计算说明书1【参考】1

目录
1 工程概况 (1)
1.1概述 (1)
1.2各种类型时洪峰值 (1)
1.3降水量 (2)
1.4水利水能计算资料 (3)
2 坝挡水坝段的稳定及应力分析 (4)
3 坝高的计算 (9)
4 冲沙闸设计计算 (11)
5 进水口的计算 (12)
6 沉砂池计算 (13)
6.1沉砂池主要尺寸的拟定 (13)
6.2沉沙池纵向底坡的计算 (17)
7 引水隧洞的计算 (18)
7.1隧洞尺寸设计计算 (18)
7.2隧洞荷载计算与隧洞围岩稳定分析 (18)
7.3隧洞衬砌设计计算结论 (20)
8压力管道的计算 (21)
8.1压力管道的布置 (21)
8.2管径的拟定 (21)
8.3压力管道的水力计算 (21)
8.4水锤计算 (23)
8.5管壁厚度的拟定 (24)
9镇墩的计算 (26)
9.1镇墩计算 (26)
10水头损失计算 (30)
10.1拦污栅水头损失 (30)
10.2进水口连接渠道水头损失 (30)
10.3进水口连接渠道转弯处局部水头损失 (31)
10.4沉砂池渐变段的局部水头损失 (32)
10.5沉砂池沿程水头损失 (32)
参考文献 (33)
致谢词 (34)
独撰声明 (35)
1 工程概况
1.1 概述
设计流域多在习水县境内，坝址距习水气象站也较近，因此，以习水气象站来说明设计流域的气象特征。

习水县处于北亚热带，气候属亚热带湿润季风气候区。

主要气候特点是四季分明，冬冷夏凉，多阴雨天气，日照较少，气温低。

由于地势起伏较大，地貌类型多样，小区气候差异十分明显。

习水县的中部山区雨量较多，年降水量一般大于1150 mm ，西部、南部河谷地带雨量较少，一般不足1000 mm ，土城站降水量最少，仅776.7 mm ；热量较高，气温近似于赤水。

主要的灾害性天气有干旱、冰雹、秋季低温绵雨、倒春寒、暴雨、大风、凝冻等。

1.2 各种类型时洪峰值
根据流域的杨家湾杨家湾坝址径流历年逐月平均流量表(见附录1表1-1),推算得的各种类型时洪峰值表1-2
表1-2 杨家湾电站分期洪水成果表
分期 暴雨统计参数
不同频率设计值（3m /s ）
)(mm H =
v C
V
S
C C
%5=P %10=P %20=P 11～4月 24.7 0.39 3.5 176 141 107 11～3月 16.7 0.55 3.5 125 93.0 64.6 12～4月 22.4 0.45 3.5 168 130 95.7 11～2月 15.1 0.67 3.5 128 89.1 57.4 12～3月 13.1 0.49 3.5 79.3 61.5 45.0 1～4月
21.7
0.49
3.5
171
130
92.8
1.3 降水量
表1-3 各站年降水量频率分析成果表
河流名称 站 名 资料系列 系列年限
)(mm P
v C
V
S
C C
习水河 官渡 1956～2001 46 1071.8 0.15 2.0 寨坝 1956～1996 41 974.6 0.15 2.0 习水
1951～2001
51
1101.1
0.15
2.0
据习水气象站观测资料分析，多年平均降水量为1101.1 mm （其中5～8月占58.1%，4～9月占76.8%），日降水量P ≥0.1 mm 降水日数211.7天，P ≥25.0 mm 降水日数9.7天，P ≥50.0 mmm 降水日数2.1天，年最大一日降水量发生在1968年5月22日，日降水量达178.8 mm 。

另据习水气象站、寨坝和官渡雨量站资料分析，杨家湾电站坝址以上流域多年平均面降水量为1100 mm （详细分析请见后）。

习水河流域各站年降水量频率分析成果见表1-3。

1.3.1 气温记录及冰冻情况
习水县气象站位于习水县东皇乡，建于1940年，是国家基本气象站。

根据习水气象站观测，贵州省气候资料中心整编并刊布的统计资料，习水县多年平均气温13 ℃，最冷月一月平均气温2.6 ℃，最热月七月平均气温22.9 ℃，极端最低气温-8.6 ℃（1982年12月26日），极端最高气温34.4 ℃（1972年８月27日）。

年平均日照时数1124.3 h ，日照百分率25%，以夏季为最多，冬季为少。

年平均相对湿度85%，年平均雾日数25.7天，大风日数0.7天，冰雹日数0.7天，雷暴日数46.3天，降雪日数22.4天。

年平均风速1.5 m/s ，最大风速13.0 m/s ，全年主导风向为W 风，夏季盛行SE 风，冬季盛行W 风。

1.3.2 坝址流量—水位关系 (见附录2 表2-3)
1.4水利水能计算资料
蓄水位390.60m 死水位389.60m 水库最高洪水不得超过396.77m
m/s 设计洪水安全泄量1590 3
m/s 校核洪水安全泄量2220 3
电站总装机容量9000 KW
m/s 电站平均流量17.9 3
2 坝挡水坝段的稳定及应力分析
[1] [13]
计算部分（单位：牛吨•米） （1）基本原理及计算公式
①抗滑稳定分析主要就是核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面抗滑稳定的安
全度。

