变断面调压室的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种变断面调压室，其洞身沿高度方向依次包括第一调压室段、断面面积渐变段和第二调压室段，断面面积渐变段连接第一调压室段和第二调压室段，其中，第一调压室段断面面积为下游低水位对应的调压室稳定断面面积，第二调压室段断面面积为满流时对应的调压室稳定断面面积，特殊情况下可不设断面面积渐变段。本发明适用于明满流尾水系统，可减小下游调压室的规模，有利于地下洞室群的稳定，减小洞室开挖和支护工程量，降低工程造价。
【专利说明】变断面调压室
【技术领域】
[0001]本发明涉及水电站调压室结构型式，尤其涉及一种适用于明满流尾水系统的变断面调压室。
【背景技术】
[0002]随着我国西南水力资源的开发，许多正在规划、设计和施工的巨型、大型水电站所处河段地形陡峻，河谷狭窄，河床仅能用于布置挡水和泄洪建筑物，而输水发电建筑物、导流和部分泄洪建筑物须布置在两岸山体中，这是较为典型的一种枢纽总体布置格局。
[0003]当电站采用首部式和中部式开发方式时尾水隧洞较长，一般需设置下游调压室
[3]来满足水电站尾水管进口断面(4)最小绝对压强满足规范和设计的要求。工程实际中为了减少尾水隧洞和尾水出口边坡的工程量，避免人工高陡边坡的开挖支护和稳定问题，减轻对地表植被和环境的破坏影响，往往需要考虑“永临结合”，即充分利用施工期的临时建筑物与永久建筑物相结合，进行统一的布置和设计，将电站尾水洞与导流洞相结合，可能就成为一种比较有优势的布置方案。
[0004]电站尾水洞与导流洞结合洞段(9)应尽量选用平坡型式，来兼顾和适应电站尾水洞和导流洞的出流要求，在具有这种下游调压室和明满流尾水洞的输水系统中，当下游尾水位从低水位变化到高水位，尾水洞中呈现出明流、明满流和满流的水流状态，尾水有压段的长度相应地由最低尾水位时的最小长度达到满流时的整个尾水洞长度。根据尾水洞的水流状态和水力特点，下游调压室(3)洞身断面可以突破常规的等断面型式，采用不同面积和形状的变断面型式，以期减小下游调压室规模，有利于地下洞室群的稳定，减小洞室开挖和支护工程量，降低工程造价。
[0005]根据《水电站调压室设计规范》，下游调压室的稳定断面面积F为:
[0006]F = KFlh(I)
Lf
[0007]厂"，= ^~77；~-V,~V
2ga(/i0-kM-jh)
[0008]式(I)?⑵中:
[0009]Flh为托马临界稳定断面面积，单位:m2 ；
[0010]L为压力尾水道长度，单位:m;所述的压力尾水道为下游调压室至明满流交界面或尾水出口间的压力水道；
[0011]f为压力尾水道断面面积，单位:m2 ；
[0012]H0为发电最小毛水头，单位:m ；
[0013]α为下游调压室至下游河道或水库水头的损失系数，包括局部水头损失与沿程水头损失，ct = hw0/V2 ；
[0014]V为压力尾水道平均流速，单位:m/s ；
[0015]hw0为压力尾水道水头损失，单位:m ；
[0016]h_为下游调压室上游管道总水头损失，包括压力管道和尾水管延伸段水头损失，单位:m ；
[0017]K为系数，一般在1.0?1.1内选取，选用K < 1.0时应有可靠论证；
[0018]g为重力加速度，单位:m/s2。
【发明内容】
[0019]本发明的目的在于提供一种适用于明满流尾水系统的变断面调压室，可减小明满流尾水系统中下游调压室规模，有利于地下洞室群的稳定，减小洞室开挖和支护工程量，降低工程造价。
[0020]为达到上述目的，本发明的技术方案如下:
