SL205水电站引水渠道与前池设计规范标准.docx
《SL205水电站引水渠道与前池设计规范标准.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SL205水电站引水渠道与前池设计规范标准.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
SL205水电站引水渠道与前池设计规范标准
ICS27.140
P59
备案号：
J762—2007
中华人民国电力行业标准
DL/T5079—2007
代替DL/T5079—1997
水电站引水渠道及前池设计规
Designspecificationsforhydropower
headraceandforebay
2007-12-03发布2008-06-01实施
中华人民国国家发展和改革委员会发布
水电站引水渠道及前池
设 计 规
条 文 说 明
第一章、
目 次
1 围47
4 总则48
5 引水渠道布置50
6 引水渠道纵坡及横断面设计58
7 前池及调节池布置设计64
8 水力设计90
第二章、
1 围
表1为国部分Ⅲ、Ⅳ等渠道引水式电站的主要特性。
由表1可见，国已建的渠道引水式电站尚无一座Ⅱ等或Ⅰ等工程。
究其原因，这类电站多建于山区，受地形条件限制难以修建大型引水渠道；在平原、丘陵地区，则因人口稠密，如占地过多，对环境及社会影响较大，也限制了大型引水渠道的修建。
我国已建的渠道引水式电站，绝大多数是装机容量等于或小于50MW的Ⅳ等以下——小
（1）型、小
（2）型水电站，故本规是针对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等水电站编制的。
表1 部分Ⅲ、Ⅳ等渠道引水式电站的主要特性
序号
电站名称
地址
电站特性
引水渠道
长度
m
引水渠道
设计流量
m3/s
装机容量
MW
设计水头
m
发电流量
m3/s
1
东西关
武胜
180
17.0
1296.0
373.26
1296.0
2
南津渡
永州
60
14.5
468.42
3991.0
480.0
3
华安
华安
60
47.0
160.0
8000.0
160.0
4
遥田
耒阳
50
11.8
466.7
1528.0
477.7
5
关脚
镇宁
48
133.5
41.5
2637.0
45.0
6
马回
蓬安
46.1
11.4
450.0
455.6
450.0
7
草坡
汶川
45
391.0
14.4
5432.0
16.0
8
磨房沟二级
冕宁
37.5
457.8
9.75
3015.0
13.65
9
帕河
30
232.0
16.0
5399.0
16.0
10
喀什二级
新疆疏附
26.4
96.0
32.16
26446.0
38.0
11
玛河三级
新疆玛纳斯
26.25
69.04
46.5
2500.0
56.0
12
西大桥
新疆阿克
26
18.5
160.0
9150.0
160.0
13
南二
南靖
25
91.0
25.0
10779.0
25.0
第三章、
4 总 则
4.0.1为编制本规，编制组对我国17个省、市、自治区的渠道引水式水电站进行了调查研究，收集了近百个水电站工程的资料，总结了不同类型工程在渠线选择和布置、渠道—前池系统的水力设计和计算、前池和引水渠道上建筑物的设计，以及不同条件下防洪、防泥沙、防污物、防渗漏、防冰等方面的经验。
开展了专题研究，将成熟的工程经验和科技成果引入规，并吸取了国外在这一领域的有益经验，用以指导水电站引水渠道和前池的设计。
4.0.2渠道引水式水电站，较坝后式、有压引水式水电站更易受到洪水、污物、渗漏以及泥沙、冰的损害。
泥沙问题在我国西北、西南地区的工程中较常见，冰冻问题则是在寒冷地区水电站冬季运行时存在。
