【编者按】本文是东江水电站21年前的毕业设计论文。本课题主要是根据专业培养的要求和毕业设计的目的，为东江水电站而设计的。设计深度接近可行性设计阶段，应深入研究引水系统和厂房枢纽中的单个工程的结构，进行结构计算，并提出施工细节。在计算机和网络还没有普及的那个年代，都是我自己用图形公式和键盘打出来的，附在计算书上的专题文章的整理，FORTRAN编程，连同设计图和图纸，也都是用计算机或者CADR14工程图打出来的，一共八万多字。期间在老师的指导下，多次查阅资料和手册，几经修改。设计周期将近4个月(从2000年3月到6月)，这是不容易的。在我的印象里好像有几个系用电脑编辑打印(为此专门购买了一台二手台式电脑，当年的毕业论文大部分都是手写的)拿到了水工建筑设计优秀的毕业论文。我现在阅读它们，所以我做这个笔记，内容没有被修改。

全文共八章，分别是：第一章基本信息，第二章枢纽布置，第三章机电设备及附属设备选择，第四章引水系统设计，第五章调节保护计算，第六章厂房布置设计，第七章结构设计，第八章结论。由于内容较多，论文系列分为上、中、下三个阶段，此阶段为中期内容(主要是第四章引水系统设计和第五章调节保护计算)。

第一部分东江电站简介

东江水电站位于湖南雷水上游资兴，是一座以发电为主，兼有防洪、航运、工业用水等综合效益的大型水电工程。它是30多年前建成的亚洲第一、世界第二大水电工程，是中国自行设计和建造的第一座混凝土双曲薄拱高坝。

该项目始于1956年，但由于各种原因被推迟。直到1978年复工，筹备工作由东江工程指挥部和省水电工程局负责。

1980年和1982年，东江指挥部、湖南水电工程局和电力部第八工程局先后合并，开始东江水电站主体建设。

东江水电站于1979年11月接入导流洞，1980年11月截流，1983年11月浇筑混凝土。

1986年8月2日下午1时43分，重达204吨的钢闸门稳稳地降到导流洞底槛，截断了汹涌的江水，从而按期完成了东江水电站关闸蓄水的光荣任务。

1987年10月31日凌晨5时33分，东江水电站首台机组正式发电，并入华中电网。时任中共湖南省委书记的毛志勇同志欣然题词：“洞庭落东江，电龙跃过三湘。”

第二部分是论文的主体部分(上接前文)

第四章引水系统设计

第一节取水口设计

1.进水口位置的选择进水口位置可选择在左岸基岩稳定处，并尽量避开高边坡开挖，避开需要大量工程的高边坡段。大坝上游约9m处有一条断层F1。因此，进水口的位置有两种选择：断层F1上游和断层F1下游。如果位于上游，受断层影响，可能导致进口塌方，不便于进水口工作闸门和检修闸门的安装和稳定。更为严重的是，断层的存在导致渗漏严重，影响了导流洞的正常工作。然而，这些问题在断层F1的下游并不存在。而且地质条件好。因此，进水口位于左岸F1断层下游。二。设计前已设计好进水口的类型，进水口采用压力孔式进水口。具体型式图见工程图(图03，编号1)。三。进水口高程的确定进水口顶部的高程应确保其处于加压流动状态，且不会在进水口处产生贯通漏斗涡流。考虑到保持其有压流动状态的入口最小淹没水深s，s为1.8m；最小淹没水深s为8.0m，应考虑不在进水口产生贯穿漏斗涡流。综上所述，进水口顶部高程为237—8.0=229米，导流洞直径为8.5米，因此进水口底部高程为229—8.5=220.5米，电站水库设计淤高为170米，比进水口底部低220.5米。因此，确定的进水口标高是合适的。

四。喇叭口段和闸门启闭设备的位置设计。为了适应水流的运动规律，喇叭口段常做成喇叭形。实际上，喇叭口也是一个渐变段，其作用是使水流稳定，均匀增加流量，避免旋涡，减少水头损失。根据锐边孔口自由泄流原理，喇叭口常设计成接近流线的椭圆曲线，即x2/a2 y2/b2=1，其中：a—椭圆的长轴，m，其值常取为(1.0—1.1)D，D为引水渠道后的进水口直径，m；b-椭圆的短轴m，其值往往为(1/3-1/4) d .那么：取a=10，b=3，其椭圆曲线方程：x2/100 y2/9=1。

