矿区的渠道，采用城门洞形、箱形等暗渠形式的断面。

4.2.1.2引水渠道纵坡设计的基本要求

（1）中低水头、大流量引水渠道、自动调节渠道、清水渠道、土渠采用较缓的纵坡。

（2）高山水电站的引水渠道，多泥沙渠道，傍山衬砌渠道，不衬砌的岩石渠道以及输冰运行渠道，采用较陡的纵坡。

（3）渠线较长时，可依据地形、地质条件分段选择不同纵坡；多泥沙和输冰运行渠道的分段纵坡易沿程增大。

4.2.2明渠水力计算

明渠恒定均匀流的基本公式：

过水面积：

A(bmh)h （4-1）

湿周：

 （4-2）

水力半径：

RA/ （4-3）

流速公式：

v （4-4）

流量公式：

QAv （4-5）

流量模数：

K (4-6)

曼宁公式：

C

1R n

(4-7)

式中：C——谢才系数，对于平方摩阻区宜按曼宁公式确定； R——水力半径，m； i——渠道纵坡；

A——过水断面面积，m2；

n——曼宁粗糙系数，其值按SL/T18-19《渠道防渗工程技术规范》确定。

则：QvACRi

n

531223

1 (bmh)hn

=n

b2hm2

bmhh5

3

12

23

319

b2h53

23

即： Q=f(m,n,i,b,h)

在本设计中，由于断面是矩形，所以边坡系数m为零。

其中：Q由资料取6.67m3/s;

渠道纵坡i根据地形条件取为0.002；

曼宁粗糙系数n无抹灰的混凝土护面取0.014；

上述流量方程中有6个物理量，已确定Q、m、n、i四个，这样6个物理量就仅有两个未知，即 Q=f(b,h)，一般可先确定底宽b或者水深h，再用试算法求剩下的那个物理量。 试算法计算明渠矩形断面尺寸表：

经过试算确定h=1.21,b=2.42,考虑到安全加高及渠道和隧洞的蒸发和渗漏损失，最终设计堤顶为h=1.3m，b=2.42m。

4.2.3明渠均匀流水力计算的其他问题——明渠的允许流速

当渠道流速大于渠床土壤所能承受的最大不冲流速不冲时，渠道将遭受水流的冲刷 。如有些山区渠道，因底坡较陡，流速太大而被冲毁；反之，当渠道流速太小时，水流所携带的泥沙就会沿途下沉使渠底淤高，减小渠道的过水能力；流速过小，渠道还会滋生水草，加大渠道的糙率而减小过水能力，使渠道不能满足使用要求。为了保证渠道的正常工作，渠道的流速应小于渠道的最大不冲流速和大于最小不淤流速，即不冲>>不淤。否则应采取适当措施。 4.2.3.1最大不冲流速

渠道的最大不冲流速值与河床的土壤性质（即土壤种类、颗粒大小和密实性能等）水力半径(或水深)大小等因素有关。计算水力半径：

R

bmhh

b2hm

2



bh2.421.3

0.63 b2h2.4221.3

根据《水力学》明渠均匀流岩石和人工护面性质查的混凝土护面渠道的允许不冲流速不冲：

不冲=8m/，即不冲=0.8R0.80.63=6.95m/s>6.67m/s

a0.3

4.2.3.2最小不淤流速

关于渠道的最小不淤流速不淤的确定：如果渠道不含泥沙或含的泥沙极小，只是为了避免水草滋生而降低过水能力，一般对于大型渠道不淤不得小于0.5m/s，对于小型渠道

不淤不得小于0.3m/s。如果渠道水流还有一定的泥沙，应使渠道的设计流速不小于能携带

来水含沙量的流速。因此渠道的最小不淤流速与水流中的泥沙的性质有关，不淤可用下面的经验公式计算：不淤c'R

式中：不淤为最小不淤流速，R为水力半径，c'为根据渠道水流中泥沙性质而定的一个系数，c'0.6，故不淤c'R0.60.630.48m/s

4.3无压引水隧洞的设计

4.3.1无压引水隧洞的整体布置

坝后引水明渠末端接无压引水隧洞，隧洞纵坡为2‰，布置洞长4220.00m。由于前池处无法设泄水道，所以在隧洞桩号3+834.109m处开一泄水洞，泄水洞至前池段无压洞按动力渠道设计。开挖断面泄水洞前为3.20m×3.768m的城门型，泄水洞后为3.90m×4.389m的城门型。

4.3.2水工隧洞的功用

（1）配合溢洪道宣泄洪水，有时也可作为主要泄洪建筑物之用。 （2）引水发电，或为灌溉、供水、航运和生态输水。

(3)排放水库泥沙，延长水库使用年限，有利于水电站等的正常运行。 （4）放空水库，用于人防或检修建筑物。 （5）在水利枢纽施工期用来导流

4.3.3水工隧洞的分类

为满足水利水电工程各项任务的需要，在地面以下开凿的各种隧洞，称为水工隧洞。

水工隧洞可分为泄洪隧洞、引水发电和尾水隧洞、灌溉和供水隧洞、放空和排沙隧洞、施工导流隧洞等。按隧洞内的水流流态，又可分为有压隧洞和无压隧洞。在设计水工隧洞时，应该根据枢纽的规划任务，按照一洞多用的原则，尽量设计为多用途的隧洞，以降低工程造价。

4.3.4水工隧洞的布置 4.3.4.1总体布置

（1）水工隧洞在枢纽中的布置应根据枢纽的任务、泄水建筑物总体规划、建筑物的特性和相互关系、泄洪流量、地形、地质、施工、运行等条件综合研究并经技术经济比较后才能确定。

（2）在合理选定洞线方案的基础上，根据地形、地质及水流条件，选定进口位置及进口结构形式，确定闸门在隧洞中的布置。

（3）确定洞身纵坡及洞身断面形状和尺寸。

（4）根据地形、地质、尾水等条件及其与其他建筑物之间的相互关系，选定出口位置、高程及消能方式。

（5）布置水工隧洞时还应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的要求。应使原自然环境较少破坏，较易恢复，环境投资最小。 5.2.3.2洞线选择

泄水隧洞的线路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）隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造、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。

（2）洞线在平面上应力求短直，这样即可减小工程费用，方便施工，且有良好的水流条件。

（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靠边坡一侧的岩体厚度（统称为围岩厚度）。

（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。

（5）对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、地质条件，布置一些施工支洞、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。

4.4无压隧洞设计荷载及衬砌计算

4.4.1无压隧洞设计荷载计算（3.20×3.768）

无压引水隧洞穿过较为完整坚硬的岩层时，其顶拱中心角一般不大，拱圈较平，岩石对拱圈下部的弹性抗力作用很小，可以不必考虑。本设计中围岩为较为完整的砂岩，不考虑岩石弹性抗力。其荷载组合为：垂直山岩压力+侧向水平山岩压力+衬砌自重。 ⑪基本数据

岩石容重=24kN/,开挖宽度B=3.20m，开挖高度H=3.768m。 ⑫计算

①按SDB4-84《水工隧洞设计规范》计算：

垂直山岩压力强度q=（0.1～0.2）B=0.1×24×3.20=7.68kN/m3 ②按普氏公式计算

查《隧洞》中表3-2，选用岩石坚硬系数f=6。，内摩擦角φ=75º，岩=24kN/m³

按公式计算：

塌落拱高度h=（B+2Htg（45-φ/2））（/2f）=（3.2+2×3.768tg（45-75/2））∕(2×6)=0.34973m 曲线形洞顶均匀分布的垂直山岩压力强度

q=0.7h=0.7×24×0.34973=5.8756kN/m³

侧向水平压力强度按松散体理论，由下列公式计算：

在洞顶面处 e1=0.7γ岩htg2（45-ψ/2）=0.7×24×0.34973×tg2（45-75/2）=0.1018 kN/m³

在洞底面处 e1=(0.7h+H)γ岩tg2（45-ψ/2）=(0.7×0.34973+3.768)×24×tg2（45-75/2）

=1.6692kN/m³

为了简化计算，在设计中多采用e1、e1的平均值e=（e1+e2）/2=（0.1018+1.6692）/2=0.8855kN/m³

③按简化公式计算

查表《山岩压力强度q及e的计算用表》得，当岩石坚硬系数f=6，相应q、e的系数为0.074、0.010

q=0.074γB=0.074×24×3.20=5.6832kN/m³ e=0.01γH=0.01×24×3.768=0.90432 kN/m³ 4.4.2无压隧洞的衬砌计算（3.20×3.768）

本设计采用查表法计算圆拱直墙式衬砌断面。 ⑪基本资料

① 洞身衬砌断面形式和尺寸

洞身为等厚度衬砌的城门洞形断面，顶拱为半圆形，洞底采用与侧墙整体式连接的平底板，各部分尺寸如下：

洞身净宽B=3.0m；洞身净高H=3.16m；拱顶内半径=1.5m；直墙高=1.66m。衬砌厚度初步拟定为d=0.32m，底板厚度采用与顶拱及侧墙相同。 ②设计荷载

均布垂直山岩压力强度为q=40kN/m³；均布侧向水平山岩压力强度为e=10kN/m³（m=q/e=4），不考虑岩石弹性抗力、摩擦力及内水压力。 ② 衬砌材料

采用C15混凝土衬砌，混凝土弹性模量为E=22000000 N/m²，混凝土容重为混=24kN/m³。 ⑫计算

由于在设计中不考虑岩石弹性抗力作用及拱座转角的影响，且衬砌为等厚，抗弯强度EJ值为常数，在及的计算公式中，EJ值可以消去，因此在形常数及荷载常数的计算 公式中可以不必计入EJ的实际值，使计算更简单。 ①计算简图及基本结构

以衬砌中心线作为计算拱轴线，计算简图及基本结构如图4-1。 基本尺寸计算如下：

计算矢高 f=H+d/2=3.16+0.32/2=3.32m 计算跨度 L=B+d=3.0+0.32=3.32m 顶拱计算半径 r=r+d/2=1.5+0.32/2=1.66m

计算矢高与拱顶计算半径的比值为m=f/r=3.32/1.66=2

q

q

②钢臂长度c的计算

C=Ac×r 根据m=2，查《隧洞》表4-39、表4-48得Ac=0.805508(Ac为计算常数)，则：C=Ac×r=0.805508×1.66=1.337143

③形常数计算（以下所有系数，如11、22等由表4-39～4-48查得，除1c、2c由表4-42查取）

1.66/EJ=4.268/EJ 11 =11r/EJ=2.5707963×

/EJ=4.673/EJ 22=22r3/EJ=1.0214853×1.66³

③ 载常数计算(各载常数按不同荷载分别作用叠加求的) ⅰ.垂直山岩压力作用

根据m=2由表4-40查的：1q=-0.8926991，2q=-0.2569565

△1p=A1qqr3/（EJ)=（-0.8926991）×40×1.663/EJ=-163.34/EJ △2p=A2qqr4/（EJ)=(-0.2569565)×40×1.664/EJ=-78.05/EJ ⅱ.衬砌自重作用

衬砌自重：g=γ混d=24×0.32=7.68 kN/m²

△1p=A1ggr3/（EJ)=（-1.0)×7.68×1.663/（EJ）=-35.13/EJ △2p=A2ggr4/（EJ)=（-0.3017932）×7.68×1.664/（EJ）=-17.60/EJ ⅲ.矩形水平山岩压力作用

△1p=A1eer3/（EJ)=(-1.3447689)×10×1.66³/（EJ)=-61.51/EJ △2p=A2eer4/（EJ)=(-0.9219444)×10×1.66²×1.66²/（EJ)=-70.01/EJ ⅳ.载常数总和

△1p =- △2p=-

1

(163.34＋35.13＋61.51)=-259.98/EJ EJ

1

（78.05+17.60+70.00)=-165.65/EJ EJ

⑤多余未知力1及2的计算

1= -△1p/11=-(-259.98)/4.268=60.91 kN.m 22=-△2p/22=-(165.65)/4.673=35.45 kN.m ⑥各截面弯矩值计算

各截面弯矩值按下式计算：

M=Mp+1+2(y-c) （4-8） 式中y为各截面对以顶拱O为坐标原点的纵坐标，为外荷载作用下的弯矩，利用《隧洞》表4-45及表4-47数据计算，表中各乘数值按已知荷载值计算如下： qr²=40×1.66²=110.22 gr²=7.68×1.66²=21.16 er²=10×1.66²=27.56 圆拱各截面：y=r-rcosφ

y-c=r-rcosφ-c=0.323-rсоsφ 直墙段各截面：y-c=y-1.337

各截面M及计算分别列于表4-1及表4-2 表4-1

各截面计算表

截位置 面编号

0 φ=0 1 φ=15 2 φ=30

山岩垂直压力作用 0 -3.69 -13.78

系数

衬砌自系数 重作用

侧向山系数合计MP 岩压力（m=2） 作用

0 0

-0.00058 -4.4226 -0.00897 -16.7347

0 0

-0.033494 -0.7126 -0.125 -2.7047

0 0

-0.03368 -0.02 -0.12782 -0.25

3 φ=45 4 5 6 7

φ60 φ=75 y=r

y=r+0.25yh

-27.55 -0.25 -41.33 -51.42 -55.11 -55.11

-0.375 -0.466506 -0.5 -0.5

-5.5539 -8.6100 -11.0711 -12.078 -12.078 -12.078 -12.078 -12.078

-0.26247 -1.18 -0.4069 -0.52321 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708

-3.45 -7.57 -13.8 -21.5 -31.0 -42.2 -55.1

-0.04289 -34.2839 -0.125 -0.27467 -0.5 -0.78125 -1.125 -2

-53.39 -70.061 -80.988 -88.688 -98.188 -122.288

8 y=r+0.5yh 10 y=r+y h

表4-2

-55.11 -0.5 -55.11 -0.5

9 y=r+0.75yh -55.11 -0.5 -1.53125 -109.388

截位置 面编号

0 φ=0 1 φ=15 2 φ=30 3 φ=45 4 5 6 7

φ=60 φ=75 y=r

y=r+0.25yh

各截面M计算表

y-C（拱) cosφ y-C（直X2（y-C）

(=0.323－rcosφ)

墙） (y=－1.337)