国大量工程实践表明，设计渠道引水式水电站必须因地制宜，处理好上述五个方面的问题，使水电站得以正常运行，充分发挥工程效益。
调查中发现，某水电站引水渠线上有一处排洪渡槽设计流量偏低，1994年被洪水冲毁，引水渠道随之也被冲决，造成水电站运行中断。
污物问题在渠道引水式水电站设计上应给予足够的重视，拦污设施不仅在渠道进水口和前池是必须设置的，对渠线较长且沿途仍有可观数量的污物来源时，还应考虑在适当部位增设拦污栅，并采用适宜的清污机械，以保证水电站正常运行和减少电能损失。
在多泥沙条件下修建引水渠道式水电站，应做好防沙、排沙工程的设计，避免停机冲沙，或动用大量劳力清淤而造成经济损失。
对寒冷地区的水电站，则应按有关专业技术规的有关规定，做好导冰、排冰设施的布置和设计。
4.0.3本条指出了设计引水渠道和前池应具备的基本资料，这是设计工作的依据。
水能规划资料应包括工程的基本参数，以及水电站将投入的电网情况和对水电站运行的要求（如是否要求水电站承担事故备用），水电站的机组特性等。
条文中提到的水文、气象、地形、地质、工程建设条件、环保要求、运行条件等基本资料，其容十分广泛，基本上包括了整个水电站设计的基本资料。
但我们在前面加注了“与建筑物设计有关的”限定词，也就是说，在这些资料中，我们只需要掌握与渠道、前池建筑物设计直接有关的部分，另一部分则仅与建筑物的设计有间接关系。
因此，渠道和前池建筑物设计仅需要有水文分析、电力系统、机电、施工运行、环保及综合利用等方面的设计成果资料，而不是全部原始资料。
第四章、
5 引水渠道布置
5.1 引水渠道线路的选择
5.1.1～5.1.3线路选择是引水渠道设计的重要环节，线路选择得合理，可给施工带来方便，减少维护管理费用，提高水电站运行的可靠性和经济效益。
渠线选择，特别是地形、地质条件复杂，渠线又较长的引水渠道，除应在各设计阶段不断增加工作深度，进行优化比选工作外，在施工应根据实际情况做局部的优化调整，才能真正做出经济、合理、安全可靠的选择。
例如，1988年建成的省草坡水电站，引水渠在规划阶段渠道全长5432.44m，其中包括一段长1040m的隧洞，是以明渠为主的引水方式，后为避开不良地质条件和泥石流，修改成以隧洞为主的明渠和隧洞相结合的方式。
实践表明，水电站引水渠道采用明渠和明流隧洞（或暗渠）相结合的方式是一种常见的布置形式，并且，渠线优化工作应贯穿于整个工程的设计及建设中去。
5.2 引水渠道形式的选择
5.2.1～5.2.2 水电站引水渠道按其控制方式可分为自动调节渠道和非自动调节渠道。
当水电站甩部分或全部负荷时，渠道水位仅能升高至与水库水位齐平而不发生弃水的渠道，称为自动调节渠道；当水电站甩部分或全部负荷时，渠道的水位仅能升高至引水渠或前池溢流堰顶限制水位高程的引水渠道，称为非自动调节渠道。
实际上也可归结为设与不设泄水建筑物的差别。
泄水建筑物宜采用侧堰，也可采用虹吸式泄水道或其他形式。
侧堰是开敞式泄水建筑物，对于给定的流量，泄水时的堰上水位，就相当于该流量下机组突然甩负荷时的涌波水位。
显然，自动调节渠道能够充分利用水电站的发电水头以提高枯水期的电能效益。
引水渠道形式的合理选择要综合考虑各方面的条件，通过技术经济比较确定。
本节指明有利于选择自动调节渠道的条件。
在进行水电站规划设计时，尤其在平原、丘陵地区，应对采用自动或非自动调节渠道进行方案比较，择优选用。
省蒲阳河双柏水电站，地处平原、丘陵地区，设计水头为10.5m，装机容量为2×5MW，机组引用流量为2×60.8m3/s，引水渠道总长1106.5m，底宽10.2m，边坡为1:
1，底坡为1/3000。
设计时，对自动调节渠道和非自动调节渠道做了方案比较，认为自动调节渠道方案从投资和占地等方面均优于非自动调节渠道方案，且可增加电能效益，因此选择了自动调节渠道方案。