喇叭段的长度可以是椭圆曲线的四分之一(12m)；喇叭口底板可直接与孔口前缘护板水平连接。渐变段和截污设备的设计。渐变段处于有压引水渠道中，无论水流情况还是结构受力情况，过水断面始终为圆形。由于在进水口处安装闸门的需要，孔口的横截面为矩形。对于从矩形闸门孔口到管道圆形截面的过渡，应通过逐渐过渡的截面进行连接。一般渐变段长度为1.0-2.0倍孔径，本工程为15m。出于施工的考虑，过渡段由矩形变为圆形时可采用直线规律，其参数方程如下：s=b(l-x)/la=h(l-x)/lr=d(l-x)/2l。

式中：S——渐变段宽度，m；a--渐变段高度，m；r——渐变拐角圆弧的半径，m；b——矩形截面的起始宽度，m；h --矩形截面的起始高度，m；即s=8(15-x)/15a=9(15-x)/15r=8.5(15-x)/30个拦污栅。a .拦污栅按常规设计布置，污水不得进入发电引水系统。拦污栅必须安装在水电站的进水口。拦污栅设计原则应能拦截妨碍引水渠道和机组安全的污物；易于清理污垢，减少水头损失；清理污水，正确引水，网格结构有足够的强度。拦污栅孔口的面积取决于通过拦污栅的流速，通过拦污栅的流速直接关系到清理的难易程度和水头损失的大小。因此，拦污栅布置的首要问题是选择通过拦污栅的流量。在选择穿过拦污栅的速度时，应考虑河流污水量、拦污栅在水下的深度以及将采用的清理污物的方法。为此可采用机械清理，通过闸门的流速为1.0m/s，布置如下：采用多个闸门孔，水流经闸门后汇入进水闸门孔。根据需要，每个门孔可设置两个门槽，第一个门槽设置拦污栅，第二个门槽备用。当拦污栅堵塞时，可在第二条沟内安装备用拦污栅，然后将堵塞的拦污栅吊起在水面上清理；或者将备用挡水闸门安装到第二道门槽内，使洞前形成一个静水区，便于清污。为了便于清理和减少水头损失，活动拦污栅是倾斜的。b .拦污栅组成拦污栅由若干个网格组成，放置在类似闸门的支撑结构的网格槽内，必要时可逐个提升进行维护。每个网格的宽度一般不超过4.5m，高度不超过4m。为此，格栅宽度宜为4.5m，格栅高度宜为4.0m，格栅四周用角钢或槽钢焊接成框架，中间用扁钢做格栅条，格栅条上下两端焊接在框架上。沿栅条的长度方向，每隔一定距离设置有带缺口的横向挡板，栅条的背水侧嵌入横向挡板的缺口中并焊接。横向挡板的功能是将栅条保持在固定位置，并增加栅条的横向稳定性。网格的顶部设有吊环。网格的厚度和宽度由强度计算确定，一般为8—12毫米厚，100—200毫米宽。栅条之间的净距取决于水轮机的型号和尺寸，以确保通过拦污栅的污物不会卡在水轮机的过流部件中。网格净间距B一般由涡轮机制造商提供，D1是涡轮机的直径。对于混流式水轮机，B=D1/30；所以这个电站的网格厚10mm，厚180mm宽。栅间净距14mm，栅前栅后压差4m。具体的网格杆强度校核计算见计算书。由于喇叭段上缘采用四分之一椭圆曲线，拦污栅呈60度放置；这个洞的直径是8.5米。因此，拦污栅总高度为(8.53)/sin 60=13.3m；由于网格高度为4.0m，因此在高度方向上应布置四个网格。扣除横梁和隔板宽度后的拦污栅净高为12.4米；即所需拦污栅净长度为246/12.4=19.84m，则拦污栅总长度为19.84(14010)/140=21.26m .即长度方向所需拦污栅数量为21.26/3.5=6.07；因此，可设置五个桥墩，每个桥墩宽1米。拦污栅总长度：L=21.26 1.05=26.26米。

