引水建筑物

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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安排进水口的位置和高程;进水口要求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Qmax设计。
中文名
引水建筑物
外文名
Diversion structures
作    用
将水引入水电站的引水道
位    置
引水系统的首部
类    别
有压进水口和无压进水口

引水建筑物进水口的功用和要求

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水电站进水口位于引水系统的首部。其功用是按照发电要求将水引入水电站的引水道。进水口应满足下述基本要求:
(1) 要有足够的进水能力
(2) 水质要符合要求
不允许有害泥沙和各种有害污物进入引水道和水轮机。因此进水口要设置拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙等设备。
(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。
由于进水口后连接的引水方式、水流流态和所处位置的不同,进水口的型式也不相同。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。

引水建筑物有压进水口

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有压进水口的特征是:进水口高程设在水库最低死水位以下,以引进深层水为主,整个进水口处于有压状态,其后接有压隧洞或压力管道。适用于坝式、有压引水式、混合式水电站。有压进水口通常由进口段、闸门段及渐变段组成。
一、有压进水口的类型及适用条件
1.隧洞式进水口
在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井,井壁一般要进行衬砌,闸门安装在竖井中,竖井的顶部布置启闭机和操纵室。渐变段之后接隧洞洞身。这种布置的优点是结构比较简单,不受风浪和冰冻的影响,地震影响也较小,比较安全可靠。缺点是竖井之前的隧洞段不便检修,竖井开挖也较困难。适用于工程地质条件较好,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
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。墙式建筑物承受水压及山岩压力,要求有足够的稳定性和强度。适用于地质条件差,山坡较陡,不易开挖竖井的情况。
3.塔式进水口
进水口的进口段、闸门段及其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,然后将水引入塔底的竖井中。塔身是直立的悬臂结构,风浪压力及地震力的影响较大,需对其进行抗倾、抗滑稳定和结构应力计算,必须有足够的强度和稳定性,同时要求地基坚固。这种进水口适用于当地材料坝枢纽中,当进口处山岩较差,而岸坡又比较平缓时也可采用这种型式。
4.坝式进水口
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。适用于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
1.有压进水口的位置
水电站有压进水口在枢纽中的位置,应尽量使水流平顺、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。
2.有压进水口的高程
有压进水口顶部高程应低于运行中可能出现的最低水位,并有一定的淹没深度,以进水口前不出现漏斗式吸气漩涡为原则。漏斗旋涡会带入空气,吸入漂浮物,引起噪音和振动,减小过水能力,影响水电站的正常发电。一些已建工程的原型观测分析表明,不出现吸气旋涡的临界淹没深度可按下面经验公式估算
(1-1)
式中 H —— 闸门孔口净高(m);
V —— 闸门断面水流速度(m/s);
c —— 经验系数,c= 0.55~0.73,对称进水时取小值,侧向进水时取大值;
—— 闸门顶低于最低水位的临界淹没深度(m)。
在满足进水口前不出现漏斗式吸气漩涡及引水道内不产生负压的前提下,进水口的高程应尽可能抬高,以改善结构的受力条件,降低闸门、启闭设备及引水道的造价,也便于进水口的维护和检修。
有压进水口底部高程应高于设计淤沙高程。如果这个要求无法满足,则应在进水口附近设排沙孔,以保证进水口不被淤沙堵塞。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,当设有排沙设施时,应根据排沙情况而定。
3.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,流速变化较小,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。其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一圆弧或双曲线,上唇收缩曲线一般为四分之一椭圆,椭圆曲线方程为:
(1-2)
式中 a —— 椭圆长半轴,对于顶板曲线约等于闸门处的孔口高度H;
b —— 椭圆短半轴,对于顶板曲线,可用 H/3。
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,闸门及启闭设备布置在此段。闸门段一般为矩形,事故闸门净过水面积为
(1.1~1.25)×隧洞面积,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。
闸门段的体型主要取决于所采用的闸门、门槽型式及结构条件,其长度应满足闸门及启闭设备布置需要,并考虑引水道检修通道的要求。
(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,水头较高时,喇叭开口较小,以减小闸门尺寸及孔口对坝体结构的影响;水头较低时,孔口开口大,以降低水头损失。喇叭口的形状一般由试验确定,以不出现负压、旋涡且水头损失最小为原则。
▲ 坝式进水口的渐变段长度一般取引水道直径的1.0~1.5倍。
进水口的中心线可以是水平的,也可以是倾斜的,视与压力管道连接的条件而定。
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
拦污设备的功用是防止漂木、 树枝树叶、杂草、垃圾、浮冰等漂浮物随水流进入进水口,同时不让这些漂浮物堵塞进水口,以免影响机组正常运行。主要拦污设备为进口处的拦污栅。
1 拦污栅的布置及支承结构
(1) 拦污栅的立面布置