我国规模最大的装机容量为180MW的渠道引水式水电站——东西关水电站，其引水渠道长度为373.26m，渠道位于深50m左右的挖方地段，虽然取水河道（嘉陵江）的水位变幅大，但渠道较短，河道上的枢纽工程具有良好的调节控制能力，采用了自动调节渠道。
表2列出了国部分自动调节渠道的工程特性。
表2 国部分自动调节渠道的工程特性
工程名称
谭家堰
双柏
红石桥
永久
晨光
301
遥田
南津渡
沉江
渡
地址
省
都江
堰市
省
都江
堰市
省
县
黑龙
江省
汤原县
黑龙
江省
依蓝县
省
安图县
省
耒阳市
省
永州市
省城
步县
电
站
装机
容量
MW
2×5.0
2×5.0
2×
10.0
2×2.5
5×2.5
3×3.0
4×12.5
3×
20.0
3×
3.2
设计
水头
m
12.2
10.5
19.3
6.2
6.2
27
11.8
14.5
30.5
设计
流量
m3/s
2×
55.7
2×
60.8
2×
62.49
2×
53.5
5×
53.5
3×
13.29
466.7
468.42
37.8
表2（续）
工程名称
谭家堰
双柏
红石桥
永久
晨光
301
遥田
南津渡
沉江
渡
地址
省
都江
堰市
省
都江
堰市
省
县
黑龙
江省
汤原县
黑龙
江省
依蓝县
省
安图县
省
耒阳市
省
永州市
省城
步县
引
水
渠
道
渠长
m
1080
1106.5
1837
3700
2737
228
1528
3991
639
底宽
m
9.0
10.2
10
26.5
44
6
60
48.5
3.0
边坡
系数
1:
1
1:
1
1:
2
2
2
1:
1.5
1:
2
1:
1.5
底坡
1/2000
1/3000
1/3000
1/7500
1/
10000
2.55/
1000
1/4222
1/
12000
1/
6000
设计
流量
m3/s
143
149.3
131
107
260
39
477.7
480
37.8
设计
水深
m
4.2
4.58
4.2
3.68
3.42
5.6
5.0
5.9
4.4
衬砌
形式
混凝土
抹面
混凝土
抹面
土渠
土渠
混凝土
块衬护
混凝土
块衬护
混凝土
衬砌
混凝
土块
衬护
非自动调节渠道多用于山区引水式水电站，这是因为傍山开挖修建引水渠道，无论从工程量还是从安全运行方面考虑，都适宜于修建带有泄水建筑物的非自动调节渠道。
当引水渠道长，采用自动调节形式又不经济时，采用自动调节与非自动调节相结合的渠道，允许前池水位有一定的抬高可能是合理的。
为实现这一目的，要在渠道中设置泄水建筑物，其堰顶要高于引水渠道通过最大流量时的水位，这种情况下引水渠道分成两段，上段可按非自动调节方式设计，而泄水建筑物下游的那一段具有自动调节渠道的性质。
这种布置在沿渠线有调节池的引水渠道布置中就能见到。
总之，渠道形式的合理选择，应结合具体工程的地形、地质、施工、运行、河流水源情况及枢纽总体布置等条件，通过技术经济比较确定。
5.3 引水渠道进水口的闸门设置
渠道进水口闸门设置的规定和要求，是根据国工程实践总结出来的。
调查表明，作为水电站引水渠道，为保证水电站的安全运行，绝大多数在进水口设有闸门，用以控制调节水流或为渠道检修提供条件，自动调节渠道和非自动调节渠道均如此。
设置闸门还具有一定的防沙、防污、防冰以及导漂等作用。
对于非自动调节渠道，还须依靠操作进水闸门来适当限制汛期进入渠道的流量。
但在5.3.3所列的情况下可不设闸门。
例如，东西关水电站，引水流量达1296m3/s，进水口位于河道凹岸，于防沙有利；渠道位于50m深的挖方地段，河床枢纽有足够的控泄能力，在引水渠道进口处未设闸门。
5.4 引水渠道及渠系建筑物的防洪