X2（y-C） 合计M

-1.337

-1.28 -1.115 -0.851 -0.507 -0.107 0.323

1

0.96593 0.86603 0.70711 0.5 0.25882 0

-47.402 -45.391 -39.513 -30.161 -17.973 -3.7804

13.508 11.098 4.668 -3.571 -10.45 -12.93 -8.613 -1.647 3.591 7.106 8.899

0.323 0.738 1.153 1.568 1.983

11.445 26.162 40.874 55.586 70.297

8 y=r+0.5yh 10 y=r+yh

9 y=r+0.75yh

⑦各截面轴向力的计算：

各截面轴向力按下式计算

N=Np+2сosφ （4-9）

式中：Np为各种外荷载作用下的轴向力，其值根据各种荷载值利用表4-46及4-48（《隧洞》）数据分别计算后叠加求得，表中各乘数值按已知荷载值计算如下： qr=40×1.66=66.4

gr=7.68×1.66=12.7488 er=10×1.66=16.6

各截面及N值计算分别列于表4-3及表4-4; ⑧内力计算校核

按下式拱顶截面转角总和为零的条件，校核各截面弯矩计算结果是否正确：



s0

ds1

=EJEJ

Mds

60

10

Mds=



1s0

M04M1M3M52M2M4M6s1M64M7M92M8M100

EJ33

（4-10）

式中：M0,M1,M3....为各截面弯矩值，由表4-55查得；S0为圆拱段每相邻两截面间弧段长度，其值为： S0=

S01r

=×=0.434 662

S1=S1/4=уh/4=1.66 /4=0.415 即



s

20

Mds EJ

043413514110983571129324668104586133041586134165710623598899=-0.02/EJ≈0

3

上述演算表明各截面弯矩计算无误。 表4-3

各截面计算表

截位置 面编号

山岩垂直压力作用

系数

衬砌自重作用

系数（m=2） 侧向山

岩压力作用

系数（m=2）

合计NP

0 1 2 3 4 5 φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 φ=60 φ=75 0 4.448 16.6 33.2 49.8 6.195 0

0.066987 0.25 0.5 0.75 0.933013 0 0.864 3.338 7.080 11.56 16.12

0.06776 0.2618 0.55536 0.9069 1.26439 0 -0.55 -1.93 -3.44 -4.15 -3.18 0

-0.03291 -0.1160 -0.20710 -0.25 -0.19183 0 4.765 18.01 36.84 57.21 19.13

6 7 8 9

y=r y=r+0.5yh

66.4 66.4 66.4

1 1 1 1 1

20.03 23.21 26.4 29.59 32.78

1.5708 1.8208 2.0708 2.3208 2.57080

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

86.43 89.61 92.8 95.99 99.17

y=r+0.25yh 66.4 y=r+0.75yh 66.4

10 y=r+yh

表4-4：

各截面N计算表

截面编号 0 1 2 3 位置 φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 X2cosφ N

截面编号 位置

4

φ=60 17.725 74.937 10 y=r+yh

99.17

5 φ=75 9.175 28.31

35.45 35.45 6 y=r

86.426

34.24 43.25 7

y=r+0.25yh

89.613

30.7 48.71 8

y=r+0.5yh 92.8

25.067 61.91 9

y=r+0.75yh

95.98

X2cosφ N

⑨各截面应力计算：

衬砌截面边缘应力按下式计算: 衬砌外缘 外

N6e

1 （4-11） Fd

式中：N为截面轴向力；见表；F为衬砌截面面积。当沿洞身轴向的计算宽度取b=1时，F=bd=d.d为各分块重心在截面的计算厚度，d=0.32m,e为轴向力对截面重心的偏心距， 其值为e

M

N

衬砌内缘

内

N6e1Fd （4-12）

各截面边缘应力计算如表4-5 表4-5

各截面边缘应力计算表

截

面

弯矩M

轴向力N

偏心矩e

6e/d

N/F

外缘应力σ外

内缘应力σ内

0 1

13.508 11.098 35.45 43.25 0.3811 0.2566 7.144 4.812

110.78 135.14 902.28 785.42 -680.72 -515.13

2 4.668 48.71 0.095 1.767 152.23 193.47 234.18 88.45 270.08 280.04 290.00 299.96 309.9

425.73 -14.05 -378.16 -669.16 -234.57 274.89 500.40 716.34 831.37

-121.3 400.99 846.52 846.06 774.73 376.56 79.60 -116.4 -211.5

3 -3.571 61.91 -0.057 -1.073 4 -10.451 74.937 -0.139 -2.615 5 -12.929 28.305 -0.456 -8.565 6 -8.613 86.426 -0.099 -1.869 7 -1.647 89.613 -0.018 -0.345 8 3.591 92.8 0.0387 0.726 9 7.106 95.98 0.074 1.388 10 8.899 99.17 0.089 1.683

表中：

弯矩M及轴向力N值分别见表4-2，表4-4 弯矩符号以逆时针旋转为正，顺时针旋转为负

偏心距e为正时，表示轴向力偏向截面重心外侧，为负时，表示轴向力偏向截面重心内侧。 轴向力N及边缘应力均以压力为正，拉力为负。 ⑩应力验算

拉应力 拉压应力 压

rR1

（4-13） K1

Ra

（4-14） K2

式中：R1—混凝土抗拉设计强度 Ra—混凝土轴心抗压设计强度

K1,K—混凝土构建强度安全系数

r—截面抵抗距的塑性系数，对于矩形截面r=1.55

以上数据需查水利电力部1978年颁发的《水工钢筋混凝土结构设计规范》相关表格。经计算的：

拉

1.705900

767（KN/m²） 27500

5769（KN/m²） 1.3

压

由表4-5可知：

⑪在截面1-3范围内和截面7-10范围内均不出现拉应力，且压应力均远小于混凝土允许压应力值；

⑫最大拉应力发生在拱顶截面的内缘，其值为б拉=680.72KN/m²

⑬在截面5衬砌外缘产生的最大拉应力б拉=669.19KN/m²，衬砌内缘产生的最大压应力б压=846.06KN/m²，此值均小于允许拉应力767KN/m²和允许压应力5769KN/m²。 综上所述：经检验最大拉应力和最大压应力均满足要求，即衬砌满足强度要求。 4.4.3无压隧洞设计荷载计算（3.90×4.389）

无压引水隧洞穿过较为完整坚硬的岩层时，其顶拱中心角一般不大，拱圈较平，岩石对拱圈下部的弹性抗力作用很小，可以不必考虑。本设计中围岩为较为完整的砂岩，不考虑岩石弹性抗力。其荷载组合为：垂直山岩压力+侧向水平山岩压力+衬砌自重。 ⑪基本数据

岩石容重=24kN/m³,开挖宽度B=3.90m，开挖高度H=4.389m。 ⑫计算

①按SDB4-84《水工隧洞设计规范》计算：

垂直山岩压力强度q=（0.1～0.2）岩B=0.1×24×3.90=9.36kN/m3 ②按普氏公式计算

查《隧洞》中表3-2，选用岩石坚硬系数f=6。，内摩擦角=75º，岩=24kN/m³ ⅰ按公式计算：

塌落拱高度h=（B+2Htg（45-ψ/2））/（2f）=（3.9+2×4.389tg（45-75/2））/12=0.4213m 曲线形洞顶均匀分布的垂直山岩压力强度

q=0.7岩h=0.7×24×0.4213=7.0779kN/m³

侧向水平压力强度按松散体理论，由下列公式计算：

在洞顶面处e1=0.7γ岩htg2（45-ψ/2）=0.7×24×0.4213×tg2（45-75/2）=0.12268

22在洞底面处e1=(0.7h+H)γ岩tg（45-ψ/2）=(0.7×0.4213+4.389)×24×tg（45-75/2）=1.9484 kN/m³

为了简化计算，在设计中多采用e1、e1的平均值e=（e1+e2）/2=（0.12268+1.9484）/2=1.0355 kN/m³

ⅱ按简化公式计算

查表《山岩压力强度q及e的计算用表》得，当岩石坚硬系数f=6，相应q、e的系数为0.074、0.010

q=0.074岩B=0.074×24×3.9=6.9264kN/m³ e=0.01岩H=0.01×24×4.389=1.0534 kN/m³ 4.4.5无压隧洞的衬砌计算（3.90×4.389）

本设计采用查表法计算圆拱直墙式衬砌断面。 ⑪基本资料

① 洞身衬砌断面形式和尺寸

洞身为等厚度衬砌的城门洞形断面，顶拱为半圆形，洞底采用与侧墙整体式连接的平底板，各部分尺寸如下：

洞身净宽B=4.0m；洞身净高H=4.22m；拱顶内半径r´=2m；直墙高уh=2.22m。衬砌厚度初步拟定为d=0.44m，底板厚度采用与顶拱及侧墙相同。 ②设计荷载

均布垂直山岩压力强度为q=40kN/m³；均布侧向水平山岩压力强度为e=10kN/m³（m=q/e=4），不考虑岩石弹性抗力、摩擦力及内水压力。 ③衬砌材料

采用C15混凝土衬砌，混凝土弹性模量为E=22000000 N/m²，混凝土容重为=24kN/m³ ⑫计算

由于在设计中不考虑岩石弹性抗力作用及拱座转角的影响，且衬砌为等厚，抗弯强度EJ值为常数，在及的计算公式中，EJ值可以消去，因此在形常数及荷载常数的计算公式中可以不必计入EJ的实际值，使计算更简单。 ① 计算简图及基本结构

以衬砌中心线作为计算拱轴线，计算简图及基本结构如下图4-2所示。 基本尺寸计算如下：

计算矢高 f=H+d/2=4.22+0.44/2=4.44m 计算跨度 L=B+d=4+0.44=4.44m 顶拱计算半径 r=r+d/2=2+0.44/2=2.22m

计算矢高与拱顶计算半径的比值为m=f/r=4.44/2.22=2

q

q

②钢臂长度c的计算

C=Ac×r 根据m=2，查《隧洞》表4-39、表4-48得Ac=0.805508，则：C=Ac×r=0.805508×2.22=1.788228

③形常数计算（以下所有系数，如11、22等由表4-39～4-48查得，除1c、2c由表4-42查取）

11=11r/EJ=2.5707963×2.22/EJ=5.707/EJ 22=22r3/EJ=1.0214853×2.22³/EJ=11.176/EJ ④载常数计算 ⅰ垂直山岩压力作用

△1p=A1qqr3/（EJ)=（-0.8926991）×40×2.223/EJ=-390.68/EJ △2p=A2qqr4/（EJ)=(-0.2569565)×40×2.224/EJ=-249.64/EJ ⅱ衬砌自重作用

衬砌自重：g=γ混d=24×0.44=10.56 kN/m²

△1p=A1ggr3/（EJ)=（-1.0)×10.56×2.223/（EJ）=-115.54/EJ △2p=A2ggr4/（EJ)=（-0.3017932）×10.56×2.224/（EJ）=-77.41/EJ ⅲ矩形水平山岩压力作用

△1p=A1eer3/（EJ)=(-1.3447689)×10×2.22³/（EJ）=-147.13/EJ △2p=A2eer4/（EJ)=(-0.9219444)/×10×2.22²×2.22²/（EJ）=-223.93/EJ

ⅳ载常数总和

△1p = △2p=

1

390.68115.54147.13653.EJ EJ

1

249.6477.41223.93550.EJ EJ

⑤多余未知力及的计算

1=-△1p/11=-（-653.35）÷5.707=114.48 kN.m 2=-△2p/22=-(550.98)÷11.176=49.30 kN.m ⑥各截面弯矩值计算

各截面弯矩值按下式计算：

MMp12yc (4-15)

式中y为各截面对以顶拱O为坐标原点的纵坐标，为外荷载作用下的弯矩，利用《隧洞》表4-45及表4-47数据计算，表中各乘数值按已知荷载值计算如下： qr²=40×2.22²=197.136 gr²=10.5×2.22²=52.041 er²=10×2.22²=49.284 圆拱各截面：y=r-rсosφ

y-c= r-rсosφ-c=0.432-2.22сosφ 直墙段各截面：y-c=y-1.788 各截面M计算分别列于表4-6及表4-7 ⑦各截面轴向力的计算：

各截面轴向力按下式计算

 (4-16) p2cos

式中：Np为各种外荷载作用下的轴向力，其值根据各种荷载值利用表4-46及4-48（《隧洞》）数据分别计算后叠加求得，表中各乘数值按已知荷载值计算如下： qr=40×2.22=88.8 gr=10.56×2.22=23.4432 er=10×2.22=22.2

各截面及N值计算分别列于表4-8及表4-9; 表4-6

各截面计算表

截位置 面编号

0 φ=0 1 φ=15 2 φ=30 3 φ=45 4 φ=60

山岩垂直压力作用 0 -6.60 -24.6 -49.3 -73.9

系数

衬砌自重系数 作用

侧向山系数合计MP 岩压力（m=2） 作用 0 -0.03 -0.44 -2.11 -6.16 -13.5 -24.6 -38.5 -55.4 -75.5 -98.6

-0.0006 -0.0089 -0.0429 -0.125 -0.2747 -0.5 -0.7812 -1.125 -1.5313 -2

-8.384 -31.74 -65.06 -101.3 -132.7 -152.9 -166.8 -183.7 -203.7 -226.8

-0.03349 -0.125 -0.25 -0.375 0

-1.753 -6.652 -13.659 -21.176 0

-0.0337 -0.1278 -0.2625 -0.4069 -0.5232 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708

5 φ=75 -92.0 6 y=r -98.6 7 y=r+0.25yh -98.5 8 y=r+0.5yh 10 y=r+y h

-98.6 -98.6

9 y=r+0.75yh -98.6

-0.46651 -27.229

-0.5 -29.705 -0.5 -29.705 -0.5 -0.5 -0.5

-29.705 -29.705 -29.705

表4-7

各截面M计算表

截位置 y-C（拱） cosφ y-C（直）X2（y-C） X2（y-C）

面

(=0.432-2.

