13——調(diào)壓室

1、《水 電 站》,2009年11月,第十章 調(diào)壓室,第一節(jié) 調(diào)壓室的要求及設(shè)置條件,問題：為什么設(shè)置調(diào)壓室？,第一節(jié) 調(diào)壓室的要求及設(shè)置條件,在較長的壓力引水系統(tǒng)中，為了降低高壓管道的水錘壓力，滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求，常在壓力引水道與壓力管道銜接處建造調(diào)壓室。調(diào)壓室將有壓引水系統(tǒng)分成兩段：上游段為壓力引水道，下游段為壓力管道。,一、調(diào)壓室的功用,調(diào)壓室的功用可歸納為：反射水錘波。基本上避免了(或減小)壓力管道傳來的水錘波進(jìn)入壓力

2、引水道。減小了水錘壓力(壓力管道及廠房過水部分)?？s短了壓力管道的長度改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件。,二、調(diào)壓室的基本要求,盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長度。應(yīng)有自由水表面和足夠的底面積，以保證水錘波的充分反射；調(diào)壓室的工作必須是穩(wěn)定的。負(fù)荷變化時(shí)，引水道及調(diào)壓室水體的波動(dòng)應(yīng)該迅速衰減；正常運(yùn)行時(shí)，水流經(jīng)過調(diào)壓室底部造成的水頭損失要小。結(jié)構(gòu)安全可靠，施工簡單方便，經(jīng)濟(jì)合理。,三、調(diào)壓室的設(shè)置條件,調(diào)壓室一般尺寸較大，

3、投資較大，工期長，特別是對(duì)于低水頭電站，調(diào)壓室的造價(jià)可能占整個(gè)引水系統(tǒng)造價(jià)的相當(dāng)大的比例。是否設(shè)置調(diào)壓室，應(yīng)在機(jī)組過流系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計(jì)算和機(jī)組運(yùn)行條件分析的基礎(chǔ)上，考慮水電站在電力系統(tǒng)中的作用、地形及地質(zhì)條件、壓力管道的布置等因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后加以確定。,1、上游調(diào)壓室的設(shè)置條件(初步判定) 用水流加速時(shí)間(也稱為壓力引水道的時(shí)間常數(shù))Tw來判斷是否設(shè)置調(diào)壓室,Tw<2~4s時(shí)，可不設(shè)調(diào)壓室,當(dāng)水電站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，或機(jī)組在電

4、力系統(tǒng)中所占的比例超過50%時(shí)，取小值(2s)；當(dāng)比重小于10%~20%時(shí)，可取大值。,2、下游調(diào)壓室的設(shè)置條件以尾水管內(nèi)不產(chǎn)生液柱分離為前提，條件為：,,Lw—尾水道長度；Vw0—穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)尾水管流速；Vwj—尾水管入口處流速；▽—安裝高程。,最終通過調(diào)節(jié)保證計(jì)算，當(dāng)機(jī)組丟棄全部負(fù)荷時(shí)，尾水管內(nèi)的最大真空度不宜大于8m水柱。但在高海拔地區(qū)應(yīng)作高程修正(見規(guī)范)。,第二節(jié) 調(diào)壓室的工作原理及基本方程,一、調(diào)壓室的工作原理,調(diào)壓室具有較

5、大的容積和自由水面，它將電站因負(fù)荷變化而引起的有壓系統(tǒng)非恒定流分為性質(zhì)不同而又互相聯(lián)系的兩部分：壓力管道的水錘和“水庫—引水道—調(diào)壓室”的水流波動(dòng)。丟棄全負(fù)荷?Q變?yōu)? ?壓力管道中發(fā)生水錘?水流繼續(xù)流入調(diào)壓室?調(diào)壓室水位升高?流速逐漸降低到為0 ，此時(shí)水位最高?反向流動(dòng)，水位下降?水位與水庫持平，水流慣性使得繼續(xù)流向水庫，直到V=0 ?再次向下游流動(dòng)，循環(huán)往復(fù)。,增加負(fù)荷，與其相反。經(jīng)常性的負(fù)荷變動(dòng)?水位相應(yīng)變動(dòng)(負(fù)荷保持不變)

