水电站进水及引水建筑物

第六章水电站进水及引水建筑物第一节进水建筑物一、进水建筑物的功用和要求（一）进水建筑物的功用为发电目的专门修建的进水建筑物，称为水电站的进水口。

水电站进水口的功用：引进符合发电要求的用水。

（二）电站进水口的基本要求进水口的设计应满足下列要求：1、足够的进水能力，且水头损失小。

在任何工作水位下，进水口都能引进必须的流量。

2、水质符合要求。

不允许有害泥沙和各种污物进入引水道和水轮机。

进水口要设置拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备。

3、可控制流量。

进水口需设置闸门，以便在事故时紧急关闭，截断水流，避免事故扩大，也为引水系统的检修创造条件。

对于无压引水式电站，引用流量的大小也由进口闸门控制。

4、满足水工建筑物的一般要求。

进水口要有足够的强度、刚度和稳定性，结构简单，施工方便，造型美观，造价低廉，便于运行、检修和维护等。

二、水电站进水口的类型水电站的进水口有潜没式（有压）进水口、和开敞式（无压）进水口和虹吸式进水口。

潜没式进水口的主要特征：进水口在最低水位以下，水流为有压流，以引深层水为主，进水口后一般接有压隧洞或管道。

适用于从水位变化幅度较大的水库中取水。

坝式、有压引水式、混合式水电站一般采用。

开敞式进水口的主要特征：类似于水闸，水流为明流，引表层水为主，进水口后一般接无压引水建筑物，适用于从天然河道或水位变化不大的水库中取水，用于无压引水式电站。

虹吸式进水口是利用虹吸原理将发电用水从前池引向压力水管。

一般由进口段、驼峰段、渐变段三部分组成。

适用于水头在20~30m左右，前池水位变幅不大的无压引水式水电站，采用虹吸式进水口可简化布置，节省投资，在小型水电站中采用较多。

三、潜没式进水口（一）潜没式进水口的主要类型及适用条件潜没式进水口的主要类型主要取决于水电站的开发方式、坝型、地形地质等因素。

可分为隧洞式、压力墙式、塔式和坝式四种。

1.隧洞式进水口（竖井式）隧洞式进水口特征：在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井，井壁一般要进行衬砌，闸门安置在竖井中，竖井的顶部布置启闭机及操纵室，渐变段之后接隧洞洞身。

优点：结构简单，不受风浪、冰冻影响，地震影响小，较安全，充分利用岩石作用，钢筋混凝土工程量减小，较经济。

缺点：竖井前的隧洞段不便检修，竖井开挖也较困难。

适用：地质条件较好，岩体完整，山坡坡度适宜，易于开挖平洞和竖井的情况。

2.压力墙式进水口特征：进口段、闸门段和闸门竖井均布置在山体之外，形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物，承受水压及山岩压力。

要有足够的稳定性和强度。

适用：地质条件差，山坡较陡，不宜扩大断面和开挖竖井或因地形条件不宜采用隧洞式进水口时的情况。

压力前池中所设的压力水管进水口即属于此类型。

3.塔式进水口特征：进口段及闸门段及上部框架形成一个塔式结构，耸立在水库之中，塔顶设操纵平台和启闭机室，用工作桥与岸边或坝顶相连。

塔式进水口可一边或四周进水。

适用：当地材料坝、进口处山岩较差、岸坡又比较平缓。

4.坝式进水口特征：进水口依附在坝体的上游面上，并与坝内压力管道连接。

进口段和闸门段常合二为一，布置紧凑。

适用：混凝土重力坝的坝后式、坝内式和河床式电站。

（二）潜没式进水口的布置1.基本资料布置进水口所需要的基本资料与数据有：（1）水利枢纽的总体布置方案，进水口范围内的地形、地质资料，建筑物等级等；（2）水文气象条件、上游漂浮物的性质与来量、泥沙淤积情况、河道冰凌情况；（3）电站的运行水位与引用流量；（4）引水道的直径、长度和控制方式，水轮机特性；（5）地震烈度等。