主要计算方法有两种：抗剪断强度公式（Ksh ）抗剪强度公式（Ksl ）。

此本工程为五等小（二）型工程，因此采用抗剪强度公式。

抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数为：
K =
∑∑-P
U W f )
( (1)
式中 f ——接触面间的摩擦系数；
U ——作用于接触面上的扬压力；
P ∑——作用于接触面以上的总水平力；
W ∑——作用于接触面以上的总铅直力。

②设计的坝体断面需要满足规定的应力条件：在基本荷载组合下，重力坝坝基面的最大垂直正应力应小于坝基允许压应力，最小垂直正应力应大于零；对于坝体应力，在基本荷载组合下，下游面最大主压应力不大于混凝土的允许压应力值，上游面的最小主压应力大于零。

（2）计算工况
在这里分两种工况进行计算：设计洪水位+扬压力；校核洪水位+扬压力。

∑W
P 1
P 2
P 3
P 4P 5
P 6U
水平力
垂直力
力矩
σ
σ
τ
2
3
1
2
2
图2-2 坝体荷载示意图
（3）基本资料
坝基高程：m Z j 00.382=
坝顶高程：m Z d 77.396=
坝顶宽度：m B 3=
下游折坡点：m Z dz 00.395= 坡度：m =0.7 淤沙高程：384.50m
水的容重：10=γ 混凝土容重：c γ=2.4
泥沙浮容重：s γ=0.4
排水管距上游坝面距离：p L =0 渗透折减系数：α=0.3
设计时，浪高：1h =0.61m
浪长：1l =7m
波浪中心高：1z =0.33m
上游水位：u z =395.50m 下游水位：d z =390.00m
校核时，浪高：1h =0.27m
浪长：1l =3.65m
波浪中心高：1z =0.13m
上游水位：u z =396.00 m 下游水位d z =390.50m
抗剪断摩擦系数：f =0.6
坝基长度：l =131 m （4）基本荷载及其力臂计算
为了方便计算，将个别力按如图所示的虚线切割。

计算过程列于附录2表2-1 （5）稳定分析
抗滑稳定安全系数为
设计时： 2.53)
(K =∑-∑⋅=
P U W f >1.05
校核时： 2.50)
(K =∑-∑⋅=
P
U W f >1.0
均符合稳定要求。

（6）应力分析 ①垂直正应力yu σ和yd σ
2y u T M
6T W ∑+∑=
ο (2) 2y d T M
6T W ∑-∑=
ο (3)
式中： W ∑——作用在计算截面以上全部荷载的垂直分力总和。

设计时：W ∑=U V -∑=261.87；
校核时：M ∑=U V -∑=264.27;
M ∑——作用在计算截面以上全部荷载的对截面形心的力矩总和。

设计时：M ∑=L P ∙∑=-485.03；
校核时：M ∑=L P ∙∑=-497.44；
T ——坝体计算截面沿上下游方向的长度，T =l =12.1。

带入求得： 设计时：yu σ=1.76 yd σ=41.52
校核时：yu σ=1.45 yd σ=42.23
均未出现负值（拉应力），符合应力要求。

②剪应力u τ，d τ 设计时：
n P P uu yu u )(--=στ=(91.13-1.76-91.13)×
0=0 (4) m P P ud yd d )(/-+=στ=(41.52+32-32)×
0.7=29.06 (5) 校核时：
n P P uu yu u )(--=στ=(98-1.45-98)×
0=0 m P P ud yd d )(/-+=στ=(42.23+36.13-36.13)×
0.7=29.56 ③水平正应力xu σ,xd σ
设计时:
2)()(n P P P P uu yu uu xu ----=σσ=(91.13-91.13)-(91.13-1.76-91.13)×
0=0 (6) 2//)()(m P P P P ud yd ud xd -++-=σσ=(32-32)+(41.52+32-32)×
0.72=20.34 (7)
校核时：
2)()(n P P P P uu yu uu xu ----=σσ=(98-98)-(98-1.45-98)×
0=0 2//)()(m P P P P ud yd ud xd -++-=σσ=(36.13-36.13)-(42.23+36.13-36.13)×0.72=20.69 ④第一主应力plu σ,pld σ
设计时:
22)()1(n P P n uu yu piu --+=σσ=1.76(1+0)-(91.13-91.13)0=1.76 (8)
2/2)()1(m P P m ud yd pld --+=σσ=41.52(1+0.72)-(32-32)0.72=61.86 (9)
校核时:
22)()1(n P P n uu yu piu --+=σσ=1.45(1+0)-(98-98)0.32=1.3625
2/2)()1(m P P m ud yd pld --+=σσ=42.23(1+0.72)-(36.13-36.13)0.72=62.92
⑤第二主应力
设计时：
uu u p P P -=2σ=91.13-91.13=0 (10)
uu d p P P -=/2σ=32-32=0 (11)
校核时:
uu u p P P -=2σ=98-98=0 uu d p P P -=/2σ=36.13-36.13=0
（5）成果分析 由以上可以看出坝体边缘应力状态良好，未出现拉应力的情况。