6、?流量相應(yīng)變化?調(diào)壓室水位波動(dòng)。管道水錘過程是波的傳播，振幅大、變化快，往往在很短時(shí)間內(nèi)即消失。調(diào)壓室水位波動(dòng)主要由于水體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起，特點(diǎn)是振幅小、變化慢、周期長，往往長達(dá)幾十秒到幾百秒甚至更長時(shí)間。調(diào)壓室水位波動(dòng)有兩種趨勢(shì)：逐漸衰減和逐漸增大，后者在調(diào)壓室設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免。,研究調(diào)壓室水位波動(dòng)的目的：確定調(diào)壓室中可能出現(xiàn)的最高和最低涌波水位及其變化過程，以確定調(diào)壓室的高度、布置高程和引水道的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力。根據(jù)水位波動(dòng)穩(wěn)定的

7、要求，確定調(diào)壓室所需的最小斷面面積。,二、調(diào)壓室水位波動(dòng)的基本方程,1．連續(xù)方程水輪機(jī)在任何時(shí)刻所需流量Q由兩部分組成：引水道流來的流量和調(diào)壓室供給的流量。,2．運(yùn)動(dòng)方程(由牛頓第二定律推導(dǎo)),L為引水道長度；hw為引水道的水頭損失。,3．等出力方程微小的水位波動(dòng)?出力變化?調(diào)速器保持出力不變。當(dāng)水輪機(jī)的水頭和流量變化不大時(shí)，可以認(rèn)為機(jī)組的效率保持不變。,hw0、hwm0——引水管道、壓力管道通過流量為Q0時(shí)的水頭損失；,第三節(jié)

8、 調(diào)壓室的布置方式和類型,一、調(diào)壓室的布置方式,1、上游調(diào)壓室(引水調(diào)壓室) 位于廠房上游引水道上。適用：廠房上游有壓引水道較長，應(yīng)用最廣泛。,2、下游調(diào)壓室(尾水調(diào)壓室) 位于廠房下游尾水洞上。適用尾水隧洞較長，需設(shè)置尾水調(diào)壓室以減小水擊壓力，特別是防止丟棄負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生過大的負(fù)水擊，尾水調(diào)壓室應(yīng)盡可能靠近廠房。,(3)上下游雙調(diào)壓室系統(tǒng) 當(dāng)采用中部地下廠房時(shí)，上下游都有較長的壓力水道，

9、在廠房上下游均設(shè)置調(diào)壓室。,(4) 上游雙調(diào)壓室系統(tǒng)適用于上游引水道較長情況?？拷鼜S房的調(diào)壓室對(duì)反射水擊波起主導(dǎo)作用，稱為主調(diào)壓室；另一調(diào)壓室?guī)椭p引水系統(tǒng)的波動(dòng)，稱為輔助調(diào)壓室。水位波動(dòng)的衰減由兩個(gè)調(diào)壓室共同保證，增加一個(gè)調(diào)壓室可以減小另一個(gè)調(diào)壓室的斷面。,二、調(diào)壓室的基本類型,1、簡單式調(diào)壓室特點(diǎn)：斷面尺寸形狀不變，結(jié)構(gòu)簡單，反射水錘波效果好。但水位波動(dòng)振幅較大，衰減較慢，因而調(diào)壓室的容積較大；在正常運(yùn)行時(shí)，引水系統(tǒng)與調(diào)壓室

10、連接處水力損失較大。為了克服上述缺點(diǎn)，可采用有連接管的圓筒式調(diào)壓室。適用：低水頭小流量電站。,2、阻抗式調(diào)壓室將圓筒式調(diào)壓室底部改為阻抗孔口，這種孔口或隔板相當(dāng)于局部阻力，即為阻抗式調(diào)壓室。特點(diǎn)：可以有效減小水位波動(dòng)振幅，加快衰減速度，因而所需調(diào)壓室的體積小于圓筒式。正常運(yùn)行時(shí)水頭損失小。由于阻抗的存在，水錘波不能完全反射，壓力引水道中可能受到水擊的影響。,3、雙室式調(diào)壓室特點(diǎn)：雙室式調(diào)壓室是由一個(gè)豎井和上下兩個(gè)儲(chǔ)水室組

