水电站压力前池容积研究 张豹平

水电站压力前池容积研究张豹平
摘要：中小型水电站压力前池的稳定性关系着电站的正常运营。

对已建工程前
池容积特性的统计分析发现，现有的压力前池功用微弱、相对投资较大，在技术
和经济上很不合理。

文章对水电站压力前池容积进行了研究分析，以供参考。

关键词：水电站；压力前池；容积研究
1前言
在中小型水电站的压力前池设计中，混凝土结构的稳定性对电站在运营期的
安全运营具有重大的意义。

特别是新疆地区的中小型水电站建设对地区的灌溉及
电力提供显得更为迫切。

压力前池为电站的发电提供了有效水头，保证前池的安
全性，也为下游的发电厂房的安全性提供了保障。

2 水电站压力前池设计准则
2.1要应对输排冰问题
输排冰最好的布局方式是正向排冰与正向饮水。

此种方式主要的优点在于其
排冰方向和引水方向相同，建筑物层次分明，上层安置排冰闸，下层则是进水的
通道。

对排冰闸和引水渠而言，两者的中心线同处一条直线，使水流保持平稳，
能避免在闸前发生漩涡等状况。

2.2压力前池要符合输排冰流速需求
对水电站而言，为处理好水头问题，水渠道纵坡的坡度较小，流速也处于较
小水平。

冬季来临时，渠道引水量较低。

为此，在设计过程中，引水量要比夏季小。

为满足实际要求，渠道流速应进行严格控制，不能比输冰流速下限值低。

在
设计压力前池时，排水闸应合理设定。

3前池容积的确定
压力前池容积的确定涉及许多因素。

首先，前池容积与水电站的启始运行方
式有关。

一般在水电站运行前，先打开渠道进水口闸门，引进所需的流量。

对自
动调节渠道应待水位升至一定高程后方可开机；对非自动调节渠道应待滋流堰滋
水后开机，以保持引水渠道流态的稳定。

因此，在确定前池容积时要求其容积能
满足从渠首进水闸至前池这一段内，在水电站所有机组全关的情况下突然全开一
台机组时前池水位不低于所确定的前池工作水深。

同时，由“渠道进水口一渠道引水系统一压力前池一压力管道引水系统一水力机构系统”所组成的整体是一个动态平衡系统，其水力学条件是互相联系和制约的。

因此，严格地讲，前池水位受水
轮机导叶操作来维持和控制。

负荷发生变化必然引起水轮机引用流量的变化，前
池一渠道引水系统中会产生流体瞬变问题，其中既有来自突甩负荷时前池所发生
的逆向正涌波向上游传播，波到之处，水位上升；又有来自突增负荷时前池所发
生的逆向亏水波向上游传播，波到之处水位下降的不恒定流水力现象，使得前池
容积的确定十分困难。

3.1压力前池基本容积的确定
当机组突然丢弃全部负荷时，导叶在全部关闭的过程中产生一定的剩余能量，而这部分剩余能量理论上应该等价于相应的水体能量。

根据功能守恒原理，这部
分剩余能量所作的功应等于机组转速升高即机组动能的增加。

3.2涌水波形成体积的确定
众所周知，当水电站突然丢弃全部负荷时，首先在前池末端形成逆向涌水波
并向上游传播，以至在前池末端形成最高水位。

当水电站突然丢弃全部负荷时，
产生的逆向涌水波来回传播，最终在前池末端形成最高水位，如图1所示。

图1：丢弃全部负荷时涌水波形成最高水位推求草图
4影响动水压力的因素分析
假若进水塔所处水环境条件相似，那么改变进水塔自身的哪些因素会导致动
水压力分布形态和值大小的变化。

本文通过理论分析，选取了两个重要因素进行
敏感性分析，若实际中有其他因素也可按本文思路进行验证。

4.1弹性模量
弹性模量对结构的振动频率有很大影响，其对进水塔频率和动水压力的影响
情况值得研究。

不同弹模下塔体内外动水压力合力最大值曲线变化趋势相近：水
面以下增大到一定数值后迅速折回到某一数值，然后继续呈增大趋势，至一定深
度后再次折回并在水体底部趋于某数值。

曲线整体均似两个抛物线型，第二段抛
物线峰值明显大于第一段（近水面深度），5种弹模在曲线第一次、第二次增大
折回时水位深度大致相同，折回后的最小值及最底部终值大小基本相同。

塔内外
5条曲线随着弹模的增加呈现规律变化，亦表现出非线性的不同：弹模为
2.0×1010Pa时曲线上水压的两个峰值较其他四种情况明显较大，其他四种情况曲
线的最大值也不是以弹模增大的线性比例增加，弹模的增大对曲线峰值增加的影
响越来越小；同时5条曲线折回处高度略有差异，弹模小的曲线折回深度较低一些。

分析可知，激励荷载的频率为5Hz，与计算的各工况的二阶自振频率接近，
因而动水压力曲线与塔体二阶振型类似。

弹模为2.0×1010Pa时，塔体二阶频率
5.688Hz与激励频率最为接近，易产生共振而使动水压力峰值比其他四种情况大。

4.2进水塔高度
高耸结构的高宽比对结构的抗侧刚度、整体稳定和抗倾覆能力有重要影响。

进水塔高宽比改变对动水压力的影响。

不改变上文塔体材料、横截面尺寸等基本
数据，仅改变塔体高度和水位，塔体高度取H=30m、40m、50m、60m、70m、
81m，并限制水位高度为塔体高度的90%左右，取对应水位分别为h=27.5m、
37m、46m、56m、65m、75m；则高宽比为2.21、2.95、3.69、4.42、5.16、5.97。

结束语：
压力前池容积确定时考虑的因素较多。

面对千变万化的工程实际，迄今尚无
定则。

本研究通过调研和实践证明，压力前池主要起水流的连接和过渡作用。

因此，单从调节作用的角度去考虑前池容积显然并不经济合理。

当然对高水头的水
电站，只要在地形地质允许的条件下，将前池容积作大，其调节作用还是比较明
显的。

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