3 坝高的计算
[1] [3] [9] [13]
坝顶高出静水面 高程计算
c h h h h ++=012△ (1)
12h ——波浪高度
校核时，s
m V 13= m D
V
h 226.03
130166.00166.023
145
3
14
5
1=⨯⨯=⨯⨯= (2)
设计时，s
m V 26= m D V h 61.03260166.00166.0231
4531451=⨯⨯=⨯⨯= (3)
0h ——波浪中心线高出静水位高度
校核时，m h L 65.327.04.10)2(4.1028.08.011=⨯=⨯= (4)
m L h 13.024h 1
2
10==π
设计时：
m L h 33.024h 1
2
10==π
c h ——安全超高，根据坝的等级为五等小（二）
型知：校核时，
c h =0.2m ；设计时，c h =0.3m 。

由以上可得坝顶超高为： 校核时
m
h h h h c 57.0201=++=△设计时
m
h h h h c 24.1201=++=△
则 确定坝顶高程为： 图2-1重力坝形式
2084.77
2070.00
校2084
设2083.5
2083
校核时m Z 70.2084=坝顶 设计时 m Z 77.2084=坝顶
取其中大者即2084.77m ,作为坝顶高程（如图2-1所示）。

4 冲沙闸设计计算[5]
初拟尺寸为2.0m ×1.0m ，冲沙流速应大于启动流速，且不宜小于2.0/ 2.5/m s m s -。

02Q A g H μ=
式中，冲沙孔为自由出流属于底部无收缩侧向收缩极小，流量系数μ查《水力学》得：μ=0.8，0H 为孔口形心的作用水头。

02Q A gH μ==0.8×
2×（2×9.81×7.2）0.5=19.02 3m /s A Q V ==19.02/2=9.5 s m
泥沙启动流速为：0.14
0 1.34s h v gd d γγ
γ
-⎛⎫= ⎪
⎝⎭ 式中：h —测点水深； d —推移质泥沙粒径；
s γ—泥沙容重，天然泥沙取25987.6 3m N ； γ—清水容重，取9806.73m N ； g —重力加速度，取9.81 m/s 2。

0v =1.34(d h )0.14r r r gd s -=1.34×(045.02)0.14×7.98067.98066.25987045.081.9-⨯=
1.66m/s V 大于启动流速，且大于
2.0/ 2.5/m s m s -，初拟尺寸合理，所以冲沙闸尺寸拟定为2.0m×1.0 m 。

5 进水口的计算
[5] [7]
取水口引用流量为3.0 m 3/s ，进水口设计底板高程为2076.7 m ，溢流坝正常蓄水位2078.2 m ，拟定进水口水深1.5 m ，设计连接渠断面为矩形断面，计算参数边坡系数m=0，查《水力学》，得河道糙率n=0.015，由已知参数，推求i 、b ，因为在基本公式中表达b 和h 的关系都是高次方程，不能直接求解，所以只能采取试算。

计算成果表如下（具体程序见下表:进水口尺寸试算）：
表5-1 计算成果表 计算水深h 、渠道宽b 、底坡i
Q
I b
m
n
A x R C
h
渠顶高 5.48533 500 0.002
1.8 0 0.015
2.7
4.8
0.5625
60.57069 1.5 2 3.99821 800 0.00125 1.7 0 0.015 2.55 4.7 0.542553 60.2073
1.5
2 3.66615 800 0.00125 1.6 0 0.015 2.4 4.6 0.521739 59.81604 1.5 2 5.03021 800 0.00125
2
0 0.015
3
5
0.6
61.22573 1.5
2
由成果表选定进水渠断面设计尺寸为1.7 m×2.0 m ，过水断面为1.7 m×1.5 m 。

由AV Q =得，A Q V ==3/（1.7×1.5）=1.176 m/s ，采用混凝土护面，根据《水力学》和《水电站》，渠道的最大允许不冲流速为8.0 m/s ，不长草流速为0.6 m/s ，根据水中泥沙最大粒径为0.1 mm ，不淤流速为0.692 m/s
所以尺寸合理，满足设计要求。

6沉砂池计算[1] [7] [12] [13] [15]
6.1沉砂池主要尺寸的拟定
6.6.1概述
根据杨家湾是实际情况，习水河流域内无泥沙实测资料，参证站二郎坝水文站具有1975年～2001年（缺1983年、1988年）共25年的泥沙观测资料。

据二郎坝水文站25年实测资料统计，该站多年平均悬移质输沙模数为284t/km2；对照“贵州省多年平均悬移质输沙模数分区图”，习水河流域的年悬移质输沙模数G=200 t/km2～500 t/km2，二郎坝水文站泥沙分析成果符合地区分布规律。

