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文檔簡介
ICS27.140
P59
中國電力企業(yè)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn)
T/CECXXXX-XXXX
抽水蓄能電站豎井式泄洪洞設(shè)計導(dǎo)則
DesignGuideforshaftspillwaytunnel
ofPumpedstoragepowerstation
征求意見稿
2020年2月28日
2020-XX-XX發(fā)布2020-XX-XX實施
中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布
1
目次
前言..............................................................................................................錯誤!未定義書簽。
1總則.................................................................................................................................................1
2術(shù)語和符號....................................................................................................................................2
3基本規(guī)定.........................................................................................................................................4
4布置.................................................................................................................................................5
5水力設(shè)計.........................................................................................................................................8
6結(jié)構(gòu)設(shè)計......................................................................................................................................12
7監(jiān)測設(shè)計......................................................................................................................................16
附錄A豎井式泄洪洞基本型式及附圖
附錄B水力設(shè)計計算方法及公式..............................................................................................17
本導(dǎo)則用詞說明..............................................................................................................................26
引用標(biāo)準(zhǔn)名錄..................................................................................................................................27
條文說明...........................................................................................................................................28
抽水蓄能電站豎井式泄洪洞設(shè)計導(dǎo)則
1總則
1.0.1為規(guī)范抽水蓄能電站豎井泄洪洞的設(shè)計,統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求,做到安全可靠、
技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理,制定本標(biāo)準(zhǔn)。
1.0.2本標(biāo)準(zhǔn)適用于抽水蓄能電站自由溢流的豎井式泄洪洞設(shè)計,包括豎井旋流式和豎井跌
流式泄洪洞兩種型式。
1.0.3抽水蓄能電站豎井泄洪洞設(shè)計,除應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)外,尚應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)
定。
1
2術(shù)語和符號
2.1術(shù)語
2.1.1抽水蓄能電站Pumpedstoragepowerstation
能向上水庫抽水蓄能的水電站,一般用于電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用。
2.1.2自由溢流Freeoverflow
水流沿堰頂自由下泄,不受閘門控制的泄流方式。
2.1.3豎井旋流式泄洪洞Shaftswirlspillway
