水电站设计论文汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇水电站设计论文范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

1.1编制说明

为了使中小河流水能开发规划满足国家和地方对开发、利用水能资源以及国土治理的要求，统一规定编制规划的原则、工作内容和技术要求，由水利部水电及农村电气化司主持，以水利部农村电气化研究所为主编单位制定了《中小河流水能开发规划导则》(SL221—98)。本导则分为10章，分别为总则、基本资料收集与分析、水能蕴藏量计算、地区社会经济发展预测、水能开发、多目标开发、环境影响评价、流域管理、经济评价与综合分析、规划实施意见等。本导则为中小河流水能开发规划报告提供了编制依据，同时也成为中小河流水能开发规划设计定额的制定依据和规划设计质量的检验标准。

1.2定额标准

中小河流水能规划设计定额内容见表1-2-1。

表1-2-1中小河流水能规划设计定额

章节

名称

工作内容

比例

备注

1

前言

流域概况、编制条件、编制依据、开发方案、工程特性表

5%

2

基本资料收集与分析

气象水文、地形、地质、资源、电力系统现状、社会经济发展现状、其它等7个方面

7%

其中气象水文3%、地质2%

3

水能蕴藏量计算

理论蕴藏量和可开发量

8%

附河长-高程、流量、出力、电能图

4

地区社会经济发展预测

国民经济现状与发展、电力系统现状与发展、水利现状与发展、电网规划及投资估算

9%

其中电网规划6%

5

水能开发

开发原则、开发方案与方案比较、控制性工程概况、非控制性工程概况

35%

附开发方案图。开发原则、开发方案与方案比较15%、工程概况20%

6

多目标开发

防洪、灌溉、供水、航运、其它等

5%

7

环境影响评价

社会环境、自然环境、水质水量、移民和淹没损失、跨流域引水、其它

7%

其中水质水量即水资源论证2%

8

流域管理

管理原则、管理模式、管理设施、管理制度

2%

9

经济评价与综合分析

工程估算、效益计算、经济评价、综合评价

12%

含单项工程估算和经济评价

10

规划实施意见

近期开发项目、前期工作安排、其它

2%

宜由项目经理(总工)完成

文字修改与校对(每遍2%，各部分修改由相关责任人负责，宜2遍以上)、图纸修改与校对(2%)，文字编辑2%

8%

宜由项目经理(总工)和其它相关人员完成

1.3定额说明

(1)比例系指每章节工作内容(应得工资)所占整个规划设计内容(应得工资)的比例。项目经理和项目总工津贴（工资）另外按规定比例（分别为合同额的1%）计提.项目经理可兼任项目总工。

(2)规划设计质量按《中小河流水能开发规划导则》（SL221-98）和其它相关标准执行。

(3)文字排版与编辑依据《量和单位》（GB3100～3102-86）、《水利技术标准编写规定》（SL1-2002）、《水利水电工程技术术语标准》（SL26-92）。文字录入、排版与编辑工作量已计入各章节。

(4)制图依据《水利水电工程制图标准》（SL73-95）和《水力发电工程CAD制图技术规定》（DL/T5127-2001）。CAD制图、晒图与打印工作量已计入各章节。

(5)各章节可根据工程实际进行增减、合并，其工作量作适当调整。

2小型水电站初步设计定额

2.1编制说明

为了统一小型水电站初步设计报告的编制标准,提高编制质量，由水利部水电及农村电气化司主持，以福建省水利水电勘测设计研究院为主编单位制定了《小型水电站初步设计报告编制规程》(SL/T179—96),要求小型水电站初步设计报告分为15章，分别为综合说明、水文、工程地质、工程任务和规模、工程布置及建筑物、水力机械、电气工程、金属结构、消防、施工组织设计、水库淹没处理及工程永久占地、环境保护设计、工程管理、概算、经济评价等。本规程为小型水电站初步设计报告提供了编制依据，同时也成为小型水电站初步设计定额的制定依据和初步设计质量的检验标准。

2.2定额标准

小型水电站根据其调节性能,可分为径流式水电站和蓄水式水电站。其设计内容的区别主要在于取水枢纽设计的繁简。为此，将小型水电站初步设计定额分为径流式和蓄水式两大类别，其定额内容分别见表2-2-1、2-2-2。

表2-2-1小型水电站初步设计定额（径流式）

章节

名称

工作内容

比例

备注

1

综合说明

文字13节、附图2类、附表3类

2%

根据各章节内容编写

2

水文

文字7节、附图8类、附表7类

5%

3

工程地质

文字10节

1%

根据《勘察报告》编写

4

工程任务和规模

文字11节、附图11类、附表按需要附列

5%

5.1~5.3

设计依据；工程选址；坝型、坝线及工程总布置

文字3节、附图4类、附表按需要附列

3%

宜由项目经理(总工)编写

5.4~5.5

取水枢纽

文字2节、附图8类、附表按需要附列

11%

包括挡水建筑物、泄水建筑物等

5.6

引水建筑物

文字1节、附图2类、附表按需要附列

18%

其中：压力管道12%

5.7

厂房及升压站

文字1节、附图4类、附表按需要附列

12%

5.8

综合利用及其它

文字1节、附图1类、附表按需要附列

1%

6

水力机械

文字4节、附图4类、附表2类

4%

7

电气工程

文字11节、附图12类、附表4类

8%

8

金属结构

文字6节、附图3类、附表2类

2%

9

消防

文字2节、附图3类、附表2类

1%

10

施工组织设计

文字8节、附图2类、附表2类

6%

11

工程永久占地

文字1节、附图3类、附表2类

1%

12

环境保护设计

文字4节、附图2类、附表按需要附列

2%

13

工程管理、劳动安全与工业卫生

文字3节、附图2类、附表按需要附列

2%

14

概算

文字5节、附表33类

6%

含概算书

15

经济评价

文字5节、附表8类

文字修改与校对(每遍1.5%，各部分修改由相关责任人负责，宜2遍以上)、图纸修改与校对(每遍1.5%，宜2遍以上)，文字编辑2%

8%

宜由项目经理(总工)和其它相关人员进行

表2-2-2小型水电站初步设计定额（蓄水式）

章节

名称

工作内容

比例

备注

1

综合说明

文字13节、附图2类、附表3类

2%

根据各章节内容编写

2

水文

文字7节、附图8类、附表7类

5%

3

工程地质

文字10节

1%

根据《勘察报告》编写

4

工程任务和规模

文字11节、附图11类、附表按需要附列

5%

5.1~5.3

设计依据；工程选址；坝型、坝线及工程总布置

文字3节、附图4类、附表按需要附列

3%

宜由项目经理(总工)编写

5.4

挡水建筑物

文字1节、附图5类、附表按需要附列

24%

3个比较方案各7%，推荐方案加3%(提供5种坝高的工程量)

5.5

泄水建筑物

文字1节、附图3类、附表按需要附列

6%

5.6

引水建筑物

文字1节、附图2类、附表按需要附列

10%

含压力管道

5.7

厂房及升压站

文字1节、附图4类、附表按需要附列

6%

5.8

工程观测、综合利用及其它

文字1节、附图1类、附表按需要附列

1%

6

水力机械

文字4节、附图4类、附表2类

3%

7

电气工程

文字11节、附图12类、附表4类

6%

8

金属结构

文字6节、附图3类、附表2类

1%

9

消防

文字2节、附图3类、附表2类

1%

10

施工组织设计

文字8节、附图2类、附表2类

5%

11

水库淹没处理及工程永久占地

文字1节、附图3类、附表2类

3%

12

环境保护设计

文字4节、附图2类、附表按需要附列

1%

含水保方案概述

13

工程管理、劳动安全与工业卫生

文字3节、附图2类、附表按需要附列

1%

14

概算

文字5节、附表33类

6%

含概算书

15

经济评价

文字5节、附表8类

文字修改与校对(每遍1.5%，各部分修改由相关责任人负责，宜2遍以上)、图纸修改与校对(每遍1.5%，宜2遍以上)，文字编辑2%

8%

宜由项目经理(总工)和其它相关人员进行

2.3定额说明

(1)比例系指每章节工作内容(应得工资)所占整个设计内容(应得工资)的比例。项目经理和项目总工津贴（工资）另外按规定比例（分别为合同额的1%）计提.项目经理可兼任项目总工。

(2)设计质量按《小型水电站初步设计报告编制规程》（SL/T179-96）、《小型水力发电站设计规范》（GB50071-2002）和其它相关标准执行。

设计过程中须进行多方案技术经济比较，力争推荐方案科学、安全、经济、实用。

(3)文字排版与编辑依据《量和单位》（GB3100～3102-86）、《水利技术标准编写规定》（SL1-2002）、《水利水电工程技术术语标准》（SL26-92）。文字录入、排版与编辑工作量已计入各章节。

(4)制图依据《水利水电工程制图标准》（SL73-95）和《水力发电工程CAD制图技术规定》（DL/T5127-2001）。CAD制图、晒图与打印工作量已计入各章节。

(5)各章节可根据工程实际进行增减、合并，其工作量作适当调整。

(6)本定额中厂房及升压站按卧式机组厂房考虑，立式机组厂房和贯流式机组厂房所占比例可根据实际情况在本定额基础上调增50-100%。

(7)小型水电站可行性研究报告编制可参照本定额执行。

3小型水电站施工图设计定额

3.1编制说明

小型水电站施工图设计主要根据初步设计审查意见和相关规范进行。施工图设计内容繁琐，本定额仅作参考，有待于进一步研究。

3.2定额标准

根据径流式水电站和蓄水式水电站各部分设计的繁简,将小型水电站施工图设计定额分为径流式和蓄水式两大类别，其定额内容分别见表3-2-1、3-2-2。

表3-2-1小型水电站施工图设计定额（径流式）

部分

单位工程名称

工作内容

比例

备注

一

建筑工程

1

取水枢纽

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

18%

包括挡水建筑物、泄水建筑物、导流建筑物等

2

引水工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

22%

含压力管道12%

3

发电厂工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

18%

4

升压变电站工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

2%

5

其它工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

10%

二

机电设备

1

水力机械

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

5%

2

电气工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

10%

三

金属结构

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

5%

四

工程预算

预算及标底

5%

表3-2-2小型水电站施工图设计定额（蓄水式）

部分

单位工程名称

工作内容

比例

备注

一

建筑工程

1

挡水建筑物

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

25%

包括导流建筑物等

2

泄水建筑物

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

14%

3

引水工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

8%

仅含压力管道，增加有压隧洞和调压室为18%

4

发电厂工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

15%

5

升压变电站工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

1%

6

其它工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

10%

二

机电设备

1

水力机械

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

3%

2

电气工程

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

6%

三

金属结构

1.设计、制图、交底、服务2.校核、审查

5%

四

工程预算

预算、标底

3%

3.3定额说明

(1)比例系指部分工作内容(应得工资)所占整个设计内容(应得工资)的比例。项目经理和项目总工津贴（工资）另外按规定比例（分别为合同额的1%）计提.项目经理可兼任项目总工。

(2)设计质量按《小型水力发电站设计规范》（GB50071-2002）和其它相关标准执行。设计过程中须进一步进行技术经济比较，力争设计成果安全、实用、经济、美观。

(3)各部分设计应附详细的计算说明书,存档备查。排版与编辑依据《量和单位》（GB3100～3102-86）、《水利技术标准编写规定》（SL1-2002）、《水利水电工程技术术语标准》（SL26-92）。文字录入、排版与编辑工作量已计入各章节。

(4)制图依据《水利水电工程制图标准》（SL73-95）和《水力发电工程CAD制图技术规定》（DL/T5127-2001）。CAD制图、晒图与打印工作量已计入各章节。

