渠道、前池初设说明书

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17引水明渠、前池设计说明书1项目人工出渣方案扒渣机出渣方案备注开挖断面（宽高）（m）2.0262.33.03.0、类围岩2.222.43.03.0类围岩开挖断面面积2(m)5.029.65、类围岩5.659.65类围岩衬砌厚度（mm）300300、类围岩400400类围岩衬砌后断面（宽高）（m）1.51.82.2942.4、类围岩1.51.82.4942.5类围岩1、引水方案选择水电站按水文能分析计算设计引用最大流量3.45m3/s，引水系统从取水口至压力前池的引水工程中，以引水隧洞和引水明渠两种方案进行比较，其中引水隧洞又比较了人工出渣小隧洞断面和扒渣机出渣大断面两种方案。1.1方案概述（一）引水隧洞方案：隧洞进口位于水电站下坝址上游约200m的右岸，进口底高程1623m，出口底高程1601.9m，从进水口至压力管道总长4487m，纵坡I=3，隧洞沿线地形起伏较大，大部分洞段洞顶覆盖层在100m以上，围岩类别一般为、类围岩，局部为类围岩，但在桩号洞1+1911+304处有113m洞线穿越冲沟，需采用引水明渠衔接，明渠衬砌后断面为宽高=1.5m1.3m，明渠纵坡I=72。引水隧洞采用马蹄型断面，按无压隧洞设计，隧洞平均流速约为2.0m/s，其断面特性见下表所示：隧洞方案断面特性表（二）引水明渠方案：明渠总长约8000m，渠首（渠0+000）处底部高程为1660.300m，至渠尾（渠8+000.000）处底部高程为1642.300m，渠底纵坡约为2.25；本渠道大部分渠段为利用原木厂乡灌溉引水渠道加高而成，原渠道断面尺寸约为宽高=1.01.2m，引用流量1.5m3/s，加高后渠道高约为2.5m,2工程项目单位工程量单价（元）合价（万元）备注土石方明挖m3250001537.5石方洞挖m323069160369.1C20混凝土衬砌m39308500465.4钢筋制安t4705500258.5锚杆支护根120005060C20喷砼m380060048灌浆等其它项1150合计1388.5工程项目单位工程量单价（元）合价（万元）备注土石方明挖m3250001537.5石方洞挖m344320150664.8C20混凝土衬砌m313548500677.4钢筋制安t5005500275.0锚杆支护根120005060C20喷砼m390060054灌浆等其它项1180合计1948.7人工出渣小洞径方案设计工程量表扒渣机出渣大洞径方案设计工程量表3渠道顶宽约为2.1m，有效断面面积约3.2m2，平均流速约为1.7m/s。1.2工程量与经济比较采用隧洞方案其主要的工程量见下表：工程项目单位工程量单价（元）合价（万元）备注土石方开挖m380001512浆砌石m315000180270土石方回填m37000107混凝土m330040012浆砌石拆除m34001004砂浆抹面m2200001020其它项130合计355采用明渠方案主要工程量表如下：1.3施工工期与施工难度比较1.3.1引水隧洞方案（1）小洞径方案较大洞径方案工程投资省560万左右，但施工难度较大，人工装车出渣施工进度慢，平均单个工作面进尺按100m计，整条隧洞共分进水口、出水口与明渠段两端四个施工工作面，其中最长工作面长约1600m，开挖约需16个月，加上衬砌与抹底砼、灌浆等所需时间（约14个月），整条隧洞施工工期约为30个月。且单个面进尺较长，通风、排水等难度均较大。（2）大洞径方案施工进度较快，难度降低，扒渣机出渣根据同类工程类比，单个工作面平均月进尺可达160180m，开挖工期可缩短6个月左右，但投资增加较大。1.3.2明渠方案明渠施工工作面较长，施工干拢与施工难度相对较小，可通过加大人力、资源投入来缩短工期，预计施工工期在8个月左右。施工期应注意农田灌溉等问题。41.4综合评价从以上比较可以看出，明渠方案投资较省（比小洞径隧洞方案省1000万元左右，比大洞径隧洞方案省1600万元左右），施工难度较小，施工工期较短（比小洞径隧洞方案工期缩短22个月左右，比大洞径隧洞方案工期缩短16个月左右）。因而推荐采用明渠引水方案。由于未选择隧洞方案，故不再对引水隧洞方案作详细介绍，下面只对明渠方案进行进一步详细说明。