水流經(jīng)起旋(墩)設(shè)施的引導(dǎo),在進(jìn)口環(huán)形堰和豎井中產(chǎn)生帶有空腔的旋轉(zhuǎn)流運動,經(jīng)
豎井和退水隧洞泄入下游的泄洪洞。
2.1.4豎井跌流式泄洪洞Shaftdownflowspillway
水流從環(huán)形堰溢流跌入豎井底部消能,再經(jīng)退水隧洞泄入下游的泄洪洞。
2.1.5環(huán)型溢流堰Ringoverflowweir
布置在豎井井口溢流并控制泄洪洞泄量的環(huán)形堰。
2.1.6起旋墩Startingpier
布置于豎井旋流式泄洪洞環(huán)形溢流堰四周,引導(dǎo)水流產(chǎn)生旋流流動的墩體結(jié)構(gòu)。
2.1.7導(dǎo)流消渦墩Diversionandvortexeliminationpier
布置于豎井跌流式泄洪洞環(huán)形溢流堰四周,引導(dǎo)水流平順下泄并避免進(jìn)口水流產(chǎn)生旋渦
的墩體結(jié)構(gòu)。
2.1.8消能井Energydissipationwell
位于豎井底部,通過井內(nèi)水墊水體的摻混、翻滾及相互剪切以消耗水流動能的消能設(shè)施。
2.1.9消力墩Stillingpier
布置在豎井與退水隧洞連接段起輔助消能作用的墩。
2.1.10頂壓板Toppressureplate
豎井旋流式泄洪洞內(nèi)布置在豎井與退水隧洞連接段之間頂部,與消力墩組合構(gòu)成洞內(nèi)水
墊塘消能型式和起引導(dǎo)水流作用的壓板。
2.1.11壓坡段Slopesection
豎井跌流式泄洪洞內(nèi)布置置在豎井與退水隧洞連接部位頂部的收縮式壓坡結(jié)構(gòu),使其下
游水流脫離洞頂而保持退水隧洞為明流形態(tài)。
2
2.1.12盲洞Blindhole
與導(dǎo)流洞結(jié)合的豎井旋流式泄洪洞,導(dǎo)流洞堵頭下游至豎井之間的導(dǎo)流洞洞段。
2.1.13退水隧洞Waterreturntunnel
連接豎井和下游河道(或沖溝)之間,用來泄水或退水的隧洞。
2.1.14臺階消能Stepenergydissipation
利用水流流經(jīng)泄槽臺階時形成的水平軸游滾、碰撞和摻氣等而逐步消耗、分散能量的一
種沿程消能方式。
2.1.15消能率Efficiencyrate
消能設(shè)施損耗的能量與水流初始斷面能量的比值。
2.2主要符號
2.2.1幾何特征
RL——堰頂半徑;
P——堰高;
D——豎井直徑。
2.2.2水力計算參數(shù)
H——環(huán)形堰堰頂水頭;
Q——流量;
v——流速;
Hd——定型設(shè)計水頭;
h——水深;
——上、下游水位落差。
2.2.3?水?力計算系數(shù)
m——環(huán)形溢流堰的流量系數(shù)
Fr——弗勞德數(shù):
——水流空化數(shù)
?——消能率
n?——糙率
3
3基本規(guī)定
3.0.1豎井式泄洪洞設(shè)計需根據(jù)樞紐布置收集水文、氣象、地形、地質(zhì)、地震、施工條件、
環(huán)境與水土保持要求等資料。
3.0.2抽水蓄能電站上水庫根據(jù)工程條件可單獨設(shè)置豎井式泄洪洞作為泄洪設(shè)施,下水庫僅
設(shè)置自由溢流的豎井泄洪洞時,須設(shè)置有泄放水庫多余水量的放水孔或放水洞。與常規(guī)水庫
結(jié)合布置的抽水蓄能電站單獨設(shè)置豎井式泄洪洞作為唯一泄洪設(shè)施時須進(jìn)行論證。
3.0.3抽水蓄能電站上、下水庫布置有導(dǎo)流洞時,豎井式泄洪洞宜結(jié)合導(dǎo)流洞布置。豎井泄
洪洞與導(dǎo)流洞結(jié)合部分除滿足本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外,還應(yīng)滿足《水電工程施工導(dǎo)流規(guī)范》NB/T35041
的相關(guān)的要求。
3.0.4豎井泄洪洞的地質(zhì)勘察工作應(yīng)按照《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50287的相關(guān)規(guī)
定執(zhí)行,豎井位置應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)鉆孔勘探。
3.0.5豎井式泄洪洞的工程建筑物級別和洪水標(biāo)準(zhǔn)按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行,
消能防沖的洪水標(biāo)準(zhǔn)按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》DL/T5166的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
3.0.6豎井式泄洪洞混凝土抗沖耐磨設(shè)計按《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》
DL5207的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
3.0.7豎井式泄洪洞布置及水力設(shè)計應(yīng)通過水工模型試驗驗證。
3.0.8豎井式泄洪洞宜進(jìn)行原型放水監(jiān)測工作。
4
4布置
4.1一般原則
4.1.1通過水力學(xué)條件、結(jié)構(gòu)受力條件等綜合比較,可選擇采用豎井旋流式或豎井跌流式泄
洪洞型式。豎井旋流式和跌流式泄洪洞基本布置型式參見附錄A。
4.1.2豎井式泄洪洞的布置應(yīng)根據(jù)自然條件、樞紐布置及綜合利用要求等因素確定。
4.1.3豎井式泄洪洞應(yīng)包括環(huán)形溢流堰進(jìn)水口、豎井、豎井與退水隧洞連接段、退水隧洞及
出口消能防沖段等建筑物。
4.1.4豎井式泄洪洞的泄量、環(huán)型溢流堰直徑及豎井直徑等應(yīng)根據(jù)下列因素通過技術(shù)經(jīng)濟比
較選定:
1)水庫樞紐特性及洪水調(diào)度;
2)地形、地質(zhì)條件,下游河床及兩岸的抗沖刷能力;
3)運用條件;
4)造價及維護(hù)費用等。