根据现场查勘，结合地区变化规律，设计流域多年平均悬移质输沙模数采用300 t/km2，推移质按悬移质的20%计。

经计算杨家湾电站多年平均年输沙量30.9 万t，其中悬移质年输沙量25.7 万t，推移质年输沙量5.2 万t。

习水河流域水属于多沙河流，为了避免泥沙进入水轮机，所以在无压进水口后修建沉沙池，通过断面的扩大，流速的减慢，使水流速度呈均匀分布并降低。

根据流速低到0.25-0.7 m/s时，泥沙将会沉淀于池内。

6.6.2尺寸设计
参考《水利水电工程沉砂池设计规范》（DL/T 5107-1999）、《小型水电站》（天津大学水利系编）、《水工建筑物》下册（张光斗、王先纶编，水利电力出版社出版）以及《水电站》第三版（河海大学、刘启钊主编）等进行综合拟定。

沉砂池底板高程拟选2068.8 m正常水位高程2073.4 m。

（1）平均水深的拟定
规范规定，对于小型水电站，沉砂池水深不宜小于4.0 m，以免影响沉砂池的泥沙沉降效果，所以初拟尺寸是将水深定为H=4.5 m，尔后再验证是否满足设计要求。

（2）长度的拟定
由于资料无河流泥沙的粒径、级配资料，所以本工程引用相近的沙拉地水文站的资料，沙拉地水文站悬疑质颗粒级配曲线和级配表见下表（表6-1和表6-2）：
根据级配和规范选定最大沉降粒径为1.00 mm ，最小有害粒径为0.10 mm ，根据规范拟定对应的进入沉砂池水流的流速为x V =0.1375 m/s （初拟方案时，当沉降
min 0.050.1d mm =-时，0.050.15/x V m s =-，选取0.1375 m/s ）。

由于泥沙颗粒在沉砂池
中的沉降运动是很复杂的，因为x V 在竖直断面上不是均匀分布的，表层流速较大，底层流速较小，在沉砂池中水流有紊动，所以采用紊动流速，计算式为/x V V η'=，其中η是系数，根据水深H=4.5 m ，查表取η=11，所以V '=0.0125 m/s 。

S V V V '=-沉沙颗粒下降的设计流速计算式是：
S V V V
'=- (1)
表6-1
表 6-2
粒 径 级 （mm ）
0.007 0.01 0.025 0.05
0.1
0.25
0.5
1.0
2.0 小于某粒径沙重百分数（％） 2
3.2 27.9
48.1
68.8 88.8 97.8 99.4 99.9
100
其中，V 是泥沙颗粒的水力沉速。

由于泥沙颗粒靠底层的较粗，靠表层的较细，目前很难进行严格的泥沙沉降理论计算，所以常采用半经验法进行计算，取泥沙平均直径50d 对应的水力沉降流速，根据沙拉地水文站泥沙级配资料可知， 查表，V =0.027 m/s 。

计算得：0.0145S V = m/s
颗粒从水面下降到水底的时间计算式为：
/m S
T H V = (2)
已知水深为4.5 m ，计算得：310m T =s
要求的沉砂池长度为：x m l V T ==0.15×310=46.5 m
根据规范，设计时，宜取工作长度为计算长度的1.2倍，所以
1.255.8L l ==m
（3）宽度的拟定
根据规范采用计算式x
Q
B HV =
计算设计，已知Q =3.03m /s 、 4.5H m =、
0.15/x V m s =,计算得B =4.44 m ，选取B =4.5 m 。

6.6.3 冲沙孔设计
本工程属于定期式有压排沙，规范规定：有压排沙道内不应出现淤堵，选定的冲沙流速C V 应大于临界冲沙流速K V ,且不宜小于2.0/ 2.5/m s m s -。

矩形断面排沙道的临界冲沙流速可采用苏罗耶尔经验公式计算，计算公式为：
()8751111000
K m w C m s C C D
C
V E R
S Q Q S S Q βωβββη=-⎡
⎤=+-
⎢⎥⎣
⎦+= (3)
式中，K V ——临界冲沙流速，m/s ；
E ——常数，与廊道绝对糙度有关，当当量粗糙高度=0.001m 时，取E =66，当当量粗糙高度=0.005 m 时，取E =50，冲沙廊道采用混凝土护面，取E =50。

m β——廊道内浑水密度，t/3m ； s β——泥沙密度，t/3m ；取2.65 t/3m w β——清水密度，t/3m ；取1.00 t/3m
75ω——泥沙沉速，
m/s ，廊道挟沙水流中，小于该粒径沙重占75%；取75ω=0.0028 m/s
C S ——冲沙水流中的含沙量，3/kg m ；
D S ——沉砂池设计入池含沙量，3/kg m ；D S =0.2383/kg m
Q ——沉砂池工作流量，3/m s ；Q =3.03/m s
C Q ——冲沙流量，3/m s ；C Q =3.03/m s
R ——水力半径，m 。

R =1
4
m
η是系数，查表取η=0.1
计算得：m β=1.00296 t/3m ，C S =0.0476 3/kg m ，K V =0.506 m/s 。