22сosφ)

(=y-1.788)

合计M

0 1 2 3 4 5 φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 φ=60 φ=75 -1.788 -1.712 -1.491 -1.137 -0.678 -0.143 1

0.965926 0.866025 0.707107 0.5

0.258819 0

-88.15 -84.4 -73.51 -56.05 -33.43 -7.05

26.33 21.69 9.23 -6.63 -20.25 -25.72 -17.12 -3.36 6.85 14.16 18.42

6 y=r 0.432 7 y=r+0.25yh 8 y=r+0.5yh 10 y=r+y h

表4-8

9 y=r+0.75yh

0.432 0.987 1.543 2.097 2.652

21.30 48.66 76.07 103.38 130.74

各截面计算表

截位置 面

山岩垂直压力作用

系数

衬砌自重作用

系数（m=2） 矩形侧

向山岩压力作用

系数（m=2） 合计NP

1 2 3 4 5 6 7 8 9

φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 φ=60 φ=75 0 5.94 22.2 44.4 66.6 8.28 0

0.066987 0.25 0.5 0.75 0.933012 1 1 1 1 1

0 1.588 6.134 13.02 21，261 29.64 36.82 42.68 48.52 54.41 60.27

0.06775 0.26179 0.55536 0.9069 1.26439 1.57079 1.82079 2.07079 2.32079 2.57079

0 -0.73 -2.57 -4.59 -5.55 -4.26 0 0 0 0 0

-0.03291 -0.11602 -0.20710 -0.25 -0.19183 0 0 0 0 0

0 6.806 25.76 52.82 82.31 33.67 125.6 131.4 137.3 143.2 149.0

y=r 88.8 y=r+0.25yh 88.8 y=r+0.5yh

88.8 88.8

y=r+0.75yh 88.8

10 y=r+yh

表4-9：

各截面N计算表

截面编号 0 1 2 位置 φ=0 φ=15 φ=30 X2cos N

截面编号 位置

3

φ=45 58.12 110.946 9

y=r+0.75yh

143.21

4 φ=60 41.1 123.411 10 y=r+yh

149.07

5 φ=75 21.275 54.943

82.2 82.2 6 y=r

125.625

79.399 86.205 7

y=r+0.25yh

131.485

71.19 96.95 8

y=r+0.5yh

137.32

X2cos N

⑧.内力计算校核

按下式拱顶截面转角总和为零的条件，校核各截面弯矩计算结果是否正确：

10Mds16

MdsEJEJ00Mds1S0

M04M1M3M52M2M4M6S1M64M7M92M8M100

EJ33 式中：M0,M1,M3为各截面弯矩值，由表4-55查得；S0为圆拱段每相邻两s20



截面间弧段长度，其值为：

S0 S1 则

S01r

0.580 9662

S1yh

2.2240.555 44



s

20

MdsEJ



10.5809326.33421.696.6325.2729.2320.2517.120.EJ0 EJ0.555317.1243.6614.1626.8518.42上述演算表明各截面弯矩计算无误。

⑨各截面应力计算：

衬砌截面边缘应力按下式计算: 衬砌外缘 外

N6e

1 (4-17) Fd

式中：N为截面轴向力；见表；F为衬砌截面面积。当沿洞身轴向的计算宽度取b=1时，F=bd=d.d为各分块重心在截面的计算厚度，d=0.44m,e为轴向力对截面重心的偏心距，其值为e

M。 N

衬砌内缘 内

N6e

1 (4-18) Fd

各截面边缘应力计算如表4-10 表中：

弯矩M及轴向力N值分别见表

弯矩符号以逆时针旋转为正，顺时针旋转为负

偏心距e为正时，表示轴向力偏向截面重心外侧，为负时，表示轴向力偏向截面重心内侧。 轴向力N及边缘应力均以压力为正，拉力为负。 ⑩应力验算

拉应力 拉

rR1

(4-19) K1

Ra

(4-20) K2

压应力 压

式中：R1—混凝土抗拉设计强度

R—混凝土轴心抗压设计强度

K1,K—混凝土构建强度安全系数

r—截面抵抗距的塑性系数，对于矩形截面r=1.55

以上数据均需查水利电力部1978年颁发的《水工钢筋混凝土结构设计规范》相关表格。

拉

1.705900

767（KN/m²） 2

7500

5769（KN/m²） 1.3

压

经检验最大拉应力,最大压应力均满足强度要求。采用衬砌厚度d=0.44m。 表4-10

各截面边缘应力计算表

截面弯矩M 编号

轴向力N

偏心矩e

6e/d

N/F

外缘应力σ外

内缘应力σ内

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

26.33 21.70 9.23 -6.63 -20.25 -25.72 -17.12 -3.66 6.85 14.16 18.42

82.2 86.21 96.95 110.95 123.41 54.94 125.62 131.49 137.32 143.21 149.07

0.3203 0.2517 0.0952 -0.1641 -0.4681 -0.1363 -0.0291 0.0499 0.0989 0.1236

4.366 3.432 1.298 -2.238 -6.383 -1.859 -0.397 0.680 1.349 1.685

-0.0598 -0.815

186.82 195.93 220.34 252.16 280.47 124.87 285.5 298.8 312.1 325.47 338.79

1002.48 868.36 506.34 46.65 -347.22 -672.16 -245.24 180.17 524.33 764.53 909.65

-628.84 -476.50 -65.66 457.67 908.16 921.92 816.24 417.42 99.87 -113.58 -232.07

5.压力前池的设计

前池的设计包括连接段、池身和水电站进水口的设计。前池应布置在稳定的地基上，避开滑坡和顺坡裂隙发育地段，并充分注意前池建成后水文地质条件变化对建筑物及高边坡稳定的不利影响，确保前池和下游厂房的安全。

5.1侧堰布置及水力计算

5.1.1侧堰堰顶高程的确定

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，侧堰的堰顶高程应高于设计流量下水电站运行时的过境水流水面高程h0.10.2m,本工程取h0.1m

过境水流水面高程2隧洞末端底部高+程隧洞正常水深 式中，隧洞正常水深h

Q

,由资料得v=1.885m/s,则h=1.22m bv

过境水流水面高程2隧洞末端底部高程隧洞+正常水深

=1040.95+1.22

=1942.17

侧堰的堰顶高程32h1942.170.11942.27 5.1.2侧堰堰顶长度、堰上平均水头的确定

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，对于设一道侧堰的布置，当水电站在设计流量下运行，侧堰不溢水；当水电站突然甩全部负荷待水流稳定后全部流量从侧堰溢出，为控制工况。此时，引水隧洞流量为零，侧堰泄流能力按下式计算：

QLmLL

2gh

32

(5-1)

式中：L—侧堰长度(m)；

mL—流量系数，宜取（0.9～0.95m0,m0侧堰类型正堰的流量系数，m0=0.427，本工程取mL0.9m00.3843。

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，侧堰的堰顶长度，堰上平均水头， 需经计算溢流堰长度与溢流堰顶水深有关，溢流水深过大，则单宽流量大，消能工程量大，

但溢流水深小，则溢流长度就长，影响前池平面布置，所以在计算时两者应统筹兼顾。根据上述原则，经试算确定堰顶长度和堰上水头尺寸如下：

取 H堰=0.4，L堰=3.7

5.2压力前池各部分平面尺寸的确定

5.2.1前池池身平面尺寸的确定

对于中小型电站进水室长度L进=3—5m，本工程取L进=5m； 单管的进水室宽度b进=（1.5～1.8）D；

式中：D为压力管道直径，本设计中取D=1.3m，取b进=1.8D=1.8×1.3=2.34，最终取b进=5m；

进水室宽度 进nb进n1d； (5-2)

式中n为进水室的个数，同压力钢管个数；d为隔墩厚度。本设计中取n=1，d=0；则B进=b进=5m。

前池池身宽度B前=（1.0～1.5）B进，本设计取B前=1.5×5=7.5，取B前=8m； 前池池身长度L前=（2.5～3.0）B前，本设计取L前=3.0B前=3.0×8=24m；

5.3压力前池特征水位的拟定

5.3.1进水室入口处的水深 满足下列条件： b进h进

h进

Q设

进

(5-3)

即：

Q设

v进b进

式中：Q设为隧洞的设计流速，v进为拦污栅的允许过栅流速，一般不超过1.0～1.2m/s, 取v进=0.9 m/s；

则h进最小

6.67

1.48m 0.95

5.3.2前池正常水位

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，应以设计流量下水电站正常运行时的水位作为正常水位。

Z正常=隧洞末端底部高程+隧洞正常水深 =1940.95+1.22=1942.17m 5.3.3前池最高水位：

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，前池和引水渠道内的最高水位，应按照设计流量下正常运行时的水位作为正常水位。

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，侧堰作为控制泄流建筑物，对涌波起到控制作用，即对引水系统来说，控制工况是：电站甩满负荷待水流稳定后（涌波已消失），全部流量从侧堰溢出时将恒定流时的堰上水头乘以1.11.2的系数，把这时的水位定为最高涌波水位。

即Z最高堰顶高程31.3H堰 或Z最高堰顶高程3H0 式中：H0为安全超高，取=0.5m

则 Z最高1942.17+0.5=1942.67m

5.3.4前池最低水位：

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，前池最低水位可根据水电站运行要求确定。一般前池最低水位为电站突然增加负荷前前池的起始水位Z0减去突然增加负荷时的最低涌波h最大。

对于非自动调节渠道，起始水位Z0可取溢流堰的堰顶高程3，最低涌波h最大按一台机组运行突增到两台机组，即发电流量由3.336m³/s突然增加到6.67m³/s时的前池水位降落。

引水渠道中产生落波时，波的传播速度和波高可按下式连理求解：

C0

gW03B0'h0

1V0 (5-4) 0'2W0

Qc0B01h0 (5-5) 负荷变化前的流量Q03.336m³/s 负荷变化后的流量Q'6.67m³/s

下面试算法求解波速c0，起始断面波高h0： 假设h0=0.21m

波流量Q3.336m³/s

h0

B0'b2mh3.389m

2

负荷变化的过水断面面积W0Q003.3361.61=2.072

则波速c0=4.649m/s

则起始断面波高h00.21m

最大Kh02h00.42m

Z最低Z正常-h最大=1042.17-0.42=1941.75m

5.4压力前池各部分高程的拟定

5.4.1进水室淹没深度S的确定

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，水电站进水口上缘淹没与最低水位线以下时按SD303确定。淹没深度按戈登公式确定：

SCVd (5-6) 式中：C—系数，对于对称进水口，C=0.55 d—进水口闸门高度，本工程取d=2.00m v—进水口闸门断面流速，V===1.6675m/s,V

则， S0.551.667521.297m

Q6.67

1.6675m/s bh22

5.4.2进水室底板高程的确定 进水室底板高程Z最低-Sd =1941.75-1.297-2 =1938.453m

6.压力水管的设计

6.1压水管的布置及供水方式

压力水管主要是从水库或压力前池向水轮机输送水量。其一般特点是坡度陡，承受内水压力及水击压力大，位置靠近厂房。按照管壁材料，压力水管可分为钢管、钢筋混凝土管和钢衬钢筋混凝土管等。其中钢管具有强度高、防渗性能好的优点，适用于中高水头的水电站，在高水头小型水电站中，钢管具有很好的适应性和经济性。因此，本设计中采用 压力明钢管。

6.1.1压力钢管的布置原则

水电站压力钢管的布置应根据其形式、当地的地形地质条件和工程总体布置要求确定，力求满足安全、可靠、经济、耐久的要求，具体要遵循的原则有尽可能选择良好的地形地质条件和短而直的路线；尽量减少管道起伏波折，避免出现反坡，以利管道排空，且管顶不得产生负压，以免影响水轮机的运行，故管道顶部至少应在最低压力线2m以下；管道的转弯半径不宜小于3倍管径，且位置相近的平面转弯和立面转弯应尽量合并，位置相等的弯管和渐缩管宜合并成渐缩弯管；为了安装检修，明钢管的底部至少应高出其下地表0.6m，直管超过150m时，中间宜加镇墩。

6.1.2压力钢管的供水方式

水电站压力管向水轮机供水一般有以下三种方式：单管单机供水、单管多机供水和多管多机供水。本设计中由于水电站单机流量较小，机组台数不多且结合地形地质条件考虑所需的压力钢管较长，故采用单管多机供水方式。

6.2压力钢管经济管径的确定

压力水管的投资及其年维修费用，一般总是随水管直径的增大而增大，而水管中的水头损失随管径的增大而减小，故压力管道的直径应通过动能经济计算确定，称为经济管径。对于小型水电站，压力水管的经济管径按经济流速估算

DQ最大 (6-1) 0.75Ve

式中：Q最大为压力水管的最大引用流量，m³/s；本设计中Q最大=6.67/s；

Ve为压力水管的经济流速，m/s；明钢管取3～5m/s,本设计中取Ve=4 m/s； 则DQ最大6.67=1.49m 0.75Ve0.754

6.3镇墩的设计

压力钢管的镇墩一般布置在管道的转弯处，以承受因管道改变方向而产生的不平衡力，将管道固定在山坡上，不允许管道在镇墩处发生任何位移。在管道直线段，若长度超过150m时，为减小轴向推力应在直线的中间设镇墩，并将伸缩节布置在中间镇墩两侧的等距离处，以减少镇墩所受的不平衡力。镇墩靠自身重量保持稳定，一般用混凝土浇筑，按照管道在镇墩上的固定方式，镇墩可分为封闭式和开敞式两种。小型水电站一般采用封闭式镇墩，因为它结构简单，对管身的固定牢靠。

LBL引水式水电站初步设计

1.流域概况

LBL电站位于L河上。L河为澜沧江中游右岸的一级支流，地处维西傈僳族自治县YZ镇境内。L河流域位于碧罗雪山与云岭之间的澜沧江峡谷，总体地势由西向东倾斜，河流由西向东流入澜沧江。流域地形呈山高谷深的特征，流域最高点海拔高程4553.6m，最低点即L河与澜沧江的汇合口处，海拔高程约1700m。L河全流域面积131.7km²，河道全长21.8km，河道平均坡降90.6‰。水库枢纽及电站进行设计设计，水库建成后，可建装机容量约为2×5000kW的水电站。工程是径流开发引水式水电站，是单一的发电工程，没有航运、过木要求。电站设计引用流量6.67m³/s坝体混凝土采用C15，抗压强度为10MPa,重度采用24KN/m³。

1.2水文特征

坝址各频率洪水流量见表1-1：

表1-1 坝址各频率洪水流量表

1.3电站上、下游特征水位

1.3.1坝址洪水位

上游水位

正常蓄水位： 1958.50m 设计洪水位(P=5.0%)： 1961.11m

校核洪水位(P=1.0%): 1962.19m 淤沙高程： 1955.50m 下游水位

设计洪水位(P=5.0%)： 1955.20m 校核洪水位(P=1.0%): 1955.90m 1.3.2厂址洪水位

澜沧江在L水电站厂址河段处的集雨面积为8.84万km²，百年一遇洪水洪峰流量8280m³/s，相应洪水位约1732m，而L水电站扩建工程的厂房地面高程1732.95m，因此不存在防洪问题。

1.4泥沙

多年平均输沙量：6.54万t(其中悬移质5.03万t) 多年平均含沙量：0.39kg/m

淤沙浮容重取9 KN/m³，内摩擦角为28º

1.5气象

年平均风速1.3m/s 年平均最大风速19m/s （水库吹程3Km） 多年平均气温:11.3℃ 多年平均最高气温:18.5℃ 多年平均最低气温:6.5℃ 多年平均相对湿度：70%

