进水口设计

第七章水电站进水口及引水建筑物重点：水电站有压进水口的类型及适用条件、位置选择原则、高程及轮廓尺寸的拟定，及进水口设备的布置；引水渠道和有压隧洞的作用、线路选择、断面设计和水力计算方法；压力前池的作用、组成及尺寸确定。

第一节进水口的功用和要求一、功用和和基本要求1．功用：进水口是水电站水流的进口，是按照发电要求将水引入水电站的引水道。

2．基本要求(1) 要有足够的进水能力在任何工作水位下，进水口都能引进必须的流量。

因此在枢纽布置中必须合理按排进水口的位置和高程；进水口要水流平顺并有足够的断面尺寸，一般按水电站的最大引用流量Q max设计。

(2) 水质要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) 水头损失要小进水口位置要合理，进口轮廓平顺、流速较小，尽可能减小水头损失。

(4)可控制流量进水口须设置闸门，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。

(5) 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，便于运行、维护和检修。

二、类型按水流条件分，水电站进水口分为有压进水口和无压进水口两大类。

(1) 无压：类似于水闸，水流为明流，引表层水为主，适用于无压引水式电站。

(2) 有压：进水口在最低水位以下，水流为有压流，以引深层水为主。

适用于坝式、有压引水式、混合式水电站。

第二节有压进水口一、有压进水口的类型及适用条件后接有压引水道，引水库深层水为主1．隧洞式进水口隧洞式进水口特征：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。

适用：工程地质条件较好，岩体比较完整，山坡坡度适宜，易于开挖平洞和竖井的情况。

2．墙式进水口墙式进水口特征：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，不易挖井的情况3．塔式进水口塔式进水口特征：进口段及闸门段及其一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厂房、坝内式厂房和河床式厂房。

二、有压进水口的位置、高程及轮廓尺寸(一) 有压进水口的位置原则：水流平顺、对称，不发生回流和旋涡，不出现淤积，不聚集污物，泄洪时仍能正常进水。

进水口后接压力隧洞，应与洞线布置协调一致，选择地形、地质及水流条件均较好的位置。

(二) 有压进水口高程原则：进水口顶部高程应低于最低死水位，并有一定的埋深；底部高程应高于淤沙高程。

1．顶部高程：以不出现吸气漩涡为原则（带入空气、吸入漂浮物影响正常发电）S临界=cvd ——闸门净高(m)，v ——闸门断面流速(m/s)，c——经验系数，0.55~0.73S ——闸门顶低于最低水位的临界淹没深度。

2．底部高程：进水口的底部高程通常在水库设计淤沙高程以上0.5~1.0m，当设有冲沙设备时，应根据排沙情况而定。

(三) 有压进水口的轮廓尺寸进水口一般由进口段、闸门段和渐变段组成。

进水口的轮廓应使流平顺，流速变化均匀，水流与四周侧壁之间无负压及涡流。

进口流速不宜太大，一般控制在1.5m/s左右。

(1) 进口段。

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。

(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。

d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°。

(4) 坝式进水口为了适应坝体的结构要求，坝式进水口的长度要缩短，进口段与闸门段常合二为一。

坝式进水口做成矩形喇叭口状，其渐变段长度一般取引水道直径的1.0~1.5倍。

三、有压进水口的主要设备有压进水口主要设置拦污设备、闸门及其启闭设备、通气孔及充水阀等。

(一) 拦污设备(trash rack或trash screen)作用：防止有害污物进入进水口，防止漂浮物进入进水口，影响过水能力。

1．作用：防止有害污物进入进水口，防止漂浮物进入进水口，影响过水能力。

2．布置：(1) 平面倾斜：倾角一般为60~700。

过水断面大，易于清污，适用于洞式、岸墙式。

(2) 平面直立：适用塔式、坝式(3) 多边形：增大过水面积，结构复杂，适用坝式水口。

倾斜式直立式3．结构：支承结构：一般金属框架或钢筋混凝土结构；栅片结构：由若干栅片组成，栅片放在支承结构的栅槽中。

经常提放（修理、清污)；尺寸为4.5×2.5m(高×宽)4．清污及防冻：定期清污（人工、机械）注：拦污栅框架顶部应高出需要清污时的相应水库水位5．设计(1) 过栅流速：v≯1m/s(2) 栅条间距b ：b 大，拦污效果差，水头损失小，相反b 小，拦污效果好，水头损失大，根据水轮机的型式确定。

HL ：b=D1/30 ZL: b=d1/20 CJ: b=d/5(3) 拦污栅与进水口之间的距离不小于D （洞径或管道直径）(4) 设计荷载：按4~5m 水头的水压力设计。

超过4~5m 时，自动停机。

(二) 闸门及启闭设备为了控制水流，进水口必须设置闸门。

闸门可分为事故闸门和检修闸门。

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，平时检修闸门存放在储门室内。

(三) 通气孔及充水阀1．通气孔(air hole)位置：有压进水口的事故闸门之后作用：是当引水道充水时用以排气，当事故闸门紧急关闭放空引水道时，用以补气以防出现有害真空。