渠道引水式水电站多建于山区、丘陵地区。
对于傍山开挖的引水渠道及渠道上建筑物的防洪安全，在设计时应给予足够的重视。
引水渠道在暴雨洪水情况下，发生事故的不乏其例。
因此，对引水渠道所经沟道、坡面的暴雨径流要按一定的重现期标准进行估算，并做好防洪设计，见表5.4.1。
对于引水渠道上的重要建筑物，如大的跨沟渡槽、倒虹吸等，若发生大的事故，将对水电站运行产生很大影响时，应采用与厂房相同的防洪标准。
5.4.2是指对洪水暴涨暴落的山区河流，靠近进水口外侧的一定长度的渠段渠堤外坡的防洪问题，应根据实际情况经计算分析，确定适当的防护围和措施。
5.5 引水渠道上的建筑物布置
5.5.1～5.5.3根据调查，国非自动调节渠道上的泄水建筑物绝大多数采用侧堰（仅收集到两个采用虹吸泄水道的实例）。
侧堰是一种开敞式泄水建筑物，布置在前池或引水渠道的一侧（有时也可对称布置双侧溢流侧堰），利用天然有利地形泄水，运行安全可靠。
侧堰上通常不设闸门，可自行对引水渠道中的水位（流量）起控制与调节作用。
也有少数工程在侧堰上设置舌瓣闸门或翻板闸门，堰顶高程可适当降低，用以提高调节性能，如新疆的西大桥水电站、喀什二级水电站的侧堰上都设有舌瓣门。
侧堰位置选择要依地形、地质条件经方案比较确定。
从水力学角度来看，宜布置在前池或靠近前池处，对于控制涌波、减少水面波动是有利的，且工程布置紧凑，便于运行管理。
在所调查的40个工程实例中，大多数在一岸设一道单侧溢流侧堰，只有5例在渠道上和前池处各设一道侧堰。
渠道引水式电站多建于山区，易于布置单侧溢流侧堰。
但有的工程，如装机容量为60MW的省华安水电站，由于引水隧洞出口紧接前池，受地形条件限制，因此在前池布置了两岸对称的双侧溢流侧堰，其靠山一侧的堰后水流通过前池下部的廊道排出。
我国援建的赤道几亚毕克莫水电站，在渡槽上对称布置了双侧溢流侧堰。
根据调查资料，侧堰的水力设计条件可概括为：
1侧堰的堰顶高程略高于设计流量下水电站正常运行时的过境水流水面高程，一般高出0.1m左右，条文中给出0.1m～0.2m，供选择之用。
这样，水电站在设计条件下运行时侧堰不过水，当水电站甩负荷或进水口来流量超过机组引水流量时，侧堰溢水。
2侧堰的堰顶长度L与所在位置处的渠道水面宽（或前池水面宽）b之比L/b，在40个工程实例中，L/b=2～8的约占50％；布置在前池中的侧堰多在0.5＜L/b＜2的围；布置在渠道中的L/b值都大于2，个别最大的达13.0。
3堰上水头H（以侧堰段渠道中线水深计），40个工程实例中，H=0.5m～1.0m的占50％，小于0.5m的约占37.5％，大于1.0m的占12.5％。
可见堰上水头多在0.5m～1.0m围选用，这也是由引水渠道的断面和前池的尺寸所限定的。
侧堰溢流为非均匀变量流，过堰的单宽流量是不相等的。
对于缓流条件下的水电站引水渠道上的侧堰，过堰水流沿堰长度方向呈壅水曲线，受侧向出流角度、分速度的影响。
据典型试验资料表明，大约自堰首端算起的2/3的堰长上的过流量为全部泄量的50％，而其余堰末的1/3堰长要宣泄50％的流量。
对于设置在渠道进口或渠线上的侧堰具有这一特点，而设置在前池的侧堰，则因流速变缓，过堰流量较均匀，设计应就堰顶长L和堰上水头H做出适宜的比较和选择。
根据泄量大小、渠道规模、地形地质条件、堰后泄水消能布置，以及有时要兼顾排污、排冰等方面做综合研究，通过方案比较，达到合理、经济的要求。
5.5.4在引水渠道上的重要建筑物，如渡槽、倒虹吸以及难以避开的难工险段之前，设置必要的保护性退水建筑物是合理的。
建筑物应力求阻水作用小，操作运行方便；多泥沙的渠道宜与排沙相结合。
在省峡引渭干渠（Q=50m3/s）的98km塬边灌溉渠道上有采用无节制闸的退水闸布置的成功经验，其特点是退水闸的底板高程较所在处前后的渠底高程略低，开闸退水时下游渠道可不过水；而渠底的低下部分可以淤沙。