1.6工程地质资料

本工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期0.45s。根据《中国地震基本区烈度区划图》工程区的地震基本烈度为Ⅶ度，工程按Ⅶ度设防。

坝基岩体物理力学指标：LBL水电站扩建坝址位于L河与支流L河汇合口处，属构造侵

蚀深切高中山峡谷地貌。左岸山高坡陡，相对高差大于1000m，坡面上段多呈悬崖绝壁；右岸为一山脊突出部位，山势略缓，相对高差约为1300m，坡面起伏大，为一陡缓相间的复合型坡。坝线上游LBL河由北往南汇入L河，与主河道交汇后形成“T”字型。河流总体流向SE向，坝址段沿突出山体由NNE向SSE呈弧形转弯，坝址处河段流向近E，河底高程1947.5m，河床比降缓，坝轴线河床宽12.0m，河谷呈左陡右缓右岸坡带一台地的“U”型谷，左岸岸坡50°～55°，右岸陡坎台地以上山坡坡度缓，约30°～40°。坝基岩性为二迭系上统下段灰黑色千枚状板岩,长石英细砂岩不等厚亚层，以中厚层长石英砂岩为主。坝基岩体物理力学参数见表1-2。

表1-2

坝基岩土物理力学参数建议值

岩土类别

天然密度

γ(KN/m3)

岩土抗剪强度

岩/岩（岩/砼） 抗剪断强度

抗剪断摩擦系数（f）

弹性模量E (Gpa)

泊松饱和抗允许承载力比μ 压强R [R]

MPa (MPa)

凝聚抗剪凝聚力

力C 摩擦C(Mpa) (Mpa) 系数

（f）

砂砾石 18～20 0

碎石土 20～22 0

23～25 0.2

～0.35

弱风化25～27 0.35石英砂～岩 0.5

强风化石英砂岩

0.4～0.45 0.2～0.28 0.45～0.53 0.53～0.6

/

/ / /

/

/ / / / 0.3～0.35 0.25～0.3

0.3～0.4

/

0.1～0.25

0.5～0.6 (0.6～0.7) 1.0～1.1 (0.9～1.0) 0.6～0.8 5～15 (0.7～0.8)

0.9～1.1 15～20 (0.9～1.0)

30～1.0～1.5 50

50～1.5～2.5 70

2.工程总体布置

2.1洪水调节计算

2.1.1确定工程等别及建筑物级别

水利部、原能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程根据其工程规模效益和在国民经济中的重要性分为五等，见表2-1。

表2-1

水利水电工程分等指标

工程等别

工程规模

水库总库容 防洪 （亿 保护城镇

及

工矿企业重要性

保护 农田 （万亩）

治涝 灌溉 供水 治涝面积（万亩） 供水对象灌溉面积（万亩） 重要性

发电 装机容量（万KW）

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

大（1）型 大（2）型 中型 型 小（2）型

10 101.0

特别重要 500 重要 中等 一般

200 150 特别重要 120

500100

1.00.1

小（1）0.10.01

0.010.001

200～60

100～30 60～15 30～5 15～3 5

3

150～重要

50

50～5 中等 5～0.5 一般 0.5

120～30 30～5 5～1 1

水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级和三级，永久性水工建筑物分级见表2-2。

永久性建筑物系指工程运用期间使用的建筑物，根据其重要性分为：①主要建筑物。系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如坝、水闸、厂房及泵站等。②次要建筑物。系指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，并且易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙及护岸等。

临时性建筑物系指工程施工期间使用的建筑物，如导流建筑物、施工围堰等。 表2-2

2.工程总体布置

2.1洪水调节计算

2.1.1确定工程等别及建筑物级别

水利部、原能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程根据其工程规模效益和在国民经济中的重要性分为五等，见表2-1。

表2-1

水利水电工程分等指标

工程等别

工程规模

水库总库容 防洪 （亿 保护城镇

及

工矿企业重要性

保护 农田 （万亩）

治涝 灌溉 供水 治涝面积（万亩） 供水对象灌溉面积（万亩） 重要性

发电 装机容量（万KW）

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

大（1）型 大（2）型 中型 型 小（2）型

10 101.0

特别重要 500 重要 中等 一般

200 150 特别重要 120

500100

1.00.1

小（1）0.10.01

0.010.001

200～60

100～30 60～15 30～5 15～3 5

3

150～重要

50

50～5 中等 5～0.5 一般 0.5

120～30 30～5 5～1 1

水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级和三级，永久性水工建筑物分级见表2-2。

永久性建筑物系指工程运用期间使用的建筑物，根据其重要性分为：①主要建筑物。系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如坝、水闸、厂房及泵站等。②次要建筑物。系指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，并且易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙及护岸等。

临时性建筑物系指工程施工期间使用的建筑物，如导流建筑物、施工围堰等。 表2-2

永久性水工建筑物的级别

工程等别

永久性建筑物的级别 主要建筑物

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

次要建筑物

1 2 3 4 5

3 3 4 5 5

根据《水利水电工程等别划分及洪水标准》，结合水库枢纽资料和电站装机容量等因素，可确定水库枢纽为小（1）型工程，工程等别Ⅳ等，主要建筑物级别级，次要建筑物级别级，临时性水工建筑物级别级。 2.1.2水库运用方式

水库正常运用期用闸门挡水,以提高电站电站发电水头。水库的正常蓄水位等于防洪限制水位，即水库调洪的起调水位，所以水库的兴利库容与调洪库容重叠为零。洪水到来之前不提前泄洪，洪水到来时，通过调整闸门开度调节下泄流量，当上游来水量大于闸门全开时的泄水量时，开始调洪，此时的泄流量即为起调流量。 2.1.3调洪演算

当水库有下游防洪任务时，它的作用主要是消减下泄洪水流量，使其不超过下游河床的安全泄量。水库的主要任务是滞洪，即在一次洪峰到来时，将超过下游安全泄量的那一部分洪水拦蓄在水库中，待洪峰过去后，再将拦蓄的洪水下泄掉，腾出库容来迎接下一次的洪水。有时，水库下泄的洪水与下游区间洪水或直流洪水遭遇，相叠加后其总泄量会超过下游的安全泄量。这时，就要求水库起“错峰”的作用，使下泄洪水不与下游洪水同时到达需要防护的地区。若水库是防洪与兴利相结合的综合利用水库，则除了滞洪作用外还 有蓄洪作用。即水库在汛期拦蓄部分或全部洪水在兴力库容内，供枯水期兴利部门使用。

水库的调洪作用，在于对入库洪水的滞洪，使出库洪水过程变平缓，洪水历时拉长，洪水流量减小。而影响水库洪水调节的因素，主要是入库洪水、泄流建筑物型式和尺寸以及汛期水库的控制运用方式和下游的防洪要求。若泄流建筑物尺寸减小，同一水位所下泄量也将减小，所需调洪库容则加大。反之。则正好相反。

水库调洪计算的任务，是根据水文分析计算提供的各种标准的设计洪水，对已经拟定的泄洪建筑物型式与尺寸方案，遵循水库汛期的控制运行规则，进行水库的蓄泄调节计算，推求泄流过程和最大下泄流量，并确定有关防洪的特征水位和特征库容。

工程规划设计中防洪设计标准分为两类。第一类是保证水工建筑物自身安全的防洪设计标准，第二类是保障下游防护对象免除一定洪水灾害的防洪标准。水工建筑物的防洪标准又可以分为设计标准（对应正常运用情况）和校核标准（对应非常运用情况）。工程遇到设计标准洪水时应能保证正常运用，遇到校核标准洪水时，主要建筑物不得发生破坏，但允许部分次要建筑物损坏或失效。

水库调洪计算的直接目的，在于求出水库逐时段的蓄水、泄水变化过程，从而获得调节该次洪水后的水库最高洪水位和最大下泄流量，以供进一步防洪计算分析之用。

水库调洪基本原理是逐时段的联立求解水库的水量平衡方程和水库的蓄滞方程。 2.1.3.1水量平衡方程基本方程

在某一时段t内，入库水量与出库水量之差等于该时段内水库蓄水量的变化，公式表示如下。

11

（Q-q）t=(Q1+Q2)Δt-(q1+q2)Δt=V1-V2=△V （2-1）

221

Q—t时段中的平均入库流量（m³/s）,它等于(Q1+Q2);

21

q—t时段中的平均出库流量（m³/s）,它等于(q1+q2);

2Q1、Q2—t时段初、末的入库流量（m³/s）； q1、q2—t时段初、末的下泄流量（m³/s）； V1、V2—t时段初、末水库的蓄水量（m³）； t—计算时段（s）；

△V—t时段水库蓄水量变化值（m³）。

计算时段t，其长短视入库流量的变化程度而定。陡涨陡落的中小河流，t可取短些，流量变化平缓的大河，t可适当取长。 2.1.3.2蓄泄方程

水库通过泄洪建筑物泄洪，该泄量就是水库的下泄流量，水库泄流建筑物的泄流能力，是指某一泄流水头下的下泄流量。在溢洪道无闸门控制或闸门全开的情况下，溢洪道的下泄流量可按堰流公式计算。即

q溢M1BH （2-2）

3

2

q溢—溢洪道的下泄流量（m³/s）； H—溢洪道堰上水头（m）； B—溢洪道堰顶净宽（m）； M1—流量系数，可查水力学书籍。

泄洪洞的下泄流量可按有压管流计算，即

q洞2H （2-3）

1

2

q洞—泄洪洞的下泄流量（m³/s)；

H—泄洪洞计算水头，非淹没出流时，为库水位与洞口中心高程之差；淹没出流时，为上下游水位之差（m）；

ω—泄洪洞洞口的断面面积（m²）； M2—流量系数，可查水力学书籍。

目前常用的调洪计算方法有：列表试算法、半图解法和简单三角形法。

本枢纽的泄洪建筑物采用开敞式溢流堰，堰顶设置闸门，以便于控制洪水的下泄流量，从而达到调洪的目的。其溢流能力按下式计算:

QCmsB2g

H

3

2w

式中:Q—流量；

B—溢流堰净宽,m； Hw—堰顶以上作用水头，m； m—流量系数；

C—上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直面时，C取1.0； ε—侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，可取=0.90～0.95；

σs—淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时=1.0。

本设计已确定堰顶高程，所以只要验算其泄流能力即可。 表2-3

洪水调节计算表

工 况 设 计 校 核

堰顶高程(m)

H上（m）

B（m）

设计流量（Qm³/s） 计算流量Q（m³/s）

1955.50 1955.50

5.61 6.69

10.00 10.00

243.00 371.00

255.00 335.50

溢洪道上一般都设有闸门控制，有利于解决防洪与兴利的矛盾，提高水库的综合效益。在同样满足下游河道允许（安全）泄量的情况下，有闸门控制泄流比无闸门自由泄流所需的防洪库容较小；在相同的防洪库容条件下，由闸门控制泄流可以减小最大下泄流量；当下游有较大区间洪水时，有闸门控制泄流可以错开洪峰遭遇，避免造成大洪水危害；同时也为综合利用水库兴利库容与防洪库容结合使用，创造了有利条件。

2.2坝型选择及枢纽布置

2.2.1坝址及坝型选择

大坝按建筑材料、施工方法、体型等方面分为重力坝、拱坝和土石坝。按坝的高度又分为 ①高坝，坝高>70m；②中坝，坝高为30～70m；③低坝，坝高

重力坝是用混凝土或石料等材料修筑，主要依靠坝体自重保持稳定的坝。重力坝按结 构形式分为：实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝；按泄水条件可分为：非溢流坝和溢 流坝；按建筑材料可分为：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。重力坝在水压力及其他荷载作 用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度要求。

重力坝基本剖面呈三角形。在平面上，坝轴线通常呈直线，有时为了适应地形、地质条件，或为了枢纽布置上的要求，也可布置成折线或曲率不大的拱向上游的拱形。为了s适应地基变化、温度变化和混凝土的浇筑能力，沿坝轴线用横缝将坝体分割成若干个独立

工作的坝段。

重力坝的优点:

(1) 结构作用明确，设计方法简便，安全可靠；

(2) 对地形、地质条件适应性强；

(3) 枢纽泄洪问题容易解决；

(4) 便于施工导流；

(5) 施工方便

重力坝的缺点:

(1) 坝体剖面尺寸大，材料用量多；

(2) 坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；

(3) 坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利；

(4) 坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温

度应力和收缩应力，因此，在浇筑混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。

从地质资料来看，坝基岩性为二迭系上统下段千枚状板岩，长石英细砂岩不等厚亚层，以中厚层长石英砂岩为主，经初步布置，满足各建筑物布置的要求。通过对各种坝型的定性比较，综合考虑地形地质条件，分析后认为，可修建混凝土重力坝。因为坝轴线河床宽仅有12.0m,工程规模较小，因此选择混凝土实体重力坝。

2.2.2枢纽组成建筑物

2.2.2.1挡水建筑物

挡水建筑物：用以拦截江河，形成水库或壅高水位，如各种坝、水闸；以及为抗御洪水或挡潮，沿江河海岸修建的堤防、海塘等。拦河修建的河床式电站、船闸也可视为挡水 建筑物，本设计采用坝和闸。

2.2.2.2泄水建筑物

泄水建筑物：用以宣泄多余水量、排放泥沙和冰凌，或为人防、检修而放空水库、渠道等， 以保证坝和其他建筑物的安全。如各种溢流坝、坝身泄水孔；又如各式岸边溢洪道和泄水隧洞等。本设计选择溢流坝表孔泄水和冲沙，以达到安全经济运用的目的。

2.2.2.3输水建筑物

输水建筑物：为满足灌溉、发电和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物，如引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽等。本设计采用无压渠道后接无压隧洞的方式引水。

2.2.2.4取水建筑物

取水建筑物：输水建筑物的首部建筑，如引水隧洞的进口段、灌溉渠道和供水用的进水闸、扬水站等。由于地形、地质、径流来水量、电站引水量、经济等方面的因素，本设计采用无压进水口。

2.2.2.5整治建筑物

整治建筑物：用以改善河流的水流条件，调整水流对河床及河岸的作用，以及防护水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷，如丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。

2.2.2.6专门建筑物

专门建筑物：为灌溉、发电、过坝需要而兴建的建筑物，如专为发电用的压力前池、调压室、电站厂房；专为灌溉用的沉沙池、冲沙闸；转为过坝用的船闸、升船机、鱼道、过木道等。本设计是单一发电工程，除了压力前池、电站厂房、沉沙池外，无其他专门建筑物。

