第六章 进水口

《水电站》2014年6月图5-1丹江口水电站坝后厂房布置(a)平面布置；(b)厂房坝段剖面(b)第二篇水电站输水系统调压室水击与调节保证计算水电站压力管道水电站引水建筑物水电站进水建筑物

第一节进水口的功用和要求一、功用：是水电站水流的进口，按照发电要求将水引入水电站的引水道。发电有什么要求？二、基本要求要有足够的进水能力。合理安排其位置和高程，水流平顺并有足够的断面尺寸。可控制流量。进水口须设置闸门。水质要符合要求。要设置拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备。水头损失小。位置合理，轮廓平顺、流速较小，尽可能减小水头损失。满足水工建筑物的一般要求。三、分类(按水流条件分)无压：类似于水闸，水流为明流，引取表层水，适用于无压引水式电站。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。图6-2塔式进水口第二节有压进水口隧洞式进水口墙式进水口塔式进水口坝式进水口一、有压进水口的类型和适用条件1、隧洞式进水口特征：在岩体中开挖竖井，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。大盈江进水口3、塔式进水口特征：进口段、闸门段、渐变段及其一部框架形成一个塔式结构，耸立在水库中，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、岸坡又比较平缓图6-2塔式进水口岸塔式二滩水电站进水口4、坝式进水口特征：依附在坝体上游面，进口段和闸门段合二为一。适用：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、高程及尺寸（一）、位置1、水流平顺、对称，不发生回流和漩涡，2.不出现淤积，不聚集污物，3.泄洪时仍能正常进水。4、应与洞线布置协调一致，5、要选择地形、地质及水流条件均较好的位置。凹岸（二）、高程顶部高程(最低水位能发电)低于死水位，并有一定的埋深：2.底部高程：（避免被淤堵）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。SL285—2003《水利水电工程进水口设计规范》建议（三）、轮廓尺寸组成：进口段、闸门段、渐变段。应使水流平顺，水流与四周侧壁之间无负压及涡流。流线型满足过流能力（设计流量）：流速不宜太大，一般控制在1.5m/s左右。孔口尺寸：面积一般不宜小于后接引水道的面积。考虑闸门尺寸系列和启闭机容量。SL285—2003《水利水电工程进水口设计规范》规定，拦污栅平均过栅流速宜采用0.8～1.Om/s。1、进口段作用：连接拦污栅与闸门段。要求：满足工程结构布置与水流顺畅，尽可能紧凑。体型：平底，两侧及上唇为圆弧或双曲线收缩必要时做模型试验2、闸门段作用：布置闸门及启闭设备，连接进口段和渐变段断面：矩形面积：事故闸门净过水面积为(1.1~1.25)引水洞面积；检修闸门孔口与此相等或稍大。尺寸：门宽B=洞径D，门高H>洞径D。长度:满足设备布置。3、渐变段断面：矩形圆形隧洞。圆角过渡：圆角半径r可按直线规律变为隧洞半径R；长度：隧洞直径的1.5~2.0倍；收缩（扩散）角6˚~8°，一般不超过10°。三、有压进水口的主要设备一、拦污设备(trashrackORtrashscreen)作用：防止有害污物、漂浮物等进入进水口，影响过水能力。布置：平面倾斜：倾角一般为60-70˚。过水断面大，易于清污，适用于洞式、岸墙式。平面直立：适用塔式、坝式。多边形：适用坝式水口。图6-10

半圆形拦污栅图6-11连通式直线形拦污栅平面直立多边形（半圆形）拦污栅图片图6-10

半圆形拦污栅结构支承结构：金属框架钢筋混凝土结构；横梁、立柱栅片：栅片放在支承结构栅槽中。尺寸为4.5×2.5m(高×宽)栅条截面形状：水头损失小厚度及宽度：满足强度要求栅条间距：拦污效果好、水头损失50mm~200mm。HL：b=D1/30ZL:b=D1/20CJ:b=d/5拦污栅图片4.结构设计设计荷载：水压力（4~5m水头），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。拦污栅面积：满足引用流量和过栅流速v≯1m/s(3)结构计算：简支梁5.清污及防冻人工清污机械清污吊起清污移动式清淤机拦污栅清污机回转式清淤机VR6型拦污栅清污机清污机防冻

形成冰盖：有压进水口保证全部栅条完全淹没在冰盖底面稳定水位以下，淹没深度不小于２m，流速应大于结冰流速。通压缩空气通电二、闸门及启闭设备工作闸门(事故闸门)(emergencygate)作用：紧急情况下切断水流，运用要求：动水关闭（快速1~2min)，静水开启。闸门型式：一般为平板门布置：一口、一门、一机(固定卷扬启闭机)。检修闸门(bulkheadgate)：作用：检修事故闸门和及其门槽时堵水。运用要求：静水启闭位置:工作闸门上游侧型式：平板闸门布置：多口共用一套检修闸门和启闭设备，平时检修闸门存放在储门室内。三、通气孔及充水阀通气孔(airhole)作用：闸门关闭时补气，闸门开启时排气。位置：事故闸门之后面积=最大进气流量/允许进气流速Va。规范：通气孔面积可取管道面积的5%左右。进气流速Va

