5[1]6引水建筑物(08变更设计)

5.6引水建筑物电站引水建筑物主要由坝式进水口、有压隧洞、调压井、压力管道和重溪补充水源等部分组成。5.6.1方案布置比较结合挡水建筑物和发电厂房的布置方案，引水建筑物的布置考虑了左、右岸布置两个方案。左岸方案共布置6个隧洞，总长6659m，压力管道总长601m；右岸方案共布置隧洞5个，隧洞总长6043.83m(0+017.50～6+6060.98)，压力管道总长395.00m，右岸有补充水源。综合分析两个方案，选择右岸方案为推荐方案，理由有以下几点：一是从工程投资上，右岸方案比左岸方案明显地节省；二是工程施工上，左岸材料运输方便，但施工干扰大，对村级公路的交通会带来一些影响；三是流域规划要求必须对水资源进行合理利用，右岸有比较合适的厂房位置，左岸需考虑将压力管道横跨过河，施工难度大。5.6.2有压进水口发电引水隧洞进水口只能布置在右岸，右岸山坡覆盖层厚3～5m，基岩为志留系中统罗惹坪群下段（S2lr1）砂质泥岩。层理较发育，强风化带厚3～5m，隧洞轴线与岩层走向夹角30°。须明挖20-50m方可进洞，进洞段围岩类别Ⅲ类。进口段fk为1～2，单位围岩弹性抗力ko为10～20Mpacm-1。有压进水口布置考虑了坝式进水口、竖井进水口两个方案，综合分析投资和生产运行管理，选择坝式进水水口方案。（1）结构布置水库正常蓄水位420m，校核洪水位421.02m，死水位413m。进水口布置位置主要基于进水口的高程拟定在距右坝肩较近的位置，以节省工程量。进水口（0+000～0+017.15）分为进口段、闸室段和渐变段，进水口段设计纵坡为3‰。渐变段以后为有压隧洞段。坝式进水口的基础考虑和大坝基础为同一整体，基础采用C20（2）砼，厚2m，宽7.5m，长5m。进水口支承采用排架结构。进口顶部和侧面均布置成1/4椭圆曲线，a=2.0m,b=0.75m。根据进水口的地形条件，栏污栅的清污比较困难。考虑降低过栅流速，以获得较大过水面积，采用固定栏污栅。拦污栅分3面，进水正面或两侧各布置1块，栅条垂直布置，高2.8m，栅条厚10mm,宽50mm,间距按混流式水轮转轮直径的d/30拟定为30mm。参照《小型水电站机电设计手册》（金属结构分册）中介绍的不采取清污措施容许过栅流速为0.5m/s，复核本处的过栅流速小于0.5m/s。因此本处选取固定栏污栅一是能够满足过栅流速要求，二是减少了工程运行管理期间的清污工作量。栏污栅体和框架投资有所增加，和考虑清污措施相比较，投资节省一些。闸室段和排架相连，进水口采用矩形断面,孔口尺寸为2.0×2.0m。闸门采用平面钢闸门，闸门后仍采用矩形断面，孔口尺寸断面不变，闸后5.86m(桩号0+008.36)开始向右转弯,曲线段长5.79m，曲线段末段（桩号0+014.15）连接渐变段由方变为圆形断面，渐变段长度均为3m。平面钢闸门为检修闸门，平面闸门尺寸为2.5×2.5m。配套启闭机采用螺杆式启闭机，启闭机型号为QPK2×400kN型螺杆启闭机。在排架438.50m高程上建启闭机房，长4.0m，宽4.0m。启闭房内布置启闭机1台。启闭机最大宽度1.36m，人行通道宽度能够满足要求。（2）水力及通气孔面积计算a．不出现吸气旋涡的临界淹没深度计算水库死水位418m，进水口顶部高程416.00m。按戈登（J.L.Gordon）公式估算:Scr=cvd式中：Scr—闸门门顶低于最低水位的临界淹没深度，m；d—闸门孔口高度，取1.5m;v—闸门断面的水流速度，计算取值2.32m/s；c—经验系数，对称时取0.53。经计算，得Scr=1.51m，进水口闸门顶高程为415.91m,距死水位高度为2.09m。因此不会出现吸气旋涡。b．水头损失计算进水口水头损失计算沿程水头损失和局部水头损失，本处只给出各局部水头损失系数，便于编程计算。沿程水头损失在隧洞中给出计算公式。根据《水电站调压室设计规范》（DL/T5058-1996）附录A介绍的局部水头损失系数取值和计算公式进行计算，各部位的局部水头损失系数见表5.6-1。