2设计依据文件和规2.1有关本工程的文件2.2主要设计规(1)SL/T205-97水电站引水渠道与前池设计规；(2)SL2852003水利水电工程进水口设计规；2.3主要参考资料（1）水力计算手册(水利电力学院编)；（2）水力学上、下册(科技大学编)；（3）水电站进水口设计（欣先、彦硕主编）；（4）水工设计手册。3设计基本资料3.1工程等别与建筑物级别根据本工程规模，按照SDJ12-78，本工程属小（1）型工程，引水明渠、前池为本工程之主要建筑物，按4级建筑物设计。3.2气象资料3.2.1气温本建筑区气温情况如下：（1）多年平均气温；（2）绝对最高气温；（3）绝对最低气温；5（4）最低月平均气温；（5）最高月平均气温；3.2.2水温本库区多年平均水温，极端最高水温，极端最低水温。3.2.3风速与吹程(1)相应于洪水期多年平均最大风速：m/s；(2)风的吹程：km。3.3地震烈度(1)基本地震烈度：度；(2)设计地震烈度：度。3.4污物情况与冰情(1)污物来源：明渠两侧；(2)污物种类：石块、杂木；3.5地质资料4主要建筑物设计4.1渠道4.1.1渠道线路布置引水明渠自明渠进水口起(桩号渠0+000.000)至压力前池入口(桩号渠8+000.000)，全长8000m，渠首（渠0+000）处底部高程为1660.300m，至渠尾（渠8+000.000）处底部高程为1642.300m，渠底纵坡约为2.25。渠道全线蜿蜒曲折，所经地段，自然坡度一般为3060多处为陡岩，绝壁；地质构造较为复杂。4.1.2渠道断面设计本渠道大部分渠段为利用原木厂乡灌溉引水渠道加高而成，以加快施工进度，缩短工期，降低工程造价，但同时应考虑加高后原明渠灌溉田地的灌溉问题。本渠道设计流量为3.45m3/s，原渠道断面尺寸约为宽高=1.01.2m，引用流量1.5m3/s，加高后渠道高约为2.5m,渠道顶宽约为2.1m，有效断面面积约3.2m2，底坡i=0.0025，糙率n=0.017，最大流速V=1.87m/s。全渠线水头损失为h渠=16m。在全渠线上，根据不同的地形地质情况，设计了种标准横断6面。为防止崩落石块、地表水流、泥沙、杂木等进入渠道，在相应渠段，用钢筋混凝土盖板封闭。4.2压力前池4.2.1前池布置前池位置、尺寸的选择应根据地形、地质条件以与压力管道轴线的选择等因素结合考虑，选择地形较缓、地基稳定的位置，避开滑坡和顺坡裂隙发育地段，充分注意前池建成后水文地质条件对建筑物与高边坡稳定的不利影响，在减少明挖量的同时尽量避免可能出现的高边坡问题，保证前池和下游压力管、厂房等建筑物的安全。经过对现场地形的勘察，初步选定了两处前池位置，经比较，第二方案较第一方案土石方开挖工程量少，且有利于压力管道的选线、施工，因而最终选定了位于引水明渠尾部的渠8+000.000桩号处的第二方案。本前池由连接段、池身、电站进水口、侧堰等部分组成，前池总长约为54m，池底最大宽度16m，前池底板高程1640.000m，正常水位为1644.500m，总容积约为2500m3,工作容积约800m3。(1)连接段连接段长15.5m，与渠道末端连接，底高程1642.300m，扩散角10，底坡16.75。（2）池身直线段长38.5m，池底高程1640.000m，前室两侧采用浆砌石挡水墙，边坡10.3,顶宽50cm，挡墙顶部高程为最高水位基础上再加50cm安全超高即1646.0m。挡墙外侧采用土石回填夯实，兼作永久道路使用；侧采用3cm厚1:2砂浆抹面。前室水平段底板厚0.3m，采用C20号混凝土护底。(3)进水室进水口采用有闸门控制的塔式布置型式，设拦污栅、工作闸门和相应的启闭设备，进水室长5m。根据前池地形条件采取侧向进水，进水室轴线与前池中心线夹角成67。进水口底板高程1640.5m，进水口拦污栅尺寸2.0m2.0m，栅条间距为20cm；工作闸门采用宽高=1.2m1.2m的平面钢闸门，门后设通气孔，通气孔孔径30cm。压力钢管入口设喇叭形管口，连接渐变段，再与钢管直线连接。(4)溢流侧堰前池连接段侧墙设溢流侧堰，堰长5m，堰顶高程1644.7m，堰后连接溢水道，宽2m；溢流堰下游设置拦漂浮筒以防漂浮物进入前池。7(5)冲沙孔冲沙孔位于前池末端，采用300铸铁排砂、放空管，闸阀控制。