4.1.5豎井式泄洪洞進(jìn)口應(yīng)布置在穩(wěn)定的地基上,并應(yīng)考慮巖體結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)構(gòu)造以及建
庫后水文地質(zhì)條件的變化對建筑物的不利影響。
4.1.6當(dāng)下泄消能防沖標(biāo)準(zhǔn)洪水時,豎井式泄洪洞出口水流的流態(tài)及對河道的沖刷不應(yīng)影響
其他建筑物的安全與正常運行。
4.1.7退水隧洞軸線宜采用直線布置。當(dāng)需要設(shè)置彎段時,應(yīng)符合《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》
DL/T5195的相關(guān)要求。
4.1.8當(dāng)豎井泄洪洞與導(dǎo)流洞結(jié)合時,應(yīng)根據(jù)泄量要求,對導(dǎo)流建筑物的平面布置、斷面體
型和堵頭布置等提出相應(yīng)要求。
4.1.9上水庫豎井式泄洪洞出口水流宜匯入地質(zhì)情況較好的主要沖溝。
4.2進(jìn)口段
4.2.1應(yīng)選擇有利地形地質(zhì)條件,盡量減少對天然山坡的開挖擾動,保證進(jìn)口段岸坡施工期
及運行期的穩(wěn)定,對于進(jìn)口段外側(cè)邊坡應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定分析及必要的加固處理。
4.2.2在土石壩樞紐中,當(dāng)進(jìn)口段位于上游壩坡或靠近壩肩時,進(jìn)口段水流不應(yīng)影響壩坡及
壩肩穩(wěn)定。
4.2.3豎井跌流式及旋流式泄洪洞進(jìn)水口均宜采用環(huán)形溢流堰控制泄量,環(huán)型溢流堰堰頂高
5
程與正常蓄水位齊平。
4.2.4采用豎井跌流式泄洪洞時,進(jìn)口宜避免產(chǎn)生漩渦及回流,進(jìn)口周邊可設(shè)置必要的導(dǎo)流
防渦措施,并采用合適的開挖輪廓,引導(dǎo)水流平順入井。
4.2.5旋流式豎井泄洪洞應(yīng)在環(huán)形溢流堰前設(shè)置起旋(墩)設(shè)施,起旋墩的體型布置可按附
錄B規(guī)定初擬,最終應(yīng)根據(jù)水工模型試驗確定。
4.2.6豎井式泄洪洞應(yīng)根據(jù)庫區(qū)漂浮物來源情況及運行管理方式等因素,對進(jìn)口設(shè)置攔污設(shè)
施的必要性進(jìn)行論證。
4.3豎井段
4.3.1豎井段的布置型式宜結(jié)合地形、地質(zhì)及退水隧洞布置等因素綜合確定。
4.3.2豎井段宜采用埋藏式,當(dāng)?shù)匦螚l件不滿足要求時,豎井段頂部可采用岸塔式。
4.3.3豎井中心線應(yīng)布置在退水隧洞軸線處。
4.3.4豎井泄洪洞豎井內(nèi)徑宜與進(jìn)水口環(huán)型溢流堰末端直徑相同,經(jīng)論證,可采用變徑型式。
4.3.5當(dāng)泄洪洞豎井需布置摻氣設(shè)施時,宜在環(huán)型溢流堰與豎井連接段設(shè)置摻氣坎與通氣孔。
4.4豎井與退水隧洞連接段
4.4.1豎井旋流式泄洪洞
旋流式泄洪洞豎井與退水隧洞連接段應(yīng)設(shè)置消能設(shè)施,宜采用盲洞、消力墩和頂壓板構(gòu)
成洞內(nèi)水墊塘消能方式,也可采用消能井的消能方式。
4.4.2豎井跌流式泄洪洞
1)豎井跌流式泄洪洞豎井與退水隧洞連接段應(yīng)設(shè)置消能井,消能井截面形狀可根據(jù)地
質(zhì)條件及水力學(xué)條件采用圓形、矩形或其他形狀。消能井的深度宜取1~2D。
2)豎井與退水隧洞宜以壓坡段進(jìn)行銜接,其頂部坡度宜取1:6~1:8,壓坡段末端設(shè)
置通氣設(shè)施。
3)當(dāng)下泄流量和水流落差較小時,可對連接段退水隧洞頂部進(jìn)行局部加高,不設(shè)壓坡
段和通氣設(shè)施。
4.5退水隧洞段
4.5.1退水隧洞軸線宜采用直線,當(dāng)流速小于15m/s時可采用曲線布置,但應(yīng)符合下列要求:
1)彎道宜設(shè)置在流速較小、水流平穩(wěn),底坡較緩且無變化的地段;
6
2)彎曲半徑不宜小于5倍的洞徑或洞寬,轉(zhuǎn)角不宜大于60°;
3)彎道收尾應(yīng)設(shè)置長度不小于5倍洞徑或洞寬的直線段。
4.5.2退水隧洞應(yīng)采用無壓隧洞型式,其底坡應(yīng)結(jié)合水力條件和施工條件確定。
4.5.3退水隧洞斷面宜采用圓拱直墻式,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時,也可采用圓形斷面或馬蹄形斷
面。
4.5.4退水隧洞段上覆巖體厚度要求按《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》DL/T5195要求執(zhí)行。
4.6出口段
4.6.1出口段宜避開滑坡等不利的地質(zhì)條件。
4.6.2當(dāng)下泄水流不能直接進(jìn)入河道時,應(yīng)設(shè)置出水渠,當(dāng)隧洞出口與河道高差較大時,出
水渠宜采用臺階消能方式銜接河道。
4.6.3出水渠軸線宜與下游河道中心線保持較小的夾角,下游防護(hù)措施應(yīng)根據(jù)河道抗沖刷能
力、運行管理要求等綜合確定。
7
5水力設(shè)計
5.1一般規(guī)定
5.1.1水力設(shè)計應(yīng)包括以下內(nèi)容:
1)泄流能力計算;
2)進(jìn)水口水力設(shè)計;
3)豎井水力設(shè)計;
4)豎井與退水隧洞連接消能段水力設(shè)計;
5)退水隧洞水力設(shè)計;
6)出口消能防沖水力設(shè)計;
7)高速水流防空蝕設(shè)計。
5.1.2各項水力設(shè)計內(nèi)容,均應(yīng)經(jīng)水工模型試驗驗證。
5.1.3豎井式泄洪洞水力設(shè)計應(yīng)滿足下列要求:
1)泄流能力須滿足設(shè)計洪水及校核洪水下的泄量要求。
2)體型邊界合理,豎井及退水隧洞水流流態(tài)穩(wěn)定,豎井旋流或跌流消能良好,出流與
下游河床或沖溝水流銜接平順。
3)避免洞內(nèi)發(fā)生空蝕。
5.1.4泄洪洞沿程水頭損失計算的糙率系數(shù),可按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》DL/T5166附錄中的
