水電站引水建筑物

《水電站》第四章水電站引水建筑物功用：集中落差，形成水頭，輸送水量到水輪機。也用作尾水渠，將發(fā)電以后的水排到下游河道。類型:

無壓引水道：渠道(channel)、無壓隧洞(freeflowtunnel)。具有自由水面，引水道承受的水壓力不大。適用于無壓引水電站。有壓引水道：有壓隧洞(pressuretunnel)。洞中水流為壓力流，隧洞承受內水壓力很大。適用有壓引水電站第一節(jié)渠道水電站的引水渠道稱為動力渠道(為適應負荷變化，Q、H在不斷變化——非恒定流)一、渠道的要求和類型1、要求：有足夠的輸水能力。按水電站的Qmax設計。水質要符合要求。渠道進口、沿線及渠道末端都要采取攔污、防沙、排沙措施。運行安全可靠防沖、防淤：渠道內水流速度：V淤<V設<V沖；對渠道加設護面，可減小糙率、防滲、防沖、防草、維護邊坡穩(wěn)定，保證電站出力；防草：維持渠道水深大于1.5m及流速大于0.6m/s；防凌：尤其是北方地區(qū)。結構經濟合理，便于施工及運行2、類型非自動調節(jié)渠道渠頂大致平行渠底，渠道的深度沿途不變，在渠道末端的壓力前池中設溢流堰。適用：引水道較長，對下游有供水要求。溢流堰作用：限制渠末水位；保證向下游供水。當水電站引用流量Q=Qmax，壓力前池水位低于堰頂；Q<Qmax,水位超過堰頂,開始溢流；Q=0時，通過渠道的全部流量泄向下游。自動調節(jié)渠道渠道首部和尾部堤頂?shù)母叱袒鞠嗤?，并高出上游最高水位，渠道斷面向下游逐漸加大，渠末不設泄水建筑物。適用：渠道不長，底坡較緩，上游水位變化不大的情況。水電站引用流量Q=0時，渠道水位是水平的，渠道不會發(fā)生漫流和棄水現(xiàn)象；Q<Qmax時為雍水曲線。Q=Qmax為降水曲線。渠道類型3、渠道的線路選擇渠線應盡量短而直，以減小水頭損失，降低造價。需轉彎時，有襯砌渠道的轉彎半徑宜不小于渠道水面寬度的2.5倍，無襯砌的土渠宜不小于水面寬度的5倍。應選擇地質條件較好的地段渠線應盡量提高，以獲得較大的落差。避免深挖高填。二、渠道的水力計算

主要任務：根據設計流量，選定斷面尺寸、糙率、縱坡、和水深。(1)恒定流計算：確定底坡、橫斷面尺寸。(2)非恒定流計算計算電站丟棄負荷時渠道涌浪(最高水位),確定堤頂高程。計算電站增加負荷時渠道涌波(最低水位)，確定壓力管道進口高程。水電站按日負荷圖工作時，渠道中水位及流速變化過程，以研究水電站的工作情況。渠道的橫斷面

與渠底中心線垂直的鉛垂平面與渠底及側壁的交線構成明渠的橫斷面。天然河道的橫斷面多為不規(guī)則形狀人工渠道的橫斷面形狀比較規(guī)則，常見的有梯形、矩形、U型，圓形、馬蹄形等。對梯形斷面過水斷面濕周水面寬度明渠均勻流的計算公式一、基本計算公式：①謝才公式基于明渠水流資料獲得的經驗公式②連續(xù)方程

1769年謝才（A.Chezy）

總結了一系列渠道水流實測資料的基礎上,提出明渠均勻流流速與流量的經驗公式－謝才公式，以后又有確定謝才系數(shù)的滿寧公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。對于明渠均勻流，A

為過水面積，則式中，為流量模數(shù)

綜合反映斷面形狀、尺寸、水深、糙率對過水能力的影響。物理意義：水力坡度為1時的流量（當i=1時，Q=K）。單位：（m3/s）謝才系數(shù)C

反映斷面形狀、尺寸和邊壁粗糙程度的一個綜合系數(shù)。常用曼寧公式計算R：水力半徑，以米（m）計n：糙率16因此，在i、n已定條件下，（1）水力最佳斷面底坡i：