2.潜没式进水口位置与高程（1）位置选择原则应尽量使水流平顺、对称、水头损失小、不产生回流和漩涡、不产生淤积和聚集漂浮物等现象。

同时在其他进水口通过水量或泄洪时不影响该进水口的进水量。

（2）高程选择原则：进水口顶部高程应低于最低死水位，并有一定的淹没深度；底部高程应高于淤沙高程1.0m以上。

有压进水口顶部满足不产生吸气漩涡，低于运行时的最低水位，且有一定的淹没深度。

经验表明，完全不产生漩涡是困难的，关键是不产生漏斗状吸气漩涡。

当在水电站运行中发现吸气漩涡时，则应采取措施加以消除。

例如在出现吸气漩涡的水面上加设浮排，会有良好的效果。

=cv d临界淹没深度为：S临界d ——闸门净高(m)， v ——闸门断面流速(m/s)， c——经验系数，0.55-0.73，S ——闸门顶低于最低水位的临界淹没深度。

在满足以上条件下，进水口的布置高程应尽可能高一些，以减少闸门和进口结构造价。

有压进水口的底部应高于水库的设计淤积高程1.0m以上，当设有冲沙设备时，应根据排沙情况而定。

但这一点有时却难以办到，我国不少水电站都因水库淤积而出现运行上的困难。

在可能出现淤积的水电站上，在进水口处应考虑排沙措施，防止有害的泥沙进入进水口。

3.潜没式进水口轮廓尺寸的拟定潜没式进水口沿水流方向可分为进口段、闸门段、渐变段三部分。

这三部分的尺寸及形状，主要与拦污栅断面、闸门尺寸和引水道断面有关。

进水口的轮廓就是使这三个断面能平顺的连接起来。

在保证引进发电所需流量的前提下，尽可能使水流平顺的进入引水道，使水头损失小、避免因水流脱壁而产生负压，降低工程造价和设备费用。

（1）进口段（喇叭口）作用是连接拦污栅与闸门段。

隧洞进口段为平底，两侧收缩曲线为四分之圆弧或双曲线，上唇收缩曲线一般为四分之一椭圆。

进口段的长度没有一定标准，在满足工程结构布置与水流顺畅的条件下，尽可能紧凑。

式中的a=（1.0～1.5）D（D为引水道直径）；b=（1/3～1/2）D，一般情况下，a/b=3～4。

当引水流量及流速不大时，顶板曲线也可用圆弧曲线。

圆弧半径R≥D/2。

对重要工程应根据模型试验确定进口曲线。

坝式进水口常作成矩形喇叭口形状，顶板常作成斜面以便于施工，两侧边墙的轮廓可用椭圆或圆弧等曲线。

进口流速不宜太大，一般控制在1.5m/s左右。

（2）闸门段闸门段是进口段和渐变段的连接段，闸门及启闭设备在此段布置。

闸门段一般为矩形，事故闸门净过水面积为(1.1~1.25)洞面积,检修闸门孔口与此相等或稍大。

门宽B等于洞径D，门高略大于洞径D。

（3）渐变段渐变段是矩形闸门段到圆形隧洞的过渡段。

通常采用圆角过渡，圆角半径r可按直线规律变为隧洞半径R；渐变段的长度一般为隧洞直径的1.5~2.0倍；侧面收缩角为6˚~8°为宜，一般不超过10°。

（三）潜没式进水口的主要设备潜没式进水口的主要设备有拦污设备、闸门及启闭设备、通气孔及充水阀等。

1.拦污设备(trash rack或trash screen)（1）拦污设备的作用拦污设备的功用：防止有害污物和漂浮物进入进水口，并不使污物堵塞进水口，影响过水能力，以保证闸门和机组的正常运行。