第二节航道设计。引水隧洞路线的选择直接影响隧洞造价、施工难度、工程的安全可靠性和工程效益。取水口和厂房位置选定后，导流洞应尽量布置成直线，以减少开挖量；降低项目成本。然而，由于各种因素，隧道往往被布置成曲线形。因此，导流隧洞的布置应从以下几个方面考虑：1 .地质条件：隧道应尽可能布置在完整、坚固的岩层中，避开不良地质区，如岩石压力大、地下水丰富、岩石破碎的地区。为防止大规模滑坡，隧道穿越软弱夹层或断层时，应尽可能正交穿越。在运营中，隧道总会有漏水的情况，所以要考虑到岩体被浸湿后坍塌滑动的可能性。进水口、调压井、压力管道和厂房的地质条件也应统一考虑。2.地形条件：隧道在平面上要最短，在立面上要有足够的埋深。一般要求隧道周围的坚固岩石层厚度不小于开挖直径的三倍。在这里走40米。利用岩石的自然拱效应，可以降低岩石的压力，并能承受一部分内部水压力。利用山谷等有利地形布置施工支洞，加快施工进度。3.建设条件：由于本工程隧道较长，施工条件可能成为主要因素。为了加快施工进度，每300米可以挖一个施工平硐。为便于排水放空洞施工，有压隧洞纵坡为0.002。4.水流条件：使水流顺畅，水头损失小。应尽可能使用直线。当需要弯曲时，其弯曲半径一般大于5倍孔径。二。确定断面尺寸隧道的断面尺寸一般通过技术经济计算确定。在隧洞水流量固定的情况下，断面尺寸由隧洞内的流量决定。流速越大，所需的横截面越小，但水头损失越大。所以发电隧洞流速有一个经济值叫经济流速，压力隧洞约为2.5-4.5m/s，这里取3.0 m/s，那么：S=Q/Ve:S-隧洞横截面积Q-隧洞导流Ve-隧洞经济流速，一般为2.5-4.5m/S；这里取4.0 m/S=1232/4=61.5m2，s=1/4 d2，那么d=(4S/)1/2=(461.5/3.14)1/2=8.85。按照彭德淑的公式，有压力。米，H—流量(m3/s)和水头(m)为D=(5.22463/118.5)1/7=6.8。综上，若圆形截面直径为8.5m，则v=123 2 4/3.14 8.52=4.34m。引水渠道水力计算有压引水隧洞水力计算分为恒定流和非恒定流两种。恒定流计算的目的是研究隧洞断面、引用流量和水头损失之间的关系，以选择隧洞尺寸。非恒定流计算的目的是找出隧道沿线各点的最大和最小内水压力，从而确定隧道标高和设计隧道衬砌。具体计算和结果见计算说明。

第三节调压室1。设置调压室是减少引水渠道涌浪压力传递的有效途径之一。调压室设置后，利用调压室增大的截面积和自由水面，水锤波会在调压室内反射到下游，相当于将引水系统分成两端。压力调节是以前在这一段引水渠道基本可以避免涌浪压力的影响；调压室后的这一段压力管道缩短了水锤波传播的距离，从而降低了压力管道的重水垂直度，改善了机组的运行工况和供电质量。但安装调压室会增加工程量和投资。因此，需要对电站的经济性和性能进行综合比较，以确定是否设置调压室。作为初步设计，可以通过以下不等式近似判断设计调压井的必要性。如果满足以下不等式，则应考虑使用缓冲罐。即 LV (15—20) h公式中l个压力通道(包括蜗壳和尾水管)的总长度。如果有支管，考虑(m) V—各压力通道内的平均流量(m/s) H—水电站最小净水水头(m)， LV=720 4.3 190 5。这个电站的引水系统有900米长。因此，必须设置调压室。2.调压井布置的选择调压井的布置应尽可能靠近厂房。一是缩短压力管道长度，降低工程造价；根据调压与厂址位置的关系，本工程有两种方案：上游调压室和下游调压室。由于本工程上游压力引水渠道长，下游尾水管短。因此选择上游调压室，上游调压室是国内外工程中应用最广泛的，这样无论从工程的具体情况还是工程技术经验来看都是可行的。三。调压室型式选择本工程有四种调压室型式：简单圆筒型、阻抗型、双室型和差动型。在对最优方案进行比较后，选择了差分方案。具体的计算和比较过程可以在计算说明中找到。