表5.6-1进水口局部水头损失系数部位局部水头损失系数ξ备注进水口0.1采用1/4椭圆曲线栏污栅βbs3/4sinαβ—栅条形状系数，取2.42s—栅条宽度b—栅条间距α—栅面倾角取90°v—过栅平均流速（用于计算栅条损失）渐变段0.1圆变方渐变段0.1方变圆闸门槽0.1c.避免出现负压的最小淹没深度计算按下式计算压力隧洞避免出现负压的最小淹没深度s：s=δ+1.5(1+hi)gvi22式中：s—闸门门顶的最小淹没深度，m；δ—冰冻层厚度，m；hi—进水口段水头损失系数；vi—进口闸门处的流速，计算取2.32m/s；经计算，s=0.65m，能够满足要求。d．通气孔面积计算参照《水工设计手册》（水电站建筑物）介绍的公式计算：A=vQaa式中：Qa—空气流量，采用引水隧洞的额定流量；va—空气流速，取25m/s；计算A=0.20m2,在闸后采用内径500mm的钢管伸到坝顶，用于通气孔。5.6.3有压引水隧洞（1）结构布置根据前面所述的方案布置，发电引水洞选择右岸布置，发电输水隧洞进口处覆盖层厚3-5m，基岩为志留系中统罗惹坪群下段（S2lr1）砂质泥岩。进洞后洞线所经地层依次为志留系中统罗惹坪群中段（S2lr2）石英砂岩，上段（S2lr3）砂质泥岩，粉砂岩，礁灰岩，志留系上统纱帽群下段砂质页岩，夹紫红色泥岩、灰绿色粉砂岩，志留系上统纱帽群上段（S3sh2）石英砂岩，泥盆系中统云台观组（D2y）灰白色石英砂岩，泥盆系上统黄家磴组（D2h）黄色块状石英砂岩夹页岩，泥盆系上统写经寺组（D3x）砂岩夹页岩，二叠系下统栖霞组马鞍段（P1q1）砂岩夹页岩，二叠系下统栖霞组灰岩段（P1q2）含燧石灰岩，该组亦为璞岭向斜的核部，往洞口方向又依由新到老至志留系上统纱帽群地层。有压引水隧洞总长6043.83m(0+017.50～6+6060.98)，根据地质报告提供的资料，衬砌长度按60%考虑，即3626m，其余按喷混凝土考虑，长度为2417.83m。隧洞设计纵坡3/1000。关于洞径考虑了5种方案：方案1开挖直径2.3m，方案2开挖直径2.4m，方案3开挖直径2.5m，方案4开挖直径2.6m，方案5开挖直径2.7m。各种方案的衬砌长度、喷混凝土长度不变。衬砌厚度均按0.30m考虑，喷混凝土厚度按0.10m考虑。在压力钢管采用推荐方案的情况下，分别计算电站年发电量和隧洞工程投资变化。计算期内的上网电价按0.35元/kWh计算，有效电量系数0.95，线路损耗9%，电费的增值税按17%考虑，由于增发电量导致增加的发电成本很小，进行评价时未考虑。采用技术经济方案比较详见表5.6-2。表5.6-2有压隧洞洞径方案经济比较表方案方案1方案2方案3方案4方案5隧洞开挖内径（m）2.32.42.52.62.7隧洞回填后内径（m）钢筋砼衬砌1.71.81.922.1喷混凝土2.12.22.32.42.5额定流量(m3/s)6.025.595.385.265.18额定出力时的隧洞总水头损失(m)33.9822.2115.8111.779.00其中:沿程水头损失(m)33.5621.9215.5911.68.86水头损失减少（m）11.776.44.042.77建筑工程开挖增加方量(单价:180元/m3)2231232624202516C20砼增加方量(单价:450元/m3)342342342342增加隧洞模板工程(78元/m2)1140114011401140喷混凝土增加方量(单价750元/m3)76767676钢筋增加量(单价7800元/t)21212121细部结构(单价:11.68元/m3)342342342342建筑工程投资(万元)86.5288.2389.9291.65发电量变化(万kWh)138.7173.4444.6329.34收益变化(万元)35.4818.7811.417.5差额内部收益率△IRR(%)40.9720.6211.165.23从表5.6-2可以看出，方案2比方案1收益和投资均增加，差额内部收益率远大于国家发展改革委发改投资[2006]1325号文印发的《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）测定的社会折现率Is=8%，因此方案2比方案1优。