根據地形條件、技術條件考慮選定糙率n：取決于渠壁材料斷面形狀和尺寸（斷面形狀和尺寸）

水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面的一般條件均勻流算公式當i、n、A=給定→minR→RmaxQ→Qmax

消去，則式中，βm

為梯形最佳斷面的寬深比

渠道的允許流速是根據渠道所擔負的生產任務(如通航、水電站引水或灌溉)，渠槽表面材料的性質，水流含沙量的多少及運行管理上的要求而確定的技術上可靠，經濟上合理的流速。

（2）允許流速保證渠道正常運行的允許流速上限和下限值1、不沖流速v’

渠道沖刷的臨界斷面平均流速，取決定于渠壁材料的物理性質和水深，可查閱有關水力設計手冊。

不淤流速v’’

渠道中懸沙淤積的臨界流速，取決于水流條件和挾沙的特性以及水中含沙量大小，可根據經驗公式確定。

由均勻流公式式中，有6個變量（含Q）（1）計算方法

明渠均勻的水力計算步驟式中，共有六個變量（含Q）邊坡系數(shù)m和糙率n

一般根據土質、或襯砌材料用經驗法確定水力計算任務給定Q、b、h、i中三個，求解另一個（2）計算類型

一類是對已建成的渠道。根據生產運行要求，進行某些必要的水力計算。如校核已成渠槽的輸水能力，即已知渠道的斷面形狀尺寸、水深、底坡、粗糙系數(shù)，求渠道能通過的流量；或者對某段渠道測定流量，計算粗糙系數(shù)。一般都可直接計算。另一類是設計新渠槽。主要有下列情況：①已知流量、斷面形狀尺寸、水深以及粗糙系數(shù)，要求確定渠道的底坡。②已知流量、底坡、粗糙系數(shù)，要求確定渠道的斷面尺寸。一般要進行試算求解。

試算求解方法：1）試算——圖解法以求正常水深為例來介紹試算法。試算法的主要內容是：假設若干個水深值，代入基本公式計算相應的流量值。若所得的值與已知流量相等，則這個相應的值即為所求，否則，繼續(xù)試算，直到算到與已知流量相等為止。在實際試算過程中，為了減少試算工作量，常常假設3～5個水深值，求出3～5個相應的流量值，這些求出的流量值必須把已知流量值包含在中間。然后，繪出曲線，利用該曲線可確定出與已知流量相對應的水深值，即在曲線上根據已知流量值對應地查出值，該值即為所求。2）查圖法由于試算法工作量大，比較繁瑣。為了簡化計算，工程中已制成了許多圖，已備查用，見附圖Ⅰ、Ⅱ。查圖法的優(yōu)點是不用內插；缺點是查曲線圖費視力，同時，因圖幅小，圖中曲線的某些部分精度差甚至查不出。因此，為保證查圖結果的可靠，一般可將查圖結果再回代檢驗。3）電算解法電算解法具有速度快，精度高，應用方便的優(yōu)點，在實際工作中正在逐步普及。電算解法根據其計算方法常用的有二分法、牛頓法、迭代法。例一電站已建引水渠為梯形斷面，m=1.5，底寬b=35m，n=0.03，i=1/6500，渠底到堤頂高程差為3.2m，電站引水流量Q=67m3/s。因工業(yè)發(fā)展需要，要求渠道供給工業(yè)用水。試計算超高0.5m條件下，除電站引用流量外,還能供給工業(yè)用水若干？b3.2超高m=1.5渠中水深過水斷面

濕周水力半徑謝才系數(shù)流量保證電站引用流量下，渠道還可提供用水量：77.4－67.0=10.4m3/s29

設計新斷面：已知Q、i、n，b、m，即已知底寬求水深h

，需試算求解將代入并整理得式中，Q、b、m、n及i已知，h為待求量。上式含h的高次隱函數(shù)，不可直接求解30渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m解