综合分析：若拟选冲沙流速为3 .0 m/s ，满足设计规范要求，此时可出冲沙孔的断面尺寸为C Q 2/1V m =；所以初选冲沙孔设计尺寸为11m m ⨯。

6.2 沉沙池纵向底坡的计算
沉沙池纵向底坡的计算
i 应满足2
2c V i C R
≥, (4)
式中c V ——冲沙流速；
C ——谢才系数，1
61C R n
=；
R ——水力半径
已知冲沙流速为3.0 m/s ，水力半径R =1
4
m ，n 按照《水工建筑物》下册查表,冲沙
廊道采用混凝土护面，选取n =0.015，可求的C=52.9，代入数据计算：
2
2c V i C R
≥=0.0128 所以取i =1/50
4．沉砂池底板高程拟选2068.8 m ，正常水位高程2073.4 m 。

7 引水隧洞的计算
[16]
7.1 隧洞尺寸设计计算
因隧洞较长，顺坡、断面规则，故可按均匀流计。

假定：b=3.60 m h 1=2.20 m （直墙高度） m=0 i=0.001 n=0.016 过水断面面积 11)(h mh b A +==3.60 m×2.20 m=7.92 m 2 (1)
湿周
m m h b 82.226.3122
1=⨯+=++=χ (2) 水力半径
99.0892
.7==
=
χ
A
R (3)
由曼宁公式得 395
.6299.0016.01
161
61
===R n C (4)
所以隧洞输水能力为 s m
Ri AC Q 3
5.51501.009.9095.36292.7=⨯⨯⨯== (5)
满足输水要求。

所以上述尺寸合理。

7.2 隧洞荷载计算与隧洞围岩稳定分析
隧洞围岩稳定与开挖时的应力重分布及围岩强度有关，而应力重分布状态则主要取决于初始应力的特征、隧洞的断面和形状、岩体性质等因素。

初始应力的大小和方向是隧道岩体变形与稳定程度决定性的因素。

由于影响围岩稳定的因素很多，而且错综复杂，目前还不能完全依靠理论计算，尚需借助经验或现场测量做出判断。

围岩的稳定分析大致包括以下内容：
（1）结合地质条件及岩石的力学性质、初始应力状态、施工方法等因素，初步选择隧道轴线和断面（前面已作分析计算），然后用弹性理论公式或有限元法计算围岩应力，并与围岩的极限强度进行比较。

（2）隧洞开挖时的应力集中可使围岩出现应力超载，产生塑性变形，形成塑性区。

（3）假定岩体为连续、均匀、各向同性的弹塑性体，初始应力符合静水压力条件，对于城门洞形隧道，按轴对称问题的平衡微分方程，利用摩尔—库伦塑性准则及弹塑性界面上的应力相等条件，当洞室周边不存在支护抗力时，任意点的径向力r σ、切向力t σ及塑性区半径R 的计算式为：
]
1)[(sin 1sin 20
-=-ϕϕ
ϕσr r
cctg r
(6)
]
1)
(s i n 1s i n 1[s
i n
1s i n
20
--+=-ϕϕϕϕϕσr r c c t g t
(7)
ϕ
ϕ
ϕϕsin 2sin 10
0)]sin 1)(1[(--+=cctg p r R (8)
式中：ϕ为岩石的内摩擦角，（º）；
C 为岩石的凝聚力，a kp ；
0r 为圆形洞室的开挖半径，m ； r 为塑性区内任一点的半径，m ； 0p 为岩体的初始应力，a kp 。

再按卡柯公式近似判断是否失稳。

卡柯公式是在假定初始应力符合静水压力分布，洞顶塑性区作用有自重力，洞内无支护力，符合摩尔—库伦准则，洞顶以上弹、塑性区分离，该处0=r σ的条件下求得。

洞顶塑性区内径向正应力r σ的计算式为：
]
)(1[1s i n 3)s i n 1()(s i n
1s i n
2s i n 1s i n 2ϕϕϕϕϕϕγϕϕσ-----++-=R r r R r c c t g c c t g R r (9)
式中：r 为洞顶塑性区内任一点半径，m ；
R 为无支护力的塑性区半径，m ；
R r 为岩石的容重，3
m kN ； c 为塑性区岩体的凝聚力，a kp ；
ϕ为塑性区岩体的内摩擦角，（º）。

当0r r =时，
由上式得r σ< 0，则洞室是稳定的。

由于地质条件复杂，计算结果很难完全反应实际情况，因此，现场量测对对指导施工、改进设计是十分必要的。

7.3隧洞衬砌设计计算结论
根据地质资料描述，隧洞进出口各150 m长度范围属于Ⅴ类围岩，该段采取全断面C20钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度25 cm，底板厚20 cm；对Ⅳ类围岩边墙采取C20素混凝土衬砌，厚15 cm，底板厚25 cm，顶拱采取喷C20混凝土，厚度15 cm，衬砌长度300 m；对Ⅲ类围岩边墙采取M7.5浆砌条料石衬砌，厚30 cm，底板采取C15混凝土浇筑，厚15 cm，顶拱可不衬砌，在裂缝密集处采取喷C20混凝土，厚度10 cm支护，必要时加以挂网。

8压力管道的计算
[17]
8.1压力管道的布置
根据地形，地质条件，压力管道采用明管的布置形式。

引用流量2.62 m³/s 。

全管沿线设镇墩7个，支墩9个。

根据工程布置在2#设置空间弯管。

用c15块石砼浇筑。

管轴线长396 m 。

钢管材料采用Q345-B 钢板。

8.2管径的拟定
本工程设计水头300.0 m ，设计流量2.62 m³/s ，根据经验公式进行拟定计算： （1） 按彭德舒公式进行计算：（见水电站第三版，P121）
m H Q D 87.02.57
1
max =⎪⎭
⎫ ⎝⎛= (1)
D —压力管道管径，m 。

