第六章水电站进水口提纲.doc

第六章 水电站进水口
第一节 进水口的功用和要求
进水口功用:是按负荷要求引进发电用水。
进水口应满足的要求：
    (1)、要有足够的进水能力。
    (2)、水质要符合要求。
    (3)、水头损失要小。
(4)、可控制流量。
(5)、满足水工建筑物的一般要求。
水电站进水口分为有压进水口及无压进水口两大类。
第二节 有压进水口的主要类型及适用条件
有压进水口通常由进口段、闸门段及渐变段组成。
按照它们的结构特点，有压进水口可分为以下四类。
    一、洞式进水口(Tunnel)
    洞式进水口的进口段和闸门井均从山体中开凿而成，
适用于:隧洞进口的地质条件较好、地形坡度适中的情况。
洞式进水口充分利用了岩石的作用，钢筋混凝土工程量较少，是一种既经济又安全的结构形式，因而应用广泛。

图6-1 洞式进水口
二、墙式进水口(Wall)
  适用于:洞口附近地质条件较差或地形陡峻因而不宜采用洞式进水口时。
有时可将墙式结构连同闸门槽依山做成倾斜的，称为斜卧式进水口。

图6-2 墙式进水口
三、塔式进水口(Tower)
    塔式进水口的进口段和闸门段组成一个竖立于水库边的塔式结构。
适用于:洞口附近地质条件较差或地形平缓从而不宜采用洞式进水口时。
当地材料坝的坝下涵管也常采用塔式进水口。

图6-3 塔式进水口
四、坝式进水口(Dam)
    坝式进水口的基本特征是进水口依附在坝体上，进口段和闸门段常合二为一，渐变段衔接紧凑以缩短进水口长度。
坝式进水口形状也随坝型不同而异。

图6-4 坝式进水口

第三节 有压进水口的位置、高程及轮廓尺寸
一、有压进水口的位置(Position)
   位置：应尽量使入流平顺、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。
进水口还应与其他建筑物相协调（如与洞线布置协调一致），选择地形、地质及水流条件都适宜的位置。
    二、有压进水口的高程(Elevation)
    1、低于运行中可能出现的最低水位，并有一定淹没深度。
临界淹没深度（Submerged Critical Depth）:
按戈登（J.L.Gordon）经验公式估算：

式中 d --闸门孔口高度，m；
    v --闸门断面的水流速度，m/s；
    Scr--闸门门顶低于最低水位的临界淹没深度（m），考虑风浪影响时，计算中采用的最低水位比静水位约低半个浪高；
    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。
    由于影响旋涡产生的因素很多，有些因素无法定量估算，式(6-1)只能用来初估淹没深度。根据统计，国内进水口淹没深度一般大于0.8d,个别坝式进水口淹没深度仅为0.5d。
2、在满足进水口前不产生漏斗状吸气旋涡及引水道内不产生负压的前提下，进水口高程应尽可能抬高。
可使结构承压小，减小结构尺寸，减少闸门启闭机的造价。
3、底部高程应高于设计淤积高程。
有时以上原则可能相互矛盾，需要工程上统筹考虑。

    三、有压进水口的轮廓尺寸（Dimentions）
    1、洞式、墙式及塔式进水口分三段：进口段(Inlet)、闸门段(gate)和渐变段(transition)。
2、轮廓尺寸主要取决于三个控制断面的尺寸，即拦污栅断面、闸门孔口断面和隧洞断面。
拦污栅断面：尺寸按: 过栅流速<极限值 来决定。
闸门孔口：矩形，过水断面一般为隧洞断面的1．1倍左右，高而窄。
隧洞直径：一般通过动能经济分析来决定。
   3、三段的体型：
    进口段：常为平底，上唇收缩较大。收缩曲线常为圆弧，上唇收缩曲线一般用四分之一椭圆，流速不大时可用圆弧或双曲线。进口段的长度无一定标准，在满足工程结构布置与水流顺畅的条件下，尽可能紧凑。
    闸门段：决定于闸门、门槽型式及结构的受力条件，其长度应满足闸门、启闭设备布置需要，并考虑引水道检修通道的要求。
    渐变段：由矩形到圆形的过渡段。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。渐变段长度：隧洞直径的1.5-2.0倍，侧面扩散角以6°-8°为宜。