將b、i、m代入化簡計算過程

例一梯形斷面，m=1.0，漿砌石砌護n=0.025，i=1/800，b=6.0m，設計流量70m3/s，確定堤頂高度（超高0.5m）第二節(jié)隧洞一、發(fā)電隧洞類型從功用上劃分：分為引水隧洞和尾水隧洞；從工作條件劃分：分為有壓隧洞和無壓隧洞。發(fā)電引水隧洞多數(shù)是有壓的，尾水隧洞則以無壓洞居多。二、發(fā)電隧洞路線選擇綜合考慮進水口、調壓室、壓力管道以及廠房的位置，在認真勘測的基礎上擬定不同的方案，進行技術經濟比較后確定。三、隧洞布置的總原則洞線短、彎道少，沿線的工程地質、水文地質條件要好，并便于布置施工平洞。(1)地形條件好 (2)地質條件好(3)施工條件好 (4)水力條件好四、隧洞的設計水力計算1斷面尺寸2襯砌設計3水工隧洞的構造41、發(fā)電隧洞水力計算恒定流計算：研究隧洞斷面、引用流量及水頭損失之間的關系，以便確定隧洞尺寸。與渠道計算相同非恒定流計算：1)求隧洞沿線最大內水壓力，以確定襯砌設計水頭；2)求隧洞沿線最小內水壓力線，洞頂各點高程應在最低壓坡線之下，并有1.5～2.0m壓力余幅，保證洞內不出現(xiàn)負壓。有壓隧洞要避免出現(xiàn)無壓/有壓的工作狀態(tài)；無壓隧洞工作條件與渠道相似，水力計算內容也相同。2、發(fā)電隧洞的斷面尺寸1．斷面型式有壓隧洞：圓形斷面。無壓隧洞：城門洞形—地質條件良好時；

馬蹄形—洞頂和兩側圍巖不穩(wěn)時；

高拱形—洞頂巖石很不穩(wěn)定時采用。2．斷面尺寸：動能經濟比較法和經濟流速法。原理與渠道相同。隧洞照片第三節(jié)壓力前池與日調節(jié)池壓力管道進水口壓力前池廠房一、壓力前池壓力前池設置在引水渠道或無壓隧洞的末端，是水電站引水建筑物與壓力管道的連接建筑物。

1、作用：(1)平穩(wěn)水壓、平衡水量。(2)均勻分配流量。(3)渲泄多余水量。(4)攔阻污物和泥沙。2、組成：(1)前室(池身及擴散段)。(2)進水室及其設備(3)泄水建筑物。(4)放水和沖沙設備。(5)攔冰和排冰設備。壓力前池組成建筑物壓力前池組成建筑物前室(池身及擴散段)。其作用是將渠道斷面擴大并過渡到進水室所需的寬度和深度，減緩流速，便于沉沙，并形成一定容積。前室末端底板高程應比進水室底板高程低(0.5～1.0)m，形成攔沙檻。為了縮短前室漸變段長度，可在前室首部中間設分流墩。當渠道軸線與壓力管道軸線不一致時，可用平緩的連接曲線和加設導流墻。分流墩與導流墻進水室及其設備通常指壓力管道進水口部分，常采用壓力墻式進水口。進水口處應設閘門及控制設備、攔污柵、通氣孔等設施。其布置與有壓進水口相似。泄水建筑物渲泄多余水量，防止前池水位漫過堤頂，并保證向下游供水。泄水建筑物一般包括溢流堰、陡槽和消能設施。溢流堰應緊靠前池布置，形式為正堰或側堰。堰頂一般不設閘門，水位超過堰頂時自動溢流。

放水和沖沙設備。從引水渠道帶入的泥沙將在前池底部沉積，需在前池的最低處設置沖沙道，并在其末端設有控制閘門，以便定期將泥沙排至下游。沖沙道可布置在前室的一側或在進水室底板下設沖沙廊道。尺寸一般不小于1m2

。攔冰和排冰設備。排冰道只在北方嚴寒地區(qū)才設置，排冰道的底板應在前池正常水位以下，并用疊梁門進行控制。3、壓力前池的布置應結合整個引水系統(tǒng)及廠房布置進行全面和綜合考慮。前池整體布置時，應使水流平順，水頭損失最少，以提高