常用糙率建議值選取。
5.2進(jìn)水口
5.2.1進(jìn)口環(huán)形溢流堰宜采用實用堰型,堰面曲線按附錄A1.1計算。
5.2.1豎井旋流式泄洪洞進(jìn)水口水力設(shè)計應(yīng)滿足以下要求:
1)堰頂上游堰頭可采用圓弧、橢圓或冪曲線,堰頂下游堰面宜采用橢圓曲線或冪曲線。
2)環(huán)形溢流堰的堰面應(yīng)盡量避免出現(xiàn)負(fù)壓。當(dāng)堰面采用冪曲線時,宜選用使堰面負(fù)壓
較小的堰面體型;當(dāng)采用1/4橢圓型曲線時,設(shè)計洪水條件下堰面負(fù)壓應(yīng)小于30kPa,非常
運行工況下堰面容許出現(xiàn)的負(fù)壓值應(yīng)不大于60kPa。
3)堰前起旋墩宜根據(jù)運行水位設(shè)計為潛水型式,潛水起旋墩的數(shù)量、墩與堰的夾角及
墩體高度,應(yīng)滿足產(chǎn)生穩(wěn)定旋流及泄流能力的要求。
4)起旋墩宜采用流線體型與環(huán)形堰連接,起旋墩和環(huán)形堰外緣切線的角度宜取,
θ≤15°
8
起旋墩布置按附錄B1.2設(shè)計。
5)起旋墩+環(huán)形溢流堰的泄流能力,根據(jù)附錄B2.1計算。
5.2.2豎井跌流式泄洪洞進(jìn)水口水力設(shè)計應(yīng)滿足以下要求:
1)進(jìn)口環(huán)形溢流堰面曲線宜按5.2.1第1)、第2)條設(shè)計。
2)當(dāng)環(huán)形溢流堰P/RL<1(P為堰高,RL為堰頂半徑),或者豎井周圍來流流速v>0.3m/s時,
進(jìn)口處易產(chǎn)生旋流及漩渦,應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流防渦措施,保證和提高泄流能力。導(dǎo)流防渦措施可按
附錄B1.3確定。
3)環(huán)形溢流堰的泄流能力,應(yīng)根據(jù)附錄B2.2計算。
5.3豎井段
5.3.1豎井旋流式泄洪洞豎井段水力設(shè)計應(yīng)滿足以下要求:
1)旋流式豎井直徑應(yīng)滿足設(shè)計泄流量要求,應(yīng)保證形成穩(wěn)定的旋流空腔,避免發(fā)生嗆
水或壅水而降低泄流能力。
2)豎井直徑D可按附錄B3.1計算
5.3.2豎井跌流式泄洪洞豎井段水力設(shè)計應(yīng)滿足以下要求:
1)跌流式豎井直徑應(yīng)滿足設(shè)計泄流量要求,應(yīng)保證進(jìn)口為自由堰流,避免進(jìn)口發(fā)生嗆
水或淹沒流等影響泄流能力。
2豎井直徑D應(yīng)根據(jù)附錄B3.2計算。
3豎井突擴摻氣段應(yīng)設(shè)置通氣設(shè)施,通氣孔(管)的風(fēng)速宜小于60m/s。
5.4豎井與退水隧洞連接段
5.4.1豎井旋流式泄洪洞采用盲洞、消力墩及洞頂壓板構(gòu)成的水墊塘消能方式時,應(yīng)滿足:
1)盲洞、消力墩及洞頂壓板的組合體型,應(yīng)保證形成良好的水墊塘消能效果,并使壓
板下游退水隧洞內(nèi)為穩(wěn)定的明流形態(tài)。
2)消力墩體可采用三角形斷面型式,墩體頂部宜采用1200頂角,避免產(chǎn)生負(fù)壓。
3)洞頂壓板宜采用倒三角型式,壓板及下游洞頂應(yīng)設(shè)通氣管(井),防止出現(xiàn)不穩(wěn)定
的負(fù)壓渦。
5.4.2豎井跌流式泄洪洞豎井與退水隧洞連接段水力設(shè)計應(yīng)滿足以下要求:
1)豎井底部消能井的面積及深度應(yīng)滿足消能充分、水流穩(wěn)定的要求,井深一般可取豎
井直徑的1.0~2.0倍。
9
2)豎井與退水隧洞連接段頂部壓板體型應(yīng)光滑平順,使壓板下游水流脫離洞頂,應(yīng)保
持退水隧洞內(nèi)為明流流態(tài)。
3)壓板后宜設(shè)置通氣及補氣孔,保證洞頂后有足夠的通氣量。當(dāng)退水隧洞較短或洞頂
余幅很大時,壓板后可不設(shè)通氣孔。
5.4.3泄洪洞旋流或跌流內(nèi)消能工的消能率按附錄B.4中的公式計算。
5.5退水隧洞段
5.5.1退水隧洞應(yīng)設(shè)計為無壓隧洞型式,無壓隧洞水面線以上的洞頂余幅,宜為斷面面積的
15%~25%以上。當(dāng)采用圓拱直墻式斷面時,水面線不宜超過直墻范圍。
5.5.2退水隧洞的水面線,應(yīng)根據(jù)能量方程采用分段求和法或其他方法計算。
5.6出口消能防沖
5.6.1出口消能防沖的水力設(shè)計按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》DL/T5166規(guī)定執(zhí)行。
5.6.2豎井式泄洪洞出口水流匯入其它不常過流的沖溝時,應(yīng)確保不產(chǎn)生危害性沖刷。
5.7防空蝕設(shè)計
5.7.1豎井式泄洪洞的防空蝕設(shè)計應(yīng)包括下列部位和區(qū)域:
1)溢流堰面、豎井、豎井與退水隧洞連接段等水流邊界突變處。
2)消能井、消力墩、洞頂壓板處。
3)水流空化數(shù)較小的部位。
5.7.2豎井式泄洪洞各部位的水流空化數(shù)應(yīng)大于該處體型的初生空化數(shù)。水流空化數(shù)、
初生空化數(shù)及是否發(fā)生空蝕的判別標(biāo)準(zhǔn)σ,可按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》DLσ/Ti5166的附錄計σ算
選取及判別,σi初生空化數(shù)還可通過減壓模型試驗以及參照已建工程經(jīng)驗確定。
5.7.3對于容易發(fā)生空蝕的σ部i位和區(qū)域,可采用以下防空蝕措施:
1)選取合理的體型。
2)控制水流邊界壁面的局部不平整度,控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》DL/T5166
相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
3)豎井內(nèi)的水流流速超過35m/s時,應(yīng)設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施;正常運行工況下豎井過流
