进水口设计Word格式.docx
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特征：
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
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，承受水压及山岩压力。
要有足够的稳定性和强度。
地质条件差，山坡较陡，不易挖井的情况
3．塔式进水口
塔式进水口
进口段及闸门段及其一部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。
当地材料坝、进口处山岩较差、岸坡又比较平缓
。
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。
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
（一）有压进水口的位置
原则：
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。
（二）有压进水口高程
原则：
进水口顶部高程应低于最低死水位，并有一定的埋深；
底部高程应高于淤沙高程。
1．顶部高程：
以不出现吸气漩涡为原则（带入空气、吸入漂浮物影响正常发电）
S临界=cv
d——闸门净高（m），v——闸门断面流速（m/s），c——经验系数，0.55~0.73
S——闸门顶低于最低水位的临界淹没深度。
2．底部高程：
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，当设有冲沙设备时，应根据排沙情况而定。
（三）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，流速变化均匀，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。
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圆弧或双曲线，上唇收缩曲线一般为四分之一椭圆。
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，闸门及启闭设备在此段布置。
闸门段一般为矩形，事故闸门净过水面积为（1.1~1.25）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。
（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，其渐变段长度一般取引水道直径的1.0~1.5倍。
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（trashrack或trashscreen）
作用：
防止有害污物进入进水口，防止漂浮物进入进水口，影响过水能力。
1．作用：
2．布置：
（1）平面倾斜：
倾角一般为60~700。
过水断面大，易于清污，适用于洞式、岸墙式。
（2）平面直立：
适用塔式、坝式
（3）多边形：
增大过水面积，结构复杂，适用坝式水口。
倾斜式
直立式
3．结构：
支承结构：
一般金属框架或钢筋混凝土结构；
栅片结构：
由若干栅片组成，栅片放在支承结构的栅槽中。
经常提放（修理、清污）；
尺寸为4.5×
2.5m（高×
宽）
4．清污及防冻：
定期清污（人工、机械）
注：
拦污栅框架顶部应高出需要清污时的相应水库水位
5．设计
（1）过栅流速：
v≯1m/s
（2）栅条间距b：
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，根据水轮机的型式确定。
HL：
b=D1/30
ZL:
b=d1/20
CJ:
b=d/5
（3）拦污栅与进水口之间的距离不小于D（洞径或管道直径）
（4）设计荷载：
按4~5m水头的水压力设计。
超过4~5m时，自动停机。
（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。
1.工作闸门（事故闸门）（emergencygate）
紧急情况下切断水流，以防事故扩大。
运用要求：
动水中快速（1~2min）关闭，静水中开启。
布置方式：
一般为平板门。
一口、一门、一机（固定式卷扬起闭机），以便随时操作。
闸门操作应尽可能自动化，并能吊出检修，可远程操作。
2.检修闸门（bulkheadgate）：
设在工作闸门上游侧，检修事故闸门和及其门槽时用以堵水。
静水中启闭。
平板闸门，几个进水口共用一套检修闸门，启闭可用移动式或临时启闭设备，平时检修闸门存放在储门室内。
（三）通气孔及充水阀
1．通气孔（airhole）
位置：
有压进水口的事故闸门之后
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。
面积：
近似公式：
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。
露天式管道进水口，Va一般取30~50m/s，坝内管道和隧洞：
Va取70~80m/s。
根据工程实践经验，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（fillingvalve）
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，从而减小闸门起门力。
尺寸：
根据充水容积、下游漏水量及要求的充水时间来确定。
1）设置在坝内廊道。
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。
2）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。
第三节无压进水口及沉沙池
一、无压进水口
1．特征、适用条件、作用
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。
控制水量与水质，并保证使发电所需水量以尽可能小的水头损失进入渠道。
2．进水口位置
进水口应布置在河流弯曲段凹岸
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，以避免漂浮物、防止泥沙淤积以便于引进上层清水。
3．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。
4．拦沙、沉沙、冲沙设施
进水口应能防止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。
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（Sandbasin）
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。
1．位置：
无压进水口之后，引水道之前。
2．工作原理：
加大过水断面，减小水流的流速及其挟沙能力，使其有害泥沙沉淀在沉沙池内，将清水引入引水道。