：露天式管道，Va一般取30~50m/s，坝内管道和隧洞：Va取70~80m/s。充水阀(fillingvalve)，也称平压管作用：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，从而减小启门力。位置：旁通管上平板闸门上第三节无压进水口及沉沙池一、无压进水口明流，引表层水。后接无压引水道。一、位置凹岸？凸岸？支流交汇口？靠近主槽？远离主槽？河床宽、主流分散的河段上？2.拦污设施拦污栅、浮排以拦截漂浮物。拦沙、沉沙、冲沙设施无压进水口的防沙问题比较突出二、沉沙池(Sandbasin)沉沙池布置2、沉沙池的类型按用途可以分为水利工程沉沙池和水电工程沉沙池；按运行方式可分为水力冲洗式和非冲洗式沉沙池。水力冲洗式沉沙池。水电站的沉沙池多采用连续冲洗式，水利工程沉沙池多采用定期冲洗式。连续冲洗式：将沉降下来的泥沙连续不断地排入下游河道。可布置为单室式或多室式。其构造比较复杂，但运行简单可靠，可连续供水。一般用来处理粗粒径泥沙。定期冲洗式：当淤积到一定厚度时，需要停止引水，排除泥沙，不能连续供水。非冲洗式沉沙池。多在水利工程中应用。3、连续冲洗式沉沙池的布置组成：引渠、上游连接段、工作段、下游连接段、旁侧溢流堰、排沙廊道系统。引渠。要满足设计流量范围内不同设计含沙量的正常输水要求，防止小流量引水时出现严重淤积。沿引渠可设置冲沙、泄水设施。其深度和宽度均小于沉沙池工作段的尺寸。上游连接段。使水流均匀扩散，平稳地进入池室工作段，并最大限度地减少泥沙在连接段沉降。设置有进水闸、配水、整流、拦污等设施。

为了使水流均匀地扩散，其平面布置常采用对称扩散型式，单侧扩散角不易大于8~12˚。如果采用非对称扩散，两侧扩散角之和宜小于16~24˚。

为了防止淤堵，该段应设置冲沙廊道。工作段。其主要作用是沉降泥沙，并由池底主廊道、支廊道连续冲洗。工作段的结构。冲沙系统由若干条支廊道和主廊道组成。支廊道顺水流方向布置于池底的进沙孔下，并分别汇入主廊道。沉沙池工作段内可根据池室布置，设置多个冲沙系统。廊道系统中的泥沙，利用工作段的水头冲洗。可以分成多段分别沉降和冲洗。下游连接段主要作用是使出池水流能顺畅地进入下游输水道。由于下游输水道断面小，下游连接段宜采用逐渐收缩的渐变断面。收缩角一般按水流收缩角确定。连续冲洗式沉沙池的冲沙廊道一旦堵塞，可使用下游连接段内的事故冲沙闸冲洗。因此，在该段内应设置事故冲沙闸作为备用冲沙设施。旁侧溢流堰作用是在进水口闸门操作不当或机组丢弃负荷时，宣泄进入沉沙池超过设计流量的水量，或防止沉沙池出现雍水情况。可设置在沉沙池工作段、引渠或输水道的适当部位。堰顶宽度及高程应根据宣泄流量按堰流公式确定，但堰顶宜略高于正常水位，一般高于正常水位5cm以上。冲沙廊道其顶部为带孔的水平盖板或底栅，将池室内水流(流速小)与冲沙廊道内的水流(流速大)分开。冲沙廊道内的流量是逐渐增加的，其横断面应相应增大，使冲沙廊道的流速大致为常数。冲沙廊道的进水最好设计成斜向的，以便造成横向环流，提高输沙能力。当采用正面进水时，可在冲沙廊道的侧墙及底部设置斜向的条齿，可大大增加输沙能力。1-带孔盖板；2-廊道冲沙廊道结构污物问题