11、成。丟棄負(fù)荷時(shí)， 水位迅速上升，當(dāng)水位達(dá)到上室時(shí)，其上升速度放慢，從而減小波動(dòng)振幅。增加負(fù)荷時(shí)，水位迅速下降到下室中，并由下室補(bǔ)充不足的水量，因此限制了水位的下降。適用：水頭較高，要求的穩(wěn)定斷面較小，水庫水位變化比較大的水電站。上室的底部高程由水庫最高水位控制，下室的頂部高程由水庫的死水位控制。,(4) 溢流式調(diào)壓室由雙室式調(diào)壓室發(fā)展而成，頂部設(shè)有溢流堰。當(dāng)丟棄負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓室的水位迅速上升，達(dá)到溢流堰頂后開始溢流，限制

12、了水位的進(jìn)一步升高，有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，溢出的水量，可以設(shè)上室加以儲(chǔ)存，也可排至下游。,(5) 差動(dòng)式調(diào)壓室由兩個(gè)直徑不同的同心圓筒組成，中間的圓筒直徑較小，上有溢流口，稱為升管，其底部以阻力孔口與外室相通。特點(diǎn)：外室直徑較大，起盛水及保證穩(wěn)定的作用，其斷面積由波動(dòng)穩(wěn)定條件控制。所需容積較小，水位波動(dòng)衰減得也較快。但其構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，造價(jià)高。適用：地形和地質(zhì)條件不允許大斷面的中高水頭水電站，我國采用較多。,

13、(6) 氣墊式或半氣墊式調(diào)壓室在壓力隧洞上靠近廠房的位置建造一個(gè)大洞室，室中一部分充水，另一部分充滿高壓空氣。利用空氣的壓縮或膨脹，來減小水位漲落的幅度。適用：表層地質(zhì)條件不適于建造常規(guī)調(diào)壓室的情況下深埋于地下的引水式地下水電站。目前我國尚未采用。,氣墊式與常規(guī)調(diào)壓室的比較,第四節(jié) 簡單和阻抗調(diào)壓室水位波動(dòng)計(jì)算,調(diào)壓室水位波動(dòng)計(jì)算的目的：求出最高水位和最低水位及水位變化過程，從而確定調(diào)壓室的頂部和底部高程及壓力管道的進(jìn)口高

14、程。解析法簡單，可直接求出最高和最低水位，但公式推導(dǎo)過程中引入了各種假定，故精度較差，不能求出水位波動(dòng)的全過程，在初步擬定調(diào)壓尺寸時(shí)采用。,一、水位波動(dòng)計(jì)算的解析法,(一)、丟棄負(fù)荷情況1．最高水位計(jì)算(Zm) 當(dāng)丟棄全部負(fù)荷以后，Q=0， 連續(xù)方程變?yōu)椋?fV+FdZ/dt=0 如果考慮阻抗孔口的局部水頭損失K，則動(dòng)力方程變?yōu)?

15、Z=hw+K+(L/g)dV/dt其中 hw=αV2=hw0(V/V0)2, K=K0(Q/Q0)2=K0(V/V0)2,,1．最高水位計(jì)算(Zm)(1) 阻抗式調(diào)壓室(阻抗系數(shù)為η),,(2) 圓筒式調(diào)壓室(η=0),式中 xm的符號(hào)在靜水位以上為負(fù)，以下為正。 為“引水道-調(diào)壓室”系統(tǒng)特性系數(shù)。,2．波動(dòng)第二振幅(Z2)丟棄負(fù)荷后，調(diào)壓室中水位先升高到最高水位Zm 。隨后又降到