2.2.3枢纽总体布置

电站根据集中落差方式的不同，可分为坝式、引水式、混合式。根据水电站水库调节性能和取得流量方式的不同，则可分为无调节和有调节以及蓄水式和径流式。根据引水建筑物中水流状态的不同，可将引水式电站分为无压引水式和有压引水式电站两种类型。无压引水式电站引水建筑物（如明渠、无压隧洞）中水流具有自由表面。有压引水式水电站的引水建筑物（如压力隧洞、压力水管）中水流为满流。

本工程是径流开发引水式水电站，是单一的发电工程，没有航运、过木要求。因此， 河谷坝址处仅布置挡水建筑物与泄水建筑物，大坝左端布置引水明渠进水口，电站枢纽另行布置。

坝体总长度45m，溢流坝右侧挡水坝段长19m；溢流坝段长度12m，其中两个泄水闸宽10m,中墩及边墩宽2m；溢流坝左侧与进水口相连，进水口总宽度3.5m，净宽2.42m，进水口左侧挡水坝段长10.05m。

3.无压进水口及沉沙池设计

3.1无压进水口设计

一座水电站的输水系统是由布置在压力管道之前的进水建筑物、引水建筑物和平水建筑物组成的。

3.1.1.进水口的功用

进水口又称进水建筑物，位于水电站输水系统的首部，它的功用是按照发电要求，自水源（水库或河流）取水，引入水电站引水道。

3.1.2进水口设计要求

进水建筑物是水电站输水系统的一个重要组成部分，其位置和形式的选择、尺寸的拟定与整个枢纽工程总体布置密切相关。只有通盘考虑，并通过方案比较，才能在枢纽工程总体布置最佳的前提下，确定合适的设计方案。具体设计要求如下：

3.1.2.1要有良好的地形、地质条件

为保证工程安全运行，要尽量选择良好的地质地段布置进水口，并避免高边坡开挖。若因枢纽工程布置所限，进水口未能避免不良地质和高边坡开挖时，应因地制宜地采取优化布置和辅助必要的加固措施。

3.1.2.2要有足够的进水能力和顺畅的进水条件

在任何工作水位下，进水口都能引进必需的流量，并使进流匀称，水流顺畅，水头损失小。为此，设计进水口时，应重视以下工作：①应着重于工程布置，使其与相关建筑物 布置相协调，不使趋近进水口的水流流向突变，形成回流；②尽量避免进水口一侧紧靠陡峻的岸坡而造成进水口的水流不对称，产生偏流；③进水口与后接水道平顺过度，以保证水流条件良好衔接；④合理确定进水口高程和过水断面尺寸，以保证各级工作水位下的引水流量满足发电要求，并在正常运用条件下，避免产生贯通式漏斗漩涡；⑤防止泥沙、漂污和流冰积聚在进水口门前，影响正常引流。

3.1.2.3水质要符合要求

进水口应能拦截有害的泥沙、漂污和流冰，避免其进入引水系统，对建筑物和水电站水轮发电机组造成磨损或堵塞流道，影响机电设备耐久性和降低工程效益。为此，除了合理安排进水口高程外，还要设置拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备。

3.1.2.4可控制流量

进水口须设置必要的闸门，以便在事故时紧急关闭截断水流，避免事故扩大，也为输水系统的检修创造条件，无压引水式水电站引进流量的大小可由进口闸门控制。

3.1.2.5满足水工建筑物的一般要求

进水口要有足够的强度、刚度和稳定性，结构简单、施工方便、造型美观、造价低廉、便于运行、维护和检修。

3.1.3分类

3.1.3.1按照水流特性分

按照水流特性，将进水口分为有压进水口和无压进水口两类。

有压进水口设在水库最低发电水位以下，进水口流道均淹没于水中，并始终保持满流状态，属有压流动，其后紧接有压隧洞或管道。它主要用于从水位变幅比较大的水库或河流中引水的坝式、有压引水式和混合式水电站。

3.1.3.2按照与枢纽建筑物的关系分

水电站进水口按照与枢纽建筑物的关系，通常分为整体布置进水口和独立布置进水口。整体布置进水口与枢纽工程主体建筑物组成整体结构，其整体稳定安全标准应与所在的主体建筑物相同，因为一旦失事，不仅影响工程效益，而且还将造成下游危害。坝式水电站和河床式水电站的进水口就属于整体布置进水口。

独立布置进水口布置于枢纽工程主体建筑物之外，如岸式进水口、塔式进水口、堤防涵闸式进水口等，其整体稳定安全标准根据地质条件分别按照SL285—2003《水利水电工程进水口设计规范》（岩石地基）或SL265—2001《水闸设计规范》（土质地基）的有关规定选取。

3.1.4无压进水口的工作条件

无压进水口的工作条件要比有压进水口复杂的多。首先，有压进水口深埋在水库最低工作水位以下，其取水是有保证的，而无压进水口直接从河流中取水，如何保证在水电站设计保证率范围内的河流各种水位下，引取发电所需的流量，就成为进水口布置的首要问题。其次，与有压进水口深层取水不同，无压进水口是表层取水，而进水口前的水流仍具有相当大的流速，进水口底板又接近河床，所以水流中挟带的悬移质泥沙和推移质泥沙极易进入进水口，因此，如何采取措施来防沙和冲沙，成为无压进水口布置和设计的一个重要问题。第三，在寒冷地区，河流在冬季和春季将有大量的浮冰和底冰逼近进水口可能阻塞和撞击拦污栅，如何采取措施来防冰和排冰，就成为寒冷地区无压进水口布置和设计的又一个重要问题。最后，无压进水口还可能有综合利用要求，例如结合通航或灌溉，那么，

在进水口的布置和设计时就必须统筹考虑。

3.1.5进水口位置选择

从枢纽组成来说，无压进水口的布置有两种形式，即无坝取水和有坝取水。

当水电站引用流量仅占河流流量的一小部分，在河流上可不建坝，这种取水方式称作无坝取水。当水电站引用流量占河流流量的一大部分，或者需要拦蓄一部分水量进行日调节，就要在河流上建造低坝，这种取水方式称为有坝取水。

无论是有坝取水还是无坝取水，进水口的位置都应尽可能选在河流的凹岸。这样布置可以利用河湾处的横向环流，使进水口引进表层较清的水，而底沙则由底流带向凸岸。在选择进水口位置时，还应避开上游由浅滩、急滩的地点，因为它们容易搅浑底沙和形成冰凌。

建造拦河闸或低坝时，要充分考虑泥沙的影响。原则上要尽量维持河流原有的形态，洪水期要使上游冲下来的泥沙（特别是推移质）绝大多数经闸下泄。进水闸与冲沙闸的相

对位置以“正面进水，侧面冲沙”的原则进行布置，应根据自然条件和引水流量的大 小确定最佳引水角度。冲沙闸与溢流坝之间常设分水墙，形成冲沙槽。此外，也可设置冲沙廊道排除进口前的淤沙。冲沙廊道中的流速一般应达到4～6m/s，才能有效冲沙。

为使水流平顺，在进水闸前应有一段喇叭口与河流相衔接，在喇叭口入口处可以设置浮排，浮排与水流方向成～交角布置，浮排用以拦截洪水期的漂浮物及冬季浮冰。进水闸的底板高程高于冲沙设施底板高程（高差一般不小于1.0m），形成底坎槛，用以拦截底沙和底冰。

布置进水口时，要尽可能防止有害的泥沙（粒径大于0.25mm的泥沙）进入引水道。有害泥沙容易淤积在引水道里，减小引水道的过水能力，而且会磨损水轮机转轮，导叶等过流部件。有害泥沙中的推移质泥沙，由于它是沿河底滚动的，所以只要在进水口前设拦沙坎，即可防止其进入进水口，但要注意及时清除拦沙坎前的泥沙，否则，堆积过多会使拦沙坎失去作用。

本设计引水方式采用有坝引水，无压进水口一般布置在凹岸，结合地形图综合分析，进水口布置在坝的右端。

3.1.6进水口尺寸确定

3.1.6.1无压进水口底板高程确定

无压进水口底板高程应保证在上游最低运行水位时，能够引进设计流量，并且无压进水口底板高程应高于水库或天然河床冲於平衡高程。当不满足这一要求时，应设置排沙、沉沙、冲沙措施，保证进水口设计处于排沙漏斗范围内，沉沙高程以上。本设计坝前淤沙高程为1955.50m，现取进水口底板高程1957m。

3.1.6.2无压进水口闸门尺寸确定

取进水闸顶高程与溢流堰顶闸门顶部高程相等，即为1963m。则闸门高度为6m。闸门宽度稍大于明渠过水断面净宽，即2.5m。

3.2进水口主要设施

进水口安装工作闸门和检修闸门，为防止有害泥沙进入引水道，以免淤积引水道，降低过流能力，以磨损水轮机转轮和过流部件，进水口前常设拦沙坎。拦沙坎顶部高程为1957.5m。

3.3沉沙池设计

由于径流含沙量较大，为了防止水中有害的或过多的泥沙进入引水道，减少引水道淤积和对水轮机的磨损，常在进水口之后，引水道之前修建沉沙池。沉沙池的基本原理是加大过水断面，减小水流的流速及挟沙能力，使有害泥沙沉淀在沉淀池内，而将清水引入引水道。

本设计采用矩形单室冲沙池，排沙方式采用水力连续冲沙。

3.3.1沉沙池结构布置及尺寸

设计沉沙池首先要决定其过水断面及长度。过水断面取决于池中水流的平均流速，平均流速一般为0.25～0.7m/s，视有害泥沙的粒径而定。沉沙池长度不足，则有害泥沙尚未下沉到池底已流出沉淀池，达不到沉沙效果；沉沙池过长，则造成浪费。实际工程中沉沙池的长度和过水断面要通过专门的计算和实验加以确定。

沉沙池中沉淀的泥沙应予以排除，其排沙方式可分为人工清沙、机械排沙和水力冲沙

三种。水力冲沙又分为连续冲沙和定期冲沙。沉沙池进口处设置分流设备，以便池中水流分布均匀，提高沉淀效果。

沉沙池由进口段、冲沙池室、出口段、冲沙廊道和泄水闸组成。为使沉沙池进水口和出水口水流平顺、流速分布均匀，一般在沉沙池的进水口和出水口用渐变段与上下游渠道连接，使水流沿平面及深度上均能均匀扩散和收缩。渐变段在平面上扩散角(常用)，现取。进口段的长度一般取15~30m，现取20m；出口段的长度一般取10~20m现取15m。本设计引用流量较小，单冲沙池室即可满足要求。

3.3.2沉沙池池身的尺寸

3.3.2.1泥沙的沉降速度

通常将泥沙按机械组成分成组，计算每一组的平均沉降速度，然后求出泥沙加权平均沉降速度ωcp。

1 =(1+2+12) （3-1） 3

ωcp=Σωiрi/100

1、2——该组泥沙中最粗及最细泥沙的沉降速度，cm/s;

ωi——各组泥沙的平均沉降速度，cm/s;

рi——各组泥沙含量的百分数（按重量计）。

取泥沙的最最粗和最细粒径分别为0.005mm、1.0mm。水温取10℃，查表得泥沙的沉降速度1=0.0129mm/s，2=107 mm/s。则

11ω=(1+2+12)=(0.0129+107+0.0129107)=39.72㎜/s 33

3.3.2.2沉沙池长度

沉沙池中的泥沙一方面在水平流速作用下向前流动，同时在重力作用下向下沉降。沉沙池长度按下式：

L=ξHpVcp/ω （3-2）

L——沉沙池长度，；

ξ——系数，一般取1.2—1.5；本设计连续冲沙取=1.2。

Hp——沉沙池内工作水深，m，Hp=H-ha；H为沉沙池的设计水深，一般取5～6m，本设计取5m；ha为冲沙前的设计淤积高程，本设计不考虑。

Vcp——沉沙池水流的平均速度，m/s,视设计沉淀泥沙粒径而定，本设计取0.25m/s。 ω——泥沙沉降速度，本设计取平均值。

则L=1.2×5×0.25/0.03972=37.76m 取L=38m

3.3.2.3沉沙池宽度

本设计沉沙池取矩形断面。按下式计算沉沙池宽度：

B=Q/(VcpHp)

B——沉沙池的总工作宽度，m；

Q——沉沙池内的流量，m3/s；

Vcp——沉沙池水流的平均流速，m/s；

Hp——沉沙池的计算深度，m，一般取设计水深的70%～80%。

则 B=6.67/（0.25×5）=5.336m 取B=5.5m

3.3.2.4沉沙池的深度

H=z+q/vs-iL

H——沉沙池的设计水深，m；

z——沉沙池上游与排沙沟下游的水位差，m；

q——沉沙池的单宽冲沙流量，m2/s；

vs——沉沙池的冲沙流速，m/s，本设计取2m/s；

L——沉沙池长度，m；

i——沉沙池的底坡坡度，本设计取与渠道坡度相等。

H=0.076+1.21/2-0.002×38=0.61m 取H=0.7m

4.引水建筑物的设计

水电站引水建筑物是指进水口渐变段末端至调压室或压力前池之间，用于输送发电水量和集中发电水头的建筑物，常见有渠道、隧洞和管道等，也包括渡槽、涵洞及倒虹吸等一些交叉建筑物。

水电站引水建筑物也分为有压引水建筑物和无压引水建筑物两大类，有压引水建筑物衔接于有压进水口之后，其常用建筑物形式为有压隧洞和压力引水管。当地形、地质条件不利时，或洞径过小而不宜于开挖隧洞时，可采用压力引水管。无压引水建筑物衔接于无

压进水口之后，通常是引水渠道，对于盘山开挖的引水渠道，为了缩短渠线，或为了避开不利的地形、地质条件，可将局部渠段改用无压隧洞或渡槽。

在无压进水口之后设置无压引水渠道，根据已知地形条件，需盘山开挖部分引水渠道，为了缩短渠线，避开不利的地形地质条件，将局部渠段改为无压隧洞，因此，本设计在无压渠道后布置无压引水隧洞。

4.1无压引水渠道类型的选择

水电站引水渠道按其控制方式可分为非自动调节渠道和自动调节渠道两种类型，两 者可以结合使用。

非自动调节渠道，是指当水电站丢弃部分或全部负荷时，渠道内水位仅能升高至引水渠平行于渠底的渠堤堤顶，渠道末端接有前池，前池处设置溢流堰，当电站引用流量小于渠中通过流量时，多余水量由溢流堰泄往下游。这种渠道的优点是工程量小；缺点是若电站下游无固定用水要求时将造成弃水。

自动调节渠道，是指当水电站丢弃部分或全部负荷时，渠道内水位能升高至与水库或前池水位齐平而不发生弃水的渠道。其特点是渠道堤顶高程自渠首至渠末不变，渠道断面越向下游越深，前池处不设溢流堰。当水电站引用流量变化时，渠槽本身起着调蓄作用，使进出流量达到平衡。这种渠道的优点是不产生弃水；缺点是单位工程量较大。