拦污栅的立面布置可以是倾斜或垂直的。洞式和墙式进水口的拦污栅常布置成倾斜的,倾角为60°~70°左右。这种布置的优点是过水断面大,易于清污。 塔式进水口的拦污栅可以布置为倾斜或垂直的,取决于进水口的结构形状。坝式进水口的拦污栅一般布置成垂直的。
(2) 拦污栅的平面布置
拦污栅的平面形状可以是平面的或多边形的。前者便于清污,后者可增大过水面。洞式和墙式进水口一般采用平面拦污栅。塔式和坝式进水口两种均可采用,平面布置,结构简单,便于机械清污。
(3) 支承结构
拦污栅通常由钢筋混凝土框架结构支承,拦污栅框架由墩(柱)及横梁组成,墩(柱)侧面留槽,拦污栅片插在槽内,上、下两端分别支承在两根横梁上,承受水压时相当于简支梁。横梁的间距一般不大于4m,间距过大会加大栅片的横断面,过小会减小净过水断面,增加水头损失。拦污栅框架顶部应高出需要清污时的相应水库水位。
2 拦污栅栅片
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4m,栅片像闸门一样插在支承结构的栅槽中,必要时可一片片提起检修。其矩形边框由角钢或槽钢焊成,纵向的栅条常用扁钢制成,上下两端焊在边框上。沿栅条的长度方向,等距设置几道带有槽口的横隔板,栅条背水的一边嵌入该槽口并加焊,不仅固定了位置,也增加了侧向稳定性。栅片顶部设有吊环。
3 拦污栅设计
(1) 过栅流速
过栅流速是指扣除墩(柱)、横梁及栅条等各种阻水断面后按净面积计算出的流速。拦污栅总面积小则过栅流速大,水头损失大,漂浮物对拦污栅的撞击力大,清污亦困难;拦污栅面积大,则会增加造价,甚至布置困难。为便于清污,过栅流速以不超过1.0m/s为宜。当河流污物很少或加设了粗栅、拦污浮排后,拦污栅前污物很少,而水电站引用流量较大时,过栅流速可适当加大。
(2) 栅条的厚度及宽度及栅条净距
栅条的厚度及宽度由强度计算决定。通常厚8~12mm,宽100~200mm。栅条的净距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。因此其净距应保证通过拦污栅的污物不会卡在水轮机过流部件中。对于混流式水轮机可取b=D1/30,轴流式水轮机可取b=D1/20,对冲击式水轮机可取b=d/5,其中D1为转轮标称直径,d为喷嘴直径。但最大净距不宜超过 20cm,最小净距不宜小于5cm。
(3) 拦污栅与进水口之间的距离不小于D(洞径或管道直径)以保证水流平顺。
(4) 拦污栅的总高度决定于库水位及清污要求。对于不要求经常清污的大型水库,拦污栅框架的顶部高程可做在汛前水位以上,以便每年能有机会清理和维修拦污栅。
对漂浮物多,需要经常清污的电站,则拦污栅的顶部高程应高于清污的最高水位。
(5) 拦污栅结构设计。
拦污栅及支承结构的设计荷载有:水压力,清污机压力,清污机自重,漂浮物(浮木及浮冰等)的冲击力,拦污栅及支承结构的自重等。拦污栅设计的水压力指的是拦污栅可能堵塞情况下栅前栅后压力差,一般可取4~5m均匀水压力进行设计。
拦污栅栅片上下两端支承在横梁上,栅条相当于简支梁,设计荷载确定后就可求出所需的截面尺寸。栅片的荷载传给上下两根横梁,横梁受均布力,横梁、柱墩按框架结构设计。
4.拦污栅的清污及防冻
拦污栅被污物堵塞水头损失明显增大,因此拦污栅必须及时清污,以免造成额外的水头损失。堵塞不严重时清污方便,堵塞过多则过栅流速大,水头损失加大,污物被水压力紧压在栅条上,清污困难,有时会造成被迫停机或压坏拦污栅的事故。
清污方式有人工污和机械清污两种。人工清污是用齿耙扒掉拦污栅上的污物,一般用于小型水电站的浅水、倾斜拦污栅。大中型水电站常用清污机。
拦污栅吊起清污方法可用于污物不多的河流,结合拦污栅检修进行,也用于污物(尤其是漂浮的树枝)较多、水下清污困难的情况。这种情况下可设两道拦污栅,一道吊出清污时,另一道可以拦污,以保证水电站正常运行。
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处于水下,则水面形成冰盖后,下层水温高于0°C,栅面不会结冰。如栅条露出水面,则要设法防止栅面结冰。一种方法是在栅面上通过 50 V以下电流,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,形成自下向上的夹气水流,将下层温水带至栅面,并增加水流紊动,防止栅面结冰。
(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。
事故闸门的作用主要是当机组或引水道发生事故时,迅速切断水流,以防事故扩大。事故闸门通常悬挂于孔口上方,事故时要求在动水中快速关闭(1~2min)。闸门要求在静水中开启,即先用充水阀向门后充水,待闸门前后水压基本平衡后再开启闸门。由于引水道末端阀门会漏水,特别是水轮机导叶漏水量较大,所以事故闸门应能在3~5m水压下开启。事故闸门一般为平板门。启闭设备采用固定式卷扬启闭机或油压启闭机,每个闸门配置一套,以便随时操作闸门。闸门操作应尽可能自动化,并能吊出检修。
检修闸门设在事故闸门上游侧,当检修事故闸门及其门槽时用以堵水。检修闸门一般采用平板闸门,中小型电站也可以采用迭梁门。要求在静水中启闭,可以几个进水口共用一套检修闸门,可用移动式或临时启闭设备启闭,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
通气孔设在有压进水口的事故闸门之后,其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。若闸门为前止水布置,可利用事故闸门竖井兼作通气孔;若闸门为后止水,则必须设专门的通气孔。通气孔内设爬梯,兼作进人孔。
通气孔的面积取决于事故闸门关闭时的进气量,进气量的大小一般取引水道的最大引用流量,进气量除以允许进气流速即得通气孔的面积。即
(1-3)
式中 Qa ——空气进气量,采用引水道的最大引水流量,m3/s;
Va ——允许进气流速m/s。
允许进气流速与引水道的形式有关,对于露天式管道进水口,一般取进气流速为30~50m/s,坝内管道和隧洞取70~80m/s。
根据工程实践经验,为了简便起见,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。
通气孔顶端应高出上游最高水位,以防水流溢出。
2.充水阀
充水阀的作用是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,从而减小闸门启闭力。充水阀的尺寸可根据充水容积、下游漏水量及要求的充水时间来确定。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。
另一种方法是将充水阀设置在平板门上,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。