5水力计算5.1明渠水力计算明渠恒定均匀流的基本公式：流速公式：V=CRi流量公式：Q=AV=ACRi流量模数：K=ACR满宁公式：C=1n1R6式中：C才系数，对于平方摩阻区宜按满宁公式确定；R水力半径，m；i渠道纵坡；A过水断面面积，m2；n满宁粗糙系数，其值按SL/T18-19渠道防渗工程技术规确定。Q=AV=ACRi梯级断面：A=(b+mh)h湿周c=b+2h1+m2水力半径R=A/c则：Q=AV=ACRi8nb+2h1+m2=(b+mh)h1(b+mh)h16(b+mh)hb+2h1+m2i即：Q=f(m,n,i,b,h)其中：Q由水文资料确定，本工程取3.45m3/s；渠道纵坡i根据地形条件取0.0025；边坡系数m根据地形地质条件与渠道建筑材料（浆砌石）取0.3；满宁粗糙系数n浆砌石护面取0.017；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个量就仅有2个未知，一般可先确定底宽b或水深h，再用试算法求剩下的那个物理量。原灌溉明渠底宽约为1m，高约1.2m，经过试算，在原明渠基础上再加高1.3m能满足过流要求。最大流速为1.87m/s,渠道水深为2.2m。5.2前池、进水口水力计算5.2.1计算基本资料：机组台数n1=3台单机容量N=6300kW引水渠设计引用流量Qp=3.450m/s单机引用流量Q设=3.450m/s明渠末端渠底高程1=1642.300m明渠末段渠底宽度b=1.000m明渠末段渠道边坡m=0.3明渠末端渠道设计水深h=2.200m明渠末端渠道设计流速v0=1.87m/s压力钢管根数n2=1根压力钢管径D=1.000m进水室拦污栅的允许最大流速v进=0.800m/s堰顶与过境水流水面的高差h=0.200m侧堰类型正堰的流量系数m0=0.42795.2.2侧堰堰顶高程的确定根据水电站引水渠道与前池设计规第2.5.3条的规定，侧堰的堰顶高程应高于设计流量下水电站正常运行时的过境水流水面高程h(0.10.2m)，本工程取h0.200m过境水流水面高程2=渠末渠底高程+渠道正常水深=1644.500m侧堰堰顶高程3=2+h=1644.700m5.2.3侧堰堰顶长度、堰上平均水头的确定根据水电站引水渠道与前池设计规第A.0.3条，对于设一道侧堰的布置，当水电站在设计流量下正常运行，侧堰不溢水；当水电站突然丢弃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，侧堰下游引水渠道流量为零，侧堰泄流能力按下列公式确定。QL=mLL2gH3/2流量系数mL宜取（0.90.95）m0，本工程取mL=0.9m0，即mL=0.3843根据水电站引水渠道与前池设计规第2.5.3条，侧堰的堰顶长度，堰上平均水头，需经计算比较确定。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，则溢流堰长度就长，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平均水头。取H堰=0.540m则L堰=5.108m取L堰=5.000m则H堰=0.548m5.2.4压力前池各部分平面尺寸的拟定对于中小型电站进水室长度L进=35m，本工程取L进=5.000m单管的进水室宽度b进=1.8D=1.800m取b进=1.800m进水室宽度B进=n2b进+(n2-1)d=1.800m取B进=1.800m前池池身宽度B前=1.5B进=2.700m取B前=716m前池池身长度L前=3.0B前=48.000m取L前=54m105.2.5压力前池特征水位的拟定5.2.5.1进水室入口处的水深h进（m）应满足下列条件：b进h进Q设v进即:h进Q设v进b进进min=2.313m5.2.5.2前池正常水位Z正常：根据水电站引水渠道与前池设计规第5.0.4条，应以设计流量下水电站正常运行时的水位作为前池的正常水位。Z正常=渠末渠底高程+渠道正常水深=1644.500m5.2.5.3前池最高水位Z最高：根据水电站引水渠道与前池设计规第5.0.5条，前池和引水渠道的最高水位，应按照设计流量下正常运行时，水电站突然甩全部负荷时的最高涌波水位确定。