结合地形地质施工运行和枢纽布置条件，考虑技术经济的因素，无压引水渠道采用非自动调节形式。

4.1.1引水渠道设计的基本要求

水电站引水渠道设计的主要内容是选择渠线，确定渠道的断面尺寸及纵坡。渠道不仅要满足输送最大引用流量以及防冲、防淤、防草等技术要求，而且还应符合动能经济的原则。

4.1.1.1渠线选择基本要求

（1）渠线应避开大溶洞、大滑坡、泥石流等不良地质地段，且不宜在冻胀性、湿陷性、膨胀性、分散性、松散性堆积物以及可溶盐土壤上布置渠线。若无法避免时，则应采

取相应的工程措施。

（2）宜少占或不占好地，避免穿过集中居民点、高压线塔、重点保护文物、军用通信线路、地下输油管网以及重要的铁路、公路等。

（3）山区渠道宜沿等高线布置渠线，采用明渠与明流隧洞或暗渠、渡槽、倒虹吸相结合的布置，以避免深挖、深填。

（4）引水渠道的弯曲半径，衬砌渠道宜不小于渠道水面宽度的2.5倍，不衬砌渠道宜不小于水面宽度的3倍。

（5）寒冷地区渠道线路的选择，应符合有关专业技术规范的规定。

4.2明渠水力计算及断面选择

4.2.1引水渠道设计要求

4.2.1.1引水渠道断面设计的基本要求

（1）地面坡降陡且起伏大、地下水位低的山丘地区，采用深窄式断面。

（2）地势平坦、地下水位高、基土冻胀性较强以及有综合利用要求的渠道，采用宽浅式断面。

（3）易受洪水、泥石流等危害以及穿越村镇、工矿区的渠道，采用城门洞形、箱形等暗渠形式的断面。

4.2.1.2引水渠道纵坡设计的基本要求

（1）中低水头、大流量引水渠道、自动调节渠道、清水渠道、土渠采用较缓的纵坡。

（2）高山水电站的引水渠道，多泥沙渠道，傍山衬砌渠道，不衬砌的岩石渠道以及输冰运行渠道，采用较陡的纵坡。

（3）渠线较长时，可依据地形、地质条件分段选择不同纵坡；多泥沙和输冰运行渠道的分段纵坡易沿程增大。

4.2.2明渠水力计算

明渠恒定均匀流的基本公式：

过水面积：

A(bmh)h （4-1）

湿周：

 （4-2）

水力半径：

RA/ （4-3）

流速公式：

v （4-4）

流量公式：

QAv （4-5）

流量模数：

K (4-6)

曼宁公式：

C

1R n

(4-7)

式中：C——谢才系数，对于平方摩阻区宜按曼宁公式确定； R——水力半径，m； i——渠道纵坡；

A——过水断面面积，m2；

n——曼宁粗糙系数，其值按SL/T18-19《渠道防渗工程技术规范》确定。

则：QvACRi

n

531223

1 (bmh)hn

=n

b2hm2

bmhh5

3

12

23

319

b2h53

23

即： Q=f(m,n,i,b,h)

在本设计中，由于断面是矩形，所以边坡系数m为零。

其中：Q由资料取6.67m3/s;

渠道纵坡i根据地形条件取为0.002；

曼宁粗糙系数n无抹灰的混凝土护面取0.014；

上述流量方程中有6个物理量，已确定Q、m、n、i四个，这样6个物理量就仅有两个未知，即 Q=f(b,h)，一般可先确定底宽b或者水深h，再用试算法求剩下的那个物理量。 试算法计算明渠矩形断面尺寸表：

经过试算确定h=1.21,b=2.42,考虑到安全加高及渠道和隧洞的蒸发和渗漏损失，最终设计堤顶为h=1.3m，b=2.42m。

4.2.3明渠均匀流水力计算的其他问题——明渠的允许流速

当渠道流速大于渠床土壤所能承受的最大不冲流速不冲时，渠道将遭受水流的冲刷 。如有些山区渠道，因底坡较陡，流速太大而被冲毁；反之，当渠道流速太小时，水流所携带的泥沙就会沿途下沉使渠底淤高，减小渠道的过水能力；流速过小，渠道还会滋生水草，加大渠道的糙率而减小过水能力，使渠道不能满足使用要求。为了保证渠道的正常工作，渠道的流速应小于渠道的最大不冲流速和大于最小不淤流速，即不冲>>不淤。否则应采取适当措施。 4.2.3.1最大不冲流速

渠道的最大不冲流速值与河床的土壤性质（即土壤种类、颗粒大小和密实性能等）水力半径(或水深)大小等因素有关。计算水力半径：

R

bmhh

b2hm

2



bh2.421.3

0.63 b2h2.4221.3

根据《水力学》明渠均匀流岩石和人工护面性质查的混凝土护面渠道的允许不冲流速不冲：

不冲=8m/，即不冲=0.8R0.80.63=6.95m/s>6.67m/s

a0.3

4.2.3.2最小不淤流速

关于渠道的最小不淤流速不淤的确定：如果渠道不含泥沙或含的泥沙极小，只是为了避免水草滋生而降低过水能力，一般对于大型渠道不淤不得小于0.5m/s，对于小型渠道

不淤不得小于0.3m/s。如果渠道水流还有一定的泥沙，应使渠道的设计流速不小于能携带

来水含沙量的流速。因此渠道的最小不淤流速与水流中的泥沙的性质有关，不淤可用下面的经验公式计算：不淤c'R

式中：不淤为最小不淤流速，R为水力半径，c'为根据渠道水流中泥沙性质而定的一个系数，c'0.6，故不淤c'R0.60.630.48m/s

4.3无压引水隧洞的设计

4.3.1无压引水隧洞的整体布置

坝后引水明渠末端接无压引水隧洞，隧洞纵坡为2‰，布置洞长4220.00m。由于前池处无法设泄水道，所以在隧洞桩号3+834.109m处开一泄水洞，泄水洞至前池段无压洞按动力渠道设计。开挖断面泄水洞前为3.20m×3.768m的城门型，泄水洞后为3.90m×4.389m的城门型。

4.3.2水工隧洞的功用

（1）配合溢洪道宣泄洪水，有时也可作为主要泄洪建筑物之用。 （2）引水发电，或为灌溉、供水、航运和生态输水。

(3)排放水库泥沙，延长水库使用年限，有利于水电站等的正常运行。 （4）放空水库，用于人防或检修建筑物。 （5）在水利枢纽施工期用来导流

4.3.3水工隧洞的分类

为满足水利水电工程各项任务的需要，在地面以下开凿的各种隧洞，称为水工隧洞。

水工隧洞可分为泄洪隧洞、引水发电和尾水隧洞、灌溉和供水隧洞、放空和排沙隧洞、施工导流隧洞等。按隧洞内的水流流态，又可分为有压隧洞和无压隧洞。在设计水工隧洞时，应该根据枢纽的规划任务，按照一洞多用的原则，尽量设计为多用途的隧洞，以降低工程造价。

4.3.4水工隧洞的布置 4.3.4.1总体布置

（1）水工隧洞在枢纽中的布置应根据枢纽的任务、泄水建筑物总体规划、建筑物的特性和相互关系、泄洪流量、地形、地质、施工、运行等条件综合研究并经技术经济比较后才能确定。

（2）在合理选定洞线方案的基础上，根据地形、地质及水流条件，选定进口位置及进口结构形式，确定闸门在隧洞中的布置。

（3）确定洞身纵坡及洞身断面形状和尺寸。

（4）根据地形、地质、尾水等条件及其与其他建筑物之间的相互关系，选定出口位置、高程及消能方式。

（5）布置水工隧洞时还应考虑临时占地、永久占地、植被破坏和恢复、施工污染、运行期地下水位变化等对环境的影响和水土保持的要求。应使原自然环境较少破坏，较易恢复，环境投资最小。 5.2.3.2洞线选择

泄水隧洞的线路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）隧洞的线路应尽量避开不利的地质构造、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。

（2）洞线在平面上应力求短直，这样即可减小工程费用，方便施工，且有良好的水流条件。

（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靠边坡一侧的岩体厚度（统称为围岩厚度）。

（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。

（5）对于长隧洞，选择洞线时还应注意利用地形、地质条件，布置一些施工支洞、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。

4.4无压隧洞设计荷载及衬砌计算

4.4.1无压隧洞设计荷载计算（3.20×3.768）

无压引水隧洞穿过较为完整坚硬的岩层时，其顶拱中心角一般不大，拱圈较平，岩石对拱圈下部的弹性抗力作用很小，可以不必考虑。本设计中围岩为较为完整的砂岩，不考虑岩石弹性抗力。其荷载组合为：垂直山岩压力+侧向水平山岩压力+衬砌自重。 ⑪基本数据

岩石容重=24kN/,开挖宽度B=3.20m，开挖高度H=3.768m。 ⑫计算

①按SDB4-84《水工隧洞设计规范》计算：

垂直山岩压力强度q=（0.1～0.2）B=0.1×24×3.20=7.68kN/m3 ②按普氏公式计算

查《隧洞》中表3-2，选用岩石坚硬系数f=6。，内摩擦角φ=75º，岩=24kN/m³

按公式计算：

塌落拱高度h=（B+2Htg（45-φ/2））（/2f）=（3.2+2×3.768tg（45-75/2））∕(2×6)=0.34973m 曲线形洞顶均匀分布的垂直山岩压力强度

q=0.7h=0.7×24×0.34973=5.8756kN/m³

侧向水平压力强度按松散体理论，由下列公式计算：

在洞顶面处 e1=0.7γ岩htg2（45-ψ/2）=0.7×24×0.34973×tg2（45-75/2）=0.1018 kN/m³

在洞底面处 e1=(0.7h+H)γ岩tg2（45-ψ/2）=(0.7×0.34973+3.768)×24×tg2（45-75/2）

=1.6692kN/m³

为了简化计算，在设计中多采用e1、e1的平均值e=（e1+e2）/2=（0.1018+1.6692）/2=0.8855kN/m³

③按简化公式计算

查表《山岩压力强度q及e的计算用表》得，当岩石坚硬系数f=6，相应q、e的系数为0.074、0.010

q=0.074γB=0.074×24×3.20=5.6832kN/m³ e=0.01γH=0.01×24×3.768=0.90432 kN/m³ 4.4.2无压隧洞的衬砌计算（3.20×3.768）

本设计采用查表法计算圆拱直墙式衬砌断面。 ⑪基本资料

① 洞身衬砌断面形式和尺寸

洞身为等厚度衬砌的城门洞形断面，顶拱为半圆形，洞底采用与侧墙整体式连接的平底板，各部分尺寸如下：

洞身净宽B=3.0m；洞身净高H=3.16m；拱顶内半径=1.5m；直墙高=1.66m。衬砌厚度初步拟定为d=0.32m，底板厚度采用与顶拱及侧墙相同。 ②设计荷载

均布垂直山岩压力强度为q=40kN/m³；均布侧向水平山岩压力强度为e=10kN/m³（m=q/e=4），不考虑岩石弹性抗力、摩擦力及内水压力。 ② 衬砌材料

采用C15混凝土衬砌，混凝土弹性模量为E=22000000 N/m²，混凝土容重为混=24kN/m³。 ⑫计算

由于在设计中不考虑岩石弹性抗力作用及拱座转角的影响，且衬砌为等厚，抗弯强度EJ值为常数，在及的计算公式中，EJ值可以消去，因此在形常数及荷载常数的计算 公式中可以不必计入EJ的实际值，使计算更简单。 ①计算简图及基本结构

以衬砌中心线作为计算拱轴线，计算简图及基本结构如图4-1。 基本尺寸计算如下：

计算矢高 f=H+d/2=3.16+0.32/2=3.32m 计算跨度 L=B+d=3.0+0.32=3.32m 顶拱计算半径 r=r+d/2=1.5+0.32/2=1.66m

计算矢高与拱顶计算半径的比值为m=f/r=3.32/1.66=2

q

q

②钢臂长度c的计算

C=Ac×r 根据m=2，查《隧洞》表4-39、表4-48得Ac=0.805508(Ac为计算常数)，则：C=Ac×r=0.805508×1.66=1.337143

③形常数计算（以下所有系数，如11、22等由表4-39～4-48查得，除1c、2c由表4-42查取）

1.66/EJ=4.268/EJ 11 =11r/EJ=2.5707963×

/EJ=4.673/EJ 22=22r3/EJ=1.0214853×1.66³

③ 载常数计算(各载常数按不同荷载分别作用叠加求的) ⅰ.垂直山岩压力作用

根据m=2由表4-40查的：1q=-0.8926991，2q=-0.2569565

△1p=A1qqr3/（EJ)=（-0.8926991）×40×1.663/EJ=-163.34/EJ △2p=A2qqr4/（EJ)=(-0.2569565)×40×1.664/EJ=-78.05/EJ ⅱ.衬砌自重作用

衬砌自重：g=γ混d=24×0.32=7.68 kN/m²

△1p=A1ggr3/（EJ)=（-1.0)×7.68×1.663/（EJ）=-35.13/EJ △2p=A2ggr4/（EJ)=（-0.3017932）×7.68×1.664/（EJ）=-17.60/EJ ⅲ.矩形水平山岩压力作用

△1p=A1eer3/（EJ)=(-1.3447689)×10×1.66³/（EJ)=-61.51/EJ △2p=A2eer4/（EJ)=(-0.9219444)×10×1.66²×1.66²/（EJ)=-70.01/EJ ⅳ.载常数总和

△1p =- △2p=-

1

(163.34＋35.13＋61.51)=-259.98/EJ EJ

1

（78.05+17.60+70.00)=-165.65/EJ EJ

⑤多余未知力1及2的计算

1= -△1p/11=-(-259.98)/4.268=60.91 kN.m 22=-△2p/22=-(165.65)/4.673=35.45 kN.m ⑥各截面弯矩值计算