(5)本定额中厂房及升压站按卧式机组厂房考虑，立式机组厂房和贯流式机组厂房所占比例可根据实际情况在本定额基础上调增50-100%。

(6)校核、审查工作占单项工作的20%。

篇（2）

1水轮机的选择

水轮机是水电站一个十分重要的设备，水流的动能和势能转换成机械能就是通过水轮机来实现的。水轮机选择合理与否，直接影响到机组的效率和运行的安全性、经济性。

1.1机组台数的选择

农村小水电站机组台数与电站的投资、运行维护费用、发电效益以及运行人员的组织管理等有着密切的关系。通过多年设计和运行经验表明：农村小水电站机组台数一般为1～4台，且型号应尽量相同，以利于零部件通用和维修管理方便，其中每座电站2台机组居多。

1.2水轮机型号的选择

水轮机型号的选择合理与否，直接影响到水轮机的运行效率、汽蚀和振动等。选择型号时，既要考虑水轮机生产厂家的技术水平和运输的方便程度，又要确保水轮机常处于较优的运行工况，即尽量处于水轮机运转特性曲线图的高效区。尤其是机组运行时，水头的变化不要超过水轮机性能表的水头范围，否则会加剧水轮机汽蚀和振动，降低水轮机效率。

1.3机组安装高程的确定

水轮机的安装高程不能超过水轮机允许的最大吸出高度，否则会引起水轮机转轮的汽蚀、振动等不良现象，因而缩短机组的运行寿命。

（1）卧式机组：安=Z下+hs-/900-D/2

（2）立式机组：安=Z下+hs-/900

式中Z下——尾水渠最低水位（m）；

hs——水轮机理论吸出高度（m），查水轮机应用

范围图及hs=f(H)曲线；

D——水轮机转轮直径（m）；

——水电站厂房所在地的海拔高程（m）。

为了消除或减轻水轮机汽蚀，可将计算出的安降低0.2～0.3m确定安装高程。

2电气主接线的拟定

小水电站的电气主接线是运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据之一。农村小水电站装机容量往往有限，一般装机台数不超过4台，相应电站的电压等级和回路数以及主变的台数都应较少。考虑到小水电站（尤其是单机100kW以下的微型电站）的机电设备供应比较困难，运行和管理人员的文化、业务素质普遍较差，从进站到熟练掌握操作、检修、处理故障及优化运行等也有一个过程。因此，农村小水电站的电气主接线在满足基本要求的前提下，应力求采用简单、清晰而又符合实际需要的接线形式。

对于1台机组，宜采用发电机—变压器组单元接线；对于2～3台机组，宜采用单母线不分段接线，共用1台主变；对于4台机组，宜采用2台主变用隔离开关进行单母线分段，以提高运行的灵活性。

3电气测量及同期装置

并入电网运行的小水电站电气测量应包括：三相交流电流、三相交流电压（使用换相断路器和1只电压表测量三相电压）、有功功率、功率因数、频率、有功电能、无功电能、励磁电流和励磁电压等的监视和测量。发电机的测量、监视表计、断路器、互感器及保护装置等装在控制屏上（发电机控制屏）；电网的表计、断路器、同期装置等装在同期屏上（总屏）。

保护装置

农村小水电站主保护装置的配置应在满足继电保护基本要求的前提下，力求简单可行、维护检修方便、造价低及运行人员容易掌握等。

4.1过电流保护

单机750kW以下的机组，可以采用自动空气断路器的过电流脱扣器作为过流及短路保护，其动作整定值可以通过调整衔铁弹簧拉力来整定，整定值一般为发电机额定电流的1.35～1.7倍。为了提高保护的可靠性，还可采用过流继电器配合空气断路器欠压脱扣器作过流及短路保护，继电器线圈电源取自发电机中性点的1组（3只）电流互感器，继电器动作值亦按发电机额定电流的1.35～1.7倍整定。

原理：当发电机出现短路故障时，通过过流继电器线圈的电流超过其动作值，过流继电器常闭接点断开，空气断路器失压线圈失电而释放，跳开空气断路器主触头，切除故障元件——发电机。

4.2欠压保护

当电网停电时，由于线路上的用电负荷大于发电机容量，此时电压大幅度降低，空气断路器欠压线圈欠压而释放，跳开空气断路器，以防电网来电造成非同期并列。

4.3水阻保护

当发电机因某种原因(如短路、长期过载、电网停电等)突然甩负荷后，机组转速会迅速升高，这种现象叫飞逸。如果不及时关闭调速器和励磁，可能造成事故。一般未采用电动调速的农村小水电站可利用三相水阻器作为该保护的负荷。

水阻器容量按被保护机组额定功率的70%～80%左右考虑。如果水阻容量过大，机组甩负荷瞬间，将对机组产生较大的冲击电流和制动力，影响机组的稳定，严重时可能造成机组基础松动。反之，如果水阻容量过小，达不到抑制机组飞逸转速的目的。水阻器采用角钢或钢板制成三相星型、三角型均可。

对于单机125kW及以下的电站，水阻池内空，以长为机组台数×（0.7～1）m，宽为（0.7～1）m，深为0.6～0.8m为宜，同时考虑机组容量大小，应在短时间内（如3～5min）不致于将池中的水煮沸。

在调试水阻负荷大小时，应在水中逐渐施加水阻剂，调试水阻负荷，直到达到要求为止。

4.4变压器过载、短路保护

变压器高压侧采用跌落式熔断器（或SN10-10型少油断路器）作过载、短路保护。运行经验表明，额定电压为6～10kV的跌落式熔断器只能用在560kVA及以下的变压器,额定电压为10kV的跌落式熔断器只能用在750kVA及以下的变压器。当变压器容量超过750kVA时，应采用油断路器。跌落式熔断器熔丝按下列公式选择：

当Se＜100kVA时，熔丝额定电流=（2～2.5）×高压侧额定电流；当Se≥100kVA时，熔丝额定电流=（1.5～2）×高压侧额定电流。

篇（3）

渠道断面的选择非常重要，在实际操作过程中，要根据实际地形状况进行合理的设计。如果地面的坡度相对较大并且起伏比较频繁，则一般选择窄深式的断面，有些该种形式的断面可以添加一定的盖板，这样不仅能够减少砂石降落到渠道中而且能够在很大程度上防止坡面的滚石发生状况。这种渠道的优点比较多，比如:能够在冬季寒冷的条件下减少水热量的散失，从而使得冰盖能够处于稳定的状态。如果渠道处于比较宽敞的地面上，而且具有较强冻胀性能的基面，地下水位较高，则一般选择宽浅式断面。在实际的设计过程中，如果在渠道的沿线有泉水，那么就将相应的泉水引入到水渠之中，可以在很大程度上提高渠道的水流量，使得结冰机率大大降低。

1.2渠道纵坡的设计

在渠道设计过程中，纵坡的设计水平非常关键。渠道纵坡的设计对于水流速度具有决定性的作用。一般来讲，如果纵坡的设计较为平缓，则其很容易堆积淤泥，使得杂草等能够迅速地生长，从而影响渠道的输送水能力。而如果纵坡的设计很陡，则渠道在使用过程中，很容易受到较大冲击，很容易破坏。因此，相关设计人员要合理设计渠道的纵坡。在结冰盖的运行过程中，设计人员要根据水能的具体状况、地形条件以及工程造价的实际情况，对纵坡进行合理的设计。在输排冰运行的过程中，相关工作人员要将全段设计得比较陡些，使得输冰的流速达到相关的标准，而后段施工则需要在排冰闸前30m的缓流段进行，以此满足相关排冰速度的要求。

2引水式水电站压力前池的设计

在渠道的设计过程中，相关工作人员要加大压力前池的设计力度，这对于提高渠道的整体质量具有重要的影响。

2.1前池布置

在压力前池位置的选择过程中，为了提高水电站的实际运行效果，前池不要选择填方或者是地基不稳的部位，而应该尽量选择在天然地基比较好的地基上。这种设置能够在很大程度上避开顺坡的裂隙发育地段以及滑坡的出现。在前池的设计过程中，要对水文地质条件进行认真勘查，尽量减少甚至消除前池建设之后对于高边坡以及相关建筑物造成的负面影响。这样就能够避免滑坡以及沉陷情况的发生，确保下游的厂房以及前池的安全。为保障渠道水流平稳地进入前池，应考虑尽量使前池进水室的中心线与引水渠道中心线平行或接行，使水流顺畅，减少水头损失；还能使其引导和控制水流向压力管道平稳过渡和均匀配水。前池与引水渠道末端的连接段，在平面上应两边对称，其扩展角一般限制在10°以内；底边纵坡适宜选用1∶3～1∶5的斜坡，与前室底板连接。前室宽度约为进水室宽度的1.5倍左右，前室长度可取前室宽度的2.5～3.1倍。引水渠道末端应尽量避免弯道，如难以避免时，则宜在弯道终点与前池入口间设直线调整段，或加设分流导向设施。前池中的水流流速要求一般≤0.8m/s，以便泥沙沉积下来，通过排沙孔排走，阻止冰块、冰凌进入压力水管。为提高前池的排冰效果，可在进水室前设一道挡冰板，挡冰板底部应伸入到前池冬季最低运行水位以下50cm，能够有效防止冰凌进入进水室。

2.2前池水位

在中小型水电站前室正常水位的确定过程中，可以将引水渠道设计流量时的渠末水位作为其正常水位。而水电站在运行过程中，如果其突然甩开全部负荷，那么此时的最高涌波就作为前池的最高水位。而前池的最低水位指的是，在枯水期最小引水位发电流量时相对应的水位。在实际水位确定的过程中，相关工作人员要经过多次试验，并且按照严谨的操作步骤进行操作，以期获得最佳的水位数据，从而为引水式水电站的设计施工提供科学严谨的数据支撑。

3水电站装机容量选择

3.1无调节水电站最大工作容量的确定

在水电站装机容量确定的过程中，需要对无调节水电站最大工作容量进行确定，N水，工=N保、无=9.81ηQ设H设，其中：N水、工=保证出力（按历史设计保证率）;N保、无=9.81ηQ设H设；Q设—设计枯水日平均流量（m3/s）；H设—相应的日平均净水头。

3.2日调节水电站最大工作容量的确定

当水电站担任日负荷图峰荷部分时，在作图日电能累积曲线上a点向左取ab，由b向下作垂线交日电能累积曲线于c点。由c作水平线与日负荷图相交，求出日电站的工作位置，如图1所示。其中，ab＝E保、日，bc＝N水、工。

篇（4）

2001年9月，在公路开挖爆破过程中引发一定范围的岩体倾倒错落塌滑，在高线公路无法明挖通过的同时，6#山梁塌滑岩体周边仍余留部分危岩，威胁公路和导流洞出口施工及运行安全，并可能制约截流工期；2002年6月，云南澜沧江水电开发有限责任公司邀请国内知名边坡专家到现场踏勘、考察和咨询后，明确对6#山梁必须采取工程措施，确保开挖边坡在施工期的稳定，并提高山坡整体稳定安全度。

2地形地质条件

6#山梁综合治理的平面范围见附图所示。在Ⅲ级断层F5与F23之间，大部分地段基岩，仅局部山坳及冲沟中有第四系堆积物分布。山坡平均坡度约40°，局部地段分布有早期崩塌作用形成的陡壁。现公路开挖形成的边坡形态多呈陡缓转折的阶梯状。

出露地层主要为中深变质岩系及第四系，岩层呈单斜构造横河分布，陡倾上游，主要岩性为黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩，它们虽均属坚硬的块状岩石，但后者的抗风化能力相对较弱。第四系堆积层主要为碎石质砂粉土夹块石及块石层和开挖堆渣，高程1200m以上分布较薄，厚度约0.5m~5m。

岩层产状为N70°~85°W,NEÐ65°~85°，主要结构面走向近EW及近SN，倾角多陡立。根据结构面的规模划分，该地段主要分布有F5、F19、F23、F15四条Ⅲ级陡倾断层和两组Ⅳ级陡倾结构面（小断层f和挤压面gm）。普通发育对边坡稳定程度关系较大的Ⅴ级结构面（节理）主要发育三组：①近SN向陡倾节理组（顺河向节理），产状为N0°~10°E，SE∠75°~90°，延伸一般2m~5m，最长可达10余米，间距20cm~50cm，在局部地段分布有宽5m~10m的节理密集带；②NWW向节理组（横河向节理），产状N65°~85°W，NE∠55°~80°，延伸一般1m~3m，间距30cm~50cm；③顺坡向中缓倾角节理组，产状为N20°W~N20°E，SW~NW∠30°~45°，该组节理在微风化~新鲜岩体中相对不发育，延伸较短。