斷面不宜出現(xiàn)負(fù)壓或負(fù)壓在不引起水流空化的范圍,否則須修改體型或采取摻氣減蝕等措施。
4)采用抗蝕性能良好的材料。
10
5.8水工模型試驗技術(shù)要求
5.8.1豎井泄洪洞的水工模型試驗須遵循《水利水電工程水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》DL/T
5244的規(guī)定。對于設(shè)置摻氣設(shè)施的情況,還須同時遵循《水電水利工程摻氣減蝕模型試驗
規(guī)程》DL/T5245的規(guī)定;采用減壓模型研究泄洪洞空化空蝕問題時,須同時遵循《水電水
利工程水流空化模型試驗規(guī)程》DL/T5359的規(guī)定。
5.8.2豎井泄洪洞的體型設(shè)計應(yīng)通過整體水工模型試驗論證,水工模型試驗研究的主要內(nèi)容
及要求有:
1)驗證豎井泄洪洞的泄流能力。
2)驗證環(huán)形堰進(jìn)口及豎井體型合理性。進(jìn)口段來流須保證流態(tài)平順穩(wěn)定且不產(chǎn)生明顯
漩渦;豎井旋流泄洪洞的環(huán)形堰頂水流在起旋設(shè)施作用下能有效起旋,且豎井中央能形成穩(wěn)
定的空腔;豎井跌流泄洪洞環(huán)形堰應(yīng)為自由堰流。
3)論證豎井與退水隧洞連接段消能或消能設(shè)施體型的合理性。洞內(nèi)消能設(shè)施應(yīng)起到較
好的消能率效果及調(diào)整流態(tài)的作用,同時避免發(fā)生空化空蝕及保證退水隧洞為平順的明流。
4)驗證流速、壓力及摻氣減蝕等其他水力學(xué)指標(biāo)。
5)驗證泄洪洞出口水流銜接及消能防沖效果。
6)跌流式豎井泄洪洞采用突擴等摻氣措施時,豎井摻氣及通氣設(shè)施體型尺寸應(yīng)根據(jù)水
工模型試驗確定。
7)豎井底部消能井的面積、深度等體型參數(shù),旋流式豎井泄洪洞的消力墩+頂壓板組
合消能體型,均應(yīng)經(jīng)水工模型試驗優(yōu)化確定。
11
6結(jié)構(gòu)設(shè)計
6.1一般規(guī)定
6.1.1豎井式泄洪洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計,應(yīng)根據(jù)布置、水力設(shè)計、地基及運用條件,結(jié)合防滲、排
水、止水及錨固等工程措施,在保證工程運行安全的的前提下,選用經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)形式及
尺寸。
6.1.2豎井式泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計,應(yīng)根據(jù)水工建筑物級別,采用相應(yīng)的水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級
別,見表6.1.3。
表6.1.3水工建筑物級別與結(jié)構(gòu)安全級別對照表
水工建筑物級別水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級別
1Ⅰ
2,3Ⅱ
4,5Ⅲ
6.1.3建筑物的混凝土強度等級、抗?jié)B等級、抗凍等級及抗沖磨要求,應(yīng)按照DL5057《水工
混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及DL/T5207《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行,寒
冷地區(qū)的混凝土抗凍等級應(yīng)符合《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》DL5082的規(guī)定。豎井式泄
洪洞豎井及連接段混凝土強度等級不宜低于C35,退水隧洞混凝土強度等級不宜低于C30。
6.1.4豎井式泄洪洞的支護(hù)設(shè)計應(yīng)根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件、洞徑、施工程序及方法,通過工程
類比、結(jié)合圍巖穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)分析成果,選擇合適的支護(hù)型式與支護(hù)參數(shù)。
6.2結(jié)構(gòu)計算
6.2.1豎井式泄洪洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50199的
概率極限狀態(tài)設(shè)計原則,按分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算,具體按照《水工建
筑物荷載設(shè)計規(guī)范》DL5077、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》DL/T5057執(zhí)行。
6.2.2豎井段結(jié)構(gòu)應(yīng)分別按承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計算和驗算下列內(nèi)容:
1)承載能力極限狀態(tài):井壁強度、豎井及消能井洞室圍巖穩(wěn)定計算,結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部應(yīng)力驗
算。豎井地面以上結(jié)構(gòu),應(yīng)按《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》NB35047的有關(guān)規(guī)定
進(jìn)行驗算。
2)正常使用極限狀態(tài):井壁裂縫寬度、豎井地面以上結(jié)構(gòu)變形計算。
6.2.3豎井結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時,應(yīng)考慮以下兩種作用效應(yīng)組合:
12
1)基本組合—持久設(shè)計狀況或短暫設(shè)計狀況下,永久作用與可變作用的效應(yīng)組合;
