水电站输水系统设计理论与工程实践第二章

水电站输水系统设计与工程实践

第二章水电站输水系统体型设计

第一节进水口

一、进水口功能、组成和分类

水电站进水口至少应具备如下三方面的功能：按照水电站机组引用流量的需要向输水道供水；阻止泥沙和污物进入进水口；能够中断水流。

为了满足上述功能的要求，进水口建筑物的组成一般包括：拦沙坎、拦污段、入口段、闸门段、渐变段和上部结构。对于有压输水系统，进水口还应设置充水孔和通气孔。对于含沙、挟污和冰冻河流上的进水口应设置防沙、防污和防冻等附属设施。进水口常规的固定设备一般有：拦污栅、闸门、启闭机、清污机和观测仪器。

水电站进水口型式，按照进水口位置和引水管道布置分为坝式进水口、河岸式进水口和塔式进水口三种；在各种进水口型式中，按水流条件又可分为深式进水口和开敞式进水口（包括河床式电站的坝式进水口）两类。而每一种进水口又可根据其结构特点分为不同型式，如河岸深式进水口的结构型式有岸塔式、竖井式、岸坡式等等。

（一）坝式进水口

图2-1 柘溪水电站进水口剖面图

图2-2 丹江口水电站进水口剖面图图2-3 新安江水电站进水口剖面图

图2-4 三峡水电站进水口剖面图图2-5 岩滩水电站进水口剖面图

图2-6 新丰江水电站进水口剖面图图2-7 凤滩水电站进水口剖面图

（二）河岸式进水口

图2-8 湖南镇水电站进水口剖面图图2-9 碧口水电站进水口剖面图

图2-10 鲁布革水电站进水口剖面图

（三）塔式进水口

图2-11 古田一级水电站进水口剖面图 图2-12 二滩水电站进水口剖面图

图2-13 小浪底水电站进水口剖面图

二、进水口位置选择与设置高程

坝式进水口依附于大坝，只要坝轴线选定，进水口位置就基本确定。因此，进水口位置选择是针对河岸式和塔式进水口而言的。

河岸式进水口最好能从水库、河流中直接取水。若通过引水渠取水，要求引水渠不宜太长，以减小水头损失和避免不稳定流影响；进水口应置于整体稳定的岩基上，尽量避免高边坡开挖量，以降低工程造价。直接从挾沙河流中取水的河岸式进水口，应充分利用河流弯道的环流作用，将进水口选在凹岸；在支流或山沟的汇口处，往往带来大量的推移质，在其下游选择进水口位置时，应置于其影响之外。

塔式进水口，特别是周圈径向取水的塔式进水口，所处周围地形要开阔，以利进流匀称，保证有良好的水流流态。进水塔应选在具有足够承载力的岩基上。

进水口设置高程有着上限和下限的要求。有压进水口的上限是满足最小淹没深度的要求，即在最低水位运行时，能保证进水口水流处于有压状态，不发生贯通式的漏斗漩涡。进水口设置高程的下限应考虑河流泥沙运动特征、水库淤积形态和有无排沙设施。此外，孔口太深，会增加闸门结构的复杂性，还受大容量启闭机制造水平的限制，故闸门结构及启闭机能力也是确定进水口设置高程下限的因素之一。

三、孔口最小淹没深度

进水口最小淹没深度可由下式计算：

)2222(23322221121g

V g V g V g V K S ςςς+++= (2-1) 该式的物理意义是：孔口最小淹没深度不小于进水口各项水头损失与引水道动能之和。

其中K 是不小于1.5的安全系数；g

V 221进水口后接管道均匀段的平均流速水头；1ς入口水头损失系数，圆弧形入口取0.2，抛物线形入口取0.1；2ς拦污栅水头损失系数，g

V 222栅前平均流速水头；3ς门槽水头损失系数，一般取0.1~0.2，g

V 223门槽后平均流速水头。 并且S 的最终取值不小于1m 。

更常用的是J.L.戈登公式

21CVd S = (2-2)

式中：V 孔口断面流速；d 孔口高度；C 与进水口形状有关的系数，进水口设计良好和水流对称取0.55，边界复杂和侧向进水取0.73。实际观测值往往大于计算值，其主要原因

是进水口地形边界条件影响所致，也存在计算公式不完善。

四、闸门与通气孔

水电站进水口闸门分为检修闸门和事故闸门。检修闸门是供引水建筑物及其设备正常检修时挡水之用，只能在静水中启闭；事故闸门用作意外事故之应急，允许在静水中开启，但必须在动水中快速关闭。

进水口闸门通常采用平板闸门，用作发电的进水口流速较小，对闸门槽的要求没有泄洪进水口的高。适宜的门槽宽深比为W/D=1.4~2.5，较优的宽深比为W/D=1.6~1.8。闸门槽的宽度取决于闸门的厚度和孔口尺寸，通常由金属结构专业确定。孔口通常为矩形，高度大于宽度。

通气孔紧靠事故闸门的下游侧。其作用：在有压引水道充水过程中，使引水道内空气排出，避免引水道中聚积高压空气；在放水过程中，使空气进入引水道，防止引水道内产生负压。所以通气孔是有压进水口不可缺少的组成部分。通气孔面积通常按引水道断面积的3～5％设计。

五、过栅流速与拦污栅布置

引水发电系统不允许进入污物，所以水电站必须设置拦污栅。拦污栅过流面积取决于过栅流速，而过栅流速直接涉及到清污的难易和水头损失的大小。在多污物河流上，当拦污栅淹没于水下较深或采用人工清污时，宜选取较低的过栅流速，如0.6~0.8m/s ；当拦污栅淹没于水下较浅或采用机械清污时，过栅流速可选取较大的值，如1.0~1.2m/s 。对于污物不多的河流，或允许提栅清污时，过栅流速还可适当提高。

由于栅孔流速远小于闸孔流速，栅孔面积则远大于闸孔面积，所以拦污栅的布置需要慎重处理。

六、喇叭口与渐变段

为适应水流的运动规律，进水口的入口段常作出喇叭形。其作用是使水流平稳，流速均匀增加，不发生涡流，减小水头损失。喇叭口通常按接近流线的椭圆曲线设计，即

122

22=+b

y a x (2-3) 式中a 是椭圆的长轴，其值常取（1.0~1.1）D ，D 为进水口后接引水道的直径；b 是椭圆的短轴，其值常取（1/3~1/4）D 。

喇叭口长度，可取1/4椭圆曲线，也可以小于或大于1/4椭圆曲线，由进水口型式、结构布置和闸门及其启闭机的安装要求确定。

有压引水道无论水流条件还是结构受力条件，过流断面常设计成圆形，矩形闸室与圆形引水道之间采用渐变段衔接，渐变段长度一般采用1.0~2.0倍管（洞）径。

第二节 输水隧洞

按照工程惯例，一般称上游调压室前和尾水调压室后的输水隧洞为低压隧洞，而把上