边坡岩体以均匀风化为主，风化层厚度主要受岩性、构造和地形控制。一般在地形凸出的山脊部位风化厚度大，山坳、冲沟地段的风化层相对较薄；在坡顶和角闪斜长片麻岩分布地段的地形较平缓部位，常出现较厚的全、强风化层。

6#山梁地势陡峻，卸荷作用强烈。卸荷现象主要表现为生成顺坡向中缓倾角剪切裂隙和陡倾角拉张裂隙，岸坡常在此基础上产生崩塌等失稳现象。

本地区地表水和地下水的最低排泄基准面为澜沧江。地下水类型主要为裂隙潜水，由于补给来源丰富，地下水位埋藏较浅，岸坡地下水位线一般在弱风化岩体的中、下部。

3边坡失稳机理与模式分析

6#山梁岩质边坡失稳主要发生在山坡浅表部位的强风化、强卸荷岩体中，并常见以下几种类型：

a.滑移型塌滑：常发生在顺坡中缓倾角剪切裂隙较发育且连通率较高的边坡表层。通常是以顺坡裂隙为底滑面，顺河向卸荷拉张裂隙（或节理）为后缘拉裂面，横河向节理为侧向切割面。该类塌滑一般规模较小，但它可向周边逐渐扩展，向深部逐渐剥离。

b.错落型崩塌：常出现在由花岗片麻岩构成的陡坡地段，其失稳机理是：边坡岩体在卸荷过程中顺河延伸的拉张裂隙逐渐构通，陡坡下部岩体被压碎并出现剪切破裂面（常追踪顺坡节理），在某些触发因素作用下即发生崩塌。6#山梁在高线公路开挖过程中发生的较大范围的崩塌属此类型。

c.倾倒型崩塌：此类崩塌常发生在两种岩层交界面或有Ⅱ、Ⅲ级断层等软弱岩带分布的逆层坡地段。其失稳机理是：山坡下部分布有相对易风化的岩层或软弱岩带，它们在风化卸荷过程中逐渐被压缩，使其上部的相对较坚硬的岩体发生倾倒、折断，当下部岩体被压碎出现剪切破坏时即发生崩塌。

4平面稳定分析

4.1岩体物理力学参数

由于地勘资料的缺乏和不足，本次计算依据前期地质、试验资料和开挖暴露面所揭示的地质条件，并对山坳塌方体进行地质参数反演分析（反演成果见表一注），综合以上因素,拟定边坡平面稳定计算的物理力学参数见表一。

表一边坡平面稳定岩土力学参数计算采用值（峰值强度）

编号

岩土类别

Φˊ

(°)

Cˊ

(kN/m2)

天然容重

(kN/m3)

饱和容重

(kN/m3)

1

坡积体

30.1

40

18.5

20.0

2

堆积体

38.0

50

20.6

23.5

3

堆积体接触带

32.0

50

20.6

23.5

4

全风化带

29.0

40

21.0

22.0

5

强风化、强卸荷带

山梁部位

29.0

60

26.0

26.7

山坳部位

32.0

110

26.0

26.7

6

弱风化、卸荷带

35.0

340

26.3

26.7

注：对山坳部位塌方体处于0.95安全系数条件下,固定Φˊ=32°,干坡反演Cˊ=0.084Mpa,雨季反演Cˊ=0.145Mpa；固定Cˊ=0.11Mpa,干坡反演Φˊ=27,雨季反演Φˊ=36

4.2稳定计算方法

切取典型剖面，按平面刚体极限平面问题考虑，不考虑动力效应对岩土参数取值的影响。计算采用陈祖煜教授编制的EMU程序进行。

4.3平面稳定计算边界条件与控制标准

（1）边坡滑动方向与计算剖面选取

根据地质条件分析，为简化计算，6#山梁边坡失稳的边界条件如下：

a.沿强风化、强卸荷带顺坡中缓倾角结构面的剪切滑移破坏；

b.向河床、沟谷等临空面方向的倾倒崩塌破坏；

c.中缓倾角节理与陡倾结构面相互切割、组合，构成对边坡不利的楔体破坏模式。

考虑到XX工程枢纽区中缓倾角节理及卸荷裂隙发育的主要产状为近SN向，基本垂直的两组陡倾结构面也以近SN向相对发育，计算剖面为一近EW向和其它三个接近天然地形最陡方向剖面。

（2）地下静水压力取值

6#山梁地区天然地下水位基本上处于强风化、强卸荷带以下部位，计算分析中采用暴雨条件下的地下静水压取值标准采用：取1/5滑块高度。

（3）地震惯性力

地震工况下地震惯性力按拟静力法计算，仅考虑水平向地震作用。取100年超越概率10%水平峰值加速度a水平=0.169g，地震效应折减系数ζ=0.25,动态分布系数ai=1.875，相应的水平地震力综合系数取值为Kh=0.08。

（4）计算工况及安全系数控制标准

6#山梁综合治理措施考虑一次到位实施，避免二次上山不考虑分期进行，因而计算分析考虑正常运行、地震和泄洪工况，其中坝顶公路以下边坡将结合导流洞出口开挖、泄洪雾化保护等，下一步作综合治理研究，故本次计算无泄洪工况。本区域距工程主体拱坝尚有一定距离，坝顶公路以上边坡又接近天然边坡，安全等级按低于主体工程边坡考虑，取为二级边坡，各工况对应的平面稳定安全系数控制标准见表二。

表二边坡平面稳定计算最小安全系数控制标准

平面稳定计算工况

正常运行

泄洪雾化

运行地震

安全系数控制标准

1.20

1.12

1.03

4.4平面稳定分析计算成果

根据初步推测的地质剖面与初拟地质物理力学参数进行了初步分析计算，各剖面相应位置滑块平面稳定计算安全系数及所需锚固力计算成果见表三。

表三坝顶公路以上边坡控制性滑块平面稳定计算安全系数成果表

项目

干坡核算

计算工况

所需

锚固力

（t/m）

剖面序号

滑块位置

无水干坡

正常运行

运行地震

1

EL.1425m～EL.1320m

现状体型

1.14

1.06

0.94

150

清坡体型

1.42

1.30

1.11

2

EL.1440m～EL.1295m

现状体型

1.05

0.97

0.85

600

清坡体型

1.16

1.06

0.93

290

3

EL.1520m～EL.1425m

1.03

0.93

0.85

500

EL.1320m～EL.1265m

2.03

1.93

1.72

4

EL.1515m～EL.1410m

1.58

1.50

1.37

EL.1360m～EL.1230m

1.57

1.46

1.29

5边坡稳定性评价

从表三可以看出，目前现状条件下导流出口坝顶公路以上边坡的稳定程度以2剖面最差，1剖面次之，3剖面稍好，4剖面处于整体稳定状态；控制性强风化、强卸荷滑动层的厚度一般不超过20m。

从高程分布来看，高线便道以上塌方体陡壁部位因坡度因素控制，3剖面滑块的安全系数最低，干边坡状态为1.03，正常状态为0.93，基本处于临界失稳状态，与目前现状估计是吻合的；4剖面塌方体陡壁部位在剖面方向上处于整体稳定状态。剖面显示，本区（

Ⅰ-2亚区）塌方体陡壁边坡与后部天然山坡相连，不宜开挖也缺乏压坡条件，是预应力锚固锁口处理的重点区域。高线便道至坝顶公路间边坡稳定性好于塌方体陡壁部位，3、4剖面整体稳定，但剖面显示，该区（Ⅱ-3亚区）浅表层为松散堆积物，边坡局部存在圆弧破坏和塌滑破坏，若清除山坳内的松散堆积物，将增大其两侧山坡的侧向临空程度，故在坡脚（坝顶公路）处设桩板墙挡护更能确保边坡稳定。1、2剖面干边坡安全系数在1.05～1.14之间，正常状态为0.97～1.06之间，处于临界稳定状态，需采用工程措施提高其稳定程度。剖面显示，本区（Ⅰ-1亚区、Ⅱ-1亚区、Ⅱ-2亚区）坡形有相对凸出现象，并存在薄层浮渣和全风化岩体分布，强卸荷岩体在坡形凸出部位一般不超过10m，具备清坡条件。

6综合治理设计原则和工程措施

6.1综合治理设计原则

由于6#山梁地段山坡陡峻，地质结构较为复杂，岩体风化、卸荷深度较大，天然山坡的稳定性较差。因枢纽总体布置的需要不可避免地要对6#山梁的岸坡进行一些工程开挖，根据各工程开挖的具体情况并本着安全、经济、合理的原则，确定6#山梁坝顶公路以上边坡设计思路如下：

（1）工程布置尽可能地避免明挖，公路用隧洞通过，尽量减少对山坡的扰动。

（2）以排水措施作为提高山坡总体安全度的基本手段，采取清坡、减载、支挡、锚固、护坡相结合的综合措施进行全面治理。

（3）对边坡上已出现的不稳定体，采取预应力锚索加固。

（4）对于开口线以外的浮石、危石，可用主动和被动网防护。

（5）加强安全监测，并根据施工过程中揭示的地质条件，及时调整和优化设计。

6.2工程措施

根据地形、地质条件和工程布置、边坡稳定条件和计算结果等情况，将6#山梁地段的边坡分为三个区（Ⅰ区：高线便道以上边坡；Ⅱ区：高线便道至坝顶公路间边坡；Ⅲ区：坝顶公路以下边坡。）和若干亚区，具体见附图。其中坝顶公路以下边坡（Ⅲ区）将结合导流洞出口开挖、泄洪雾化保护等，下一步作综合治理研究。

6.2.1排水

6#山梁采用以地下排水为主，地表排水为铺的综合排水措施，尽可能降低边坡岩体中的地下水位，减少渗水压力，以改善边坡稳定条件，提高边坡稳定性。

（1）地下排水系统

在1310m高程设置一层地下排水洞，且利用高线公路隧洞在1380m高程增设一条排水支洞。排水洞内均钻设排水孔。

排水孔在松散体、断层破碎带或土层等特殊部位用反滤透水管作特殊处理，透水管选用HMY-95K塑料盲沟管，外包土工布200g/m2，其长度应贯穿破碎带，端部用土工布封扎。

（2）地表排水

为减少降雨和泄洪雨雾的入渗量，充分发挥地下排水系统的疏排效果，加强了边坡表层的排水系统。

6.2.2边坡加固支护措施

根据以上计算成果和分析判断，6#山梁坝顶公路以上部位边坡采用清坡、减载、支挡、锚固、护坡相结合的综合措施进行全面治理。

（1）Ⅰ-1亚区

a.尽量清除边坡表部附近部位呈干砌块石状的和山坡表层显著变形错位的强卸荷岩体，理顺坡形。

b.Ⅰ-1区清坡前，先在清坡开口线以上设置两排1000kN级预应力锚索锁口；清坡后，在清坡范围开口线以下设置三排1000kN级预应力锚索；其它部位根据需要设置随机预应力锚索。

c.6#山梁上游侧现高线隧洞出口的洞脸挡墙考虑有一定高度并在其上设置防护网，以拦挡滚石和F5沟内可能发生的局部塌方体。

（2）Ⅰ-2亚区

目前，6#山梁下游侧边坡塌方段范围EL.1450m以下已布设有1000kN级预应力锚索；根据计算分析判断，对EL.1450m以上陡壁部位增加1000kN级系统预应力锚索。

（3）Ⅱ-1亚区和Ⅱ-2亚区

a.清除坡面浮渣、覆盖层、破碎分离岩体、孤石、危石、变形错位的表层强卸荷岩体及浅表层全风化岩体。

b.Ⅱ-1区清坡后在EL.1380m附近设置两排1000kN级预应力锚索；其它部位根据需要设置随机预应力锚索。

c.Ⅱ-2区“爬石”（三个特定的分离岩体）部位先设置随机预应力锚索将其锚固，再跳槽清除其下侧的破碎岩体，并及时回填混凝土压脚，最后在回填混凝土部位设置预应力锚索；Ⅱ-2区清坡后在EL.1330m附近设置两排1000kN级预应力锚索。