图6-5 渐变段
坝式进水口：
轮廓尺寸原则同前，但又有其特点。
进口段与闸门段常合而为一，矩形喇叭口状，水头较高时，喇叭开口较小。进水口的中心线是水平或倾斜的，视与压力管道的连接。
上述各点均系就水电站进水口而言。抽水蓄能电站的进水口在抽水工况时成为出水口，其体型还要利于反向水流的均匀扩散，以防脱流和旋涡。
我国已建大型水电站坝式进水口特性参数
建造年代
电站名称
装机抬数
最大单机容量
(MW)
单机流量
(m3/s)
门孔尺寸
(高×宽)
（m）
底板处最大水深（m）
60～70年代
新安江
9
75
118
8.2*5.2
37.6
乌江渡
3
210
203
9*7.5
62.8
丹江口
6
150
275
10*7.5
55
龚嘴
7
100
266
8*7
34
刘家峡
4
225
258
8*7
55
80～90年代
潘家口
1
150
277
9*7.5
63.5
安康
4
200
304
9.38*7.5
57.5
龙羊峡
4
320
298
8.5*7.5
89
岩滩
4
350,302.5
695,580
14*8.2
39
大朝山
6
225
347.5
9.88*8
39
2000～
三峡
26
700
966.4
13.9*9.2
70

第四节 有压进水口的主要设备
有压进水口应根据运用条件设置拦污设备、闸门及启闭设备、通气孔以及充水阀等主要设备。
    一、拦污设备
    拦污设备（拦污栅）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带人进水口，同时不让这些漂浮物堵塞进水口，影响进水能力。
有时在离进水口几十米之外加设一道粗栅或拦污浮排，拦截粗大的漂浮物，并将其引向溢流坝，渲泄至下游。
    （一）拦污栅的布置及支承结构
    拦污栅的立面：倾斜的或垂直的。洞式及墙式进水口的拦污栅常布置为倾斜的，倾角为60°-70°左右，其优点是过水断面大，且易于清污。塔式进水口的拦污栅可布置为倾斜的或垂直的，取决于进水口的结构形状。坝式进水口的拦污栅一般为垂直的。
    拦污栅的平面：平面的或多边形的。
平面的：便于清污。
多边形的：可增大拦污栅处的过水断面。
洞式及墙式进水口一般采用平面拦污栅，塔式及坝式进水口则两种均可能采用。
拦污栅的总面积常按电站的引用流量及拟定的过栅流速反算得出。
过栅流速=引用流量/拦污栅净过水面积 ≤1.0～1.2m/s
拦污栅通常由钢筋混凝土框架结构支承。拦污栅框架由墩及横梁组成，墩侧面留槽，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。

    （二）拦污栅栅片
    拦污栅由若千块栅片组成，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，可一片片提起检修。栅片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。栅片顶部设有吊环。

图12-6 栅片结构示例
栅条厚度、宽度：强度计算决定，通常厚8-12mm，宽100-2OOmm。
栅条的净距b取决于水轮机的型号及尺寸，以保证通过拦污栅的污物不会卡在水轮机过流部件中。
HL水轮机，取b≈/30,
ZL水轮机，取b≈/20,
CJ水轮机，b≈d/5，其中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。
（三）拦污栅的清污及防冻
    拦污栅是否被污物堵塞及其堵塞程度可通过观察栅前栅后的压力差来判断，处理不当时会造成停机或压坏拦污栅的事故。
    拦污栅的清污方法:
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。
清污机:大中型水电站。
若污物中的树枝较多，可利用倒冲的方法使其脱离拦污栅.
拦污栅吊起清污方法: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、清污困难的情况。