2)偶然組合—偶然設(shè)計狀況下,永久作用、可變作用與一種偶然作用的效應(yīng)組合。
6.2.4豎井結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時,應(yīng)考慮作用的標(biāo)準(zhǔn)組合。
標(biāo)準(zhǔn)組合—持久設(shè)計狀況下,永久作用、可變作用均采用標(biāo)準(zhǔn)值為作用代表值的組合。
6.2.5基本組合與標(biāo)準(zhǔn)組合由下列1)~4)款的永久和可變作用產(chǎn)的效應(yīng)組合,偶然組合應(yīng)
在基本組合下計入下列5)~7)款的一個偶然作用。
1)結(jié)構(gòu)自重;
2)水庫上游正常蓄水位、設(shè)計洪水位及防滲排水設(shè)施正常工作時的外水壓力;
3)圍巖壓力;
4)施工工況下的灌漿壓力;
5)水庫上游校核洪水位時的外水壓力;
6)地震作用;
7)其他出現(xiàn)機會很少的作用。
豎井結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)作用的荷載組合按表6.2.4考慮。
表6.2.4豎井結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計作用組合表
效應(yīng)計算襯砌圍巖內(nèi)水外水灌漿地震
設(shè)計狀況
組合工況自重壓力壓力壓力壓力作用
持久狀況正常運行工況√√√√
基本
施工工況√√√√
組合短暫狀況
檢修工況√√√
校核洪水位
偶然√√√√
偶然狀況運行工況
組合
地震工況√√√√√
標(biāo)準(zhǔn)
持久狀況正常運行工況√√√√
組合
注:1應(yīng)根據(jù)各種作用同時發(fā)生的概率,選擇計算中最不利的組合;
2地震工況下的水壓力按正常蓄水位計算,有論證時可另作規(guī)定。
6.2.6豎井鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)或彈性力學(xué)方法計算,對于地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜
或伸出地面高度較大的豎井結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形宜采用有限元法進(jìn)行分析計算。
6.2.7當(dāng)豎井周圍地質(zhì)條件較差,且周圍存在明顯的不對稱土荷載或圍巖壓力時,宜按偏壓
荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算與穩(wěn)定分析,并采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施。
13
6.2.8進(jìn)水口底板及沿巖石開挖邊坡襯護(hù)而成的貼坡式邊墻等,可按彈性地基上的板或梁進(jìn)
行內(nèi)力計算,根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》DL/T5057并參照類似工程經(jīng)驗配筋。
6.2.9退水隧洞的結(jié)構(gòu)及配筋計算參照《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》DL/T5195執(zhí)行。
6.3進(jìn)口段襯護(hù)
6.3.1進(jìn)口外側(cè)底板高程應(yīng)低于堰頂高程不小于1m~2m。
6.3.2進(jìn)口段外側(cè)底板可采用現(xiàn)澆混凝土護(hù)面,厚度可采用0.5m左右,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好時,
可不進(jìn)行襯護(hù)。
6.3.3進(jìn)口段外側(cè)底板結(jié)構(gòu)分縫可采用平縫,有防滲要求時,縫中應(yīng)設(shè)止水;底板襯砌與環(huán)
型溢流堰間應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫。
6.3.4進(jìn)口外側(cè)邊坡應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件、地下水位及水庫運行等因素進(jìn)行設(shè)計,按照《水
電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》DL/T5353進(jìn)行穩(wěn)定分析,對嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)按《水工建筑物抗冰凍
設(shè)計規(guī)范》DL/T5082考慮水庫凍融作用的影響。
6.4環(huán)形溢流堰
6.4.1環(huán)形溢流堰的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)采用整體式,環(huán)向不設(shè)結(jié)構(gòu)縫。
6.4.2環(huán)型溢流堰堰口直徑與豎井內(nèi)徑之比小于2時,溢流堰外側(cè)邊壁可采用直立式結(jié)構(gòu);
當(dāng)環(huán)型溢流堰堰口直徑與豎井內(nèi)徑之比大于2時,溢流堰外側(cè)邊壁可采用倒懸式結(jié)構(gòu)。
6.4.3起旋墩采用與環(huán)型溢流堰分離的結(jié)構(gòu);導(dǎo)流消渦墩宜用與環(huán)型溢流堰整澆的結(jié)構(gòu)。
6.5豎井段
6.5.1豎井應(yīng)采用鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度不宜小于1m,襯砌配筋應(yīng)采用雙層配筋。
6.5.2當(dāng)考慮地震設(shè)防,且豎井周邊地質(zhì)條件較差或豎井伸出地面高度較大時,應(yīng)進(jìn)行抗震
計算,且需采取加強其整體性和剛度等抗震措施。
6.5.3作用在豎井襯砌上的最大外水壓力,宜采用水庫運行的最高水位,一般不考慮折減。
6.5.4豎井段水平施工縫應(yīng)設(shè)鍵槽和止水。
6.5.5豎井與圍巖的相互連接應(yīng)設(shè)置錨筋,并將錨筋與豎井襯砌中的內(nèi)側(cè)鋼筋焊接。
