第六章 進(jìn)水口

《水電站》2014年6月圖5-1丹江口水電站壩后廠(chǎng)房布置(a)平面布置；(b)廠(chǎng)房壩段剖面(b)第二篇水電站輸水系統(tǒng)調(diào)壓室水擊與調(diào)節(jié)保證計(jì)算水電站壓力管道水電站引水建筑物水電站進(jìn)水建筑物

第一節(jié)進(jìn)水口的功用和要求一、功用：是水電站水流的進(jìn)口，按照發(fā)電要求將水引入水電站的引水道。發(fā)電有什么要求？二、基本要求要有足夠的進(jìn)水能力。合理安排其位置和高程，水流平順并有足夠的斷面尺寸?？煽刂屏髁?。進(jìn)水口須設(shè)置閘門(mén)。水質(zhì)要符合要求。要設(shè)置攔污、防冰、攔沙、沉沙及沖沙設(shè)備。水頭損失小。位置合理，輪廓平順、流速較小，盡可能減小水頭損失。滿(mǎn)足水工建筑物的一般要求。三、分類(lèi)(按水流條件分)無(wú)壓：類(lèi)似于水閘，水流為明流，引取表層水，適用于無(wú)壓引水式電站。有壓：進(jìn)水口在最低水位以下，水流為有壓流，以引深層水為主。適用于壩式、有壓引水式、混合式水電站。圖6-2塔式進(jìn)水口第二節(jié)有壓進(jìn)水口隧洞式進(jìn)水口墻式進(jìn)水口塔式進(jìn)水口壩式進(jìn)水口一、有壓進(jìn)水口的類(lèi)型和適用條件1、隧洞式進(jìn)水口特征：在巖體中開(kāi)挖豎井，閘門(mén)安置在豎井中，豎井的頂部布置啟閉機(jī)及操縱室，漸變段之后接隧洞洞身。適用：工程地質(zhì)條件較好，巖體比較完整，山坡坡度適宜，易于開(kāi)挖平洞和豎井的情況2、墻式進(jìn)水口特征：進(jìn)口段、閘門(mén)段和閘門(mén)豎井均布置在山體之外，形成一個(gè)緊靠在山巖上的單獨(dú)墻式建筑物，承受水壓及山巖壓力。要有足夠的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。適用：地質(zhì)條件差，山坡較陡，不易挖井的情況。大盈江進(jìn)水口3、塔式進(jìn)水口特征：進(jìn)口段、閘門(mén)段、漸變段及其一部框架形成一個(gè)塔式結(jié)構(gòu)，聳立在水庫(kù)中，塔頂設(shè)操縱平臺(tái)和啟閉機(jī)室，用工作橋與岸邊或壩頂相連。塔式進(jìn)水口可一邊或四周進(jìn)水。適用：當(dāng)?shù)夭牧蠅?、進(jìn)口處山巖較差、岸坡又比較平緩圖6-2塔式進(jìn)水口岸塔式二灘水電站進(jìn)水口4、壩式進(jìn)水口特征：依附在壩體上游面，進(jìn)口段和閘門(mén)段合二為一。適用：壩后式廠(chǎng)房、壩內(nèi)式廠(chǎng)房和河床式廠(chǎng)房。二、有壓進(jìn)水口的位置、高程及尺寸（一）、位置1、水流平順、對(duì)稱(chēng)，不發(fā)生回流和漩渦，2.不出現(xiàn)淤積，不聚集污物，3.泄洪時(shí)仍能正常進(jìn)水。4、應(yīng)與洞線(xiàn)布置協(xié)調(diào)一致，5、要選擇地形、地質(zhì)及水流條件均較好的位置。凹岸（二）、高程頂部高程(最低水位能發(fā)電)低于死水位，并有一定的埋深：2.底部高程：（避免被淤堵）水庫(kù)設(shè)計(jì)淤沙高程