泥沙问题

气锤问题

漩涡问题

冰冻问题

第四节进水口运行中存在的问题1、污物问题污物(impurity，trash)带来的问题主要是堵塞拦污栅，这是我国水电站进水口运行中最为普遍的问题。约有半数以上的进水口曾发生不程度的拦污栅堵塞。轻者，堵塞会加大拦污栅的水头损失，减少进水口的引进流量，严重者会造成栅条变形或被压断，拦污栅最大压差高达11~12米。盐锅峡水电站：汛期有大量杂物被带到坝前，年总量在3000m3以上。进水口迎水流布置，无任何额外防护设施。1964年汛期，洪峰大、污物多，停机清污十分频繁，3~5天就要清污一次。8月12日，污物来势凶猛，来不及清理，先是堵塞拦污栅，接着泥沙受阻淤积，致使栅体压差达到近7米，最终将拦污栅压垮，被迫停机600多小时，折合损失240万元。1966年~1967年两年内因停机清污所造成的损失达到1569万元。黄坛口水电站由于地形条件不好，在进水口前形成大面积回流区，并出现漏斗漩涡。洪水季节有大量污物堆积，厚度近1米，漂浮物一旦被吸入漩涡，就会被附着在拦污栅上。1961年由于拦污栅堵塞使电站出力降低4000kW，拦污栅压差达到5.4米，最终导致拦污栅压坏脱落，被迫停机。电站进水口堵塞和拦污栅被压垮的原因：进水口位置选择不当，有的顶冲主流，有的位于聚集污物的回流区，同时缺乏拦导污物的设施。对河流漂浮物的漂移规律、种类、及其数量等特征调查研究不够，防污设计一般化，缺乏专门的防污设施。缺乏与污物种类和来量相适应的清污设备。多数拦污栅没有装置监测压差的设施，没有建立正常的清污制度，贻误了时机。早期设计的拦污栅，对污物堵塞情况认识不足，压差荷载假定偏小，栅条强度不够。2、泥沙问题从已建水电站的运行情况来看，不论是低坝还是高坝进水口，凡是没有防沙设施或防沙措施不力的，都不同程度地存在着泥沙(sediment)问题，如进水口淤积、过水部件磨损、厂房管路堵塞等。即使是深孔式进水口，如果不采取有力的防沙措施，致使淤积高程高于进水孔底板高程的情况也很常见。随着淤积的发展，进入水轮机的泥沙逐渐增多，水轮机的磨损也日益加重。此外，厂房的管路堵塞还会造成厂房内的水力量测系统失灵，冷却器失效，影响机组的正常运行。盐锅峡水电站装机8台，为低坝式水电站。该电站在运行二三年后，淤积累计总量达到1.54亿m3，占总库容的71%，坝前淤积到进水口底板高程。在其设计中过高地估计了上游的水土保持效益，对库区的淤积形态估计不足，并寄希望于上游的刘家峡水电站先建并拦截泥沙，因此造成了大量泥沙过机，水轮机严重磨损，使机组效率降低2~5%，同时也降低了机械强度。因此检修次数增加、检修时间加长，检修费用加大。以4#机组为例，平均两年大修一次，平均每次大修工期为56天。刘家峡水电站位于盐锅峡水电站的上游，具有高坝大库，总库容为57亿m3。由于其上游含沙量很大的支流河的汇入，使泥沙不久即推移到坝前。设计中虽然吸取了盐锅峡的教训，左右岸均设置了排沙设施，但在实际运行中，排沙设施只能拉走部分进水口前的泥沙，1号和2号进水的泥沙无法解决，因此水轮机磨损严重。1985年以前，机组大修间隔时间为2.56年，平均大修一次为66天。1985年以后，机组大修间隔时间为1.96年，平均大修一次所需时间增加到103天。由于频繁检修，水轮机叶片不能恢复原状，使机组效率下降。原因分析：过高估计水土保持效益，以为泥沙将逐渐减少，设计中没有采取防沙措施,对泥沙问题估计不足。在防沙规划思想上，寄希望于上游高坝大库的建设，希望能拦截部分泥沙。但实际上即使上游有高坝大库，拦沙总有一定年限，迟早还是要排沙。河流泥沙帐没有算清。对泥沙来量和库区淤积形态估计不足，致使防沙设施不完全，进水口高程欠妥。进水口位置选择不当，容易造成泥沙聚集。如澄碧河水电站建在山沟出口处，又未采取防沙措施，致使进水口前泥沙淤积3~4米。三、气锤问题气锤(airdrophammer，jackhammer)，又称气浪，是压力水道中剧烈波动的压缩气体由进水口通道冲出而发出的喷水现象，喷出的水柱高达10多米，破坏力极大，影响电站的运行。在被调查的51座电站中，有21座电站不同程度地发生过气锤喷水，有的接连发生。狮子滩水电站在低水位运行时，隧洞内一声雷鸣般的巨响，水从进水口的进人孔喷出，水柱高达10米以上，将进水口附近的铁盖板冲走。盐水沟水电站，运行中闸门提得过快，洞内水流从进水口的通气管喷出，射向闸门室，门窗被冲坏，门槽上钢梁被掀起。石泉水电站先后三次发生气锤喷水，严重的一次，喷水射到下游110kV开关站，引起双母线接地，造成重大的停电事故。发生气锤的原因：