Q —最大引用流量，m³/s 。

H —设计水头，m 。

（2）按法布尔公式进行计算。

7
14
3
52.0⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=H N D =0.91 (2) N —电站装机容量，kW 。

（3）按国内经验公式计算：
985.0639.045
.0max
==Q D (3)
综合考虑，为了使投资回收年限最短，所以选择经济管径为D=1.00 m ，考虑到管道内的水力95%的损失，流速为V=2.76 m/s.
8.3压力管道的水力计算
1、水头损失计算
水头损失用压力前池进水室至水轮机控制闸阀的局部和沿程损失之和。

计算过程如下：
（1）沿程损失f h 计算
由曼宁公式： 1
61C r n = (4)
C —谢齐系数 N —粗糙系数 R —断面水力半径
根据管道的种类 取n=0.012， 1/n=83.3。

R 为水力半径 R=A/X=D/4。

直管：所以
61
11
R n
C ==66.1221
m /s
2
118⎪⎭
⎫
⎝⎛=λg C (5)
于是21
8c g
=
λ=0.02 由达西公式g V
D L h f 22
1111λ= (6)
f h —管道中的沿程水头损失 λ—阻力系数 /f h =3.07 m ( 2 )局部损失计算
局部损失计算包括进水室进口，锥管等计算。

可用 2
12j v h g ξ= (7)
ξ—局部水头损失系数
V —发生局部水头损失以后的平均流速
21h h H += (8)
039.08
.9276.21.02
1=⨯⨯=h m
218.08
.9276.228.022
2=⨯⨯⨯=h m 于是H=0.039+0.218=0.257 m 1h 是进水口水头损失；2h 阀门水头损失
8.4水锤计算
电站毛水头300 m ，主管长396 m ，水锤计算方法为简单管道计算。

机组满负荷运行，突然丢弃全部负荷时的情况，此时水轮机导叶关闭时间s t =5.5 s ，压力波传播速度近似取c=1200 m/s ，经计算最大水击升压为第一相水击，取ξ=0.258
C L T 2==2×356.13/1200=0.66<Ts=5.5 s (9) 5
.0)1(ζτ+=V
于是τ=0.84 (10)
V 为相对流速，任意时刻的流速与最大流速的比值
可判定其发生的是间接水击，而水管特性常数P 和σ
σ=
GHT
LV
(11) σ=0.05 ρ=
GH CV
2 (12)
ρ=0.48
ρ=0.48<1为第一相水击
Z =
σ-ρ1σ2+=05
.048.0105.02-+⨯=0.07 (13)
Y =
ρσ1σ2++=48
.005.0105
.02++⨯=0.06 (14)
所以水锤压力升高值ZH H =1=24.5m 水锤降压值==YH H 121m
8.5 管壁厚度的拟定
厚度包括设计厚度和锈蚀厚度两部分。

并考虑在制作安装过程中避免出现过大变形的最小厚度。

锅炉公式初拟：[]0.12j h d C
δδφ
=
+ (15)
j h 为设计管段计算水头 d 为钢管直径
C 为锈蚀厚度为0.2 mm
[]δ为估算时材料允许应力97.5 MPa
φ为焊接系数 0.90 1#~2# 0.172.43 1.1
0.2 6.5629750.9
mm δ⨯⨯=
+=>⨯⨯ 考虑沙冲击取8 mm
检验
453.75800
D
δ+=< 2#~3# 7.626.734.3j h H m =+∆H =+= δ=4.1 mm 考虑沙冲击取10 mm 3#~4# 3.7625.128.86j h H m =+∆H =+= δ=3.8 mm 考虑沙冲击取 10 mm
4#~5# 6.30 6.3j h H m =+∆H =+=
δ=2.3 mm 考虑沙冲击取10 mm 支管壁厚度取8 mm 。