引水建筑物无压进水口及沉沙池

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一、无压进水口
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。无压进水口适用于无压引水式电站,起着控制水量与水质的作用,并保证使发电所需水量以尽可能小的水头损失进入渠道。
(1) 进水口位置
正确地选择进水口的位置可以使水流平顺,减少水头损失,同时还可以减轻泥沙和冰凌的危害。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。
(2) 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。
(3)拦沙、沉沙、冲沙设施。
进水口应能防止有害泥沙进入引水道,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 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。沉沙地的基本原理是加大过水断面并通过分流墙或格栅形成均匀的低速区,减小水流挟沙能力,使有害泥沙沉积在池内,而让清水进入引水道。沉沙池内水流平均流速一般为0.25 m/s~0.70m/s,视有害泥沙粒径而定。沉沙池要有足够的长度。
沉沙池内沉积的泥沙要及时排除。可采用冲沙廊道冲沙,冲沙方式分连续冲沙、定期冲沙及机械排沙三种。
定期冲沙的沉沙池,当泥沙淤积到一定深度时,关闭池后进入引水渠的闸门,打开冲沙道的闸门,降低池中水位,向原河道中冲沙。为了不影响发电,可将沉沙池作成数个并列的沉沙道,定期轮换冲沙。机械排沙是用挖泥船等排除沉积的泥沙。