16、最低幅值Z2，Z2稱為第二振幅。對(duì)于圓筒式調(diào)壓室，η=0時(shí)：式中,(二)、增加負(fù)荷情況,當(dāng)上游為最低水位時(shí)，由部分負(fù)荷增加至最大負(fù)荷時(shí)所產(chǎn)生的水位波動(dòng)的最大降低值，由微分方程不能進(jìn)行直接積分，只能在某些假定下求近似解。設(shè)水電站的流量由mQ0增加到Q0(m<1，稱為負(fù)荷系數(shù))。對(duì)圓筒調(diào)壓室，按照Vogt公式計(jì)算Zmin： Zmin/hw0為無因次系數(shù)，表示“引水道—調(diào)壓室”系統(tǒng)特性。,二、水位波動(dòng)計(jì)算的圖解法,

17、1、基本原理用差分代替基本方程中的微分，則連續(xù)方程和動(dòng)力方程改寫為：,并進(jìn)一步改寫為：ΔZ=A-αV ，ΔV=β(Z-hw),,式中：,,,當(dāng)Δt 選定以后，A, α, β都是常數(shù)。計(jì)算基本假定：在時(shí)段Δt 中，調(diào)壓室中的水位Z和引水道中的流速V保持不變。在時(shí)段末，水位Z和流速V發(fā)生突變。其精度與Δt 的大小有關(guān)，一般取: Δt =T/(25~30)，T位波動(dòng)周期，,2、簡單調(diào)壓室丟棄負(fù)荷的圖解計(jì)算確定坐標(biāo)系統(tǒng)：橫軸為V

18、，向左為正；豎軸為Z，向下為正。作輔助線：水頭損失輔助線hw=f(V)慣性線： ΔV=β(Z-hw) 水位-流量關(guān)系曲線： ΔZ=A-αV圖解計(jì)算：見教材(另一執(zhí)行文件),3、簡單調(diào)壓室增加負(fù)荷的圖解計(jì)算,4、阻抗調(diào)壓室的圖解計(jì)算,第五節(jié) 雙室式、溢流式、差動(dòng)式調(diào)壓室的水位波動(dòng)計(jì)算,一、雙室式和溢流式適用于水頭較高、水庫工作深度較大的情況。溢流式常和雙室式結(jié)合使用，以改善雙室式的工作條件。其上室底部高程一般在最高靜水位

19、以上，下室頂部在最低靜水位以下，底部在最低涌波水位以下。下室的頂部反坡不小于1.5%，當(dāng)水位上升時(shí)方便空氣溢出。下室體積、高程、形狀等的設(shè)計(jì)要特別仔細(xì)，不應(yīng)僅僅進(jìn)行計(jì)算，必要時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)。,理想化調(diào)壓室：豎井?dāng)嗝鏌o限小，上室容積集中于水位最大升高Zmax處，下室容積集中于水位最大降低Zmin處。計(jì)算假定：上室底部高程與上游最高靜水位相同上室中設(shè)溢流堰堰頂高出靜水位ZB。,丟棄負(fù)荷時(shí)的最大水位升高：

20、 Zm=ZB+Δh； Δh=(QB/MB)2/3 式中 Δh為溢流堰頂過最大流量QB時(shí)的水層厚度；M為溢流堰的流量系數(shù)，與溢流堰形式有關(guān)；B為溢流堰頂長度；QB為丟棄負(fù)荷時(shí)堰頂最大溢流量。一般QB會(huì)稍微小于Q0，因?yàn)榇藭r(shí)引水道中的流速已經(jīng)減慢，所以設(shè)： QB=yQ0，其中y由前面的微分方程通解求出。如果忽略豎井的阻抗，即η=0，則通解變?yōu)椋?上式中的X=Zm/S=(ZB+Δh)/S≈ZB/S