以上0.5~1.0m，當(dāng)設(shè)有沖沙設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)排沙情況而定。SL285—2003《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》建議（三）、輪廓尺寸組成：進(jìn)口段、閘門(mén)段、漸變段。應(yīng)使水流平順，水流與四周側(cè)壁之間無(wú)負(fù)壓及渦流。流線(xiàn)型滿(mǎn)足過(guò)流能力（設(shè)計(jì)流量）：流速不宜太大，一般控制在1.5m/s左右?？卓诔叽纾好娣e一般不宜小于后接引水道的面積?？紤]閘門(mén)尺寸系列和啟閉機(jī)容量。SL285—2003《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，攔污柵平均過(guò)柵流速宜采用0.8～1.Om/s。1、進(jìn)口段作用：連接攔污柵與閘門(mén)段。要求：滿(mǎn)足工程結(jié)構(gòu)布置與水流順暢，盡可能緊湊。體型：平底，兩側(cè)及上唇為圓弧或雙曲線(xiàn)收縮必要時(shí)做模型試驗(yàn)2、閘門(mén)段作用：布置閘門(mén)及啟閉設(shè)備，連接進(jìn)口段和漸變段斷面：矩形面積：事故閘門(mén)凈過(guò)水面積為(1.1~1.25)引水洞面積；檢修閘門(mén)孔口與此相等或稍大。尺寸：門(mén)寬B=洞徑D，門(mén)高H>洞徑D。長(zhǎng)度:滿(mǎn)足設(shè)備布置。3、漸變段斷面：矩形圓形隧洞。圓角過(guò)渡：圓角半徑r可按直線(xiàn)規(guī)律變?yōu)樗矶窗霃絉；長(zhǎng)度：隧洞直徑的1.5~2.0倍；收縮（擴(kuò)散）角6?~8°，一般不超過(guò)10°。三、有壓進(jìn)水口的主要設(shè)備一、攔污設(shè)備(trashrackORtrashscreen)作用：防止有害污物、漂浮物等進(jìn)入進(jìn)水口，影響過(guò)水能力。布置：平面傾斜：傾角一般為60-70?。過(guò)水?dāng)嗝娲?，易于清污，適用于洞式、岸墻式。平面直立：適用塔式、壩式。多邊形：適用壩式水口。圖6-10

半圓形攔污柵圖6-11連通式直線(xiàn)形攔污柵平面直立多邊形（半圓形）攔污柵圖片圖6-10

半圓形攔污柵結(jié)構(gòu)支承結(jié)構(gòu)：金屬框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；橫梁、立柱柵片：柵片放在支承結(jié)構(gòu)柵槽中。尺寸為4.5×2.5m(高×寬)柵條截面形狀：水頭損失小厚度及寬度：滿(mǎn)足強(qiáng)度要求柵條間距：攔污效果好、水頭損失50mm~200mm。HL：b=D1/30ZL:b=D1/20CJ:b=d/5攔污柵圖片4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)荷載：水壓力（4~5m水頭），清污機(jī)壓力，清污機(jī)自重，漂浮物(浮木及浮冰等)的沖擊力，攔污柵及支承結(jié)構(gòu)的自重等。攔污柵面積：滿(mǎn)足引用流量和過(guò)柵流速v≯1m/s(3)結(jié)構(gòu)計(jì)算：簡(jiǎn)支梁5.清污及防凍人工清污機(jī)械清污吊起清污移動(dòng)式清淤機(jī)攔污柵清污機(jī)回轉(zhuǎn)式清淤機(jī)VR6型攔污柵清污機(jī)清污機(jī)防凍

形成冰蓋：有壓進(jìn)水口保證全部柵條完全淹沒(méi)在冰蓋底面穩(wěn)定水位以下，淹沒(méi)深度不小于２m，流速應(yīng)大于結(jié)冰流速。通壓縮空氣通電二、閘門(mén)及啟閉設(shè)備工作閘門(mén)(事故閘門(mén))(emergencygate)作用：緊急情況下切斷水流，運(yùn)用要求：動(dòng)水關(guān)閉（快速1~2min)，靜水開(kāi)啟。閘門(mén)型式：一般為平板門(mén)布置：一口、一門(mén)、一機(jī)(固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī))。檢修閘門(mén)(bulkheadgate)：作用：檢修事故閘門(mén)和及其門(mén)槽時(shí)堵水。運(yùn)用要求：靜水啟閉位置:工作閘門(mén)上游側(cè)型式：平板閘門(mén)布置：多口共用一套檢修閘門(mén)和啟閉設(shè)備，平時(shí)檢修閘門(mén)存放在儲(chǔ)門(mén)室內(nèi)。三、通氣孔及充水閥通氣孔(airhole)作用：閘門(mén)關(guān)閉時(shí)補(bǔ)氣，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)排氣。位置：事故閘門(mén)之后面積=最大進(jìn)氣流量/允許進(jìn)氣流速Va。規(guī)范：通氣孔面積可取管道面積的5%左右。進(jìn)氣流速Va

