水电站引水建筑物

《水电站》第四章水电站引水建筑物功用：集中落差，形成水头，输送水量到水轮机。也用作尾水渠，将发电以后的水排到下游河道。类型:

无压引水道：渠道(channel)、无压隧洞(freeflowtunnel)。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(pressuretunnel)。洞中水流为压力流，隧洞承受内水压力很大。适用有压引水电站第一节渠道水电站的引水渠道称为动力渠道(为适应负荷变化，Q、H在不断变化——非恒定流)一、渠道的要求和类型1、要求：有足够的输水能力。按水电站的Qmax设计。水质要符合要求。渠道进口、沿线及渠道末端都要采取拦污、防沙、排沙措施。运行安全可靠防冲、防淤：渠道内水流速度：V淤<V设<V冲；对渠道加设护面，可减小糙率、防渗、防冲、防草、维护边坡稳定，保证电站出力；防草：维持渠道水深大于1.5m及流速大于0.6m/s；防凌：尤其是北方地区。结构经济合理，便于施工及运行2、类型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。溢流堰作用：限制渠末水位；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；Q<Qmax,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。自动调节渠道渠道首部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；Q<Qmax时为雍水曲线。Q=Qmax为降水曲线。渠道类型3、渠道的线路选择渠线应尽量短而直，以减小水头损失，降低造价。需转弯时，有衬砌渠道的转弯半径宜不小于渠道水面宽度的2.5倍，无衬砌的土渠宜不小于水面宽度的5倍。应选择地质条件较好的地段渠线应尽量提高，以获得较大的落差。避免深挖高填。二、渠道的水力计算

主要任务：根据设计流量，选定断面尺寸、糙率、纵坡、和水深。(1)恒定流计算：确定底坡、横断面尺寸。(2)非恒定流计算计算电站丢弃负荷时渠道涌浪(最高水位),确定堤顶高程。计算电站增加负荷时渠道涌波(最低水位)，确定压力管道进口高程。水电站按日负荷图工作时，渠道中水位及流速变化过程，以研究水电站的工作情况。渠道的横断面

与渠底中心线垂直的铅垂平面与渠底及侧壁的交线构成明渠的横断面。天然河道的横断面多为不规则形状人工渠道的横断面形状比较规则，常见的有梯形、矩形、U型，圆形、马蹄形等。对梯形断面过水断面湿周水面宽度明渠均匀流的计算公式一、基本计算公式：①谢才公式基于明渠水流资料获得的经验公式②连续方程

1769年谢才（A.Chezy）

总结了一系列渠道水流实测资料的基础上,提出明渠均匀流流速与流量的经验公式－谢才公式，以后又有确定谢才系数的满宁公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。对于明渠均匀流，A

为过水面积，则式中，为流量模数

综合反映断面形状、尺寸、水深、糙率对过水能力的影响。物理意义：水力坡度为1时的流量（当i=1时，Q=K）。单位：（m3/s）谢才系数C

反映断面形状、尺寸和边壁粗糙程度的一个综合系数。常用曼宁公式计算R：水力半径，以米（m）计n：糙率16因此，在i、n已定条件下，（1）水力最佳断面底坡i：

根据地形条件、技术条件考虑选定糙率n：取决于渠壁材料断面形状和尺寸（断面形状和尺寸）

水力最佳断面及允许流速水力最佳断面的一般条件均匀流算公式当i、n、A=给定→minR→RmaxQ→Qmax

消去，则式中，βm

为梯形最佳断面的宽深比

渠道的允许流速是根据渠道所担负的生产任务(如通航、水电站引水或灌溉)，渠槽表面材料的性质，水流含沙量的多少及运行管理上的要求而确定的技术上可靠，经济上合理的流速。

（2）允许流速保证渠道正常运行的允许流速上限和下限值1、不冲流速v’

渠道冲刷的临界断面平均流速，取决定于渠壁材料的物理性质和水深，可查阅有关水力设计手册。

不淤流速v’’

渠道中悬沙淤积的临界流速，取决于水流条件和挟沙的特性以及水中含沙量大小，可根据经验公式确定。

由均匀流公式式中，有6个变量（含Q）（1）计算方法

明渠均匀的水力计算步骤式中，共有六个变量（含Q）边坡系数m和糙率n

一般根据土质、或衬砌材料用经验法确定水力计算任务给定Q、b、h、i中三个，求解另一个（2）计算类型

一类是对已建成的渠道。根据生产运行要求，进行某些必要的水力计算。如校核已成渠槽的输水能力，即已知渠道的断面形状尺寸、水深、底坡、粗糙系数，求渠道能通过的流量；或者对某段渠道测定流量，计算粗糙系数。一般都可直接计算。另一类是设计新渠槽。主要有下列情况：①已知流量、断面形状尺寸、水深以及粗糙系数，要求确定渠道的底坡。②已知流量、底坡、粗糙系数，要求确定渠道的断面尺寸。一般要进行试算求解。