根据水电站引水渠道与前池设计规第D.0.5条，侧堰作为控制泄流建筑物，对涌波起到控制作用，即对引水道系统来说，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+1.2H堰Z最高=1645.358m（取1645.500m）5.2.5.4前池最低水位Z最低：根据水电站引水渠道与前池设计规第5.0.6条，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减去突然增荷时的最低涌波hmax。对于非自动调节渠道，起始水位Z0可取溢流堰顶高程，最低涌波hmax按一台机组运行突增到两台机组即发电流量由1.15m3/s突然增加到2.3m3/s时的前池水位降落。11引水渠道中产生落波时，波的传播速度c0和波高h可按一下两式联立求解：1+v0c0=gW0B03B0Dh02W0DQ=c0B0Dh0负荷变化前的流量Q0=1.15m/s负荷变化后的流量Q=2.30m/s下面试算求解波速c、起始断面波高h0：假设h=0.700m波流量Q=1.15m/sB=b+2m(h-h0/2)=2.11m负荷变化前的过水面积W0=Q0/v0=1.438m则波速c0=3.321m/s则起始断面波高h=0.164mhmax=Kh=2h0=0.328mZ最低=Z正常-hmax=1644.172m当电站突然增加负荷时，前池水位产生落坡，经计算此时的水位降低甚小，现将引水渠道末端底高程加1m定为前池最低水位。即最低水位为1643.3m，较正常水位低1.2m，此即前池的有效工作水深。5.2.6进水室各部位高程的拟定5.2.6.1进水室淹没深度S的确定根据水利水电工程进水口设计规第B.2.1条规定，水电站进水口上缘淹没于最低水位以下的深度，按戈登公式确定：S=CVd式中：C系数，对于对称进水口，C=0.55d进水口闸门高度，本工程d=1.000m12工况荷载自重水压力土压力工况1V进水口闸门断面流速，本工程V=3.450m/s经计算S=1.832m5.2.6.2进水室底板高程的确定进水室底板高程=最低水位-S-d=1640.468m本工程取1640.5m。5.2.7通气孔面积计算通气和通气设施是压力引水道中不可缺少的重要组成部分。压力隧洞中，排水时需要补气，充水时需要排气。目前，还无法对通气作出数字分析，只能根据试验和原形观测资料，由经验判断决定。通气孔面积宜适当取大些，一般为引水道截面积的5%8%；本工程取通气孔为直径30cm的圆孔。6结构计算6.1压力前池结构计算6.1.1计算原则前池挡墙稳定计算根据水电站引水渠道与前池设计规第5.0.6条，采用抗剪强度公式计算沿基底面的抗滑稳定安全系数：K=fWPK-抗滑稳定安全系数f-建筑物与基岩接触面的抗剪摩擦系数，取0.5W作用在结构物上的全部荷载对计算滑动面的法向分量，KNP作用在结构物上的全部荷载对计算滑动面的切向分量，KN本工程选用以下三种工况分别计算：工况1：电站正常运行，池水位为正常水位作用；工况2：电站从满发突然甩全负荷，池水位为最高水位作用；工况3：检修情况，前池完全放空。其荷载组合表如下：13工况水容重水深h静水压力P工况19.8kN/m4.50m99.2kN/m工况29.8kN/m5.50m148.2kN/m工况39.8kN/m00工况WPfK工况1252kN/m7.4kN/m0.517.0工况2252kN/m56.4kN/m0.52.23工况3252kN/m91.8kN/m0.51.37序号工程项目单位工程量备注1土方开挖m350002石方开挖m33000工况2工况3计算时取前池最高断面作为计算断面。6.1.2荷载计算(1)边墙自重W材料容重=23.5kN/m墙断面面积S=10.71m墙体自重W=252kN/m(2)土压力F=1/2gH2K0土容重取17kN/m土压力系数K0取0.3F=91.8kN/m（3）静水压力6.1.3抗滑稳定分析抗滑稳定安全系数均满足规范要求。7主要工程量汇总表7.1明渠主要工程量表14序号工程项目单位工程量备注1土方开挖m350802石方开挖m333873浆砌石m318434土石方回填m318235混凝土m35206钢筋制安t407金属结构制安t88砂浆抹面m29509装饰装修项110细部结构项13浆砌石m3150004土石方回填m370005混凝土m33006浆砌石拆除m34007砂浆抹面m2200008其它项17.2前池主要工程量表15