3．设计要点：
取决于池中水流平均流速（0.25~0.7m/s）,视沙粒径而定。
长度：
考虑沉沙效果及工程造价。
进口采取分流墙、格栅等措施，使池中水流流速分布均匀，否则池中将在局部地区沉淀泥沙，而大量有害泥沙将在高速区通过沉沙池。
4．排沙方法：
水流冲沙、机械排沙。
连续冲沙：
由底部冲沙廊道进行。
定期冲沙：
关闭池后闸门，降低池中水位，向原河道冲沙。
机械排沙：
挖沙船。
第四节
引水道（Waterdiversionstructure）
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（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。
二、水电站引水渠道（channel）
水电站的引水渠道称为动力渠道（为适应负荷变化，Q、H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。
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；
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。
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。
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雍水曲线。
Q=Qmax为降水曲线。
（三）渠道和水力计算及断面尺寸
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．水力计算
（1）恒定流计算：
确定底坡、横断面尺寸。
（详见水力学）
（2）非恒定流计算
1）计算水电站丢弃负荷时渠道涌浪（最高水位），确定堤顶高程。
2）计算水电站增加负荷时渠道波（最低水位），确定压力管道进口高程（任何情况下，压力管道进口不得露出水面）
3）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。
2.渠道的断面尺寸
（1）断面型式：
一般为梯形，边坡坡度取决于地质条件和衬砌的情况。
在岩石中开凿出来的渠道边坡可近于垂直而成为矩形断面。
在选择断面型式时，应尽力满足水力最佳断面，同时要考虑施工、技术方面的要求，确定合理实用断面。
（2）断面尺寸：
1）
动能经济计算方法
决定断面尺寸时，首先要满足防冲、防淤、防草等技术条件，拟定几个可能的方案，经过动能经济比较，选出最优方案。
经过动能经济计算后，得到的渠道断面Fe称为经济断面。
渠道（F）、压力隧洞（D）、压力管道（D）的经济断面选择原则、方法相同。
基本原理：
F（D）大→C水↑→hw↓→E↑→△E↓→C火↓
F（D）小→C水↓→hw↑→E↓→△E↑→C火↑
C水+C火=Cmin→Fe（D）为经济断—动能经济比较方法。
（比较复杂，计算量大）
2）经济流速法：
初估计算时
渠道：
1.5~2.0m/s，隧洞：
4m/s左右，压力管道：
5~7m/s。
Fe=Qmax/Ve
三、发电隧洞
（一）发电隧洞类型
（1）从功用上划分：
分为引水隧洞和尾水隧洞；
（2）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
隧洞的线路选择是设计中的重要内容，关系到隧洞的造价、施工难易、施工安全、工程进度和运用可靠性等。
隧洞线路选择要和进水口、调压室、压力管道及厂房位置联系起来综合考虑，必须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。
1．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。
隧洞进出口处地形宜陡，进出口段应尽量垂直地形等高线，其洞顶围岩厚度应不小于1.0倍开挖洞径；
拟利用围岩抗力时，围岩厚度不应小于3.0倍开挖洞径；
要利用山谷等有利地形布置施工支洞。
（2）地质条件。
隧洞线路应布置在地质构造简单、山岩比较完整坚固、山坡稳定的地区，尽量避开不利的地质构造，如断层、破碎带和可能发生滑坡的不稳定地段，同时应尽量避开山岩压力很大，渗水量很大的岩层。
（3）施工条件。
对于长隧洞，洞线选择时还应考虑设置施工支洞问题，以便于增加施工工作面，有利于改善施工条件，加快施工进度。
有压隧洞要设0.3％～0.5％的纵坡，以利施工排水及放空隧洞。
（4）水力条件。
洞线尽可能直，少转弯；
必须转弯时弯曲半径一般大于5倍洞径，转角不宜大于60°
，以使水流平顺，减小水头损失。
（三）发电隧洞水力计算
（1）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。
（2）非恒定流计算：
1）求出隧洞沿线各点的最大内水压力值，据此确定隧洞衬砌的设计水头；
2）求出隧洞隧洞最小内水压力坡降线，隧洞顶各点高程应在最低压坡线之下，并有1.5～2.0m的压力余幅，以保证洞内不出现负压。
有压隧洞要避免在隧洞中出现时而无压时而有压的不稳定工作状态；
无压隧洞工作条件与渠道相似，水力计算内容也相同。
（四）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：
地质条件良好时通常为城门洞形；
洞顶和两侧围岩不稳时采用马蹄形；
洞顶岩石很不稳定时采用高拱形。
2．断面尺寸：
与渠道原理相同。
第五节
压力前池与日调节池
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）渲泄多余水量。
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1m2，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。
四、日调节池
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。
本章小结
1．水电站进水口分有压进水口和无压进水口。
有压进水口分洞式进水口、墙式进水口、塔式进水口和坝式进水口。
有压进水口的主要设备有拦污栅、工作闸门、检修闸门、通气孔和旁通阀。
应掌握各种进水口的特点及适用条件。
2.水电站引水道的功用是集中落差，形成水头，输送水流。
引水道分无压引水道和有压引水道两类。
无压引水道常用的是渠道或无压隧洞，适用于无压引水电站。
渠道布置要求、水力计算和断面设计是本章的重点也是难点。
有压引水道主要是有压隧洞，要了解其线路选择原则、水力计算特点及断面设计方法。
3.压力前池是水电站的平水建筑物，其主要作用是平稳水压、平衡水量，拦阻杂物与排除泥沙，保证下游供水。
压力前池由扩散段、池身、压力墙式进水口，有时还有溢流堰和排沙设备等。
压力前池布置应注意稳定和渗漏问题。
这也是本章重点之一。
日调节池适用于引水渠道较长，且水电站担任峰荷的水电站。
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