[0021]一种变断面调压室，其洞身沿高度方向从下至上依次包括第一调压室段、断面面积渐变段和第二调压室段，断面面积渐变段连接第一调压室段和第二调压室段，其中，第一调压室段断面面积为下游低水位对应的调压室稳定断面面积，第二调压室段断面面积为满流时对应的调压室稳定断面面积；第一调压室段和第二调压室段的断面形状相同或不相同，断面形状根据实际需求设计；断面面积渐变段底部和顶部高程根据实际工程的下游低水位和尾水出口流道顶部高程来设定，并确保各种工况下水电站调节保证参数满足规范和设计的要求。
[0022]上述第一调压室段、断面面积渐变段和第二调压室段的断面形状为矩形、圆形、椭圆形或半椭圆形。
[0023]另一种变断面调压室，其洞身沿高度方向从下至上依次包括第一调压室段和第二调压室段，第一调压室段断面面积为采用调压室至明满流尾水洞中斜段出口的流道长度为压力尾水道长度计算的调压室稳定断面面积，第二调压室段断面面积为满流时对应的调压室稳定断面面积；第一调压室段和第二调压室段的断面形状相同或不相同，断面形状根据实际需求设计；第一调压室段顶部高程根据实际工程的斜洞接平洞型式的明满流尾水洞中连接段进口高程来设定，并确保各种工况下水电站调节保证参数满足规范和设计的要求。
[0024]当斜洞接平洞型式的明满流尾水洞不包括连接段时，第一调压室段顶部高程根据实际工程尾水出口流道顶部高程设定，并确保各种工况下水电站调节保证参数满足规范和设计的要求。
[0025]上述第一调压室段和第二调压室段的断面形状为矩形、圆形、椭圆形或半椭圆形。
[0026]明满流尾水系统指由依次相连的尾水管、下游调压室、明满流尾水洞和尾水出口等建筑物构成的一种水电站尾水输水系统。当水电站采用明满流尾水系统，尤其是明满流尾水洞部分洞段为平洞时，可突破常规的等断面型式调压室，采用变断面型式的调压室，即调压室沿高度方向采用不同的断面面积和断面形状，以期减小下游调压室的规模，有利于地下洞室群的稳定，减小洞室开挖和支护工程量，降低工程造价。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为斜洞型式的明满流尾水系统纵剖面示意图；
[0028]图2为斜洞接平洞型式的明满流尾水系统纵剖面示意图；
[0029]图3为下游侧断面渐变的调压室结构示意图，其中，图(a)为调压室顺水流向剖面图，图(b)为图(a)中调压室A-A剖面图，图(C)为图(a)中调压室B_B剖面图，图(d)为图(a)中调压室C-C剖面图；
[0030]图4为两侧断面渐变的调压室结构示意图，其中，图(a)为调压室顺水流向剖面图，图(b)为图(a)中调压室D-D剖面图，图(C)为图(a)中调压室E_E剖面图，图(d)为图(a)中调压室F-F剖面图；
[0031]图5为下游侧断面突变的调压室结构示意图，其中，图(a)为调压室顺水流向剖面图，图(b)为图(a)中调压室G-G剖面图，图(C)为图(a)中调压室H_H剖面图，图(d)为图(a)中调压室1-1剖面图；
[0032]图6为两侧断面突变的调压室结构示意图，其中，图(a)为调压室顺水流向剖面图，图(b)为图(a)中调压室J-J剖面图，图(C)为图(a)中调压室K-K剖面图，图(d)为图(a)中调压室L-L剖面图。
[0033]其中，1-地下厂房，2-主变洞，3-下游调压室，4-尾水管进口断面，5-尾水管，6-岔管段，7-明满流尾水洞斜段，8-连接段，9-明满流尾水洞平段，10-尾水出口，11-下游低水位，12-下游中水位，13-下游高水位，14-明满流交界面，15-压力尾水道段长度LI，16-无压明流段长度L2，17-明满流尾水洞长度L，18-第一调压室段，19-第二调压室段。
【具体实施方式】
[0034]下面将结合附图进一步说明本发明技术方案。