9镇墩的计算[7]
9.1镇墩计算
初步设计7个镇敦，9个支墩。

镇墩的计算主要是对各设计镇墩处镇墩体积进行设计计算，其计算过程如下。

镇墩的计算(见水电站第三版P126-128) 1、水管自重的轴向分力：
'''''1''''''''''2
sin sin 0.75 3.14 1.10.008113.911sin 30 1.18sin sin 0.75 3.14 1.10.01073.646sin 300.95A G L a L a t A G L a L a t πδγπδγ︒︒
===⨯⨯⨯⨯⨯====⨯⨯⨯⨯⨯= (1)
G 为每米长水管重量 L 管段的计算长度
2、水管自重法向分力：
12'''
''
''
cos 2.05cos 1.65P P Q D L a t Q D L a t
πδγπδγ==== (2)
γ为水容重，
H 为该处的水头
3、水管转弯处的内水压力：
2''
'
3
2'''
''3 3.14 1.11(72.430.2)
68.7844
3.14 1.11(72.430.2)68.9944D H A t
D H A t
πγπγ⨯⨯⨯-=
=
=⨯⨯⨯+=== (3) 4、水重产生的法向分力：
12'''''''''c o s 3.14
0.0081.11113.911c o s 302.72
c o s 3.140.0101.1173.646c o s 302.20
W W Q D L a t Q D L a t πδγπδγ︒︒
==⨯⨯⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯⨯= (4) 5、考虑温度影响时：
''12'
''2'812cos 2.04cos 85.184
()0.6(2.0485.18)52.33N D L a t
D N L a t
A N N t
πδγπγμ===
==+=⨯+= (5)
6、将各主要力叠加并分解得：
1
2
1
2
'
'
'
'
8
1
3
''
''
''
1
3'
'
''
''
'
'
''
''
52.33 1.1868.78122.2969.94cos cos 105.9060.5745.33sin sin 61.14534.97 2.05 1.65 2.72 2.2034.80P P W
W
A A A A t
A A A t
X A a A a t
Y A a A a Q Q Q Q t
=++=++==+=-=+=-==+++++=-++++=∑∑∑∑∑∑∑∑(6) 7、镇墩重量和体积的拟定。

3
1.545.33
34.80135.190.4
135.19
61.452.2
C K X Q Y t f Q V m γ︒
⨯=-=
-==
=
=∑∑ (7)
3# 镇墩的计算 1、水管自重的轴向分力：
'''''1''''''''''2
sin sin 0.75 3.14 1.10.01073.646sin 300.95sin sin 0.75 3.14 1.10.01036.421sin 300.67A G L a L a t A G L a L a t
πδγπδγ︒︒
===⨯⨯⨯⨯⨯====⨯⨯⨯⨯⨯=
2、水管自重法向分力：
12'''
''
''
cos 1.65cos 0.67P P Q D L a t Q D L a t
πδγπδγ====
3、水管转弯处的内水压力：
2''
'
3
2'''
''3 3.14 1.11(34.30.2)
32.3944
3.14 1.11(3
4.30.2)32.7744D H A t
D H A t
πγπγ⨯⨯⨯-=
=
=⨯⨯⨯+=== 4、水重产生的发向分力：
12''''
'''
''
cos 3.140.008 1.1173.646cos30 2.20cos 3.140.010 1.1136.421cos300.89W W Q D L a t Q D L a t
πδγπδγ︒︒
==⨯⨯⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯⨯=
5、考虑温度影响时：
''12'
''
2cos 2.20cos 60.584
N D L a t D N L a t
πδγπγ===
=
'812()0.6(2.2060.58)37.67A N N t μ=+=⨯+=
6、将各主要力叠加并分解得：
1
2
1
2
'
'''8
1
3
''
''''1
3'
'
''
''
'
'
''
''
71.0133.44cos cos 61.5023.6537.86sin sin 35.5023.65 1.650.67 2.200.8917.26P P W W A A A A t
A A A t
X A a A a t
Y A a A a Q Q Q Q t
=++==+=-=+=-==+++++=-++++=∑∑∑∑∑∑∑∑ 7、镇墩重量和体积的拟定：
3
1.537.86
17.26124.7150.4
124.715
56.692.2
C K X Q Y t f Q V m γ︒
⨯=-=
-==
=
=∑∑
4# 镇墩的计算 1、水管自重的轴向分力：
'''''
1''''''''''
2s i n s i n 0.67
s i n s i n 0
A G L a L a t A G L a L a πδγπδγ===
=== 2、作用在阀门上的内水压力： 2'
''
''
2
27.224
D H
A t πγ=
=
3、水管转弯处的内水压力：
2'
'
'
3
2'''
''3 3.14 1.11(28.860.2)
27.2244
3.14 1.11(28.860.2)27.6044D H
A t
D H A t
πγπγ⨯⨯⨯-=
=
=⨯⨯⨯+=== 4、水重产生的发向分力：
12'''
''''''
c o s 0.89c o s 2.11
W W Q D L a t Q D L a t πδγπδγ==== 5、考虑温度影响时：
''12'
''2'812cos 0.67cos 24.464
()0.6(0.6724.46)15.08N D L a t
D N L a t
A N N t
πδγπγμ===
==+=⨯+=
6、将各主要力叠加并分解得：
1
2
1
2'
'
'
'
8
1
3
''
''
''
''
1
2
3
'
'
''
''
'
'
''
''42.970.38c o s c o s 30s i n s i n 33.38P P W W A A A A t A A A A t X A a A a t Y A a A a Q Q Q Q t
=++=
=++=-=+==++++
+=∑∑∑∑∑∑∑∑
7、镇墩重量和体积的拟定：
3
1.530
33.3879.120.4
35.96C K X Q Y t f Q
V m γ︒
⨯=-=
-==
=∑∑
10水头损失计算[8]
10.1拦污栅水头损失
g V h 22拦拦△ξ= (1)
拦ξ——拦污栅局部损失系数，可由式拦ξ=αβsin )(34K b s 计算；
v ——通过拦污栅的水流平均流速，v =3.0/（3.346×
1.5）=0.6 m/s ； β——与栅条断面形状相关的系数，本工程参照《小型水电站》选取圆形∮10的栅条，β=1.79；
s ——栅条厚或直径，mm ，取s =10 mm ；
b ——栅条间距取决于水轮机型式及尺寸，对于混流式，b=1/30 D ，由于水轮机型
号为HL110-LJ-140,故b 为26 mm ；
K ——人工清污时，K =1.5-2.0,取K =1.8；
α——拦污栅与水平面相交倾角，一般取70°～80°，取75°； 计算得：拦ξ=0.87
拦△h =0.016 m
10.2进水口连接渠道水头损失
运用达西公式进行计算，它是计算沿程水头损失的通用公式，适用于任何流动的液体流。