Ⅱ-1亚区和Ⅱ-2亚区在坝顶公路边坡开口线上下均设置两排1800kN级预应力锚索。

为保证清坡工作安全顺利进行，以上清坡各区在坝顶公路、高线便道路面上均设置两排3Φ32锚筋桩。

（5）Ⅱ-3亚区

a.清除坡面浮渣。

b.在坝顶公路部位的山坳段设置长约100m的锚拉桩板式挡墙,锚拉桩板式挡墙段顶部考虑设置防护网。

以上清坡及塌方表面除Ⅱ-3亚区外均布置系统锚杆并喷混凝土护面,强风化、强卸荷带及坡、堆积体坡表均挂机编活络网。

篇（5）

甘溪是天目溪的一条支流，上游建有甘溪一级水电站和甘溪二级水电站。甘溪一级水电站装机容量2×160kW，坝址控制流域面积19．6km2，水库总库容214万m3。甘溪二级水电站装机容量3×500kW，利用集雨面积33．5km2。甘溪流域内雨量充沛，多年平均降雨量1625mm。多年平均气温15．6℃，极端最高气温41．6℃，极端最低气温－13．2℃。

甘溪三级水电站渠首枢纽位于甘溪二级水电站尾水出口下游20m处，坝址控制流域面积40．3km2，区间引水集雨面积2km2。多年平均流量1．18m3/s，年径流量3721万m3。坝址设计洪水流量386m3/s（P＝10％），校核洪水流量522m3/s（P＝3．33％）。工程区地质条件简单，出露基岩为奥陶系上统於潜组页岩和砂岩，河床处砂砾石覆盖层厚1～3m，山坡处覆盖层厚0．5～2m，两岸台地覆盖层较厚。河道中水质清澈，泥沙含量很少。

2方案选择

2．1坝址选择

甘溪三级水电站是甘溪二级水电站的下一个梯级电站，坝址选择的原则为：1）满足与上级电站尾水位的衔接；2）满足进水闸和溢流堰的布置要求；3）不淹没耕地和房屋；4）使渠首枢纽工程造价最低。根据地形地质条件，坝址选定在甘溪二级水电站尾水出口下游20m处，该段河床宽约35m，坝型采用浆砌石溢流坝。

2．2厂址选择

厂址位于潘家村乌浪口，电站尾水排入支流乌浪溪中。设计中对上厂址方案和下厂址方案进行比选，下厂址方案与上厂址方案相比，水头增加3．6m，电能增加23万kW·h，效益增加9万元，投资增加25．2万元，差额投资经济内部收益率35．5％，故选用下厂址方案。

2．3无压输水系统方案选择

无压输水系统有隧洞方案和明渠结合隧洞方案两种布置形式，两方案的轴线长度基本相同。明渠结合隧洞方案是进水闸后接长度为425m的浆砌石明渠，其后仍为隧洞。经过比较，隧洞方案较明渠结合隧洞方案减少投资6．2万元，隧洞方案日常维护工作量少，且不占林地，故无压输水系统选用隧洞方案。

3主要建筑物

3．1渠首枢纽

渠首枢纽由拦河堰、进水闸和拦沙坎组成。拦河堰为折线型浆砌块石实用堰，溢流段长31．1m，堰顶高程224．63m，最大堰高2．23m，堰顶宽1．5m，上游面垂直，下游面坡度1∶2。堰体采用M7．5浆砌块石砌筑，外包30cm厚C20混凝土。由于上下游水位差小，溢流堰仅设置4m长的浆砌块石护坦来消能，堰体防渗采用混凝土防渗墙。

进水闸位于甘溪的左岸，紧邻甘溪二级水电站的进厂公路，采用侧向引水，引水角15°。设置1孔宽2m的闸孔，闸底板高程223．35m，后接无压隧洞。进水闸为胸墙式结构，闸室长4．46m，设1道拦污栅和1扇铸铁工作闸门，手动螺杆启闭机启闭，启闭机平台高程227．70m。由于河道中泥沙很少，且大部分淤积在上游的水库中，渠首枢纽不设置排沙设施，进水闸前设有拦沙坎，拦沙坎前考虑人工定期清沙。

3．2无压输水隧洞

进水闸至前池之间为无压隧洞段，长2354．947m。根据地形条件及施工要求，无压隧洞段由1号隧洞、2号隧洞、3号隧洞和1号钢筋混凝土埋管、2号钢筋混凝土埋管组成，1号隧洞长124．100m，2号隧洞长855．485m，3号隧洞长1315．362m。1号隧洞、2号隧洞、3号隧洞之间由钢筋混凝土埋管连接，1号钢筋混凝土埋管长50m，2号钢筋混凝土埋管长10m。隧洞沿线分布的岩性为奥陶系上统於潜组砂岩、页岩互层，上覆岩体厚度30～90m，整体性较好，属Ⅱ～Ⅲ类围岩。隧洞断面采用城门洞型，开挖断面宽2．4m，高2．65m（其中直墙高1．45m，矢高1．2m，半径1．2m），纵坡为1?2000，洞底采用10cm厚的C15素混凝土找平。隧洞进出口及断层地段采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度30cm。连接段钢筋混凝土埋管采用箱型结构，净宽1．8m，高2．05m，壁厚0．3m。

在桩号2＋139．35处设置溢流支洞，把进入隧洞多余的来水排入支流乌浪溪中。溢流支洞长65m，断面呈城门洞型，开挖断面开挖宽2．4m，高2．65m。

3．3前池及压力管道

前池布置在厂房上游的山坡上，采用钢筋混凝土结构，总长21．2m。正常运行水位223．2m，最低运行水位221．9m，前池工作容积94．1m3，边墙顶高程224．7m。前池进水口前设拦污栅和事故钢闸门。

压力钢管布置在山坡中开挖出的管槽内，全长52．68m。因设计引用流量不大，压力钢管采用一管二机的供水方式，在厂房外45°卜形分岔成两支管。选定主管管径1．2m，钢板壁厚12mm。支管与蝶阀同直径，管径0．8m，钢板壁厚8mm。压力钢管在桩号管0＋021．44处设镇墩，每7米增设支墩，前池压力墙及镇墩后各设1个伸缩节。钢管槽底宽2．6m，左侧布置踏步，以便于压力钢管的日常维护。

3．4发电厂房

篇（6）

2大中型水电站电气防误系统设计

2.1微机防误系统

2.1.1微机五防技术原理

随着计算机技术的发展，微机五防技术开始应用于水电站设备防误中，在水电站的高压开关设备上应用比较广泛，主要用来防止发生电气误操作的装置设备。一般由主机、模拟屏、机械编码锁、电气编码锁、电脑钥匙等元器件所组成。现在的微机防误闭锁装置的设备大概可以分为四个大类：开关、闸刀、地刀、拦截网，这些设备都是通过了机械编码和电气编码来实现的闭锁，这些设备的闭锁程序需要专业的编程人员来进行编写。现代微机五防系统是在计算机以及网络技术上孕育而生的，它通过软件以五防为原则来管理在现场采集的大量适时数据，并联动发出相应的电气设备动作指令，从而实现数字化的防误闭锁，也可以实现从前很难实现甚至是无法实现的防误能力，这种技术的产生应该说是电气设备防误闭锁技术中的一次革命性的改革。

2.1.2微机设计方案

①对于水电站内所有的开关都置于实遥信，并且微机五防同水电站的监控系统共享一个数据库，并且可以取消设计电气回路的闭锁，所有的防误功能都让计算机来完成，这样就有效的防止了走空程。②对于站内的所有开关都置于虚遥信，并且微机五防同水电站的监控系统共享一个数据库，并且可以取消设计电气回路的闭锁，防止错误功能全部由微机五防系统同间隔电气闭锁回路来共同完成操作，这就要求微机五防系统必须要有防走空程的措施。

2.2微功耗无线网络防误系统

2.2.1系统组成

通过以上分析，微机防误系统还存在的不足，应用微功耗无线网络技术很好地弥补了这一点。基于微功耗无线网络的防误操作系统由站控层、间隔层、过程层3部分构成，包括防误闭锁主机、网络控制器、锁具及附件、通信接口等部分。整个系统以性能可靠的无线网络作为通信方式，网络控制器为防误闭锁主机、无线电脑钥匙、遥控闭锁装置在水电站内搭建了一个实时在线网络系统。

2.2.2基本原理

在微机防误闭锁系统的基础上，引入一种新技术，即微功耗无线传输模式，形成一种新的防误系统，其将无线电脑钥匙与五防主机实时连接起来，防误闭锁主机与无线电脑钥匙以及现场锁具之间可以实时通信，实现了操作任务执行状态的在线传输及跟踪监控，特别是实现了在线方式下的实时闭锁逻辑判断功能，即系统跟踪设备状态及遥测等信息的变化，实时进行闭锁逻辑判断，根据判断结果，实时控制无线电脑钥匙的操作过程，有效提高运行人员的工作准确性及效率。离线、在线2种运行模式互为冗余，系统更加安全可靠。整个系统具有定时自检和手动巡检功能，随时发现潜在的故障隐患而发出报警，便于工作人员快速处理，消除隐患。

2.2.3具体设计方案

微机防误闭锁系统是一种非常有效的防误系统，其具体设计方案如下：当操作时，无线电脑钥匙通过无线网络接收主机下达的操作指令，按照预演正确的顺序显示当前操作项，运行人员依照无线电脑钥匙提示的设备号依次解锁：对于遥控闭锁继电器，无线电脑钥匙通过无线网络发送解锁申请给五防主机，五防主机通过系统总线直接解锁相应的遥控闭锁继电器，遥控闭锁就地解锁，运行人员可直接进行操作；对于编码锁，将无线电脑钥匙插入相应的编码锁内，若实时闭锁逻辑正确，则开放其闭锁机构，运行人员可就地操作设备的倒闸操作；若锁码错误，系统禁止操作，并在主机界面弹出报警窗口，给出禁止操作的原因，同时通知无线电脑钥匙相关信息。若有控制室和现场交替操作时，运行人员无须返回控制室，在现场用无线电脑钥匙通过无线局域网回传给五防主机，五防主机自动将已经操作过的设备状态进行刷新，然后按原模拟顺序解锁下一步操作。运行人员在主控室操作完成后，五防主机再通过无线网络传输下一步的操作给现场的无线电脑钥匙，由等在现场的运行人员继续进行手动设备的操作。如此反复，避免了运行人员的来回跑动，同时控制室对现场手动操作设备的状态的实时性得到及时掌握。

2.3基于蓝牙技术的无线网络化防误系统

为了完成防误系统与监控系统的资源共享，实现网络化远程解锁监控操作，完善防误系统解锁监督机制，需设计独立的防误系统蓝牙无线网络，并与水电站原有监控系统实现连接，达到资源共享目的。一方面可以防误系统从保护测控获得系统，另一方面，保护测控也可由蓝牙防误系统获得信息量。

2.3.1匹克网的应用

①间隔层设备匹克网应用。为了实现蓝牙无线网络建立，为防误系统提供独立的可靠的信息通道，先在间隔层利用蓝牙技术进行无线通信。各蓝牙设备必须先组成匹克网，再由匹克网组成散射网。本系统设计为主变测控保护、母联测控保护、馈线测控保护、公用测控装置4个匹克网，以此类推，并补保护测控单元、动力变保护测控单元以及通用测控单元和交直流单元分别各自组成匹克网，然后这几个匹克网再组成散射网，与蓝牙主机控制器接口（HC）I进行通信。②蓝牙执行器的匹克网应用。对于现场执行单元，它是防误系统原始开关量（开关、刀闸位置）的采集端口，是现场实际设备解锁与闭锁操作的执行单元，同样需要有可靠的信息通道，因此，对本系统设计为开关、母线刀闸、线路刀闸、母线刀闸与开关间接地刀闸、线路刀闸与开关间接地刀闸5个匹克网（若设备较多，则还可扩充匹克网），这5个匹克网再组成一个大的散射网。