试算求解方法：1）试算——图解法以求正常水深为例来介绍试算法。试算法的主要内容是：假设若干个水深值，代入基本公式计算相应的流量值。若所得的值与已知流量相等，则这个相应的值即为所求，否则，继续试算，直到算到与已知流量相等为止。在实际试算过程中，为了减少试算工作量，常常假设3～5个水深值，求出3～5个相应的流量值，这些求出的流量值必须把已知流量值包含在中间。然后，绘出曲线，利用该曲线可确定出与已知流量相对应的水深值，即在曲线上根据已知流量值对应地查出值，该值即为所求。2）查图法由于试算法工作量大，比较繁琐。为了简化计算，工程中已制成了许多图，已备查用，见附图Ⅰ、Ⅱ。查图法的优点是不用内插；缺点是查曲线图费视力，同时，因图幅小，图中曲线的某些部分精度差甚至查不出。因此，为保证查图结果的可靠，一般可将查图结果再回代检验。3）电算解法电算解法具有速度快，精度高，应用方便的优点，在实际工作中正在逐步普及。电算解法根据其计算方法常用的有二分法、牛顿法、迭代法。例一电站已建引水渠为梯形断面，m=1.5，底宽b=35m，n=0.03，i=1/6500，渠底到堤顶高程差为3.2m，电站引水流量Q=67m3/s。因工业发展需要，要求渠道供给工业用水。试计算超高0.5m条件下，除电站引用流量外,还能供给工业用水若干？b3.2超高m=1.5渠中水深过水断面

湿周水力半径谢才系数流量保证电站引用流量下，渠道还可提供用水量：77.4－67.0=10.4m3/s29

设计新断面：已知Q、i、n，b、m，即已知底宽求水深h

，需试算求解将代入并整理得式中，Q、b、m、n及i已知，h为待求量。上式含h的高次隐函数，不可直接求解30渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m解

将b、i、m代入化简计算过程

例一梯形断面，m=1.0，浆砌石砌护n=0.025，i=1/800，b=6.0m，设计流量70m3/s，确定堤顶高度（超高0.5m）第二节隧洞一、发电隧洞类型从功用上划分：分为引水隧洞和尾水隧洞；从工作条件划分：分为有压隧洞和无压隧洞。发电引水隧洞多数是有压的，尾水隧洞则以无压洞居多。二、发电隧洞路线选择综合考虑进水口、调压室、压力管道以及厂房的位置，在认真勘测的基础上拟定不同的方案，进行技术经济比较后确定。三、隧洞布置的总原则洞线短、弯道少，沿线的工程地质、水文地质条件要好，并便于布置施工平洞。(1)地形条件好 (2)地质条件好(3)施工条件好 (4)水力条件好四、隧洞的设计水力计算1断面尺寸2衬砌设计3水工隧洞的构造41、发电隧洞水力计算恒定流计算：研究隧洞断面、引用流量及水头损失之间的关系，以便确定隧洞尺寸。与渠道计算相同非恒定流计算：1)求隧洞沿线最大内水压力，以确定衬砌设计水头；2)求隧洞沿线最小内水压力线，洞顶各点高程应在最低压坡线之下，并有1.5～2.0m压力余幅，保证洞内不出现负压。有压隧洞要避免出现无压/有压的工作状态；无压隧洞工作条件与渠道相似，水力计算内容也相同。2、发电隧洞的断面尺寸1．断面型式有压隧洞：圆形断面。无压隧洞：城门洞形—地质条件良好时；

马蹄形—洞顶和两侧围岩不稳时；

高拱形—洞顶岩石很不稳定时采用。2．断面尺寸：动能经济比较法和经济流速法。原理与渠道相同。隧洞照片第三节压力前池与日调节池压力管道进水口压力前池厂房一、压力前池压力前池设置在引水渠道或无压隧洞的末端，是水电站引水建筑物与压力管道的连接建筑物。

1、作用：(1)平稳水压、平衡水量。(2)均匀分配流量。(3)渲泄多余水量。(4)拦阻污物和泥沙。2、组成：(1)前室(池身及扩散段)。(2)进水室及其设备(3)泄水建筑物。(4)放水和冲沙设备。(5)拦冰和排冰设备。压力前池组成建筑物压力前池组成建筑物前室(池身及扩散段)。其作用是将渠道断面扩大并过渡到进水室所需的宽度和深度，减缓流速，便于沉沙，并形成一定容积。前室末端底板高程应比进水室底板高程低(0.5～1.0)m，形成拦沙槛。为了缩短前室渐变段长度，可在前室首部中间设分流墩。当渠道轴线与压力管道轴线不一致时，可用平缓的连接曲线和加设导流墙。分流墩与导流墙进水室及其设备通常指压力管道进水口部分，常采用压力墙式进水口。进水口处应设闸门及控制设备、拦污栅、通气孔等设施。其布置与有压进水口相似。泄水建筑物渲泄多余水量，防止前池水位漫过堤顶，并保证向下游供水。泄水建筑物一般包括溢流堰、陡槽和消能设施。溢流堰应紧靠前池布置，形式为正堰或侧堰。堰顶一般不设闸门，水位超过堰顶时自动溢流。

放水和冲沙设备。从引水渠道带入的泥沙将在前池底部沉积，需在前池的最低处设置冲沙道，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设冲沙廊道。尺寸一般不小于1m2

。拦冰和排冰设备。排冰道只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。3、压力前池的布置应结合整个引水系统及厂房布置进行全面和综合考虑。前池整体布置时，应使水流平顺，水头损失最少，以提高