2
42f l V h R g λ
= (2)
22
28g 42C 42f l V l V h R g R g
λ== 其中28C g =λ，C 为谢才系数，利用曼宁公式或者巴普洛夫斯基公式求谢才系数。

曼宁公式： 1
6
1C =R n
(3)
巴普洛夫斯基公式： 1
C=R n
y
其中：f h ——沿程水头损失； λ——沿程阻力系数；
l ——渠道长度，l 包括直线段和转弯段的总长，l =31m
R ——水力半径；
v ——断面平均流速，A Q v ==3.0/（1.75×1.5）=1.143 m/s ；
g ——重力加速度；
n ——粗糙系数，采用n =0.0125，n 1=80。

计算过程：
==X A R 1.7×2/4.7=0.723，R ＞0.5 m 。

由于曼宁公式的适用范围是n ＜0.020，R ＜0.5 m ，巴普洛夫斯基公式的适用范围是0.1 m≤R ≤3.0 m ，0.011 m≤n ≤0.04 m ，所以采用巴普洛夫斯基公式求谢才系数。

当R ＜1时，y =1.5n =0.1677
计算得：C =75.76
代入数据算得：f h =0.041 m 。

10.3进水口连接渠道转弯处局部水头损失
计算公式：
2
2j v h g
ζ= (4)
转弯半径R ＞5d =8.5 m ，取R =10 m ，转弯角=α62°，取局部说透损失系数为0.83
（参考《水力学》），已知v=1.143 m/s ，计算得：
j h =0.055 m
10.4沉砂池渐变段的局部水头损失
计算公式： 2
2j v h g
ζ=
ζ——局部损失系数，渐变段可看作为明渠突扩入流，渐变段1A =1.7×2=3.4,
2A =6×4.5=27，21A A =0.126，故取ζ=0.76，（参考《水力学》）；
v ——断面平均流速，v=3.0/（6×4.5）=0.111 m/s ； 计算得：j h =0.0005 m 。

10.5沉砂池沿程水头损失
用达西公式计算： 22
28g 42C 42f l V l V h R g R g
λ== 其中，R ——水力半径，X A R ==6×4.5/(4.5×2+6)=1.8 m ；
C ——谢才系数，用巴普洛夫斯基公式计算1
C=R n
y ，当y ＞1时，
y=1.5n =0.1453，计算得C =87.13； 代入数据计算得：j h =0.0004 m 。

参考文献
[1]王宏硕.水工建筑物，武汉水利水电学院，1989
[2]华东水利学院.水工设计手册，水利电力出版社，1982.5
[3]陈开道.重力坝枢纽
[4]袁光裕.水利工程施工，中国水利水电出版社，1996.6
[5]李大美.水利学，武汉水利电力大学出版社，
[6]周之豪.水利水能规划，中国水利水电出版社，1997
[7] 刘启钊.水电站，河海大学
[8]魏永霞.工程水文学，中国水利电力出版社，
[9]颜宏亮.水工建筑物, 化学工业出版社
[10]（DL 5180—2003）《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》
[11]( SDJ21—78) 《混凝土重力坝设计规范（试行）补充规定》
[12] 小型水电站. 天津大学水利系
[13] 张光斗、王先纶. 水工建筑物(下册), 水利电力出版社出版
[14]DL t5141——2001 《水电站压力钢管设计规范》
[15](DL/T 5107-1999）《水利水电工程沉砂池设计规范》
[16]DL/T 5195——2004 《水工隧洞设计规范》
[17]DL t5141——2001 《水电站压力钢管设计规范》
致谢词
毕业设计是我们大学四年的最后一个“作业”，从中我们学到了很多很多,做完了毕业设计才开始了解我们这个行业的意义；才明白书上的东西永远是死的；才开始了解工程实例对我们是多么的重要；才开始知道我们将来要学东西还很多。

也是在做毕业设计的过程中，我们学会了如何使用AUTOCAD、MATHCAD甚至WORD和EXCEL等软件。

毕业设计做完了，但留下的问题还很多，回头看来，前面做了很多的弯路，出了很多的错误，设计中存在的主要问题有：隧洞应力条件较差；过坝建筑物有待深入的设计;图纸设计规范等。

但毕竟时间和能力都有限，也不能一一加以修改，恳请老师们批评指正。

设计过程中得到了指导老师袁前胜老师的大力指导，在此向老师表示衷心的感谢。

独撰声明
我声明，本设计是由本组成员在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。

姓名：
2011年5月27日。