5.5.7泥沙对引水渠道、前池的淤积和水轮机的磨损问题，在我国较为普遍存在，特别是西北、西南地区。
泥沙防治应在渠道进水口防止和减少泥沙入渠。
对于进入渠道的泥沙（主要是推移质），则应考虑在渠道上采取排沙措施。
前池由于其断面较渠道扩大，流速降低，有利于泥沙沉积，设置排沙设施也是必要的，但不宜把前池排沙当做清除入渠泥沙的唯一措施，更不宜当做沉沙池来对待。
调查资料表明，排沙底孔难以有效地排除前池中的泥沙，有的电站常需降低水位增大流速冲沙，有的甚至被迫停机冲沙或清淤。
近年来国在引水渠道上行之有效的排沙措施有：
1涡管排沙，其布置如图1所示。
a）平面图；b）断面A-A
图1涡管布置图
涡管排沙的原理是利用置于渠底的开口的管，在过境水流切向流速的作用下，管产生螺旋式前进水流，进入管中的泥沙靠旋转水流以少量的水将其排出，其设计要点如下。
涡管与渠道水流方向的夹角（）应大于30°、小于60°，以45°～50°为宜；涡管断面为圆形，其直径D可在（1/3～1/5）h围选用（h为上游渠道水深）；开口角度=75°～90°，一般可用90°，或其开口宽度b≥（1.2～2.0）dm，dm为泥沙的最大粒径。
涡管排水流量约为来水流量的5％～15％，其排沙比可达75％～90％。
涡管排水流量Qs可用下式估算，即
（1）
式中：
A——涡管断面面积，
；
h——上游渠道水深，m；
y——管中心至开口边缘的距离，m；
——流量系数，在=30°～90°围，可采用=0.6～0.7。
排沙涡管出口应设阀门并有必要的落差，保证出流顺畅，排沙便利。
涡管排沙一般适用于渠底坡较陡的山区引水渠道，适宜排除粒径大于0.5mm的粗沙和砾石。
在我国、新疆、等有十余处工程上应用。
例如，省镇安县家砭水电站，设计流量为8m3/s，装机容量为2×1.25MW，引水渠道全长6.5km，底坡为1/2000，矩形断面底宽2.8m，水深2.4m。
1990年3月，在渠道进水口下游500m处安装一直径D=400mm的排沙涡管，仅用25min便把原沉积在涡管上游段的20m3～30m3的砂石全部排除，排出物中有粒径为40mm～50mm的卵石。
在安装排沙涡管的同时，又在前池修建了一道曲线隔沙墙，将水电站进水口与排沙闸隔开，达到撇清引水、间歇排沙的目的。
现在两项措施联合运用，汛期水量丰富时可在夜间电站降低负荷时用涡管排沙，平、枯水季节每半月用前池处的排沙闸排沙，至今运行效果良好。
2强螺旋流排沙漏斗也是利用螺旋流原理进行排沙的有效方式，用水量为来流量7％左右。
在新疆轮台县迪那河引水渠道上应用，获得排除推移质泥沙的较好效果。
第五章、
6 引水渠道纵坡及横断面设计
6.0.1在渠线选定后应进行引水渠道的纵坡及横断面设计，以确定渠底纵坡和横断面尺寸。
设计时应综合考虑渠道沿线的地形、地质条件，以及环境（如移民搬迁，占用耕地等）、施工（施工设备、条件、挖填平衡等）、运行管理等要求，通过不同方案的水力计算和相应的技术经济比较，择优选用。
6.0.2本条根据工程调查资料，给出了引水渠道纵坡的选用条件。
由表2所示的工程中可知，中低水头大流量引水渠道、自动调节渠道、清水渠道以及土渠，采用1/2000～1/12000的较缓纵坡；高水头电站的引水渠道、傍山渠道、多泥沙渠道等，采用1/500～1/2000的较陡纵坡。
当渠线较长且受地形、地质条件影响，需分段变坡时，坡度宜沿程增大，对多泥沙和输冰运行渠道这一点尤为重要，原因是可避免局部落淤或壅冰。
6.0.3本条根据国工程的实践经验，给出了不同情况下选择渠道横断面形式的适宜条件。
图2为根据工程资料点绘的宽深比b/h（即）与边坡系数m的关系。