21、。求出y以后，以yQ0代替QB，重新計(jì)算Δh再由 Zm=ZB+Δh 計(jì)算Zm。如果要提高計(jì)算精度，將求出的X和Zm代入上面的公式重復(fù)計(jì)算一次，即,但要注意，最高水位時(shí)X以負(fù)值代入。,上、下室容積設(shè)計(jì),上室容積：,如果上室無溢流堰，則上室容積計(jì)算公式為：,當(dāng)電站流量從mQ0增加Q0時(shí)，下室容積計(jì)算公式為：,注意：上室的體積是指在最高涌波水位以下，下室體積指最低涌波水位之上。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)上面的公式初步確定調(diào)壓室的尺寸，再用

22、逐步積分法校核。雙室式調(diào)壓室水位波動(dòng)的圖解方法與簡單式調(diào)壓室基本相同，但要注意一些細(xì)節(jié)問題：水位不同時(shí)，所采用的斷面積也不同水位在豎井內(nèi)時(shí)，其變化很快，計(jì)算時(shí)段Δt要選小些，而在上室和下室內(nèi)時(shí)，Δt可選大些。豎井、上室和下室各段的ΔZ和ΔV輔助曲線有不同的斜率。,二、差動(dòng)式調(diào)壓室,丟棄負(fù)荷時(shí)的水位變化過程,差動(dòng)式調(diào)壓室的水位波動(dòng),差動(dòng)式調(diào)壓室的最高和最低水位同大井面積、升管面積、阻抗孔口的大小、流量系數(shù)、溢流口高程等因素有關(guān)。

23、在設(shè)計(jì)調(diào)壓室時(shí)，要考慮上述參數(shù)的不同組合及其相互影響與制約，如：阻抗孔口太小，則升管停止溢流以后，大井水位仍未達(dá)到升管頂部，不能發(fā)揮大井的作用。理想差動(dòng)式調(diào)壓室：升管與大井具有相同的最高水位和相同的最低水位。,(一)、增加負(fù)荷,Fcm——升管的斷面積；Fp——大井?dāng)嗝娣e,流量：從 mQ0 ? Q0假定：升管水位下降很快，當(dāng)其降到最低水位Zmin時(shí)，大井水位和引水道的流量還未來得及發(fā)生變化。計(jì)算公式：,（二） 丟棄負(fù)荷,主要是確定

24、調(diào)壓室各部分的尺寸，如大井容積等，計(jì)算公式見教材。設(shè)計(jì)或計(jì)算中的一些系數(shù)必要時(shí)需要由模型試驗(yàn)確定。差動(dòng)式調(diào)壓室按以上公式初步確定以后，再用逐步積分法或圖解方法確定調(diào)壓室水位波動(dòng)的過程。如果結(jié)果與理想差動(dòng)式調(diào)壓室的狀態(tài)相差較多，需要重新設(shè)計(jì)。差動(dòng)式調(diào)壓室水位波動(dòng)的逐步積分法和圖解方法可參考有關(guān)文獻(xiàn)。,第六節(jié) 引水道-調(diào)壓室系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性,調(diào)壓室在運(yùn)行過程中，可將水位波動(dòng)分為兩種類型：大波動(dòng)，即電站發(fā)生大幅度的負(fù)荷變化，調(diào)壓室中將

25、發(fā)生較大的水位波動(dòng)；小波動(dòng)，即電站微小的負(fù)荷變化所造成的水位小幅度波動(dòng)。,1910年在德國漢堡水電站上曾發(fā)生過調(diào)壓室波動(dòng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，托馬首先進(jìn)行了研究?；炯俣ǎ翰▌?dòng)為無限小，以使微分方程線性化，從而容易得出解析解答；調(diào)速器能絕對(duì)保證水輪機(jī)出力為一常數(shù)；電站單獨(dú)運(yùn)行，機(jī)組效率保持不變；調(diào)壓室與引水道直接連接，因而可不考慮調(diào)壓室底部流速水頭的影響,一、小波動(dòng)穩(wěn)定性,保證調(diào)壓室穩(wěn)定的兩個(gè)條件必要條件是調(diào)壓室斷面F大于臨界斷面