2.3.2硬件设计

蓝牙模块硬件结构：蓝牙技术中，主要有蓝牙芯片组和蓝牙模块两种形式，但最终都能实现蓝牙的无线通信和链路管理功能；蓝牙模块将射频、基带、链路管理器和HCI层集成到了一块芯片上，通过RS232、USB等总线接口实现HCI（主机控制器接口）指令交换。无论是蓝牙基带控制器还是蓝牙模块，都集成了HCI层，作为控制蓝牙芯片各种功能的唯一手段，高层应用也需要使用HCI层与蓝牙芯片进行通信。另外，水电站一个间隔内的各个防误锁具进行实时的控制（解锁或闭锁），是要用弱电控制强电，设计可采用（MOC3051M）可控硅来实现弱电对强电的控制，可靠性好、寿命长而且方便实用。

篇（7）

1.1地形、地质条件

输水系统沿线地形陡缓相间，冲沟较发育，高差大，基本无全风化带，风化裂隙较发育。输水系统自上而下依次通过中奥陶系上马家沟（O2S）组、下马家沟（O2X）组、下奥陶系亮甲山（O1L）组、冶里（O1Y）组、上寒武系凤山组（∈3f）、长山组（∈3c）、崮山组（∈3g）、中寒武系张夏组（∈2Z）的地层。岩性为灰岩、白云岩、页岩、砂岩等，平均饱和抗压强度为92.8～128.2MPa，根据《水利水电工程地下洞室围岩分类》围岩分类为Ⅱ～Ⅲb类围岩，构造发育部位为Ⅳ～Ⅴ类。

地下水以基岩裂隙水为主，局部有少量的岩溶裂隙水，主要接受大气降水的补给。∈2Z2、∈3c1、O1L2－1、O2x1、O2s1-1组岩层为区域性岩溶作用的相对隔水层，岩溶相对发育，其间为相对含水层，相对隔水层与相对含水层呈“互层”状，并且常在含水层底部形成少量上层滞水。上层滞水共有三层，即①上部为上、下马家沟上层滞水；②中部为冶里、凤山上层滞水；③下部为崮山上层滞水。

厂区及输水系统位于区域地下水分水岭，不利于地下水的赋存，地下水埋藏较深，且围岩属中等透水～弱透水，输水系统围岩渗透条件比较好。

输水系统位于西河～耿家庄宽缓背斜的NW翼，尾水隧洞段位于背斜的SE翼，岩层基本水平，倾角3～10°，工程区发育的主要构造有F112、F114、F118、F116、fp21、fp27、fp30等断层和P5张性断裂带等，构造发育的主要方向为NE30～NE60°。输水系统区域内主要发育有4组裂隙，产状为：①NE5～30°SE∠70～80°；②NE30～50°SE∠70～88°；③NE50～60°SE∠70～89°；④NW330～360°SE∠70～85°。以第②组裂隙最为发育。

1.2输水线路的选择

在进行输水系统线路选择时应尽可能布置成最短的直线，综合考虑地形、地质、枢纽布置等条件选择了3条线路布置方案进行比较，即东线、直线和西线三个方案，详见图1。

由于上、下水库在平面上呈NE54°左右方向展布，采用线路最短的直线布置方案时，管线走向为NE50°左右，与站址区主要构造线走向、区内最为发育的第2组主要裂隙及P5破碎带基本平行或成10～20°的小角度相交，且岩层层面与陡倾的构造、裂隙和开挖临空面很容易形成不稳定块体，对围岩稳定非常不利。所以对直线方案不做重点比较。

工程区大小冲沟较发育，地形比较破碎，适合线路布置的位置并不多。为合理确定输水系统线路，对东线和西线两个方案进行了比较。

(1)西线方案

西线方案在平面上沿山脊布置，输水系统走向从NE85°折向NE26°。高压管道部分位于由F112、F116、F118、F208、F209、F114等断层组成的断层密集带中，断层走向为NE20°～NE40°、倾角70°～80°，在满足地形条件下，高压管道难于避开这些断层。在平面和立面上都与高压管道基本平行或成小角度相交，且高压管道与工程发育的第1和第2组主要裂隙基本平行，围岩稳定问题比较突出。

输水系统的惯性时间常数Tw=2.0s左右，在立面布置上，可不设置调压井，但增加了高压管道长度，经过比较,设置上游调压井方案比不设调压井方案可节省投资1140.5万元，所以重点以设置调压井方案与东线方案进行综合技术经济比较。

(2)东线方案

东线方案线路走向从NE15.5°折向NE70°。高压管道部分走向NE70°与P5张性断裂带、F112等构造夹角皆大于30°，与工程区发育的裂隙夹角较大，围岩稳定条件较好。输水系统总长为1811.15m，Tw=2.0s左右，不需设置调压井。投资与与西线方案相当。

经棕合比较后，东线方案围岩稳定条件比较好，工程布置简单，投资与西线方案相当，所以推荐东线方案线路布置。

1.3电站开发方式选择

在输水系统线路确定后，对电站开发方式进行综合比较。根据本电站的特点即上、下水库距离比较短，电站设计水头较高，输水系统距高比较小，L/H在2.0左右，地下厂房可布置的范围不大等，在此仅就首部和尾部两种电站开发方式进行了综合比较。

(1)工程布置

首部布置方案输水系统是由上水库进/出水口、高压管道、尾水调压井、尾水隧洞和下水库进/出水口组成。输水系统总长为L=2123.77m。详见图2。首部布置方式,高压管道比较短，尾水隧洞大于临界长度，需增设尾水调压井。地下厂房可以布置在地质条件相对好的崮山组∈3g和张夏组∈3z2地层中,由于受地形所限,交通洞、通风兼安全洞、出线兼安全洞等附属洞室洞口位置与尾部布置基本相同。从而使附属洞室长度增加。

尾部方案输水系统由上水库进/出水口、高压管道、尾水隧洞、下水库进/出水口等组成。输水系统总长为1859.28m，详见图5。高压管道比较长，地下厂房布置在地质条件相对较差∈3z地层中,但是附属洞室及高压出线电缆较短，且可不设调压井。

(2)工期

首部方案与尾部方案施工组织设计基本相同，不会因厂房位置而改变工程的关键线路,也就是说2个方案总工期相同。因首部方案增设尾水调压井，导致施工支洞和通风洞长度的增加,使地下厂房施工工期比尾部方案增加3～5个月,地下厂房系统需提前安排施工。

(3)工程造价

首部、尾部方案输水系统和地下厂房系统工程静态投资分别为：68848.17、61883.86万元，动态投资为95203.24万元、85076.23万元。首部方案与尾部方案相比，静态投资增加6964.31万元,动态投资10127.01万元。

首部和尾部开发方式综合技术经济比较见表1。

表1电站开发方式比较表

方案

首部方案

尾部方案

工

程

特

性

输水系统总长

m

2123.77

1859．28

高压管道长度

m

1188.11

1424．62

发电工况水头损失

m

18.045

20.152

是否设置调压井

需设尾水调压井,尾水事故闸门室与尾水调压井结合。

否

输水及地下厂房系统主要工程量

洞挖

万m3

77.58

58.29

砼

万m3

23.22

20.80

钢筋

t

11333

10471

钢衬

t

9062

10064

厂房预应力锚索

根

918

1182

水道预应力锚索

根

6562

4477

地下厂房位置

崮山组∈3g和张夏组∈3z2地层，埋深450m左右

张夏组∈3z2地层,埋深230m左右

工期

年

首部方案厂房工期比尾部方案长3-5个月,总工期相同

静态投资

万元

68848.17

61883.86

动态投资

万元

95203.24

85076.23

主要优缺点

1.厂房围岩地质条件相对较好。

2.高压管道较短。

3.需增设尾水调压井和尾水事故闸门。

4.各附属洞室及高压出线电缆较长。

5.总工期相同,但厂房工期增长。

6.投资较大,静态比尾部方案多6964.31万元，动态多10127.01万元。

1.厂房围岩地质条件相对较差。

2.高压管道较长。

3.不需设置调压井和尾水事故闸门室。

4.各附属洞室及高压出线电缆较短，比首部方案减少465m。

5.工程投资小。

从地形条件、地质条件、工程布置、工期、工程投资等方面综合比较可以看出，尾部方案明显优于首部方案，所以推荐尾部布置方案。

1.4供水方式比较

1.4.1引水道供水方式比较

在保证电能损失基本相等基础上，对一管四机、一管二机、一管一机3个方案进行比较。

一管四机方案的投资最少，但管径大，输水系统最大PD＝5360m2，钢管最大厚度达83mm（HT-80,）。已超过世界最高水平，无论从加工制造和现场安装都是很困难的。技术可行性比较差，另外，电站运行灵活性差，也不利于提前发电；一管一机方案管径小，钢管最大厚度为44mm，比较薄，制造、安装容易，且不设岔管，运行灵活，但工程量大，工程造价高，较一管两机方案投资增加6596.6万元；一管两机方案最大PD＝3800m2左右，钢衬厚度为40～60mm。类比国外工程，如日本的今市和蛇尾川电站的最大钢衬厚度都已达到62～64mm。所以无论从制造加工、现场安装条件来说，一管两机方案在技术上是可行的；较一管一机方案工程量少，投资省，因此本阶段引水道供水方式推荐一管两机方案。

1.4.2尾水隧洞数量比较

电站采用尾部开发方式，尾水隧洞较短，不需设尾水调压井。尾水隧洞比较了一机一洞、两机一洞、四机一洞三个方案。一机一洞方案不需另设尾水事故闸门，及尾水岔管，工程量小和投资最少，布置简单，运行灵活。故选用一机一洞布置方式。

1.5竖井、斜井方案比较

相应于选定的尾部开发方式，输水系统在立面布置上受P5和F112等不利地质构造的控制，为将P5和F112等地质构造对输水系统围岩稳定的影响减少至最小，对上竖井下斜井、上斜井下竖井、斜井、竖井4个布置方案进行了综合比较。比较结果见表2。

表2竖斜井综合比较表

方案

上竖井下斜井

上斜井下竖井

斜井

竖井

输水系统总长(m)

2023.68

1952.21

1859.28

2121.07

高压管道长度(m)

1589.02

1517.55

1424.62

1686.41

惯性时间常数Tw(s)

2.30

2.15

2.07

2.40

3#机组引水系统主要工程量

洞挖(万m3)

6.44

6.06

5.46

7.24

砼(万m3)

2.84

2.62

2.36

3.14

钢衬（t）

10137.0

8550.4

8009.8

11320.6

投资（万元）

25704.4

21725.1

20433.9

28812.3

优

缺

点

比

较

地

质

条

件

P5和F112在下平段与高压管道相交，围岩稳定条件较好，

P5可能与高压管道中平段相交，但F112与下竖井以小角度相交，围岩稳定条件较差.