同理对案2、方案3、方案4进行比较，得出的结论，后一个方案比较前一个方案优，选择后一个方案。方案4和方案5进行比较，差额内部收益率小于测定的社会折现率Is=8%，因此方案4比方案5优。因此选择方案4（即隧洞开挖直径2.60m）为推荐方案。隧洞总长6043.83m(0+017.50～6+6060.98),根据地质报告提供的资料，衬砌长度按60%考虑，即3626m，采用C20（2）衬砌，衬砌厚度0.30m，布双层钢筋对于Ⅲ类围岩，伸缩缝长度12m。隧洞拱顶90°范围内进行回填灌浆，回填灌浆孔沿拱顶布置，孔距3m，灌浆压力0.3Mpa。对于围岩不稳定的衬砌砼后进行固结灌浆，每排布置6孔,孔深1.3m对称布置,排距4m；相邻断面错开排列,灌浆压力按1.5倍的内水压力考虑拟定0.68Mpa。固结灌浆在回填灌浆14天后进行，灌浆时应加强观测，防止洞壁发行变形破坏。回填灌浆和固结灌浆孔分排间隔排列。(2)衬砌结构计算圆形有压隧洞的衬砌计算参照天津大学祁庆和主编的《水工建筑物》介绍的方法，该方法和《水工设计手册》（水电站建筑物）介绍的方法基本相同，只是部分系数略有差别。隧洞开挖洞径2.6m，对于Ⅲ类围岩，采用C20（2）衬砌，衬砌厚度0.3m，按限裂进行设计。隧洞衬砌在各种荷载作用下考虑弹性抗力时的内力计算公式如下：铅直围岩压力作用下的内计算公式：M=qrre[Aα+B+Cn（1+α）]N=qre[Dα+F+Gn（1+α）]式中：M—计算截面上弯矩，kN·m;N—计算截面上轴向力，kN；q—铅直围岩压力强度，kpa；re—衬砌的外半径，取1.1m;r—衬砌的平均半径，0.975m；α=2-rre；n=KbrrEJe306416.01；K—弹性抗力系数，kN/m3；E—材料的弹性模量，kPa；J—计算断面的惯性矩，m4；b—计算宽度，取b=1m；系数A、B、C、D、F、G在不同的角度的值见表5.6-3。表5.6-3铅直围岩压力作用下的内力计算系数表断面ABCDFGφ=00.162800.08721-0.006990.21220-0.212220.02098φ=π/2-0.12500-0.12501-.008240.000001.000000.00575φ=π0.087200.16277-0.00837-0.212200.712220.02237衬砌自作用下的内力计算公式如下:M=gr2(A1+B1n)N=gr(C1+D1n)式中：g—单位面积的衬砌自重，kPa；其余符号同前，系数A1、B1、C1、D1见表5.6-4。表5.6-4衬砌自重作用下的内力计算系数表断面A1B1C1D1φ=00.34477-0.02194-0.166690.06590φ=π/2-0.392720.025891.570800.01807φ=π0.44059-0.026281.737490.07024非均匀内水压力作用下的内力计算公式如下:M=γ2irr(A2+B2n)N=irr(C2+D2n)式中γ—水的容重，kN/m3；ir—衬砌的内半径，m；其余符号同前，系数A2、B2、C2、D2见表5.6-5。表5.6-5非均匀内水压力作用下的内力计算系数表断面A2B2C2D2φ=00.17239-0.01097-0.583350.03295φ=π/2-0.196360.12295-0.214600.00903φ=π0.22030-0.01315-0.631260.03513本阶段仅选择两个断面进行内力和配筋计算：一是有压隧洞进口段后，即竖井后断面，该断面承受的内因水压力小，是承受水压值最小的断面；另一个承压值最大的断面，即靠近调压井位置。根据以上公式计算有压隧洞进口位置和接近调压井位置的两个断面的内力和按限裂设计的配筋成果见表