图6-7 清污机
拦污栅封冻: 1、用冰盖。2、电加热。3、用压缩空气增加水流紊动，防止栅面结冰。4、在特别寒冷的地区，采用室内进水口（包括拦污栅），以便保温。  
    （四）拦污栅结构设计原理
    拦污栅及其支承结构的设计荷载有：水压力，清污机压力，漂浮物（漂木及浮冰等）的冲击力，清污机自重，拦污栅及支承结构自重等。
拦污栅栅片上下两端支承在横梁上，栅条相当于简支梁，由设计荷载定出所需截面尺寸。栅片的荷载传给上下两根横梁，横梁受匀布力。横梁、柱墩等按框架结构设计。

    二、闸门及启闭设备
    进水口通常设两道闸门，即事故闸门及检修闸门。
事故闸门功用：当机组或引水道内发生事故时迅速切断水流，以防事故扩大。引水道检修期间，也用以封堵水流。事故闸门能在动水中快速(1-2min)关闭，闸门开启为静水开启（）（3-5m水压差下开启）。一般为平面门。每套闸门配备一套固定的卷扬式启闭机或油压启闭机。
    检修闸门：设在事故闸门之前，在检修事故闸门及其门槽时用以堵水。一般采用静水启闭的平板门，中小型电站上也可采用迭梁。几个进水口可合用一扇检修门。几个进水口合用一台移动式的启闭机（如坝顶门机），或采用临时启闭设备均可。
    三、通气孔及充水阀
    通气孔设功用：当引水道充水时用以排气，当事故闸门关闭放空引水道时，用以补气以防出现有害的真空。
    通气孔的面积常按最大进气流量除以允许进气流速得出。最大进气流量近似等于进水口的最大引用流量。允许进气流速：露天钢管可取30-50m/s，坝内钢管及隧洞可取70-80m/s，或更高。
充水阀作用：是开启闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以便静水开启闸门。
充水阀的尺寸应根据充水容积、下游漏水量及要求充满的时间等来确定。充水阀可用旁通管、平板闸门上设“小门”。过去一些工程常不设充水阀而采用局部提升事故闸门的方法向引水道充水。这种办法容易误操作，国内外曾多次发生闸门提升过高，引水道内紊乱的气、水混流造成闸门井及通气孔向上冒水的事故。
    此外，进水口应设有可靠的测压设施，以便监视拦污栅前后的水位差，以及事故闸门、检修闸门在开启前的平压情况。

第五节 无压进水口及沉沙池
（Exposed inlet and settling pool）
无压进水口一般用于无压引水式水电站，也见于低坝水库的有压引水式水电站。
特点：因水库较小，防沙、防污及防冰问题突出。
设计中要注意：
    (1)、枢纽布置：布置设有无压进水口的水力枢纽时，要合理安排拦河闸、坝的位置，尽盆维持河流原有的形态及泥沙运动规律。
    (2)、进水口位置：应布置在河流弯曲段凹岸，以避免漂浮物、防止泥沙淤积以及便于引进清水。
    (3)、拦污设施：常设粗、细两道拦污栅，可设胸墙拦阻漂木。
    (4)、拦沙、沉沙、冲沙设施：进水口应能防止粒径大于0.25mm的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。
拦沙坎：阻截推移质，然后经冲砂底孔、廊道冲至下游。
沉沙池：沉积悬移质中粒径大于0.25mm的有害泥沙，用冲砂廊道、或排砂机清除。

图6-8 无压双层进水口

    图6-9为一典型的山区多泥沙河流上引水式水电站的首部枢纽图。枯水季河水含沙极少时，拦河闸关闭以抬高水位，水流由隧洞的闸前进水口直接进人引水隧洞。洪水季则闸门全开，使挟沙洪水顺利下泄，隧洞入口闸门关闭，部分挟沙水流经引渠闸、沉沙池引渠进人沉沙池。引渠上设截沙槽，拦截和排除进人引渠的推移质泥沙。经沉沙池处理后的清水引人隧洞的汛期进水口。

图6-9 某引水式水电站的首部枢纽
沉沙池的基本原理：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，而让清水进人引水道。
沉沙池内水流平均流速一般为0.25-0.70m/s，视有害泥沙粒径而定。沉沙池的过水断面和长度要通过专门计算及试验来确定。
    沉沙池内沉积的泥沙要及时排除。排沙方式分连续冲沙、定期冲沙及机械排沙三种。