面积： 近似公式：式中 Q a ——空气进气量，采用引水道的最大引水流量，m 3/s ；V a ——允许进气流速m/s 。

露天式管道进水口，V a 一般取30~50m/s ，坝内管道和隧洞：V a 取70~80m/s 。

根据工程实践经验，建议发电引水道工作闸门或事故闸门后的通气孔面积可取管道面积的5%左右。

注：通气孔顶端应高出上游最高水位，以防水流溢出。

a a V Q A2．充水阀(filling valve)作用：开启闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以便在静水中开启闸门，从而减小闸门起门力。

尺寸：根据充水容积、下游漏水量及要求的充水时间来确定。

位置：1) 设置在坝内廊道。

坝式进口设旁通管，管的上游通至上游坝面，下游至事故闸门之后，旁通管穿过坝体廊道，并在廊道内设充水阀。

2)设置在平板门上。

利用闸门拉杆启闭。

闸门关闭时，在拉杆及充水阀重量的共同作用下，充水阀关闭；开启闸门前，先将拉杆吊起20cm左右，这时充水阀开启(闸门门体未提起)，开始向引水道充水，充水完毕，再提起闸门。

第三节无压进水口及沉沙池一、无压进水口1．特征、适用条件、作用特征：无压进水口内水流为明流，以引表层水为主。

进水口后一般接无压引水道。

适用：无压进水口适用于无压引水式电站。

作用：控制水量与水质，并保证使发电所需水量以尽可能小的水头损失进入渠道。

2．进水口位置进水口应布置在河流弯曲段凹岸无压进水口上游无大水库，河中流速较大(尤其是洪水期)，泥沙、污物等可顺流而下直抵进水口前。

平面上的回流作用常使漂浮物堆积于凸岸，剖面上的环流作用则将底层泥沙带向凸岸，而使上层清水流向凹岸。

因此，进水口应布置在河流弯曲段凹岸，以避免漂浮物、防止泥沙淤积以便于引进上层清水。

3．拦污设施进水口一般均设拦污栅或浮排以拦截漂浮物。

当树枝、草根等污物较多时，常设粗、细两道拦污栅，当河中漂木较多时，可设胸墙拦阻漂木。

4．拦沙、沉沙、冲沙设施进水口应能防止有害泥沙进人引水道，以免淤积引水道，降低过流能力，以及磨损水轮机转轮和过流部件。

进水口前常设拦沙坎，截住沿河底滚动的推移质泥沙，并通过冲沙底孔或廊道排至下游。

二、沉沙池(Sand basin）对于多泥沙河流，为避免大颗粒泥沙进入水轮机，通常在无压进水口后修建沉沙池。

1．位置：无压进水口之后，引水道之前。

2．工作原理：加大过水断面，减小水流的流速及其挟沙能力，使其有害泥沙沉淀在沉沙池内，将清水引入引水道。

3．设计要点：面积：取决于池中水流平均流速(0.25~0.7m/s),视沙粒径而定。

长度：考虑沉沙效果及工程造价。

进口采取分流墙、格栅等措施，使池中水流流速分布均匀，否则池中将在局部地区沉淀泥沙，而大量有害泥沙将在高速区通过沉沙池。

4．排沙方法：水流冲沙、机械排沙。

连续冲沙：由底部冲沙廊道进行。

定期冲沙：关闭池后闸门，降低池中水位，向原河道冲沙。

机械排沙：挖沙船。

第四节引水道(Water diversion structure)一、功用：集中落差，形成水头，输送水流进入机组、排走发电用水(尾水渠)。

类型:无压引水道：渠道(channel)、无压隧洞(free flow tunnel)。

具有自由水面，引水道承受的水压力不大。

适用于无压引水电站。

有压引水道：有压隧洞(pressure tunnel)。

洞中水流为压力流，隧洞承受内水压力很大。

适用有压引水电站。

二、水电站引水渠道(channel)水电站的引水渠道称为动力渠道（为适应负荷变化，Q、H在变化——非恒定流）（一) 基本要求1．有一定的输水能力。

满足水电站的引用流量，适用电站流量的变化，一般按水电站的Q max设计。

2．水质要符合要求。

渠道进口、沿线及渠末都要采取拦污、防沙、排沙措施。

3．运行安全可靠。

(1) 防冲、防淤：渠道内水流速度要小于不冲流速而大于不淤流速，即：V淤〈V设〈V冲；(2) 对渠道加设护面，减小糙率、防渗、防冲、防草、维护边坡稳定，保证电站出力；(3) 防草：渠道中长草会增大水头损失，降低过水能力，在易长草季节，维持渠道中的水深大于1.5m及流速大于0.6m/s可拟制水草的生长；(4)防凌：在严寒季节，水流中的冰凌会堵塞进水口的拦污栅，用暂时降低水电站出力，使渠道流速小于0.45m/s~0.6m/s，以迅速形成冰盖的方法可防止冰凌的生成，为了保护冰盖，渠内流速应限制在1.25m/s以下，并防止过大的水位变动。