（2）拦污栅的布置及支承结构拦污栅在立面上可布置成垂直的或倾斜的。

倾斜的优点是过水断面大且易清污，倾角为60°~70°，所以广泛应用于隧洞及压力墙式进水口。

塔式及坝式进水口拦污栅一般为垂直的或接近垂直的。

倾斜式直立式拦污栅的平面形状可以是多边形（或半圆形）的也可以是平面的。

平面拦污栅的优点是便于用清污机清污，隧洞式及压力墙式进水口一般均采用平面拦污栅，而塔式和坝式进水口则两种形状均有采用。

（3）拦污栅的结构与构造拦污栅由若干块栅片组成。

每块栅片的宽度一般不超过2.5m，高度不超过4.5m。

（4）拦污栅的水头损失水流经过拦污栅的损失与过栅流速及栅条形状有关。

一般要求过栅流速不大于1.0m/s。

（5）拦污栅的清污及防冻拦污栅被污物堵塞时水头损失将加大，可通过观察栅前栅后的水位差来判明被堵塞的程度。

拦污栅堵塞时要及时清污，以免造成额外的水头损失。

堵塞不多时清污方便；清污方式有人工清污和机械清污两种。

在污物较多的河流上，若清污很困难时，可将拦污栅吊出来清污。

为使清污时水电站不停机，则可设前后两道拦污栅，一道吊出清污时，另一道可以拦污。

在严寒地区要防止拦污栅封冻。

如冬季仍能保证全部栅条完全埋在水下，则水面形成冰盖后，下层水温高于0℃，栅面不会结冰。

如栅条露出水面，则要设法防止栅条结冰。

一种办法是在栅面上通过50V以下的电压，形成回路使栅条发热；另一种方法是将压缩空气用管道通到拦污栅上游面的底部，从均匀布置的喷嘴中喷出，形成自下而上的夹气水流，将下层温水带至栅面，并增加水流的紊动，以防止栅面结冰。

这时要减少电站的引用流量，以免吸入大量气泡。

在特别寒冷地区，有时要将进水口（包括拦污栅）全部建在室内，以便保温。

2.闸门及启闭设备为控制水流，进水口必须设置闸门。

闸门可分为事故闸门（工作闸门）及检修闸门。

（1）工作闸门(事故闸门)(emergency gate)作用：紧急情况下切断水流，以防事故扩大。

运用要求：动水中快速(1～2min)关闭，静水中开启。

布置方式：一般为平板门。

一口、一门、一机(固定式卷扬起闭机)，以便随时操作。

闸门操作应尽可能自动化，并能吊出检修，可远程操作。

（2）检修闸门(bulkhead gate)作用：设在工作闸门上游侧，检修事故闸门和及其门槽时用以堵水。

运用要求：静水中启闭。

布置方式：平板闸门，几个进水口共用一套检修闸门，启闭可用移动式或临时启闭设备，平时检修闸门可存放在门库内。

引水道进行检修时，常关闭事故闸门，因为它操作方便，安全可靠，漏水量小。

3.通气孔及充水阀在进水口工作闸门之后，需设置通气孔，用来在关闭闸门时向引水管道输入空气，以填补流走水量形成的空间，从而防止引水管道发生真空时失稳；而当引水道充水时，它又起排气作用。

通气孔的布置原则是：（1）通气孔顶端应高于上游最高水位，通气孔的布置应与启闭室分开，外口应设置防护罩，并应防止冬季结冰。

（2）通气孔的内口应尽量靠近工作闸门下游面的引水道顶部，以能在任何情况下均能充分通气，减少负压。

（3）通气孔体形应平顺，避免突变，在必须转弯的部位，应具有较大的转弯半径，以减小气流阻力。

充水阀的作用是在工作闸门开启前向引水管道充水，使闸门上下游水压力基本平衡后，闸门在静水中开启。

四、开敞式（无压）进水口从枢纽组成来说，开敞式进水口可分为两种：无坝取水和有坝取水。

当进水口引水比较小时，在河流上可不建坝。

这种取水方式称为无坝取水。

如果电站的引用流量占河流流量的较大部分时，或者需要拦蓄一部分水量进行日调节时，就要在河流上建造低坝。

这种取水方式称为有坝取水，但无坝取水不能充分利用河流资源，故较少采用。

（一）开敞式进水口的位置选择无论是有坝取水还是无坝取水，进水口的位置都应尽可能选在比较稳定的河段凹岸，以防回流造成污物堆积，而且可以利用河弯处的横向环流，使进水口引进表层较清的水，而底沙则由底流带向凸岸。

还应注意避开其上游有浅滩、急滩的地点，因为它们容易搅混底沙和形成冰凌。

当无合适的稳定河段可以利用时，可采用工程措施造成人工弯道。