各截面弯矩值按下式计算：

M=Mp+1+2(y-c) （4-8） 式中y为各截面对以顶拱O为坐标原点的纵坐标，为外荷载作用下的弯矩，利用《隧洞》表4-45及表4-47数据计算，表中各乘数值按已知荷载值计算如下： qr²=40×1.66²=110.22 gr²=7.68×1.66²=21.16 er²=10×1.66²=27.56 圆拱各截面：y=r-rcosφ

y-c=r-rcosφ-c=0.323-rсоsφ 直墙段各截面：y-c=y-1.337

各截面M及计算分别列于表4-1及表4-2 表4-1

各截面计算表

截位置 面编号

0 φ=0 1 φ=15 2 φ=30

山岩垂直压力作用 0 -3.69 -13.78

系数

衬砌自系数 重作用

侧向山系数合计MP 岩压力（m=2） 作用

0 0

-0.00058 -4.4226 -0.00897 -16.7347

0 0

-0.033494 -0.7126 -0.125 -2.7047

0 0

-0.03368 -0.02 -0.12782 -0.25

3 φ=45 4 5 6 7

φ60 φ=75 y=r

y=r+0.25yh

-27.55 -0.25 -41.33 -51.42 -55.11 -55.11

-0.375 -0.466506 -0.5 -0.5

-5.5539 -8.6100 -11.0711 -12.078 -12.078 -12.078 -12.078 -12.078

-0.26247 -1.18 -0.4069 -0.52321 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708

-3.45 -7.57 -13.8 -21.5 -31.0 -42.2 -55.1

-0.04289 -34.2839 -0.125 -0.27467 -0.5 -0.78125 -1.125 -2

-53.39 -70.061 -80.988 -88.688 -98.188 -122.288

8 y=r+0.5yh 10 y=r+y h

表4-2

-55.11 -0.5 -55.11 -0.5

9 y=r+0.75yh -55.11 -0.5 -1.53125 -109.388

截位置 面编号

0 φ=0 1 φ=15 2 φ=30 3 φ=45 4 5 6 7

φ=60 φ=75 y=r

y=r+0.25yh

各截面M计算表

y-C（拱) cosφ y-C（直X2（y-C）

(=0.323－rcosφ)

墙） (y=－1.337)

X2（y-C） 合计M

-1.337

-1.28 -1.115 -0.851 -0.507 -0.107 0.323

1

0.96593 0.86603 0.70711 0.5 0.25882 0

-47.402 -45.391 -39.513 -30.161 -17.973 -3.7804

13.508 11.098 4.668 -3.571 -10.45 -12.93 -8.613 -1.647 3.591 7.106 8.899

0.323 0.738 1.153 1.568 1.983

11.445 26.162 40.874 55.586 70.297

8 y=r+0.5yh 10 y=r+yh

9 y=r+0.75yh

⑦各截面轴向力的计算：

各截面轴向力按下式计算

N=Np+2сosφ （4-9）

式中：Np为各种外荷载作用下的轴向力，其值根据各种荷载值利用表4-46及4-48（《隧洞》）数据分别计算后叠加求得，表中各乘数值按已知荷载值计算如下： qr=40×1.66=66.4

gr=7.68×1.66=12.7488 er=10×1.66=16.6

各截面及N值计算分别列于表4-3及表4-4; ⑧内力计算校核

按下式拱顶截面转角总和为零的条件，校核各截面弯矩计算结果是否正确：



s0

ds1

=EJEJ

Mds

60

10

Mds=



1s0

M04M1M3M52M2M4M6s1M64M7M92M8M100

EJ33

（4-10）

式中：M0,M1,M3....为各截面弯矩值，由表4-55查得；S0为圆拱段每相邻两截面间弧段长度，其值为： S0=

S01r

=×=0.434 662

S1=S1/4=уh/4=1.66 /4=0.415 即



s

20

Mds EJ

043413514110983571129324668104586133041586134165710623598899=-0.02/EJ≈0

3

上述演算表明各截面弯矩计算无误。 表4-3

各截面计算表

截位置 面编号

山岩垂直压力作用

系数

衬砌自重作用

系数（m=2） 侧向山

岩压力作用

系数（m=2）

合计NP

0 1 2 3 4 5 φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 φ=60 φ=75 0 4.448 16.6 33.2 49.8 6.195 0

0.066987 0.25 0.5 0.75 0.933013 0 0.864 3.338 7.080 11.56 16.12

0.06776 0.2618 0.55536 0.9069 1.26439 0 -0.55 -1.93 -3.44 -4.15 -3.18 0

-0.03291 -0.1160 -0.20710 -0.25 -0.19183 0 4.765 18.01 36.84 57.21 19.13

6 7 8 9

y=r y=r+0.5yh

66.4 66.4 66.4

1 1 1 1 1

20.03 23.21 26.4 29.59 32.78

1.5708 1.8208 2.0708 2.3208 2.57080

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

86.43 89.61 92.8 95.99 99.17

y=r+0.25yh 66.4 y=r+0.75yh 66.4

10 y=r+yh

表4-4：

各截面N计算表

截面编号 0 1 2 3 位置 φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 X2cosφ N

截面编号 位置

4

φ=60 17.725 74.937 10 y=r+yh

99.17

5 φ=75 9.175 28.31

35.45 35.45 6 y=r

86.426

34.24 43.25 7

y=r+0.25yh

89.613

30.7 48.71 8

y=r+0.5yh 92.8

25.067 61.91 9

y=r+0.75yh

95.98

X2cosφ N

⑨各截面应力计算：

衬砌截面边缘应力按下式计算: 衬砌外缘 外

N6e

1 （4-11） Fd

式中：N为截面轴向力；见表；F为衬砌截面面积。当沿洞身轴向的计算宽度取b=1时，F=bd=d.d为各分块重心在截面的计算厚度，d=0.32m,e为轴向力对截面重心的偏心距， 其值为e

M

N

衬砌内缘

内

N6e1Fd （4-12）

各截面边缘应力计算如表4-5 表4-5

各截面边缘应力计算表

截

面

弯矩M

轴向力N

偏心矩e

6e/d

N/F

外缘应力σ外

内缘应力σ内

0 1

13.508 11.098 35.45 43.25 0.3811 0.2566 7.144 4.812

110.78 135.14 902.28 785.42 -680.72 -515.13

2 4.668 48.71 0.095 1.767 152.23 193.47 234.18 88.45 270.08 280.04 290.00 299.96 309.9

425.73 -14.05 -378.16 -669.16 -234.57 274.89 500.40 716.34 831.37

-121.3 400.99 846.52 846.06 774.73 376.56 79.60 -116.4 -211.5

3 -3.571 61.91 -0.057 -1.073 4 -10.451 74.937 -0.139 -2.615 5 -12.929 28.305 -0.456 -8.565 6 -8.613 86.426 -0.099 -1.869 7 -1.647 89.613 -0.018 -0.345 8 3.591 92.8 0.0387 0.726 9 7.106 95.98 0.074 1.388 10 8.899 99.17 0.089 1.683

表中：

弯矩M及轴向力N值分别见表4-2，表4-4 弯矩符号以逆时针旋转为正，顺时针旋转为负

偏心距e为正时，表示轴向力偏向截面重心外侧，为负时，表示轴向力偏向截面重心内侧。 轴向力N及边缘应力均以压力为正，拉力为负。 ⑩应力验算

拉应力 拉压应力 压

rR1

（4-13） K1

Ra

（4-14） K2

式中：R1—混凝土抗拉设计强度 Ra—混凝土轴心抗压设计强度

K1,K—混凝土构建强度安全系数

r—截面抵抗距的塑性系数，对于矩形截面r=1.55

以上数据需查水利电力部1978年颁发的《水工钢筋混凝土结构设计规范》相关表格。经计算的：

拉

1.705900

767（KN/m²） 27500

5769（KN/m²） 1.3

压

由表4-5可知：

⑪在截面1-3范围内和截面7-10范围内均不出现拉应力，且压应力均远小于混凝土允许压应力值；

⑫最大拉应力发生在拱顶截面的内缘，其值为б拉=680.72KN/m²

⑬在截面5衬砌外缘产生的最大拉应力б拉=669.19KN/m²，衬砌内缘产生的最大压应力б压=846.06KN/m²，此值均小于允许拉应力767KN/m²和允许压应力5769KN/m²。 综上所述：经检验最大拉应力和最大压应力均满足要求，即衬砌满足强度要求。 4.4.3无压隧洞设计荷载计算（3.90×4.389）

无压引水隧洞穿过较为完整坚硬的岩层时，其顶拱中心角一般不大，拱圈较平，岩石对拱圈下部的弹性抗力作用很小，可以不必考虑。本设计中围岩为较为完整的砂岩，不考虑岩石弹性抗力。其荷载组合为：垂直山岩压力+侧向水平山岩压力+衬砌自重。 ⑪基本数据

岩石容重=24kN/m³,开挖宽度B=3.90m，开挖高度H=4.389m。 ⑫计算

①按SDB4-84《水工隧洞设计规范》计算：

垂直山岩压力强度q=（0.1～0.2）岩B=0.1×24×3.90=9.36kN/m3 ②按普氏公式计算

查《隧洞》中表3-2，选用岩石坚硬系数f=6。，内摩擦角=75º，岩=24kN/m³ ⅰ按公式计算：

塌落拱高度h=（B+2Htg（45-ψ/2））/（2f）=（3.9+2×4.389tg（45-75/2））/12=0.4213m 曲线形洞顶均匀分布的垂直山岩压力强度

q=0.7岩h=0.7×24×0.4213=7.0779kN/m³

侧向水平压力强度按松散体理论，由下列公式计算：

在洞顶面处e1=0.7γ岩htg2（45-ψ/2）=0.7×24×0.4213×tg2（45-75/2）=0.12268

22在洞底面处e1=(0.7h+H)γ岩tg（45-ψ/2）=(0.7×0.4213+4.389)×24×tg（45-75/2）=1.9484 kN/m³

为了简化计算，在设计中多采用e1、e1的平均值e=（e1+e2）/2=（0.12268+1.9484）/2=1.0355 kN/m³

ⅱ按简化公式计算

查表《山岩压力强度q及e的计算用表》得，当岩石坚硬系数f=6，相应q、e的系数为0.074、0.010

q=0.074岩B=0.074×24×3.9=6.9264kN/m³ e=0.01岩H=0.01×24×4.389=1.0534 kN/m³ 4.4.5无压隧洞的衬砌计算（3.90×4.389）

本设计采用查表法计算圆拱直墙式衬砌断面。 ⑪基本资料

① 洞身衬砌断面形式和尺寸

洞身为等厚度衬砌的城门洞形断面，顶拱为半圆形，洞底采用与侧墙整体式连接的平底板，各部分尺寸如下：

洞身净宽B=4.0m；洞身净高H=4.22m；拱顶内半径r´=2m；直墙高уh=2.22m。衬砌厚度初步拟定为d=0.44m，底板厚度采用与顶拱及侧墙相同。 ②设计荷载

均布垂直山岩压力强度为q=40kN/m³；均布侧向水平山岩压力强度为e=10kN/m³（m=q/e=4），不考虑岩石弹性抗力、摩擦力及内水压力。 ③衬砌材料

采用C15混凝土衬砌，混凝土弹性模量为E=22000000 N/m²，混凝土容重为=24kN/m³ ⑫计算

由于在设计中不考虑岩石弹性抗力作用及拱座转角的影响，且衬砌为等厚，抗弯强度EJ值为常数，在及的计算公式中，EJ值可以消去，因此在形常数及荷载常数的计算公式中可以不必计入EJ的实际值，使计算更简单。 ① 计算简图及基本结构

以衬砌中心线作为计算拱轴线，计算简图及基本结构如下图4-2所示。 基本尺寸计算如下：

计算矢高 f=H+d/2=4.22+0.44/2=4.44m 计算跨度 L=B+d=4+0.44=4.44m 顶拱计算半径 r=r+d/2=2+0.44/2=2.22m

计算矢高与拱顶计算半径的比值为m=f/r=4.44/2.22=2

q

q

②钢臂长度c的计算

C=Ac×r 根据m=2，查《隧洞》表4-39、表4-48得Ac=0.805508，则：C=Ac×r=0.805508×2.22=1.788228

③形常数计算（以下所有系数，如11、22等由表4-39～4-48查得，除1c、2c由表4-42查取）

11=11r/EJ=2.5707963×2.22/EJ=5.707/EJ 22=22r3/EJ=1.0214853×2.22³/EJ=11.176/EJ ④载常数计算 ⅰ垂直山岩压力作用

△1p=A1qqr3/（EJ)=（-0.8926991）×40×2.223/EJ=-390.68/EJ △2p=A2qqr4/（EJ)=(-0.2569565)×40×2.224/EJ=-249.64/EJ ⅱ衬砌自重作用

衬砌自重：g=γ混d=24×0.44=10.56 kN/m²

△1p=A1ggr3/（EJ)=（-1.0)×10.56×2.223/（EJ）=-115.54/EJ △2p=A2ggr4/（EJ)=（-0.3017932）×10.56×2.224/（EJ）=-77.41/EJ ⅲ矩形水平山岩压力作用

△1p=A1eer3/（EJ)=(-1.3447689)×10×2.22³/（EJ）=-147.13/EJ △2p=A2eer4/（EJ)=(-0.9219444)/×10×2.22²×2.22²/（EJ）=-223.93/EJ

ⅳ载常数总和

△1p = △2p=

1

390.68115.54147.13653.EJ EJ

1

249.6477.41223.93550.EJ EJ

⑤多余未知力及的计算

1=-△1p/11=-（-653.35）÷5.707=114.48 kN.m 2=-△2p/22=-(550.98)÷11.176=49.30 kN.m ⑥各截面弯矩值计算

各截面弯矩值按下式计算：

MMp12yc (4-15)

式中y为各截面对以顶拱O为坐标原点的纵坐标，为外荷载作用下的弯矩，利用《隧洞》表4-45及表4-47数据计算，表中各乘数值按已知荷载值计算如下： qr²=40×2.22²=197.136 gr²=10.5×2.22²=52.041 er²=10×2.22²=49.284 圆拱各截面：y=r-rсosφ

y-c= r-rсosφ-c=0.432-2.22сosφ 直墙段各截面：y-c=y-1.788 各截面M计算分别列于表4-6及表4-7 ⑦各截面轴向力的计算：

各截面轴向力按下式计算

 (4-16) p2cos

式中：Np为各种外荷载作用下的轴向力，其值根据各种荷载值利用表4-46及4-48（《隧洞》）数据分别计算后叠加求得，表中各乘数值按已知荷载值计算如下： qr=40×2.22=88.8 gr=10.56×2.22=23.4432 er=10×2.22=22.2

各截面及N值计算分别列于表4-8及表4-9; 表4-6

各截面计算表

截位置 面编号

0 φ=0 1 φ=15 2 φ=30 3 φ=45 4 φ=60

山岩垂直压力作用 0 -6.60 -24.6 -49.3 -73.9

系数

衬砌自重系数 作用

侧向山系数合计MP 岩压力（m=2） 作用 0 -0.03 -0.44 -2.11 -6.16 -13.5 -24.6 -38.5 -55.4 -75.5 -98.6

-0.0006 -0.0089 -0.0429 -0.125 -0.2747 -0.5 -0.7812 -1.125 -1.5313 -2

-8.384 -31.74 -65.06 -101.3 -132.7 -152.9 -166.8 -183.7 -203.7 -226.8

-0.03349 -0.125 -0.25 -0.375 0

-1.753 -6.652 -13.659 -21.176 0

-0.0337 -0.1278 -0.2625 -0.4069 -0.5232 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708

5 φ=75 -92.0 6 y=r -98.6 7 y=r+0.25yh -98.5 8 y=r+0.5yh 10 y=r+y h

-98.6 -98.6

9 y=r+0.75yh -98.6

-0.46651 -27.229

-0.5 -29.705 -0.5 -29.705 -0.5 -0.5 -0.5

-29.705 -29.705 -29.705

表4-7

各截面M计算表

截位置 y-C（拱） cosφ y-C（直）X2（y-C） X2（y-C）

面

(=0.432-2.