引水建筑物引水道

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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、无压隧洞。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。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
水电站的引水渠道称为动力渠道(为适应负荷变化,QH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Qmax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。
4.结构经济合理,便于施工及运行。
(二) 动力渠道的类型
1.非自动调节渠道
渠顶大致平行渠底,渠道的深度沿途不变,在渠道末端的压力前池中设溢流堰。
适用:引水道较长,对下游有供水要求。
溢流堰的作用:限制渠末的水位;保证向下游供水。
当水电站引用流量Q =Qmax,压力前池水位低于堰顶;QQmax,水位超过堰顶,开始溢流;Q =0时,通过渠道的全部流量泄向下游。
2.自动调节渠道
渠道首部堤顶和尾部堤顶的高程基本相同,并高出上游最高水位,渠道断面向下游逐渐加大,渠末不设泄水建筑物。
适用:渠道不长,底坡较缓 ,上游水位变化不大的情况。
水电站引用流量Q = 0时,渠道水位是水平的,渠道不会发生漫流和弃水现象;
QQmax雍水曲线。Q =Qmax为降水曲线。

引水建筑物压力前池

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压力前池设置在引水渠道或无压隧洞的末端,是水电站无压引水建筑物与压力管道的连接建筑物。
一、压力前池的作用
(1) 平稳水压、平衡水量
减少渠道水位波动的振幅,稳定了发电水头;暂时补充不足水量和容纳多余水量,适应水轮机流量的改变。
(2) 均匀分配流量。均匀地分配流量给压力管道,管道进口设有控制闸门。
(3) 宣泄多余水量。另外当电站停机时,给下游供水。
(4) 拦阻污物和泥沙。前池设有拦污栅、拦沙、排沙及防凌设施,防止渠道中漂浮物、冰凌、有害泥沙进入压力管道,保证水轮机正常运行。
二、压力前池的组成建筑物
(1) 前室(池身及扩散段)
由扩散段和池身组成。扩散段保证水流平顺地进入前池,减少水头损失。池身的宽度和深度受高压管道进口的数量和尺寸控制,以满足进水室的要求。
(2) 进水室及其设备。压力管道进水口部分,进口处设闸门及控制设备、拦污栅、通气孔等设施。
(3) 泄水建筑物
溢水建筑物一般包括溢流堰、陡槽和消能设施。堰顶一般不设闸门,水位超过堰顶,前池内的水就自动溢流。 (4) 放水和冲沙设备 从引水渠道带来的泥沙将沉积在前室底部,因此在前室的最低处应设冲沙道,并在其末端设有控制闸门,以便定期将泥沙排至下游。冲沙道 可布置在前室的一侧或在进水室底板下作成廊道。冲沙孔的尺寸一般不小于1m,廊道的高度不小于0.6m,冲沙流速通常为2~3m/s。冲沙孔有时兼做前池的放水孔,当前池检修时用来放空存水。
(5) 拦冰和排冰设备
排冰道只有在北方严寒地区才设置,排冰道的底板应在前池正常水位以下,并用叠梁门进行控制。
三、压力前池的布置
压力前池在布置与引水道线路、压力管道、电站厂房及本身泄水建筑物等布置有密切联系。因此应根据地形、地质和运行条件,结合整个引水系统及厂房布置进行全面和综合的考虑
(1) 前池整体布置时,应使水流平顺,水头损失最少,以提高水电站的出力和电能
布置能使渠道中心线与前池中心线平行或接近平行。前室断面逐渐扩大,平面扩散角β不宜大于10。前池底部坡降的扩散角也不大于10。
(2) 前池应尽可能靠近厂房,以缩短压力管道的长度
前池中水流应均匀地向各条压力管道供水,使水流平顺,无漩涡发生。运行上应使清污、维护、管理方便,同时应使泄水与厂房尾水不发生干扰。
(2) 前池应建在天然地基的挖方中
建在填方或不稳定地基上,会由于山体滑坡和不均匀沉陷导致前池及厂房建筑物的破坏。
注:选择压力前池的位置应特别注意地基稳定与渗漏条件。

引水建筑物日调节池

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当引水渠道较长,且水电站担任峰荷时,常设日调节池。
担任峰荷的水电站一日之内的引用流量在0与Qmax之间变化,而渠道是按Qmax设计的,因此一天内的大部分时间中,渠道的过水能力得不到充分利用。另外,由于引用流量的变化,在渠道中引起水位波动。为了进行日调节,可在渠道下游合适的地方修建日调节池。它可以用人工开挖,也可用筑堤围建方法建成。
日调节池与压力前池之间的渠道按Qmax设计。而日调节池上游一段渠道按日平均流量设计,这样渠道断面可以减小。当水电站引用流量大于日平均流量时,不足水量可从日调节池中获取,日调节池中水位随之下降;当水电站引用流量小于日平均流量时,日调节池储蓄部分水量,池中水位回,这样可减少前池水位的剧烈波动。因此日调节池在一定条件下,可降低渠道的投资和改善水电站的运行条件。
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