P5可能与中下平段相交，围岩稳定条件较好，F112与下斜井大角度相交，对围岩稳定影响不大。

P5和F112在下平段与高压管道相交，围岩稳定条件较好，

施工

条件

高压管道成洞条件较好，但钢衬厚度较大，最大为62mm

下竖井围岩稳定条件较差，施工难度较大。钢衬厚度较薄，为57mm

下斜井上段围岩稳定条件较差，施工难度较大,钢衬厚度较薄，为57mm

高压管道成洞条件较好，但钢衬厚度较大，为59mm

工程量及费用

工程量较大。投资比3方案高5270.2万元

工程量较小。投资比3方案高1291.2万元

工程量最小。投资为20433.9万元

工程量最大。投资比3方案高8378.4万元

综合比较

地质和施工条件都比较好，但工程量与投资比较大。惯性时间常数也较大。

虽然工程量比较小，但下竖井难于避开F112。围岩稳定条件较

差。

工程量与投资最少，P5与中平段相交，围岩稳定条件较好。惯性时间常数最小。

，但工程量与投资最大。惯性时虽然围岩稳定条件较好间常数也最大。

斜井方案明显优于其它3个方案。P5、F112等构造对输水系统围岩稳定的影响相对其它方案是比较小的，且工程量和工程投资也是最小的，惯性时间常数最小，电站运行稳定性较好,所以设计推荐斜井方案。

2输水系统衬砌型式选择

通过供水方式综合比较，确定引水系统采用一管两机的供水方式，高压管道最大PD值高达3500m2以上。输水系统衬砌型式的确定对其造价有着举足轻重的影响。对于高PD值高压管道，衬砌型式的选择尤为重要。目前大PD高压管道常采用的衬砌型式有：钢筋砼衬砌、预应力砼衬砌、钢板衬砌等。

2.1砼衬砌方案的布置与设计

从经济角度来讲，充分利用围岩的弹性抗力，不衬或采用砼衬砌是比较经济的，但是砼衬砌对围岩的地质条件要求比较高，要想使砼衬砌可行，必须同时满足应力条件和渗透条件。砼衬砌方案的布置详见图3。

2.1.1应力条件

应力条件是指沿管线各点的最大静水压力要小于围岩的最小主压应力。为便于确定管线的布置，首先根据挪威准则初步验算覆盖层的厚度，再根据地应力资料最终确定输水系统管线布置。

对输水系统各控制点覆盖层厚度分别进行计算，除部分高压支管外，其它部位均能够满足挪威准则的要求。

为了解输水系统压力管道范围内的地应力情况，对输水系统上平段ZK97-27、中平段位置ZK97-26、下平段附近的ZK97-21等钻孔进行了地应力测试。高压管道埋藏较深的部分，最小主压应力皆大于内水压力静水头，是能够满足应力条件的。通过三维地应力场回归结果可知，岔管部位的最小主压应力为9.0MPa左右，大于内水压力静水头，也能满足应力条件。从地形、地质条件来讲，具备了采用钢筋砼衬砌条件，而高压支管部分，经过P5张性断裂带、F112、fp38等地质构造，且不能满足应力条件，所以岔管后的高压支管采用钢板衬砌。

2.1.2渗漏条件

渗漏条件是指输水系统渗漏量应在设计允许范围之内。本工程上、下水库皆为人工库，无天然径流补给，且下水库为悬库，高于滹沱河床180m左右，补水费用比较高。鉴于本工程特点，对渗漏条件要求比较高。

输水系统沿线上马家沟组（O2S2）、下马家沟组（O2X1）、冶里组（O2Y）、凤山组（∈3f）、崮山组（∈3g）地层岩溶相对比较发育，属中等透水～弱透水，占高压管道砼衬砌段长度的77%左右，渗透系数为0.8×10-5～1.2×10-5cm/s。尾水隧洞及高压管道下平段，发育有P5、F112、fp38、fp28、fp30、F207、fp11、fp13、F118、F114、F116、F209等地质构造，容易形成集中渗流通道。

地下水类型以基岩裂隙水为主，局部有少量岩溶裂隙水，主要接受大气降水补给。工程区O2S1-1、O2X1、O1L2—1、∈3C1、∈2Z2为相对隔水层，其间为相对含水层，在含水层底部存在少量上层滞水。由于输水系统位于西河—耿家庄宽缓背斜的轴部附近，地下水位很低，通过厂房平洞PD95-1内各钻孔水位长期观测结果，张夏组岩层的地下水位为716.0～719.0m,崮山组岩层地下水位为768.0～769.0m。

输水系统沿线大部分岩层属中等透水～弱透水，且地下水位比较低，为减少渗漏量，输水系统钢筋砼衬砌采用限裂设计，最大裂缝开展宽度为0.2mm。

(1)钢筋砼衬砌结构设计

根据钢筋、砼、围岩的变形协调条件，计算围岩、钢筋砼承担内水压力的比例，其中钢筋砼承担的内水压力按限裂设计，不足部分通过高压灌浆使衬砌产生预压应力来承担。钢筋砼衬砌计算结果见表3。输水系统钢筋砼衬砌采用限裂设计，最大灌浆压力为9.8MPa。目前我国采用灌浆压力最高的为天荒坪抽水蓄能电站，最高值为9.0MPa。南非的德拉肯斯保抽水蓄能电站预应力砼管，最大灌浆压力为8.0MPa,因此从结构方面来说除下斜井下部灌浆压力比较大外，钢筋砼衬砌基本是可行的。

表3钢筋砼衬砌计算结果

部位

R

(m)

Rr

(m)

Rs

(m)

P(MPa)

E(MPa)

Pr

(MPa)

Ps

(MPa)

Pg(MPa)

P0

(MPa)

中平段

2.35

2.95

2.29

6.45

8500

4.77

0.24

1.44

4.81

下斜井中下部

2.1

2.7

2.04

9.0

8000

6.30

0.28

2.42

8.00

下平段

2.1

2.7

2.04

10.1

6000

6.87

0.28

2.98

9.8

(2)输水系统渗漏量估算

采用钢筋砼衬砌还必须满足渗漏条件，按围岩与砼衬砌厚壁组合圆筒进行估算。输水系统沿线各段渗漏量估算结果见表4。从计算结果来看，整个输水系统渗漏量为6.064m3/s,单位管道长度平均渗漏流量为4.04×10-3m3/s.m。与站址选择补充报告中羊老蹄—李家庄方案输水系统三维有限元渗流计算结果（整个输水系统渗漏流量为10.484m3/s,单位管道长度平均渗漏流量为4.5×10-3m3/s.m）相当，说明渗漏量估算结果是基本可信的。

表4输水系统渗漏量估算结果

部位

围岩

渗透系数KR

10-6m/s

内径D

m

砼衬砌

厚度

m

各管段

长度L

m

单位管长

渗流量QC

m3/s.m

各段渗

漏流量

m3/s

上平段

10

4.7

0.6

318.12

0.000745

0.237×2

上竖井O2S1O2X2

10

4.7

0.6

140

0.00129

0.181×2

上竖井O2X1

0.004

4.7

0.6

120

0.0000169

0.002×2

上竖井O1L2

10

4.7

0.6

165.07

0.00297

0.490×2

中平段

10

4.7

0.6

92.98

0.00331

0.308×2

下斜井

8

4.2

0.6

349.63

0.00424

1.482×2

尾水隧洞

0.4

4.3

0.6

424.66

0.00039

0.166×4

合计

6.064

整个输水系统的渗漏流量是很大的，既使内水压力较低的上平段及尾水隧洞渗漏流量分别为0.474m3/s和0.664m3/s也是比较大的，整个输水系统每天渗漏量可达52万m3，占调节库容的12%,钢筋砼衬砌难以满足渗漏条件，应采用预应力砼或钢板等无渗漏衬砌型式。

2.2预应力砼衬砌

根据预应力的施加方法，预应砼衬砌可分为二种类型，一是依靠围岩约束，通过高压灌浆来施加预应力的高压灌浆法预应力砼衬砌；二是通过张拉预应力筋来实现预应力的后张法预应力砼衬砌，也称环形锚索预应力砼衬砌。

2.2.1高压灌浆法预应力砼衬砌

高压灌浆法预应力砼衬砌，能够利用围岩约束，充分发挥围岩的弹性抗力，利用高压灌浆在砼衬砌上产生的预压应力来抵消由内水压力产生的拉应力，使衬砌结构处于受压状态或拉应力不大于砼抗拉强度的状态。是一种比较经济的衬砌型式，但对围岩条件要求比较高。

高压灌浆法预应力砼衬砌计算结果见表5，通过计算可知，既使压力不太高的中平段，所需灌浆压力达11.72MPa，灌浆压力作用下，砼衬砌的压应力为51.3MPa，既使C60砼也不能满足强度要求。

表5高压灌浆法预应力砼衬砌灌浆压力计算成果

项目

单位

计算位置

引水隧洞

中平段

尾水隧洞

围岩单位弹性抗力系数K0

kN/cm3

2.5

2.8

1.0

设计内水压力P

MPa

1.18

6.45

1.16

洞径D

m

4.7

4.7

4.3

衬砌厚度

m

0.6

0.6

0.6

灌浆压力q0/设计内水压力p

1.88

1.82

2.23

灌浆压力q0

MPa

2.22

11.72

2.60

q0作用下砼衬砌的压应力σθ

MPa

15.31

51.3

10.7

备注

C30砼即可满足要求

既使C60砼也不能满足要求

C25砼即可满足要求

目前大规模灌浆所实现的压力为8～9MPa，11.72MPa以上的灌浆压力实现难度比较大，所以整个输水系统采用高压灌浆法预应力砼衬砌实现难度比较大，只有根据各段不同条件，采用不同的衬砌型式。

虽然上平段及尾水隧洞设计内水压力比较低，所需最大灌浆压力也不大，考虑到上平段位于上马家沟组地层，围岩分类属Ⅲb类，岩溶比较发育，高压灌浆难度比较大；尾水隧洞位于张夏组地层中，构造比较发育，围岩分类为Ⅲb类，构造发育部位为Ⅳ～Ⅴ类，围岩条件较差，且洞间距不大，所以对于上平段及尾水隧洞，也不推荐高压灌浆法预应力砼衬砌型式。

2.2.2环锚预应力砼衬砌

环锚预应力砼衬砌由于受锚具布置所限，能实现PD值不高，一般在1600m2以下，而本工程最大PD=3500m2以上，整个输水系统采用环锚预应力砼衬砌是难以实现的，只有PD值不高的部位可考虑。

环锚预应力砼衬砌是通过张拉预应力锚索来实现，内水压力基本由预应力锚索承担，对围岩条件要求比较低。上平段和尾水隧洞PD=510m2左右，据国内小浪底无粘结预应力混凝土衬砌及隔河岩有粘结预应力混凝土衬砌工程经验,预应力混凝土衬砌投资比钢板衬砌方案可节约30%左右。国外高压管道工程实践也证明了预应力混凝土衬砌比钢板衬砌方案可节省10%～30%的造价；经工程类比认为在此内水压力条件下进行后张预应力混凝土衬砌是可行的。从我国已完成的清江隔河岩、天生桥及正在施工的黄河小浪底排沙洞情况看，目前我国在设计、施工与材料方面均具备采用环锚预应力混凝土衬砌的条件，上平段及尾水隧洞PD值不高具各采用后张预应力混凝土衬砌的条件。技施阶段，考虑环锚衬砌施工工艺较复杂，而且需进行必要的试验，通过补充分析研究，上平段和尾水隧洞采用钢板衬砌。

2.3钢板衬砌

钢板衬砌也就是地下埋管，对围岩条件要求比砼衬砌方案低的多，钢衬方案布置见图5。地下埋管结构是按钢衬—砼—围岩联合作用，共同承担内水压力来设计。

通过过渡过程计算，压力管道末端的最大水击压力为944.47m水头。最大设计内水压力为10.15MPa高压管道最大PD=3553m2。经过计算，高压管道最大钢衬厚度为57mm（HT-80）。从国外工程实例可以看出，钢衬厚度大于57mm的工程实例比较多，最大的是日本的今市抽水蓄能电站钢衬厚度为77mm，且我国已建的十三陵抽水蓄能电站高压管道，已有较大规模采用80级钢材的经验，因此高压管道采用钢衬方案技术上是可行的。

2.4衬砌型式比较结论

(1)由于输水系统沿线围岩属中等透水～弱透水，且地下水位比较低，虽然采用钢筋砼衬砌在结构上是基本可行的，但渗漏比较严重。因此无论是从电能损失还是从运行期水量补给角度上看，钢筋砼衬衬都是不能满足要求的。

(2)为减少渗漏量，若输水系统全部采用高压灌浆法预应力砼衬砌，由于高压管道PD值比较大，即使压力不太高的中平段所需灌浆压力已将达11.72MPa，目前大规模灌浆所实现的压力一般最大为8～9MPa，整个输水系统采用高压灌浆法预应力砼衬砌实现难度比较大；且在灌浆压力作用下，砼衬砌的强度也难以满足要求。上平段及尾水隧洞设计内水压力比较低，所需最大灌浆压力也不大，但考虑到上平段岩溶比较发育，高压灌浆难度比较大；同时尾水隧洞围岩构造比较发育，围岩条件较差，且洞间距不大，所以对于上平段及尾水隧洞，也不推荐高压灌浆法预应力砼衬砌型式。