26、：,引水道和壓力管道水頭損失之和必須小于水電站靜水頭的1/3，即,Fk—調(diào)壓室波動(dòng)穩(wěn)定的臨界面積，稱托馬穩(wěn)定斷面； ，ξ為引水道水頭損失系數(shù)。注：水電站水頭愈低，要求的調(diào)壓室斷面積愈大。,二、大波動(dòng)穩(wěn)定性,如果調(diào)壓室水位的波動(dòng)幅值較大，則波動(dòng)微分方程式不能認(rèn)為是線性的了，因此托馬條件不能直接應(yīng)用于大波動(dòng)。研究表明，如小波動(dòng)穩(wěn)定不能保證，大波動(dòng)必然不能衰減。為了保證大波動(dòng)的穩(wěn)定，一般要求調(diào)壓

27、室斷面大于托馬斷面，初步分析時(shí)可取(1.0～1.1)Fk ，作為調(diào)壓室的設(shè)計(jì)斷面。設(shè)計(jì)的最后階段才檢驗(yàn)調(diào)壓室的大波動(dòng)穩(wěn)定性。,三、影響波動(dòng)穩(wěn)定的主要因素,1、水電站水頭的影響水電站水頭越小，要求的穩(wěn)定斷面越大。中低水頭的水電站多采用簡單式、差動(dòng)式或阻抗式調(diào)壓室；高水頭水電站中，主要受振幅控制，多采用雙室式調(diào)壓室。調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面采用水電站正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最低水頭進(jìn)行計(jì)算。,2、引水系統(tǒng)糙率的影響引水系統(tǒng)糙率愈大，水頭損

28、失系數(shù)α愈大，雖然H1=H0-hw0-3hwm0隨糙率的增大而減小，但其影響遠(yuǎn)比α小。因此，為了安全，計(jì)算Fk時(shí)應(yīng)采用可能的最小糙率。,3、調(diào)壓室位置的影響由H1=H0-hw0-3hwm0可知，在引水線路不變的情況下，調(diào)壓室愈靠近廠房，H1愈大，有利于水位波動(dòng)的衰減。因此，調(diào)壓室應(yīng)盡量靠近廠房。,4、調(diào)壓室底部流速水頭的影響對(duì)引水道而言，流速水頭的作用與水頭損失相似，相當(dāng)于加大了摩阻損失。但對(duì)水輪機(jī)來說，并不減小水電站的有效水頭

29、。 引水道直徑越大，長度越短，流速水頭影響越顯著。調(diào)壓室底部的流速水頭將對(duì)波動(dòng)穩(wěn)定是有利的。但由于調(diào)壓室底部水流狀態(tài)紊亂，故不能考慮全部流速水頭的作用。,5、水輪機(jī)效率的影響前面假定水輪機(jī)的效率為常數(shù)，實(shí)際上水輪機(jī)的效率隨著電站水頭和流量的變化而變化。水輪機(jī)效率、調(diào)速器和電力系統(tǒng)等因素對(duì)穩(wěn)定斷面的影響，一般只有在充分論證的基礎(chǔ)上才加以考慮。,6、電力系統(tǒng)的影響對(duì)于單獨(dú)運(yùn)行的水電站，當(dāng)調(diào)壓室內(nèi)水位變化而引起出力

30、變化時(shí)，只能依靠本電站水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)使出力保持常數(shù)。如果水電站在系統(tǒng)中運(yùn)行，則可由系統(tǒng)中各電站的機(jī)組共同來保證系統(tǒng)出力不變，因此可減小本電站流量變化的幅度。電站并網(wǎng)運(yùn)行有利于波動(dòng)穩(wěn)定。,第七節(jié) 調(diào)壓室水力計(jì)算條件的選擇,調(diào)壓室的水力計(jì)算內(nèi)容應(yīng)包括：由調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定條件，確定調(diào)壓室的斷面積；計(jì)算調(diào)壓室最高涌波水位，從而確定調(diào)壓室的頂部高程；計(jì)算調(diào)壓室最低涌波水位，從而確定調(diào)壓室底部和壓力管道進(jìn)口的高程。,一、波動(dòng)的穩(wěn)定性