：露天式管道，Va一般取30~50m/s，壩內(nèi)管道和隧洞：Va取70~80m/s。充水閥(fillingvalve)，也稱(chēng)平壓管作用：開(kāi)啟閘門(mén)前向引水道充水，平衡閘門(mén)前后水壓，以便在靜水中開(kāi)啟閘門(mén)，從而減小啟門(mén)力。位置：旁通管上平板閘門(mén)上第三節(jié)無(wú)壓進(jìn)水口及沉沙池一、無(wú)壓進(jìn)水口明流，引表層水。后接無(wú)壓引水道。一、位置凹岸？凸岸？支流交匯口？靠近主槽？遠(yuǎn)離主槽？河床寬、主流分散的河段上？2.攔污設(shè)施攔污柵、浮排以攔截漂浮物。攔沙、沉沙、沖沙設(shè)施無(wú)壓進(jìn)水口的防沙問(wèn)題比較突出二、沉沙池(Sandbasin)沉沙池布置2、沉沙池的類(lèi)型按用途可以分為水利工程沉沙池和水電工程沉沙池；按運(yùn)行方式可分為水力沖洗式和非沖洗式沉沙池。水力沖洗式沉沙池。水電站的沉沙池多采用連續(xù)沖洗式，水利工程沉沙池多采用定期沖洗式。連續(xù)沖洗式：將沉降下來(lái)的泥沙連續(xù)不斷地排入下游河道?？刹贾脼閱问沂交蚨嗍沂健Ｆ錁?gòu)造比較復(fù)雜，但運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，可連續(xù)供水。一般用來(lái)處理粗粒徑泥沙。定期沖洗式：當(dāng)淤積到一定厚度時(shí)，需要停止引水，排除泥沙，不能連續(xù)供水。非沖洗式沉沙池。多在水利工程中應(yīng)用。3、連續(xù)沖洗式沉沙池的布置組成：引渠、上游連接段、工作段、下游連接段、旁側(cè)溢流堰、排沙廊道系統(tǒng)。引渠。要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)不同設(shè)計(jì)含沙量的正常輸水要求，防止小流量引水時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重淤積。沿引渠可設(shè)置沖沙、泄水設(shè)施。其深度和寬度均小于沉沙池工作段的尺寸。上游連接段。使水流均勻擴(kuò)散，平穩(wěn)地進(jìn)入池室工作段，并最大限度地減少泥沙在連接段沉降。設(shè)置有進(jìn)水閘、配水、整流、攔污等設(shè)施。

為了使水流均勻地?cái)U(kuò)散，其平面布置常采用對(duì)稱(chēng)擴(kuò)散型式，單側(cè)擴(kuò)散角不易大于8~12?。如果采用非對(duì)稱(chēng)擴(kuò)散，兩側(cè)擴(kuò)散角之和宜小于16~24?。

為了防止淤堵，該段應(yīng)設(shè)置沖沙廊道。工作段。其主要作用是沉降泥沙，并由池底主廊道、支廊道連續(xù)沖洗。工作段的結(jié)構(gòu)。沖沙系統(tǒng)由若干條支廊道和主廊道組成。支廊道順?biāo)鞣较虿贾糜诔氐椎倪M(jìn)沙孔下，并分別匯入主廊道。沉沙池工作段內(nèi)可根據(jù)池室布置，設(shè)置多個(gè)沖沙系統(tǒng)。廊道系統(tǒng)中的泥沙，利用工作段的水頭沖洗?？梢苑殖啥喽畏謩e沉降和沖洗。下游連接段主要作用是使出池水流能順暢地進(jìn)入下游輸水道。由于下游輸水道斷面小，下游連接段宜采用逐漸收縮的漸變斷面。收縮角一般按水流收縮角確定。連續(xù)沖洗式沉沙池的沖沙廊道一旦堵塞，可使用下游連接段內(nèi)的事故沖沙閘沖洗。因此，在該段內(nèi)應(yīng)設(shè)置事故沖沙閘作為備用沖沙設(shè)施。旁側(cè)溢流堰作用是在進(jìn)水口閘門(mén)操作不當(dāng)或機(jī)組丟棄負(fù)荷時(shí)，宣泄進(jìn)入沉沙池超過(guò)設(shè)計(jì)流量的水量，或防止沉沙池出現(xiàn)雍水情況?？稍O(shè)置在沉沙池工作段、引渠或輸水道的適當(dāng)部位。堰頂寬度及高程應(yīng)根據(jù)宣泄流量按堰流公式確定，但堰頂宜略高于正常水位，一般高于正常水位5cm以上。沖沙廊道其頂部為帶孔的水平蓋板或底柵，將池室內(nèi)水流(流速小)與沖沙廊道內(nèi)的水流(流速大)分開(kāi)。沖沙廊道內(nèi)的流量是逐漸增加的，其橫斷面應(yīng)相應(yīng)增大，使沖沙廊道的流速大致為常數(shù)。沖沙廊道的進(jìn)水最好設(shè)計(jì)成斜向的，以便造成橫向環(huán)流，提高輸沙能力。當(dāng)采用正面進(jìn)水時(shí)，可在沖沙廊道的側(cè)墻及底部設(shè)置斜向的條齒，可大大增加輸沙能力。1-帶孔蓋板；2-廊道沖沙廊道結(jié)構(gòu)污物問(wèn)題