(3)高压管道采用钢板衬砌，所需最大钢衬厚度为57mm（HT-80），类比国外工程实例和我国设计、施工经验来看，这种规模的高压钢管技术上是可行的。

3经济管径比较

根据输水系统的具体情况，整个输水系统大至分为三段，即上斜井、下斜井和尾水隧洞。对上述各管段分别拟定三个管径方案，共组合成27个方案，采用费用现值最小法进行比较。从能量损失和电站运行稳定性考虑，6方案(上平段及上斜井为4.7m、中平段及下斜井为3.8m、高压支管为2.8m、尾水隧洞为4.3m)为较优方案。

由于高压管道的设计水头比较高，钢板衬砌厚度较大。为了降低PD值，减少钢板衬砌和钢岔管的设计、制造难度，在上述确定的输水系统管径方案的基础上，针对下斜井的洞径又作了进一步优化，将3.8m直径的下斜井分为2段，上段直径为4.2m，下段直径为3.5m，高压支管直径为2.5m。经对此方案经济分析与方案6相比，其费用现值减少了52万元；水头损失为20.15m，减少了2.28m；电站综合效率提高到0.75，明显较优。

最终确定输水系统管径为：上平段及上斜井为4.7m、中平段及下斜井上段为4.2m、下斜井下段及下平段为3.5m、高压支管为2.5m、尾水隧洞为4.3m。

4水力计算

输水系统水力计算主要包括水头损失和水力过渡过程分析两部分。计算的主要目的是预测整个输水系统发电、抽水工况的能量损失，过渡工况机组转速变化和输水系统压力变化及其极值，选定导水机构合理调节时间和启闭规律，使输水系统结构设计和机组参数的确定做到经济合理。

4.1水头损失计算

水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失计算结果见表6。

表6输水系统水头损失计算结果

工况

1#输水系统

2#输水系统

双机发电

双机抽水

双机发电

双机抽水

水头损失计算公式

1.6481×10-3Q2

1.7698×10-3Q2

1.6134×10-3Q2

1.7366×10-3Q2

流量(m3/s)

111.76

93.28

111.76

93.28

水头损失值(m)

20.585

15.400

20.152

15.110

注：Q为2台机组的相应引用流量。

4.2水力过渡过程计算

由于抽水蓄能电站具有一机多用，工况转换频繁的特点，复杂多变的工况转换产生的瞬变水力过程，因水体惯性的存在及系统中的能量不平衡，将造成输水系统内水压力急剧上升或下降和机组转速的急剧上升。为使输水系统的压力上升和机组转速上升保持在经济合理的范围内，选定导水机构合理调节时间和启闭规律，因此本阶段委托清华大学进行各工况的水力过渡过程计算。计算成果如下:

（1）输水系统最大水击压力为944.47m水头，发生在机组蜗壳进口管道中心线处。压力升高值为201.11m水头，相对升高为27.1%。高压管道上弯点中心线最小压力为11.81m水头，上弯点顶部的最小水头为9.46m，大于规范规定的不小于2.0m正压的要求。输水系统的最小水击压力为6.86m水头，发生在下水库进/出水口处。

（2）上游闸门井最高涌浪水位为1496.91m，低于闸门井顶高程（1499.5m）2.59m。下游闸门井最高涌浪水位为843.73m，低于闸门井顶高程(844.5m)0.77m；上游闸门井的最低涌浪水位为1438.65m，闸门井处隧洞顶最小正压力为25.3m。下游闸门井的最低涌浪水位为788.84m，闸门井处隧洞顶最小正压力为5.79m。上、下游闸门井的最低水位均满足规范规定的不小于2.0m正压的要求。

(3)机组最大转速为706.5rpm，最大转速上升率为41.3%。

(4)通过小波动稳定分析可知，在小负荷变化情况下，输水系统的过渡过程也是稳定的。

因此证明输水系统的布置是合理的。待下阶段取得水泵水轮机可靠的特性曲线后，将进一步核算水力过渡过程。

5进/出水口设计

上水库位于上马家组第2段O2s2地层中,由于O2s地层中O2s2-2、O2s2-4、O2s2-6为岩性较软的白云岩，而且存在软弱夹层，为使高压管道的上平段避开O2s2-4组地层，改善上平段围岩稳定条件，结合总体布置，上水库进/出水口采用井式。

为了对上水库进/出水口的设计体形的合理性进行验证和优化，委托天津大学水利工程科学研究所对上水库进/出水口进行1:39.17的水工模型试验，试验成果表明：上水库进/出水口在发电和抽水工况下，进/出水时的库水位均较平稳，未出现有害的吸气漩涡，各孔口的流量分配均匀，水头损失也较小，流速分布较均匀，均能满足抽水蓄能电站进/出水口水力学的要求。但是，经多次修改模型试验，均未能完全消除出水口底部的反向流速问题，虽然反向流速不大，仍有待下阶段进一步试验研究。

下水库对侧式和塔式进/出水口进行综合比较后，推荐侧式进/出水口。

6岔管设计

本阶段比较了钢筋混凝土岔管和钢岔管两种结构型式，详见专题报告之八《高压岔管型式研究报告》。推荐采用内加强月牙肋钢岔管。从输水系统总体布置（见图4）来看,岔管采用非对称Y型是比较顺畅的。在岔管体形设计时，初步选用不对称Y形岔管。岔管主管两支管轴线夹角为50°，设计内水压力为10.15Mpa，为减少岔管不对称性，在主锥前通过两节园锥过渡，将分岔角增大到72°。通过采用三维有限元进行优化，岔管主体最大壁厚为82mm，肋板最大厚度为180mm。在钝角区和肋板存在明显侧向弯曲。为改善受力状态，减少钢板厚度，对岔管布置进行调整，采用对称Y形布置形式，经多方案优化后，确定岔管主体最大壁厚为68mm，肋板最大厚度为150mm，两个岔管布置方案应力水平相当，而钢板厚度却大大减薄。减少了制造安装难度。

7输水系统结构设计

7.1高压管道结构设计

篇（8）

为确保设备调试工作的正常进行，在机组试运行前应全面检查系统的整套设备，利用综合检控过程消除设备存在的安全隐患，以避免出现连接部位螺栓松动、接线错误、漏气、漏油等问题。在检查时全体技术人员应坚持责任为本，严格按照检控程序进行细致检查[1]。

1.2　机组充水试验

进水流道充水试验、尾水流道充水试验及充水前的检修是充水试验的基本内容。通过这些环节可有效掌握水泵及闸门的工作状态，避免漏水问，且可用于探测后台监测数据及压力表数据的准确性。

1.3　空载试验

空载试验通常包括调速系统试验、机组手动启动试验、过速试验、手动停机及检查、发电机升压试验、无励磁自动开机与停机试验、励磁调节器调控试验、发电机短路试验及主变压器冲击合闸试验等。因试验内容较多，在进行调试前应准确制定试验程序，以确保试验结果可靠准确。

1.4　负载及甩负荷试验

在完成空载试验且结果在可靠范围内后，应开展机组负载、甩负荷、带负荷励磁调节器试验。利用此类试验掌握机组在负载状态下的工作情况。在试验合格后开展72h试运行。

1.5　72h试运行

在72h试运行时，应利用相关监控记录技术对设备运行状况信息进行采集，通过综合分析发现机组运行中的问题；试运行完成后应再次对系统进行检测，修复运行中存在的缺陷[2]。

2　水电站调试管理机电设备的措施

2.1　做好调制职责划分，恰当编制调试进度

为确保调试工作顺利进行，在水电站首台机组运行调试前，应明确划分参建单位的调试职责。第3方调试人员应重点加强对技术参数、设计图纸、二次接线的审核及检查，负责监督安装调试人员制定的调试方案、试验过程及试验接线等，依据《复核检测调试大纲》对关键设备实施二次审核，并参与机组启动试运行中《机组启动试运行大纲》的核定及相关试验的监督，且应给予调试人员正确的技术指导；安装调试人员应重点加强系统回路及接线的检查，同相关厂家技术人员协调开展系统的单体试验及调试；厂家技术人员应同以上人员共同开展系统设备的调试，并及时解决现场调试中存在的技术问题；相关生产运行单位应重点把控整体调试过程的组织管理，并追踪监控系统试验及调试过程，依据收集的数据检控测试问题整改状况；设计单位应依据调试中不合理的设计问题，重点修正图纸及相关参数；现场监理人员则应负责调试整体过程的质量管控，协调管理各级调试单位，加快调试进度。

2.2　加强调试安全管理

在调试过程中，因调试人员较多，调试机组多带电运行，部分机组也正处于安装状态，机组间的现场安全标示及隔离措施也相对欠缺，因此调试安全管理应是调试管理工作的关键环节之一。

在调试时，相关调试项目管理人应在每日施工前开展技术交底，将相关注意要点及事项详细列出，且应组织全体调试人员进行签字确认；主管单位应建立相应安全管理机构，综合管理机电设备调试全过程的安全工作；具体实施时应实行岗位责任制、联合监督检查制，确保各机构及人员了解责任内容及工作权限；在带点区域开展设备调试时，应安置临时遮拦，组织相关人员进行现场警戒，避免非工作人员进入工作区；设备调试前应做好安全教育，实行环节控制，以保证调试工作的安全性。

2.3　做好设备安装及调试过程中的审查

在水电站机电设备实际安装及调试过程中，部分项目通过机组验收程序很难发现问题，所以应做好设备安装及调试过程中的审核监督。具体实施过程中可引入第3方调试队伍，其与安装单位相互分离，可利用不同于安装单位调试的方式对容易影响机组运行稳定性和安全性的保护、调速、励磁、监控等系统实施复核调试，可审核修订安装部分技术人员制定的机组启动试运行方案及调试试验方案，并能对关键设备的调试及安装过程给予技术指导，可有效提升设备安装调试施工的科学性和安全性。如阿海水电站在设备调试初期便在传统调试队伍基础上引入设备调试管理新模式，选用了第三方专业调试队伍开展设备全程审查，相比安装单位单独调试，其在调试质量及组织管理方面提高了30%以上[3]。

2.4　积极开展机组启动试运行交接验收

因不同单位均有机组投产发电时间的标准，当前，水电站机组启动试运行及验收收件都相对紧迫，而安装部门在实际试运行过程中很难确保所有数据均在合格范围以内。因此在审核及验收时应安排专业调试监督单位，通过采用关键项目现场指导、一般项目核检问询、重复项目多次审核的方式，避免机组启动试运行中出现各类隐患、缺陷及漏项，确保各试验数据在规定行业标准以内，由此提升交接验收程序的专业性。

篇（9）

2研究方法

在上述电源发展规划和电力需求水平基础上，运用电力系统电源扩展优化的方法研究分析2025年广西抽水蓄能电站的经济建设规模。即拟定不同规模抽水蓄能电站与其他形式电源组合的电源建设方案，在同等满足系统电力电量平衡和调峰平衡的条件下，进行电力系统仿真模拟运行，计算统计各方案系统长期运行的主要技术指标和经济指标进行比较和分析，并以电力系统总费用现值最小为原则优选方案，确定系统抽水蓄能电站的经济建设规模。

3抽水蓄能电站的经济建设规模

3.1电源扩展方案拟定

抽水蓄能电站的主要作用是调峰，因此本文研究考虑2025年广西电力系统扩展一定规模调峰性能较好，在满足系统电力电量平衡的同时可以改善系统调峰的扩展电源组合方案分别进行系统仿真模拟运行。在表1的电源方案基础上，拟定广西电力系统2025年不同扩展电源组合比较方案见表3。