6.6豎井與退水隧洞連接段
6.6.1豎井與退水隧洞連接段受力條件復(fù)雜,其結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮水流脈動荷載的振動作用,
宜采用有限元法或邊值法計算。在地質(zhì)條件較差的情況下宜對其進(jìn)行動力分析驗算。
14
6.6.2消能井深度在保證消能效率的同時,宜深入弱風(fēng)化及以下巖石3m~5m。
6.6.3消能井?dāng)嗝婷娣e不應(yīng)小于豎井?dāng)嗝婷娣e,其底板厚度不宜小于2m,襯砌厚度宜取
1m~2m,具體襯砌厚度依據(jù)水力條件、圍巖地質(zhì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)條件經(jīng)計算后確定。
6.6.4消能墩和頂壓板與混凝土襯砌應(yīng)可靠連接。
6.6.5豎井與退水隧洞連接處上、下洞口宜設(shè)置圓形倒角,倒角半徑可取1.5m~2m。
6.6.6連接段宜設(shè)置錨筋,并將錨筋與連接段襯砌中的內(nèi)側(cè)鋼筋焊接。
6.7退水隧洞
6.7.1退水隧洞的結(jié)構(gòu)及配筋計算按照《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》DL/T5195要求執(zhí)行。
6.7.2退水隧洞宜采用圓拱直墻式斷面,圓拱中心角90°~180°,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時或洞軸線
與巖層夾角較小時,也可采用圓形或馬蹄形斷面。
6.7.3地質(zhì)條件較差時,帷幕前退水隧洞外水壓力應(yīng)采用水庫運行水位計算,一般不考慮折
減系數(shù)。
6.8出口段
6.8.1設(shè)置有臺階消能段時,根據(jù)地形地質(zhì)條件,可采用分離式結(jié)構(gòu)或整體式結(jié)構(gòu)。
6.8.2應(yīng)根據(jù)出口段地質(zhì)條件結(jié)合水工模型試驗成果,在出口段設(shè)置必要的海漫消能措施和
防掏墻等下游河岸防護(hù)設(shè)施。
6.9灌漿和防滲
6.9.1豎井段、連接段及帷幕前的退水隧洞段的圍巖應(yīng)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理,帷幕后的退水隧
洞段可根據(jù)地質(zhì)條件研究確定。固結(jié)灌漿的參數(shù),可按工程類比或現(xiàn)場試驗確定。
6.9.2連接段、退水隧洞段襯砌頂拱與圍巖之間應(yīng)進(jìn)行回填灌漿,回填灌漿壓力可采用
0.2~0.3Mpa。
6.9.3退水隧洞與防滲帷幕立面相交處,應(yīng)設(shè)置固結(jié)灌漿加強段與防滲帷幕可靠搭接。
15
7監(jiān)測設(shè)計
7.1一般規(guī)定
7.1.1泄洪建筑物應(yīng)根據(jù)其級別、水頭、泄量、結(jié)構(gòu)型式及地質(zhì)條件,設(shè)置必要的監(jiān)測項目。
7.1.2監(jiān)測設(shè)計布置遵循以下原則:
1)以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)為主,驗證設(shè)計和科學(xué)研究為輔。
2)監(jiān)測測點宜設(shè)置在地質(zhì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特殊部位,水力學(xué)專項監(jiān)測應(yīng)結(jié)合水工模型試
驗確定部位。
3)監(jiān)測項目宜少而精,能全面反映建筑物運行工況的基礎(chǔ)上,有針對性的突出重點,
做到各監(jiān)測項目相互協(xié)調(diào)和資料分析相互驗證。
4)數(shù)據(jù)采集宜采用自動化系統(tǒng),符合精度要求,方便、直觀,各監(jiān)測數(shù)據(jù)能相互對比、
校核。
7.2監(jiān)測項目
7.2.1原型監(jiān)測包括安全監(jiān)測和水力學(xué)專項監(jiān)測。
7.2.2安全監(jiān)測項目應(yīng)根據(jù)建筑物級別、水頭、泄量、結(jié)構(gòu)型式及地質(zhì)條件,選設(shè)圍巖變形、
錨桿應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力等監(jiān)測。
7.2.3水力學(xué)專項監(jiān)測包括水位、流態(tài)、流速、壓力、消能、空化空蝕、通氣及摻氣、振動
等監(jiān)測。水力學(xué)監(jiān)測設(shè)計應(yīng)符合《水利水電工程水力學(xué)原型觀測規(guī)范》SL616的有關(guān)規(guī)定。
7.2.4導(dǎo)流洞封堵體,宜進(jìn)行接縫位移和滲透壓力等監(jiān)測。
16
附錄A豎井式泄洪洞基本型式及附圖
A.1自由溢流的豎井泄洪洞主要分為豎井跌流和旋流式泄洪洞兩種型式。
A.2豎井旋流式泄洪洞基本型式及附圖
豎井旋流式泄洪洞一般由起旋墩+環(huán)形溢流堰進(jìn)口段、旋流豎井段、盲洞+消力墩+洞頂
壓板的水墊塘消能段、退水隧洞段及出口段組成(見圖A.2-1)。
A潛水起旋墩A
潛水起旋墩潛水起旋墩
環(huán)形溢流堰
環(huán)形溢流堰
旋流豎井
AA
出口
頂壓板
盲洞
消力墩退水隧洞
縱剖面圖
出口
盲洞消力墩頂壓板退水隧洞
平面圖
圖A.2-1豎井旋流式泄洪洞的基本布置型式
A.3豎井跌流式泄洪洞基本型式及附圖
豎井跌流式泄洪洞一般由井口導(dǎo)流防渦設(shè)施、環(huán)形溢流堰、跌流豎井段、消能井段、退
水隧洞段及出口段組成(見圖A.3-1)。
17
AA
環(huán)形溢流堰
環(huán)形溢流堰
豎井
AA
頂壓板通氣孔出口
退水隧洞
消能井
圖A.3-1豎井跌流式泄洪洞的基本布置型式
18
附錄B水力設(shè)計計算方法及公式
B.1環(huán)形堰面曲線
B.1.1豎井旋流式泄洪洞堰面曲線
(1)環(huán)形堰頂下游曲線采用橢圓曲線(參見圖例B.1.1-1)時,即按下式計算:
22(B.1.1-1)
??