泥沙問(wèn)題

氣錘問(wèn)題

漩渦問(wèn)題

冰凍問(wèn)題

第四節(jié)進(jìn)水口運(yùn)行中存在的問(wèn)題1、污物問(wèn)題污物(impurity，trash)帶來(lái)的問(wèn)題主要是堵塞攔污柵，這是我國(guó)水電站進(jìn)水口運(yùn)行中最為普遍的問(wèn)題。約有半數(shù)以上的進(jìn)水口曾發(fā)生不程度的攔污柵堵塞。輕者，堵塞會(huì)加大攔污柵的水頭損失，減少進(jìn)水口的引進(jìn)流量，嚴(yán)重者會(huì)造成柵條變形或被壓斷，攔污柵最大壓差高達(dá)11~12米。鹽鍋峽水電站：汛期有大量雜物被帶到壩前，年總量在3000m3以上。進(jìn)水口迎水流布置，無(wú)任何額外防護(hù)設(shè)施。1964年汛期，洪峰大、污物多，停機(jī)清污十分頻繁，3~5天就要清污一次。8月12日，污物來(lái)勢(shì)兇猛，來(lái)不及清理，先是堵塞攔污柵，接著泥沙受阻淤積，致使柵體壓差達(dá)到近7米，最終將攔污柵壓垮，被迫停機(jī)600多小時(shí)，折合損失240萬(wàn)元。1966年~1967年兩年內(nèi)因停機(jī)清污所造成的損失達(dá)到1569萬(wàn)元。黃壇口水電站由于地形條件不好，在進(jìn)水口前形成大面積回流區(qū)，并出現(xiàn)漏斗漩渦。洪水季節(jié)有大量污物堆積，厚度近1米，漂浮物一旦被吸入漩渦，就會(huì)被附著在攔污柵上。1961年由于攔污柵堵塞使電站出力降低4000kW，攔污柵壓差達(dá)到5.4米，最終導(dǎo)致攔污柵壓壞脫落，被迫停機(jī)。電站進(jìn)水口堵塞和攔污柵被壓垮的原因：進(jìn)水口位置選擇不當(dāng)，有的頂沖主流，有的位于聚集污物的回流區(qū)，同時(shí)缺乏攔導(dǎo)污物的設(shè)施。對(duì)河流漂浮物的漂移規(guī)律、種類(lèi)、及其數(shù)量等特征調(diào)查研究不夠，防污設(shè)計(jì)一般化，缺乏專(zhuān)門(mén)的防污設(shè)施。缺乏與污物種類(lèi)和來(lái)量相適應(yīng)的清污設(shè)備。多數(shù)攔污柵沒(méi)有裝置監(jiān)測(cè)壓差的設(shè)施，沒(méi)有建立正常的清污制度，貽誤了時(shí)機(jī)。早期設(shè)計(jì)的攔污柵，對(duì)污物堵塞情況認(rèn)識(shí)不足，壓差荷載假定偏小，柵條強(qiáng)度不夠。2、泥沙問(wèn)題從已建水電站的運(yùn)行情況來(lái)看，不論是低壩還是高壩進(jìn)水口，凡是沒(méi)有防沙設(shè)施或防沙措施不力的，都不同程度地存在著泥沙(sediment)問(wèn)題，如進(jìn)水口淤積、過(guò)水部件磨損、廠(chǎng)房管路堵塞等。即使是深孔式進(jìn)水口，如果不采取有力的防沙措施，致使淤積高程高于進(jìn)水孔底板高程的情況也很常見(jiàn)。隨著淤積的發(fā)展，進(jìn)入水輪機(jī)的泥沙逐漸增多，水輪機(jī)的磨損也日益加重。此外，廠(chǎng)房的管路堵塞還會(huì)造成廠(chǎng)房?jī)?nèi)的水力量測(cè)系統(tǒng)失靈，冷卻器失效，影響機(jī)組的正常運(yùn)行。鹽鍋峽水電站裝機(jī)8臺(tái)，為低壩式水電站。