该图表明，渠道断面形状矩形、梯形均有，以梯形居多；图中的0～m曲线反映水力最佳断面的条件，虽有少数工程采用≈0的断面形式，但多数采用窄深式断面，这说明渠道断面b/h的选择因涉及地形、地质、高边坡问题、施工条件、泥沙特征、使用条件、动能经济等方面的因素，通过计算分析和技术经济比较后，不一定选择水力最佳断面。
6.0.4～6.0.5这里给出了确定引水渠道流速的一些原则和规定。
根据国工程经验，强调了对中型水电站工程和低水头大流量的小型水电站引水渠道的设计流速合理取值的重要性，由于低水头大流量情况下发电水头对水电站出力的影响较大，因此直接关系到水头损失的渠道流速，应通过技术经济比较选定。
对小型
图2 ～m关系曲线
水电站引水渠道的设计流速，根据已有经验给出了选用值的围。
水电站引水渠道设计流速的大小，根据国94个工程的资料统计，流速小于1m/s的占20％，这些多为土渠；流速1m/s～2m/s的占60％，2m/s～2.5m/s的约占17％，流速大于2.5m/s的是个别的，这些均为衬砌渠道。
据此，本规给出了设计流速的选择围。
此外，从水力学观点来看，渠道流速大或者水流的弗劳德数
为平均流速，h为平均水深）偏大，如达0.6左右，渠水流易产生波动，且对侧堰泄流不利。
6.0.6据调查，我国已建水电站引水渠道绝大部分都用混凝土、浆砌石等材料进行了衬砌。
少数未衬砌或衬砌标准低的渠道，大都运行效果不良。
作为以发电为主的引水渠道，要求尽量减少渗漏损失，保证渠道行水的安全可靠，故本条指出应选用耐久、防渗性能好的材料进行衬砌，且应贯彻因地制宜，就地取材的原则。
6.0.8渠道超高是考虑运行中不可预见的因素，为工程安全提供储备的综合措施。
水电站引水渠道中的涌波，虽不是经常出现的，但却是不可忽略的。
这样，作为水电站引水渠道的超高值（Fb）应是引水渠道在通过设计流量时的水位之上的最大涌波高度值（）和安全超高（）之和，即
Fb=+
（2）
式中：
——设计流量下，电站突然甩全部负荷时的最大涌波高度，m；
——安全超高，m。
GB50071按照上述的原则，给出了渠顶超高的围，见表3。
表3 渠顶安全超高
最大流量
m3/s
＞50
50～10
＜10
安全超高
m
1.0以上
1.0～0.6
0.4
注：
渠的水位按最大流量时最高涌波水位计算。
根据40个工程的统计分析，超高值Fb≤0.5m的有13个，占32.5％；0.5m＜Fb≤1.0m的有16个，占40％；Fb＞1.0m的有11个，占27.5％，其中最大的为1.8m，最小的0.2m。
从调查的情况来看，各地做法不一，但有一点值得注意，那就是不少情况下未考虑甩负荷时的涌波，或者说没有按式
（2）的要求去确定Fb值。
涌波高度可由计算确定，问题在于安全超高的确定。
前联1959年《水力发电站的引水渠道》设计规给出的值如表4所示，其关于前池的设计规中给出的值和Fb的最小许可值如表5所示。
日本1986年的关于渠道的设计规认为，决定超高所考虑的因素有：
1渠道表面糙率系数的变化，由于多种原因，n值的变化幅度为0.001左右，由此作为超高应留的余地为水深的5％～7％。
2流速水头h即考虑流速水头转为静水头可能的升高值。
3考虑到渠道上建筑物及风的影响等引起的水面波动，一般为10cm～30cm，作为超高取其半波高5cm～15cm。
表4 不同条件下安全超高的值
编号
渠道种类
的数值
土渠
衬砌渠道
沥青砂浆、堆石
护面等
混凝土护面等
1
大型渠道流量大于
200m3/s
0.65～0.5
0.6～0.45
0.55～0.4
2
中型渠道流量30m3/s～
200m3/s
0.5～0.4
0.45～0.35
0.4～0.3
3
小型渠道流量小于
30m3/s
0.35～0.2
0.3～0.25
0.25～0.2
表5 不同条件下和Fb值
流量
m3/s
m
Fb
升级会员 