22
式中:a——橢圓曲線?+長?半=軸1,可取a=;
b——橢圓曲線短半軸,可取(2.2~2.5)?。
?
?2
x、y——堰面曲線縱、橫坐標(biāo)?。=??
圖B.1.1-1旋流豎井泄洪洞進(jìn)口堰面及起旋墩
(2)環(huán)形堰頂下游堰面采用冪曲線(圖B.1.1-2)時,宜采用加大堰口半徑的方法形
'
成堰面負(fù)壓較小的堰面體型,其值可由圖B.1.1-3按查取。確定后R,L環(huán)形實用
''
堰的堰面形狀可按表B1.1中所列堰面曲線方程選取計H0算/R,L且取?表?/中??。??
'
??=?
19
圖例B.1.1-2環(huán)形實用堰冪曲線
圖B.1.1-3與H0/RL關(guān)系曲線
'
??/??
表B.1.1環(huán)形實用堰堰面曲線方程
堰頂上游曲線堰頂下游曲線
Hxy
Psee
H
RRdHd
方程x限界值方程x限界值
HdHd
0.4101.85
xyyy
0.2-0.2370.10350.635-0.1900.6103.20
HdHdHdHd
0.3971.8513.6
xyyxx
2.00.3-0.2090.08930.568-0.1660.6850.0000092.25
HdHdHdHdHd
0.4241.8512.8
xyyxx
0.4-0.1740.07640.538-0.1450.8300.0351.45
HdHdHdHdHd
0.4191.734.99
xyyxx
0.6220.5900.00735
0.2-0.2190.0972HH-0.1553.50
ddHdHdHd
0.4511.738.83
xyyxx
3.00.3-0.1890.08170.637-0.140.6500.001742.15
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0.4401.736.98
xyyxx
0.4-0.1560.06550.556-0.120.7250.1401.35
HHH
HdHdddd
0.4301.734.77
xyyxx
0.2-0.1920.07240.625-0.1600.6000.007353.45
HH
ddHdHdHd
0.4761.7313.8
xyyxx
0.150.3-0.1640.06270.665-0.1250.6600.00082.15
HdHd
HdHdHd
0.4531.736.67
xyyxx
0.4-0.1320.5040.540-0.1050.7600.1551.35
HHH
HdHdddd
20
B.1.2豎井旋流式泄洪洞進(jìn)口起旋墩設(shè)計
1、起旋墩墩體數(shù)量不宜過多或過少,以6~8個為宜;
2、墩體沿環(huán)形堰對稱布置,墩體形狀宜采用流線型。
圖例B.1.2-1豎井泄洪洞進(jìn)口起旋墩(桐城抽水蓄能電站上水庫)
B.1.3跌流豎井泄洪洞進(jìn)口的導(dǎo)流防渦型式
井口的導(dǎo)流防渦型式,可參考圖例B.1.3-1和圖例B.1.3-2.
圖例B.1.3-1井口導(dǎo)流防渦型式(水工設(shè)計手冊)
21
圖例B.1.3-2瓊中抽水蓄能電站上水庫豎井泄洪洞進(jìn)口導(dǎo)流墩
B.2泄流能力計算公式
B.2.1豎井旋流式泄洪洞中,起旋墩+環(huán)形實用堰的泄流能力按下列公式計算:
(B.2.1-1)
1.5
式中:Q——流?量=,?m23/?s?;?2??
RL——堰口半徑,m;
H——環(huán)形堰堰頂水頭,m;
g——重力加速度,m/s2;
m——環(huán)形溢流堰流量系數(shù),對于起旋墩+環(huán)形溢流堰面采用橢圓曲線的型式,,
流量系數(shù)可按下式計算:
(B.2.1-2)
?1.5?1.5?/??
上式的適用條件?范=圍0為.19:+0.035(?/??)?,當(dāng)泄洪洞設(shè)計流量較大時,可選取
較小值(小流量時選取較0大.2值2≤)。?/??≤0.7?/??
B.2.2跌流式豎井泄?洪/?洞?的環(huán)形實用堰采用冪曲線時,其泄流能力同樣按公式(B.2.1-1)計
算,環(huán)形堰的流量系數(shù)m則按下式推求:
(B.2.2-1)
?????
式中:——堰上?水頭=等?于?定?型?水?頭時的流量系數(shù),可按以下公式計算:
?
?(B.2.2-2)
??
?
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