該電站在運(yùn)行二三年后，淤積累計(jì)總量達(dá)到1.54億m3，占總庫(kù)容的71%，壩前淤積到進(jìn)水口底板高程。在其設(shè)計(jì)中過(guò)高地估計(jì)了上游的水土保持效益，對(duì)庫(kù)區(qū)的淤積形態(tài)估計(jì)不足，并寄希望于上游的劉家峽水電站先建并攔截泥沙，因此造成了大量泥沙過(guò)機(jī)，水輪機(jī)嚴(yán)重磨損，使機(jī)組效率降低2~5%，同時(shí)也降低了機(jī)械強(qiáng)度。因此檢修次數(shù)增加、檢修時(shí)間加長(zhǎng)，檢修費(fèi)用加大。以4#機(jī)組為例，平均兩年大修一次，平均每次大修工期為56天。劉家峽水電站位于鹽鍋峽水電站的上游，具有高壩大庫(kù)，總庫(kù)容為57億m3。由于其上游含沙量很大的支流河的匯入，使泥沙不久即推移到壩前。設(shè)計(jì)中雖然吸取了鹽鍋峽的教訓(xùn)，左右岸均設(shè)置了排沙設(shè)施，但在實(shí)際運(yùn)行中，排沙設(shè)施只能拉走部分進(jìn)水口前的泥沙，1號(hào)和2號(hào)進(jìn)水的泥沙無(wú)法解決，因此水輪機(jī)磨損嚴(yán)重。1985年以前，機(jī)組大修間隔時(shí)間為2.56年，平均大修一次為66天。1985年以后，機(jī)組大修間隔時(shí)間為1.96年，平均大修一次所需時(shí)間增加到103天。由于頻繁檢修，水輪機(jī)葉片不能恢復(fù)原狀，使機(jī)組效率下降。原因分析：過(guò)高估計(jì)水土保持效益，以為泥沙將逐漸減少，設(shè)計(jì)中沒(méi)有采取防沙措施,對(duì)泥沙問(wèn)題估計(jì)不足。在防沙規(guī)劃思想上，寄希望于上游高壩大庫(kù)的建設(shè)，希望能攔截部分泥沙。但實(shí)際上即使上游有高壩大庫(kù)，攔沙總有一定年限，遲早還是要排沙。河流泥沙帳沒(méi)有算清。對(duì)泥沙來(lái)量和庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)估計(jì)不足，致使防沙設(shè)施不完全，進(jìn)水口高程欠妥。進(jìn)水口位置選擇不當(dāng)，容易造成泥沙聚集。如澄碧河水電站建在山溝出口處，又未采取防沙措施，致使進(jìn)水口前泥沙淤積3~4米。三、氣錘問(wèn)題氣錘(airdrophammer，jackhammer)，又稱(chēng)氣浪，是壓力水道中劇烈波動(dòng)的壓縮氣體由進(jìn)水口通道沖出而發(fā)出的噴水現(xiàn)象，噴出的水柱高達(dá)10多米，破壞力極大，影響電站的運(yùn)行。在被調(diào)查的51座電站中，有21座電站不同程度地發(fā)生過(guò)氣錘噴水，有的接連發(fā)生。獅子灘水電站在低水位運(yùn)行時(shí)，隧洞內(nèi)一聲雷鳴般的巨響，水從進(jìn)水口的進(jìn)人孔噴出，水柱高達(dá)10米以上，將進(jìn)水口附近的鐵蓋板沖走。鹽水溝水電站，運(yùn)行中閘門(mén)提得過(guò)快，洞內(nèi)水流從進(jìn)水口的通氣管?chē)姵?，射向閘門(mén)室，門(mén)窗被沖壞，門(mén)槽上鋼梁被掀起。石泉水電站先后三次發(fā)生氣錘噴水，嚴(yán)重的一次，噴水射到下游110kV開(kāi)關(guān)站，引起雙母線(xiàn)接地，造成重大的停電事故。發(fā)生氣錘的原因：