第五章保险理赔的计算

第一节高压管道经济管径的确定在设计流量一定的情况下，钢管直径与管内流量、水头损失和工程造价密切相关。管径小时，用钢量和土建工程量小，但水头损失大，更换电站的投资和年费用大。反之，选择大直径时，功率损耗小，但设计钢管用钢量和土建工程量增加。因此，管径的选择是一个技术经济比较问题。设计中应结合工程实际情况拟定几种可行的钢管直径进行技术经济比较。对于规划和初步设计阶段的项目，可利用动能经济比较导出的公式、经验公式、经济流量等方法近似得出经济直径。考虑经济因素，导出的经济直径公式为D=(kQ3/H)1/7中的K系数，取值范围为8-15。当机组运行小时数低时，钢管供水机组多，钢材贵但电价便宜，取小值，反之取大值。q——管道的平均流量，m3/s；所以K=8可以取为d=(8 1233/118.5) 1/7=5.2m。

第二节调节保护计算的任务调节保护计算的主要任务是根据水电站有压引水系统和机组的特点，选择合理的调节时间和调节，保证水锤压力和转速变化率在允许范围内；或者在给定速度变化和调整的情况下时间，计算必要的GD2。

第三节调节保护计算条件的选择计算条件主要包括以下两种情况作为计算控制条件：即：1。在设计水头下甩去全部负荷；2、在最大水头下甩满负荷。通常，最大速度增加发生在第一工况，而最大水压发生在第二工况。这两个工况作为调整保证值。这里，为了便于比较，对调节和保护的计算有深入的了解，主要选取以下工况进行计算。1.正常高水位时丢弃一台机器的额定或最大负载；2.正常高水位时丢弃一台机器的额定或最大负载；3.丢弃设计头；4.正常高水位时弃掉一台机器的一半负荷或保证电站出力；5.在设计洪水时，弃掉电站可能的重负荷；6.检查电站在洪水水位时可能的重载；7.将死水位运行管道上的最后一台机器投入有限产量。

第四节各种工况下参考流量、水头损失和水锤的计算详见本计算书第二章水电站各种工况下参考流量、水头损失和水锤的计算过程。计算结果如下表5-1、5-2和5-3所示。

第五节机组转速变化率和尾水管真空度的计算水锤和机组转速变化的检验计算一般称为调节保证计算，或简称“调节保证计算”。其主要任务是根据水电站过流系统和机组的特点，合理选择导叶开度时间和调节规律，保证水锤压力和转速变化在允许范围内。机组与电力系统断开后，负荷变为零。这时多余的能量转化为机械能，提高了单位速度。涡轮调节机构接收到转速增加后，开始关闭导叶，涡轮的参考流量逐渐减小，出力减小。

第六节调节保护计算结果分析选择水锤和调节保证计算的主要任务可以概括为：根据水电站过水系统和水轮发电机组的特点，合理选择开度时间和调节规律，计算水锤压力和机组转速的变化，使其值在允许范围内，尽可能降低水锤压力。调整时间直接影响转速变化和水锤压力。然而，调节规律仅对水锤压力有显著影响。合理调节规律是指使水锤压力输出在一定调节范围内的理想情况时间。因此，根据工程经验，水电站水头大于100m时，最大水锤压力=0.30，最大转速上升率为40%。为此，调整保护计算后选择Ts=8秒，计算结果见附表5-1、5-2和5-3。

第七节引水系统压力坡度线的绘制引水系统压力坡度线的绘制目的是为了保证引水系统中没有负压和一定的水压(2m)；为引水系统的路线和高程布置提供了理论依据。该电站引水系统的坡度线如图纸附图所示。

表5-1水电站管道系统最高和最低内部水压计算表

表5-2水电站机组速度变化率计算表

表5-3水电站尾水管真空度计算表

注：应舍弃负荷工况，Vb2/2g和Hb增加真空，所以用“+”代替。HS被代数值代替。

(未完待续，敬请关注)

(作者：薛国强，水利水运双专业高级工程师，微信官方账号主编，中国水利协会会员，中国水利工程协会会员，中国科普专家库成员)