3.2主要电源技术经济参数

3.2.1燃煤火电技术经济参数广西区内各类火电机组主要技术经济参数见表5。3.2.2抽水蓄能电站技术经济参数根据广西抽水蓄能电站前期工作成果，建设条件较好的几个抽水蓄能电站的单位千瓦投资在3820～4400元/kW之间。广西抽水蓄能电站主要技术经济参数见表6。3.2.3气电技术经济参数燃气机组主要技术经济参数见表7。3.2.4各类电源年运行费（1）火电机组年运行费取项目建设投资的3.5%（不含燃料费）。（2）抽水蓄能电站年运行费取项目建设投资的2%。（3）燃气轮机年运行费率取项目建设投资的3.0%（不含燃气费）。

3.3系统模拟运行和计算原则

（1）全网负荷备用取最大负荷的3%，旋转、停机事故备用分别取最大负荷的5%、4%。（2）根据负荷特性，尽量将电源装机安排在电网负荷较轻时检修，并尽量做到检修安排均衡，使系统有充足的备用容量。原则上按照丰水期检修火电、枯水期检修水电来安排机组检修。（3）根据广西电力系统特点，按枯、平、丰三个水文代表年分别进行仿真模拟，枯水年控制电力平衡，平水年控制电量平衡，丰水年控制调峰平衡。在丰水期负荷低谷时段，允许系统通过弃水调峰的措施达到调峰平衡。（4）模拟运行周期按50年，系统总费用现值按照社会折现率8%，逐年费用均折现至第1年年初计算，计算期内根据设备的寿命期考虑重置投资。

3.4电源扩展优化结果及分析

根据前述原则和参数，对拟定的2025年不同电源扩展方案进行电力系统模拟运行，并计算统计主要技术经济指标，结果详见表8。根据表8的模拟运行计算统计成果，对各电源扩展方案进行初步的技术经济分析比较。（1）在同等满足系统电力电量平衡的情况下，方案Ⅱ~方案Ⅴ的系统总装机容量均比方案Ⅰ小，其中以方案Ⅳ的系统总装机容量最小。说明系统配置一定规模调峰性能好的燃气或抽水蓄能电站，具有较好的容量替代效益。（2）以平水年为例，方案Ⅱ~方案Ⅴ与方案Ⅰ相比，系统水电调峰弃水由6.06亿kW•h分别减少至3.65亿kW•h和0，火电在汛期的平均调峰深度由43.1%分别降至42.4%～24.4%，火电装机年利用小时由4226h分别提高至4304～4768h。说明系统配置一定规模的燃气或抽水蓄能电站，可以有效缓解系统的调峰压力，减少水电弃水并减轻火电调峰深度和提高火电的利用小时。（3）根据电源扩展方案Ⅰ~方案Ⅴ的电源建设投资、运行费（包括燃料费）以及计算周期内所需的设备重置费等，计算各方案50年运行期系统总费用现值。方案Ⅱ（扩展燃气轮机1200MW+燃煤火电）的系统总费用现值最高，可见，以广西的经济发展水平和资源条件，发展燃气电站调峰并不经济。方案Ⅲ~Ⅳ（扩展抽水蓄能电站+燃煤火电）的系统总费用现值均较方案Ⅰ（扩展燃煤火电）省，即广西建设一定规模的抽水蓄能电站可以缓解电网的调峰需求与提高电网运行的经济性。依据电力系统总费用现值最小为优选方案的原则，电源扩展方案Ⅳ相对最优，即广西电网2025年抽水蓄能电站的经济建设规模约为3000MW。综上分析：广西建设一定规模的抽水蓄能电站可以缓解电网的调峰需求，并显著提高电网运行的经济性；在基于广西电力工业发展“十二五”及中长期规划研究提出的电力需求水平、负荷特性和电源发展规划方案基础上，广西电网2025年抽水蓄能电站的经济建设规模约为3000MW。

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中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：

1工程概况

汶水一站水电站工程位于广东省广宁县古水河境内，为古水河梯级开发的第7级水电站。电站以发电为主，总装机容量2500kW，设计水头8.0m，年发电量945万kW.h。

2 设计依据

2.1工程等别及建筑物级别以及相应的洪水标准

汶水一站水电站以发电为主，装机容量为2500kW，校核洪水位时的总库容为280.0万m3。按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000的规定，工程属Ⅳ等工程，小(1)型规模。电站的永久建筑物(泄水闸、泄水建筑物、厂房)均按4级建筑物设计，导流围堰等临时工程按5级建筑物设计。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，电站建筑物的洪水标准如表2-1-1所示。

表2-1-1洪水标准

2.2设计基本资料

1、水文气象

古水河流域自上游至下游主要气象参数为：多年平均气温20.8℃,最高气温39.1℃～39.4℃,最低气温-3.9℃～4.2℃.多年平均相对温度81%，多年平均风速0.9～1.1m/s，最大风速13～5.3m/s。

3 坝轴线的选择及工程总体布置

3.1坝轴线的选择

汶水一站水电站坝轴线的选择受河床宽度和厂房尾水畅顺影响，考虑到上游永隆水电站下游尾水位、汶水二站水电站开发时上游正常蓄水位衔接,选择Ⅰ线和Ⅱ线两个方案比较。

3.1.1Ⅰ线方案

(1)地形、地质条件。Ⅰ线内无较大的断层通过，未见次级褶皱，地质构造较不发育。(2)工程型式、布置。Ⅰ线方案拟于横石口村上300m处河段修筑拦河坝,并在河床左岸布置厂房及附属建筑物，属河床式开发方案。拦河坝左岸为公路。(3)工程量、施工条件。线基岩露头较明显，上部覆盖层较薄，开挖方量不大且对主要交通线没有造成破坏；河床相对较宽，填筑方量较大。厂房布置在河流左岸，离公路较近，施工方便，工程量和投资也不大。

3.1.2Ⅱ线方案

(1)地形、地质条件。坝轴线两岸植被茂密，自然边坡基本稳定，物理地质现象不发育。

（2）工程型式、布置

Ⅱ线的河床段修筑拦河坝和发电厂房及附属建筑物，在河床的右岸筑坝挡水，河床的左岸布置厂房和附属建筑物，属河床式开发方案。

3.1.3坝轴线比较和方案选择

I线坝址区基岩均属硬质岩石，岩面埋深和岩石风化均较浅，无较大的不良地质现象，工程地质与水文地质条件较好。II线坝址区左岸边坡较缓，右岸边坡较陡，岩面埋深和岩石风化相对1线均较深。下游有一小型滑坡体不利于坝体的稳定及防渗。综上所述，Ⅰ、Ⅱ线的工程地质与水文地质条件均可满足建坝的要求，但从施工安排及对环境的影响考虑，I线优于II线。因此，选定I线方案为本工程的推荐方案。

3.2枢纽布置选择

本电站水头较低，选定坝址处没有引水或其他布置的地形条件，所以厂+房采用河床式布置。总体布置采用右河床厂房还是左河床厂房方案，主要取决于对外交通条件。现有沥青公路已通往河流左岸，可通大汽车，且工程砂、碎石等材料主要取在左岸沙滩上，如果厂房布置在右岸则材料运送相对困难，费用增大，不利于降低工程投资。经综合分析，工程选定右岸布置溢流坝，左岸布置厂房的总体布置方案。

3.3挡水建筑物

3.3.1泄水闸坝

1)溢流闸坝布置

溢流坝全长50m，设4扇弧型闸门，闸门的尺寸为：10×7.5m(宽×高)，堰顶高程为84.8m，堰高4.7m，闸门顶高程为92.30m。

本水电站为径流式水电站，根据电站的坝上Z-Q关系曲线图查得，设计洪水位为92.00m，校核洪水位为94.60m。

2）坝顶高程

坝顶高程的确定，是在各种运行情况水库静水位加对应风浪高程和安全超高中选取最大值。

坝顶至水库静水位的高度的计算公式为：

Δh=2hL+ho+hc

Δh――闸墩顶距水位的高度m；

Hc――闸墩安超高，设计洪水位时取0.3m校核洪水位时取0.2m；

Ho――交通桥梁高(m)，取0.8m；

其中风浪要素按《水工建筑物》(高校教材第三版)公式计算。公式如下：

2hL=0.0166V5/4D1/3

式中：D――吹程，取为550米。

V――设计风速，在正常水位及设计洪水位情况用最大风速的1.5倍，校核洪水位于情况用最大风速。

波浪中心线至水库静水位的高度ho按下式计算：

4лhl2лHo

ho=--------cth--------

2LlLl

式中：2Ll――波长，2Ll=10.4(2hl)0.8；其它符号的意义同前。Ho――闸前水域的平均水深。安全超高hc：正常运行情况取0.3m，非常运行情况取0.2m。(h-坝顶距水库静水位的高度(m)即为风浪高+安全超高)上述成果表明，坝顶高程由校核洪水位控制，定为95.60m，最大坝高15.50m，坝顶长度62.00m。

3)消能设计。根据下游水位较高的情况，采用底流式消能。参照重力坝设计规范的补充规定：“对消能防冲设计的洪水标准，原则上可低于大坝的泄洪标准，鉴于本枢纽拦水建筑物的建基面建在弱风化岩石上，本工程的消能防冲按10年一遇洪水进行设计。消能计算采用水利水电工程设计程序集中的D-3程序进行计算。消能按10年一遇洪水计算。根据计算，消力池的长度为33m，高程为80.10m，护坦的长度为15m。岸坡采用护坡处理，其护砌长度33m，护坡顶高程为10年一遇洪水位。

4)基础处理。坝的建基面均开挖至弱风化层下0.3～1.0m,由于地基内没有规模较大的断裂构造，无须特殊处理。由防渗计算可知，对基础的防渗措施采用在溢流坝上游与下游端均设齿墙，齿墙深1.5m，厚为1.5m，前端顺坡度延伸到与高程80.10m齐平处，下游齿墙厚1.5m，成梯形状，上游闸底板与消力池间设置止水。

5)稳定计算。(1)计算荷载。①坝体自重及固定设备重；②水重；③静水压力；④扬压力；⑤风浪压力；⑥侧向水压力；⑦土压力(或泥沙压力)；(2)荷载组合。①上游正常蓄水位，下游无水；②上游设计洪水位，下游设计洪水位；③上游校核洪水位，下游校核洪水位。(3)抗滑稳定及地基应力计算。

抗滑稳定计算：拦河坝建基面高程为79.80m，根据地质报告，该高程岩性的风化程度为弱风化，参照地质报告力学参数建议值，取f=0.55。

抗滑稳定采用抗剪强度公式计算：K=f(W-u)/∑P

式中K――按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f――坝体砼与坝基接触面的抗剪摩擦系数，取0.55；∑W――作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和KN。∑P――作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数KN。

地基应力计算

坝基应力采用材料力学公式计算：

бy=∑w/B±6∑M/B2

式中бy――坝基面垂直正应力；∑W为――作用于计算截面以上全部荷载的垂直分量的总和；∑M――为作用于计算截面以上全部荷载对截面形心力矩的总和；B――为坝体计算截面面积。

根据设计要求，在各种运行情况下，计入扬压力影响，坝体上游面不得产生拉应力。计算分两种情况考虑，计算结果表明，各种情况均能满足规范要求。坝体尺寸由溢流面体型和满足应力需要控制。

3.4发电厂房

厂房布置在河床左侧，为河床式厂房，厂房基础座落在微风化基岩上，地基无需进行特殊处理。进水口设主闸一道，由固定式启门机启闭。检修门与拦污栅共门槽，由门机启闭。进水口长度由设备及交通要求确定。厂房进水口前设拦沙坎一道。升压站布置在厂房的左侧。主变压器1台，布置在厂房升压站的右侧。进厂公路由下游进入厂房，进厂坡度为2%。

4结语

通过对汶水一站水电站工程的总体布置方案比较及主要建筑物设计，对于低水头电站来说，设计水头非常重要，在水工建筑物布置设计时，进(引)水断面要达到设计要求，尾水段流态要保持平稳畅顺，这样才能使电站机组运行工况和出力达到设计要求。

参考文献:

[1]《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000

[2]《混凝土重力坝设计规范》SDJ21-78(试行)

[3]《溢洪道设计规范》SL253-2000