22сosφ)

(=y-1.788)

合计M

0 1 2 3 4 5 φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 φ=60 φ=75 -1.788 -1.712 -1.491 -1.137 -0.678 -0.143 1

0.965926 0.866025 0.707107 0.5

0.258819 0

-88.15 -84.4 -73.51 -56.05 -33.43 -7.05

26.33 21.69 9.23 -6.63 -20.25 -25.72 -17.12 -3.36 6.85 14.16 18.42

6 y=r 0.432 7 y=r+0.25yh 8 y=r+0.5yh 10 y=r+y h

表4-8

9 y=r+0.75yh

0.432 0.987 1.543 2.097 2.652

21.30 48.66 76.07 103.38 130.74

各截面计算表

截位置 面

山岩垂直压力作用

系数

衬砌自重作用

系数（m=2） 矩形侧

向山岩压力作用

系数（m=2） 合计NP

1 2 3 4 5 6 7 8 9

φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 φ=60 φ=75 0 5.94 22.2 44.4 66.6 8.28 0

0.066987 0.25 0.5 0.75 0.933012 1 1 1 1 1

0 1.588 6.134 13.02 21，261 29.64 36.82 42.68 48.52 54.41 60.27

0.06775 0.26179 0.55536 0.9069 1.26439 1.57079 1.82079 2.07079 2.32079 2.57079

0 -0.73 -2.57 -4.59 -5.55 -4.26 0 0 0 0 0

-0.03291 -0.11602 -0.20710 -0.25 -0.19183 0 0 0 0 0

0 6.806 25.76 52.82 82.31 33.67 125.6 131.4 137.3 143.2 149.0

y=r 88.8 y=r+0.25yh 88.8 y=r+0.5yh

88.8 88.8

y=r+0.75yh 88.8

10 y=r+yh

表4-9：

各截面N计算表

截面编号 0 1 2 位置 φ=0 φ=15 φ=30 X2cos N

截面编号 位置

3

φ=45 58.12 110.946 9

y=r+0.75yh

143.21

4 φ=60 41.1 123.411 10 y=r+yh

149.07

5 φ=75 21.275 54.943

82.2 82.2 6 y=r

125.625

79.399 86.205 7

y=r+0.25yh

131.485

71.19 96.95 8

y=r+0.5yh

137.32

X2cos N

⑧.内力计算校核

按下式拱顶截面转角总和为零的条件，校核各截面弯矩计算结果是否正确：

10Mds16

MdsEJEJ00Mds1S0

M04M1M3M52M2M4M6S1M64M7M92M8M100

EJ33 式中：M0,M1,M3为各截面弯矩值，由表4-55查得；S0为圆拱段每相邻两s20



截面间弧段长度，其值为：

S0 S1 则

S01r

0.580 9662

S1yh

2.2240.555 44



s

20

MdsEJ



10.5809326.33421.696.6325.2729.2320.2517.120.EJ0 EJ0.555317.1243.6614.1626.8518.42上述演算表明各截面弯矩计算无误。

⑨各截面应力计算：

衬砌截面边缘应力按下式计算: 衬砌外缘 外

N6e

1 (4-17) Fd

式中：N为截面轴向力；见表；F为衬砌截面面积。当沿洞身轴向的计算宽度取b=1时，F=bd=d.d为各分块重心在截面的计算厚度，d=0.44m,e为轴向力对截面重心的偏心距，其值为e

M。 N

衬砌内缘 内

N6e

1 (4-18) Fd

各截面边缘应力计算如表4-10 表中：

弯矩M及轴向力N值分别见表

弯矩符号以逆时针旋转为正，顺时针旋转为负

偏心距e为正时，表示轴向力偏向截面重心外侧，为负时，表示轴向力偏向截面重心内侧。 轴向力N及边缘应力均以压力为正，拉力为负。 ⑩应力验算

拉应力 拉

rR1

(4-19) K1

Ra

(4-20) K2

压应力 压

式中：R1—混凝土抗拉设计强度

R—混凝土轴心抗压设计强度

K1,K—混凝土构建强度安全系数

r—截面抵抗距的塑性系数，对于矩形截面r=1.55

以上数据均需查水利电力部1978年颁发的《水工钢筋混凝土结构设计规范》相关表格。

拉

1.705900

767（KN/m²） 2

7500

5769（KN/m²） 1.3

压

经检验最大拉应力,最大压应力均满足强度要求。采用衬砌厚度d=0.44m。 表4-10

各截面边缘应力计算表

截面弯矩M 编号

轴向力N

偏心矩e

6e/d

N/F

外缘应力σ外

内缘应力σ内

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

26.33 21.70 9.23 -6.63 -20.25 -25.72 -17.12 -3.66 6.85 14.16 18.42

82.2 86.21 96.95 110.95 123.41 54.94 125.62 131.49 137.32 143.21 149.07

0.3203 0.2517 0.0952 -0.1641 -0.4681 -0.1363 -0.0291 0.0499 0.0989 0.1236

4.366 3.432 1.298 -2.238 -6.383 -1.859 -0.397 0.680 1.349 1.685

-0.0598 -0.815

186.82 195.93 220.34 252.16 280.47 124.87 285.5 298.8 312.1 325.47 338.79

1002.48 868.36 506.34 46.65 -347.22 -672.16 -245.24 180.17 524.33 764.53 909.65

-628.84 -476.50 -65.66 457.67 908.16 921.92 816.24 417.42 99.87 -113.58 -232.07

5.压力前池的设计

前池的设计包括连接段、池身和水电站进水口的设计。前池应布置在稳定的地基上，避开滑坡和顺坡裂隙发育地段，并充分注意前池建成后水文地质条件变化对建筑物及高边坡稳定的不利影响，确保前池和下游厂房的安全。

5.1侧堰布置及水力计算

5.1.1侧堰堰顶高程的确定

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，侧堰的堰顶高程应高于设计流量下水电站运行时的过境水流水面高程h0.10.2m,本工程取h0.1m

过境水流水面高程2隧洞末端底部高+程隧洞正常水深 式中，隧洞正常水深h

Q

,由资料得v=1.885m/s,则h=1.22m bv

过境水流水面高程2隧洞末端底部高程隧洞+正常水深

=1040.95+1.22

=1942.17

侧堰的堰顶高程32h1942.170.11942.27 5.1.2侧堰堰顶长度、堰上平均水头的确定

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，对于设一道侧堰的布置，当水电站在设计流量下运行，侧堰不溢水；当水电站突然甩全部负荷待水流稳定后全部流量从侧堰溢出，为控制工况。此时，引水隧洞流量为零，侧堰泄流能力按下式计算：

QLmLL

2gh

32

(5-1)

式中：L—侧堰长度(m)；

mL—流量系数，宜取（0.9～0.95m0,m0侧堰类型正堰的流量系数，m0=0.427，本工程取mL0.9m00.3843。

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，侧堰的堰顶长度，堰上平均水头， 需经计算溢流堰长度与溢流堰顶水深有关，溢流水深过大，则单宽流量大，消能工程量大，

但溢流水深小，则溢流长度就长，影响前池平面布置，所以在计算时两者应统筹兼顾。根据上述原则，经试算确定堰顶长度和堰上水头尺寸如下：

取 H堰=0.4，L堰=3.7

5.2压力前池各部分平面尺寸的确定

5.2.1前池池身平面尺寸的确定

对于中小型电站进水室长度L进=3—5m，本工程取L进=5m； 单管的进水室宽度b进=（1.5～1.8）D；

式中：D为压力管道直径，本设计中取D=1.3m，取b进=1.8D=1.8×1.3=2.34，最终取b进=5m；

进水室宽度 进nb进n1d； (5-2)

式中n为进水室的个数，同压力钢管个数；d为隔墩厚度。本设计中取n=1，d=0；则B进=b进=5m。

前池池身宽度B前=（1.0～1.5）B进，本设计取B前=1.5×5=7.5，取B前=8m； 前池池身长度L前=（2.5～3.0）B前，本设计取L前=3.0B前=3.0×8=24m；

5.3压力前池特征水位的拟定

5.3.1进水室入口处的水深 满足下列条件： b进h进

h进

Q设

进

(5-3)

即：

Q设

v进b进

式中：Q设为隧洞的设计流速，v进为拦污栅的允许过栅流速，一般不超过1.0～1.2m/s, 取v进=0.9 m/s；

则h进最小

6.67

1.48m 0.95

5.3.2前池正常水位

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，应以设计流量下水电站正常运行时的水位作为正常水位。

Z正常=隧洞末端底部高程+隧洞正常水深 =1940.95+1.22=1942.17m 5.3.3前池最高水位：

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，前池和引水渠道内的最高水位，应按照设计流量下正常运行时的水位作为正常水位。

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，侧堰作为控制泄流建筑物，对涌波起到控制作用，即对引水系统来说，控制工况是：电站甩满负荷待水流稳定后（涌波已消失），全部流量从侧堰溢出时将恒定流时的堰上水头乘以1.11.2的系数，把这时的水位定为最高涌波水位。

即Z最高堰顶高程31.3H堰 或Z最高堰顶高程3H0 式中：H0为安全超高，取=0.5m

则 Z最高1942.17+0.5=1942.67m

5.3.4前池最低水位：

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，前池最低水位可根据水电站运行要求确定。一般前池最低水位为电站突然增加负荷前前池的起始水位Z0减去突然增加负荷时的最低涌波h最大。

对于非自动调节渠道，起始水位Z0可取溢流堰的堰顶高程3，最低涌波h最大按一台机组运行突增到两台机组，即发电流量由3.336m³/s突然增加到6.67m³/s时的前池水位降落。

引水渠道中产生落波时，波的传播速度和波高可按下式连理求解：

C0

gW03B0'h0

1V0 (5-4) 0'2W0

Qc0B01h0 (5-5) 负荷变化前的流量Q03.336m³/s 负荷变化后的流量Q'6.67m³/s

下面试算法求解波速c0，起始断面波高h0： 假设h0=0.21m

波流量Q3.336m³/s

h0

B0'b2mh3.389m

2

负荷变化的过水断面面积W0Q003.3361.61=2.072

则波速c0=4.649m/s

则起始断面波高h00.21m

最大Kh02h00.42m

Z最低Z正常-h最大=1042.17-0.42=1941.75m

5.4压力前池各部分高程的拟定

5.4.1进水室淹没深度S的确定

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》的规定，水电站进水口上缘淹没与最低水位线以下时按SD303确定。淹没深度按戈登公式确定：

SCVd (5-6) 式中：C—系数，对于对称进水口，C=0.55 d—进水口闸门高度，本工程取d=2.00m v—进水口闸门断面流速，V===1.6675m/s,V

则， S0.551.667521.297m

Q6.67

1.6675m/s bh22

5.4.2进水室底板高程的确定 进水室底板高程Z最低-Sd =1941.75-1.297-2 =1938.453m

6.压力水管的设计

6.1压水管的布置及供水方式

压力水管主要是从水库或压力前池向水轮机输送水量。其一般特点是坡度陡，承受内水压力及水击压力大，位置靠近厂房。按照管壁材料，压力水管可分为钢管、钢筋混凝土管和钢衬钢筋混凝土管等。其中钢管具有强度高、防渗性能好的优点，适用于中高水头的水电站，在高水头小型水电站中，钢管具有很好的适应性和经济性。因此，本设计中采用 压力明钢管。

6.1.1压力钢管的布置原则

水电站压力钢管的布置应根据其形式、当地的地形地质条件和工程总体布置要求确定，力求满足安全、可靠、经济、耐久的要求，具体要遵循的原则有尽可能选择良好的地形地质条件和短而直的路线；尽量减少管道起伏波折，避免出现反坡，以利管道排空，且管顶不得产生负压，以免影响水轮机的运行，故管道顶部至少应在最低压力线2m以下；管道的转弯半径不宜小于3倍管径，且位置相近的平面转弯和立面转弯应尽量合并，位置相等的弯管和渐缩管宜合并成渐缩弯管；为了安装检修，明钢管的底部至少应高出其下地表0.6m，直管超过150m时，中间宜加镇墩。

6.1.2压力钢管的供水方式

水电站压力管向水轮机供水一般有以下三种方式：单管单机供水、单管多机供水和多管多机供水。本设计中由于水电站单机流量较小，机组台数不多且结合地形地质条件考虑所需的压力钢管较长，故采用单管多机供水方式。

6.2压力钢管经济管径的确定

压力水管的投资及其年维修费用，一般总是随水管直径的增大而增大，而水管中的水头损失随管径的增大而减小，故压力管道的直径应通过动能经济计算确定，称为经济管径。对于小型水电站，压力水管的经济管径按经济流速估算

DQ最大 (6-1) 0.75Ve

式中：Q最大为压力水管的最大引用流量，m³/s；本设计中Q最大=6.67/s；

Ve为压力水管的经济流速，m/s；明钢管取3～5m/s,本设计中取Ve=4 m/s； 则DQ最大6.67=1.49m 0.75Ve0.754

6.3镇墩的设计

压力钢管的镇墩一般布置在管道的转弯处，以承受因管道改变方向而产生的不平衡力，将管道固定在山坡上，不允许管道在镇墩处发生任何位移。在管道直线段，若长度超过150m时，为减小轴向推力应在直线的中间设镇墩，并将伸缩节布置在中间镇墩两侧的等距离处，以减少镇墩所受的不平衡力。镇墩靠自身重量保持稳定，一般用混凝土浇筑，按照管道在镇墩上的固定方式，镇墩可分为封闭式和开敞式两种。小型水电站一般采用封闭式镇墩，因为它结构简单，对管身的固定牢靠。