[0035]图1为斜洞型式的明满流尾水系统纵剖面示意图，明满流尾水系统包括依次相连的尾水管(5)、下游调压室(3)、明满流尾水洞(7)和尾水出口(10)，下游调压室(3)下游侧的明满流尾水洞为斜洞，即明满流尾水洞斜段(7)。当尾水位从下游低水位(11)上升至接近尾水出口(10)洞顶高程的下游中水位(12)、再至下游高水位(13)的过程中，压力尾水道段长度LI (15)逐渐增长至明满流尾水洞总长度L。由公式(I)和公式(2)可知，下游调压室的稳定断面面积由Fl增至F2再增加到F，F1为下游低水位(11)对应的下游调压室稳定断面面积，F2为下游中水位(12)对应的下游调压室稳定断面面积，F为满流时对应的下游调压室稳定断面面积。计算下游调压室稳定断面面积时，公式(I)?(2)中各变量均根据实际情况取值或计算。
[0036]针对图1中所示的斜洞型式明满流尾水系统，在下游低水位和下游中水位对应的调压室稳定断面面积Fl和F2的计算中，压力尾水道长度为下游调压室(3)至相应尾水位对应的明满流交界面(14)间的明满流尾水洞长度；满流时对应的调压室稳定断面面积F的计算中，压力尾水道长度为明满流尾水洞总长L，即下游调压室(3)至尾水出口(10)间的明满流尾水洞长度。
[0037]图2为斜洞接平洞型式的明满流尾水系统纵剖面示意图，明满流尾水系统包括依次相连的尾水管(5)、下游调压室(3)、明满流尾水洞和尾水出口，明满流尾水洞包括明满流尾水洞斜段(7)、连接段(8)和明满流尾水洞平段(9)，明满流尾水洞斜段(7)出口和明满流尾水洞平段(9)进口通过连接段(8)连接，下游调压室(3)连接明满流尾水洞斜段(7)入口，明满流尾水洞平段(9)出口连接尾水出口和尾水渠。当尾水位从下游低水位(11)上升至接近尾水出口(10)洞顶高程的下游中水位(12)、再至下游高水位(13)的过程中，压力尾水道长度由LI (15)逐渐增长至明满流尾水洞总长度L。采用公式(I)?(2)计算下游低水位对应的调压室稳定断面面积F1、下游中水位对应的调压室稳定断面面积F2和满流时对应的调压室稳定断面面积F。考虑到明满流尾水洞斜段(7)长度相对较短，而明满流尾水洞平段(9)长度较长，下游调压室断面面积在明满流尾水洞平段(9)洞顶高程时有一个突变，为了简化设计和减小施工难度，以连接段(8)进口高程为界将下游调压室分为上下两段:第一调压室段和第二调压室段。当不设连接段时，第一调压室段顶部高程可选取为略低于明满流尾水洞平段(9)洞顶高程。以连接段(8)进口高程的中水位对应的下游调压室稳定断面面积F2作为第一调压室段断面面积，计算下游调压室稳定断面面积F2时，以连接段(8)进口上游侧的明满流尾水洞长度为压力尾水道长度，公式(I)?(2)中其它变量根据实际情况取值或计算。
[0038]本发明的【具体实施方式】如下:
[0039]根据水电站输水系统的实际布置情况，采用公式(I)和(2)分别计算下游低水位、下游中水位、满流时对应的调压室稳定断面面积。针对图1和图2中所示的明满流尾水系统布置型式，可分别采用调压室断面面积沿高度方向渐变(见图3和图4)和调压室断面面积沿高度方向突变(见图5和图6)的两种调压室型式。
[0040]见图3?4，第一种调压室型式，其洞身沿高度方向依次包括第一调压室段、断面面积渐变段和第二调压室段，断面面积渐变段连接第一调压室段和第二调压室段。该调压室型式适用于图1所示的明满流尾水系统，第一调压室段断面面积为下游低水位对应的调压室稳定断面面积，第二调压室段断面面积为满流时对应的调压室稳定断面面积。断面面积渐变段底部高程可选取略低于下游低水位，其顶部高程可选取略低于尾水出口顶部高程。第一调压室段、断面面积渐变段和第二调压室段的断面形状根据实际工程需要进行选择，断面形状尽量选择方便施工、可改善和降低围岩应力集中、有利于洞室围岩稳定的形状。图3和图4分别给出了下游侧渐变和两侧渐变的调压室结构。