31、計(jì)算,由公式 可以看出：水頭H0按水電站在正常運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最小水頭Hmin計(jì)算。上游的最低水位一般為死水位。糙率引水道應(yīng)選用可能的最小糙率(使α值最小)，而壓力管道則應(yīng)選用可能的最大糙率。,,二、最高涌波水位的計(jì)算,(1) 上游水庫水位：取正常發(fā)電可能出現(xiàn)的最高水位，一般按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算。 (2) 引水道的糙率：取可能

32、的最小值。 (3) 計(jì)算工況：一般按丟棄全負(fù)荷考慮。即流量由Qmax減至空轉(zhuǎn)流量Qxx(Q=0)。,三、最低涌波水位的計(jì)算,上游水庫水位：取可能的最低水位。引水道糙率： 取可能的最大值。計(jì)算工況：初設(shè)階段，通常采用其余所有機(jī)組均滿負(fù)荷運(yùn)行，而最后一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行的情況作為設(shè)計(jì)工況，但最后加入的容量應(yīng)不小于電站總?cè)萘康?/3。對(duì)于一般的調(diào)壓室，還應(yīng)計(jì)算在最低庫水位下丟棄全負(fù)荷后水位波動(dòng)的第二振幅。在技術(shù)設(shè)計(jì)

33、階段，增荷的條件應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)電站在系統(tǒng)中的工況，經(jīng)專門研究確定。,第八節(jié) 調(diào)壓室結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),調(diào)壓室可分為井式和塔式兩種典型結(jié)構(gòu)。塔式結(jié)構(gòu)要注重內(nèi)水壓力、風(fēng)雪作用、地震作用、溫度作用的影響。按水塔進(jìn)行計(jì)算。井式結(jié)構(gòu)主要分為大井井壁、底板、升管和頂板等。其幾何形狀多為圓筒或圓板。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，先單獨(dú)分別計(jì)算各個(gè)部分的內(nèi)力，在考慮整體作用。,一、調(diào)壓井結(jié)構(gòu)的荷載及其組合,主要荷載：內(nèi)水壓力：水位由水力計(jì)算確定。外水壓力：由調(diào)壓井

34、外地下水位確定。灌漿壓力。巖石或回填土的主動(dòng)土壓力。圍巖破碎時(shí)考慮。襯砌自重：一般影響很小，常忽略不計(jì)。溫度應(yīng)力：主要是運(yùn)行期的溫度應(yīng)力。地震荷載：在地震列度超過7度時(shí)考慮。,荷載組合：正常運(yùn)行：最高內(nèi)水壓力+溫度及收縮應(yīng)力+巖石彈性抗力施工情況：灌漿壓力＋巖石或回填土主動(dòng)壓力＋溫度及收縮應(yīng)力檢修情況：最高外水壓力＋巖石或回填土主動(dòng)壓力＋溫度及收縮應(yīng)力,二、調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),1、計(jì)算基本假定：假定直井襯砌是一個(gè)整體，斷

35、面上下一致，半徑不變；直井和底板的厚度較小，可以用薄板或薄殼理論求解；直井底部的豎向位移為零；巖石為彈性介質(zhì)；直井壁對(duì)底板的影響很小，可以忽略不計(jì),2、直井的計(jì)算直井襯砌是一個(gè)埋在巖石中的圓筒，用圓柱殼理論求解；直井與底板大多做成剛性連接，鉸接較少采用；簡化成頂部自由底部固定的長圓筒。,直井井筒的設(shè)計(jì)步驟,估算各段襯砌厚度，按最高內(nèi)水壓力考慮井壁與圍巖的聯(lián)合作用，求出井壁中的環(huán)向拉力；按環(huán)向拉力配筋；根據(jù)井壁結(jié)構(gòu)尺