[0041]见图5?6，第二种调压室型式，其洞身沿高度方向依次包括第一调压室段和第二调压室段，该调压室型式适用于图2所示的明满流尾水系统。第一调压室段断面面积的计算中，以调压室至明满流尾水洞斜段(7)出口的明满流尾水洞长度为压力尾水道长度计算对应的调压室稳定断面面积，并以该调压室稳定断面面积为第一调压室断面面积。第二调压室段断面面积为满流时对应的调压室稳定断面面积F，压力尾水道长度为下游调压室
(3)至尾水出口(10)间的明满流尾水洞长度。第一调压室段顶部高程初值以连接段(8)进口高程或者尾水出口流道顶部高程来设定，然后根据实际工程水力过渡过程计算的需要进行调整，确保各种工况下水电站调节保证参数满足规范和设计的要求。
[0042]当采用长廊型调压室时可选取图3?6中的变断面调压室结构；当采用圆筒型或半圆筒型调压室时，可视实际情况通过改变调压室洞身第一调压室段的断面半径或断面形状(如椭圆或半椭圆等形状)，来满足第一调压室段的面积要求，并通过渐变段和突变与第二调压室段相接。当应用于多机一洞一室尾水系统时，岔管段(6)可视具体情况布置在调压室下游侧(见图3和图5)或调压室底部(见图4和图6)。
[0043]本发明不但适用于多机一洞一室的水力单元，也适用于一机一洞一室的水力单
J Li ο
[0044]本发明提供的两种明满流尾水系统布置型式中，下游调压室稳定断面面积计算方法同常规的有压尾水洞布置型式中调压室稳定断面积相同，计算中需注意其它参数取值时保持正确的对应关系。
【权利要求】
1.变断面调压室，其特征在于: 变断面调压室洞身沿高度方向从下至上依次包括第一调压室段、断面面积渐变段和第二调压室段，断面面积渐变段连接第一调压室段和第二调压室段，其中，第一调压室段断面面积为下游低水位对应的调压室稳定断面面积，第二调压室段断面面积为满流时对应的调压室稳定断面面积；第一调压室段和第二调压室段的断面形状相同或不相同，断面形状根据实际需求设计；断面面积渐变段底部和顶部高程根据实际工程的下游低水位和尾水出口流道顶部高程来设定，并确保各种工况下水电站调节保证参数满足规范和设计的要求。
2.如权利要求1所述的变断面调压室，其特征在于: 所述的第一调压室段、断面面积渐变段和第二调压室段的断面形状为矩形、圆形、椭圆形或半椭圆形。
3.变断面调压室，其特征在于: 变断面调压室洞身沿高度方向从下至上依次包括第一调压室段和第二调压室段，第一调压室段断面面积为采用调压室至明满流尾水洞中斜段出口的流道长度为压力尾水道长度计算的调压室稳定断面面积，第二调压室段断面面积为满流时对应的调压室稳定断面面积；第一调压室段和第二调压室段的断面形状相同或不相同，断面形状根据实际需求设计；第一调压室段顶部高程根据实际工程的斜洞接平洞型式的明满流尾水洞中连接段进口高程来设定，并确保各种工况下水电站调节保证参数满足规范和设计的要求。
4.如权利要求3所述的变断面调压室，其特征在于: 当斜洞接平洞型式的明满流尾水洞不包括连接段时，第一调压室段顶部高程根据实际工程尾水出口流道顶部高程设定，并确保各种工况下水电站调节保证参数满足规范和设计的要求。
5.如权利要求3所述的变断面调压室，其特征在于: 所述的第一调压室段和第二调压室段的断面形状为矩形、圆形、椭圆形或半椭圆形。
【文档编号】E02B9/06GK104234019SQ201410525960
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】杨建东, 王 煌, 王慧, 李玲, 王超 申请人:武汉大学