36、寸、鋼筋量和環(huán)向拉力，計(jì)算混凝土和鋼筋的應(yīng)力。要求混凝土拉應(yīng)力不超過其極限抗拉強(qiáng)度，否則要加厚襯砌或增加鋼筋；按井壁的力矩配縱向鋼筋。由于井壁的力矩在底部較大，但向上迅速減小，所以底部鋼筋較密，但通常有一定數(shù)量的鋼筋直達(dá)井頂，作為環(huán)向鋼筋的架立筋或溫度及分布鋼筋。,3、底板簡單式調(diào)壓室為四周固定實(shí)心圓板，按薄板理論計(jì)算；阻抗和差動(dòng)調(diào)壓室的底板為一中空?qǐng)A板，且部分與巖石接觸，部分懸空(位于隧洞上方部分)，底板的應(yīng)力分布很

37、復(fù)雜。可用有限元方法求解。,4、頂板有圓平頂板和球型頂板兩種形式，其中前者適用于調(diào)壓室半徑不大的情況。頂板承受的荷載與井壁和底板不同，按不利組合設(shè)計(jì)。平頂板多簡支在井壁上，可作為簡支圓板計(jì)算；球型頂板按球殼理論計(jì)算。,5、斷面設(shè)計(jì)調(diào)壓井設(shè)計(jì)中，混凝土結(jié)構(gòu)一般仍按不允許開裂計(jì)算，但安全系數(shù)為1。調(diào)壓井高度不大且?guī)r石比較均勻時(shí)，井壁襯砌可采用等厚度；井壁高度較大時(shí)，可用下部厚上部薄的結(jié)構(gòu)，但井壁內(nèi)部為一直線。一般先初定襯砌的厚

38、度(多為50~100cm厚)，然后進(jìn)行強(qiáng)度和抗裂計(jì)算，如不滿足則調(diào)整厚度重新計(jì)算。,說 明,調(diào)壓井的設(shè)計(jì)與地質(zhì)條件關(guān)系密切。如果圍巖新鮮完整且有足夠的強(qiáng)度，圍巖可以與襯砌共同承擔(dān)荷載，則襯砌可以很薄或僅作錨噴支護(hù)。否則，圍巖不僅不能承擔(dān)荷載，還會(huì)增加作用在襯砌上的作用力，這樣襯砌就要獨(dú)立承擔(dān)各種荷載。因此，對(duì)井壁襯砌的作用、要求和設(shè)計(jì)原則的考慮，是很重要的問題。,第九節(jié) 調(diào)壓室水力計(jì)算的電算法,電算法的優(yōu)點(diǎn)：理論嚴(yán)密，簡化少

39、，精度高，計(jì)算速度快，可以計(jì)算各種工況下的涌波全過程，以及與水錘、機(jī)組轉(zhuǎn)速變化聯(lián)合求解等。思路：從基本方程(微分方程組)出發(fā)，其邊界條件為水輪機(jī)和閥門的出流方程，初始條件為某個(gè)狀態(tài)，如滿負(fù)荷發(fā)電狀態(tài)、停機(jī)狀態(tài)等。微分方程的求解：數(shù)值積分，用差分代替微分。采用精度較高的龍格—庫塔方法。,一、龍格—庫塔方法簡介,對(duì)于形如：dy/dx=f(x,y)的一階微分方程，四階龍格-庫塔法的求解公式為：,二、調(diào)壓室水位波動(dòng)計(jì)算公式,將水流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力

40、方程和連續(xù)方程改寫為(考慮阻抗損失)：,,,如果已知水輪機(jī)出流變化規(guī)律，Qm=f(t)，則調(diào)壓室中的流量Qs=Q-Qm，就可以根據(jù)龍格-庫塔公式逐步求解上面的兩個(gè)方程。具體公式見教材。,討論題：,調(diào)壓室為什么設(shè)置在廠房附近？與一般調(diào)壓室相比，氣壓式調(diào)壓室為什么設(shè)置在較低的高程上？,思 考 題,調(diào)壓室的作用是什么?設(shè)置調(diào)壓室的條件是什么?調(diào)壓室有那幾種基本結(jié)構(gòu)類型，各適用于什么情況？設(shè)計(jì)調(diào)壓室有哪些基本要求?影響調(diào)壓