第六章 進水口

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

第一節(jié)進水口的功用和要求一、功用：是水電站水流的進口，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?。進水口須設(shè)置閘門。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。滿足水工建筑物的一般要求。三、分類(按水流條件分)無壓：類似于水閘，水流為明流，引取表層水，適用于無壓引水式電站。有壓：進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塔式進水口第二節(jié)有壓進水口隧洞式進水口墻式進水口塔式進水口壩式進水口一、有壓進水口的類型和適用條件1、隧洞式進水口特征：在巖體中開挖豎井，閘門安置在豎井中，豎井的頂部布置啟閉機及操縱室，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，易于開挖平洞和豎井的情況2、墻式進水口特征：進口段、閘門段和閘門豎井均布置在山體之外，形成一個緊靠在山巖上的單獨墻式建筑物，承受水壓及山巖壓力。要有足夠的穩(wěn)定性和強度。適用：地質(zhì)條件差，山坡較陡，不易挖井的情況。大盈江進水口3、塔式進水口特征：進口段、閘門段、漸變段及其一部框架形成一個塔式結(jié)構(gòu)，聳立在水庫中，塔頂設(shè)操縱平臺和啟閉機室，用工作橋與岸邊或壩頂相連。塔式進水口可一邊或四周進水。適用：當?shù)夭牧蠅巍⑦M口處山巖較差、岸坡又比較平緩圖6-2塔式進水口岸塔式二灘水電站進水口4、壩式進水口特征：依附在壩體上游面，進口段和閘門段合二為一。適用：壩后式廠房、壩內(nèi)式廠房和河床式廠房。二、有壓進水口的位置、高程及尺寸（一）、位置1、水流平順、對稱，不發(fā)生回流和漩渦，2.不出現(xiàn)淤積，不聚集污物，3.泄洪時仍能正常進水。4、應(yīng)與洞線布置協(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）水庫設(shè)計淤沙高程

以上0.5~1.0m，當設(shè)有沖沙設(shè)備時，應(yīng)根據(jù)排沙情況而定。SL285—2003《水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范》建議（三）、輪廓尺寸組成：進口段、閘門段、漸變段。應(yīng)使水流平順，水流與四周側(cè)壁之間無負壓及渦流。流線型滿足過流能力（設(shè)計流量）：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]閘門尺寸系列和啟閉機容量。SL285—2003《水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，攔污柵平均過柵流速宜采用0.8～1.Om/s。1、進口段作用：連接攔污柵與閘門段。要求：滿足工程結(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收縮必要時做模型試驗2、閘門段作用：布置閘門及啟閉設(shè)備，連接進口段和漸變段斷面：矩形面積：事故閘門凈過水面積為(1.1~1.25)引水洞面積；檢修閘門孔口與此相等或稍大。尺寸：門寬B=洞徑D，門高H>洞徑D。長度:滿足設(shè)備布置。3、漸變段斷面：矩形圓形隧洞。圓角過渡：圓角半徑r可按直線規(guī)律變?yōu)樗矶窗霃絉；長度：隧洞直徑的1.5~2.0倍；收縮（擴散）角6?~8°，一般不超過10°。三、有壓進水口的主要設(shè)備一、攔污設(shè)備(trashrackORtrashscreen)作用：防止有害污物、漂浮物等進入進水口，影響過水能力。布置：平面傾斜：傾角一般為60-70?。過水斷面大，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：滿足強度要求柵條間距：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)計設(shè)計荷載：水壓力（4~5m水頭），清污機壓力，清污機自重，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：滿足引用流量和過柵流速v≯1m/s(3)結(jié)構(gòu)計算：簡支梁5.清污及防凍人工清污機械清污吊起清污移動式清淤機攔污柵清污機回轉(zhuǎn)式清淤機VR6型攔污柵清污機清污機防凍

形成冰蓋：有壓進水口保證全部柵條完全淹沒在冰蓋底面穩(wěn)定水位以下，淹沒深度不小于２m，流速應(yīng)大于結(jié)冰流速。通壓縮空氣通電二、閘門及啟閉設(shè)備工作閘門(事故閘門)(emergencygate)作用：緊急情況下切斷水流，運用要求：動水關(guān)閉（快速1~2min)，靜水開啟。閘門型式：一般為平板門布置：一口、一門、一機(固定卷揚啟閉機)。檢修閘門(bulkheadgate)：作用：檢修事故閘門和及其門槽時堵水。運用要求：靜水啟閉位置:工作閘門上游側(cè)型式：平板閘門布置：多口共用一套檢修閘門和啟閉設(shè)備，平時檢修閘門存放在儲門室內(nèi)。三、通氣孔及充水閥通氣孔(airhole)作用：閘門關(guān)閉時補氣，閘門開啟時排氣。位置：事故閘門之后面積=最大進氣流量/允許進氣流速Va。規(guī)范：通氣孔面積可取管道面積的5%左右。進氣流速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)，也稱平壓管作用：開啟閘門前向引水道充水，平衡閘門前后水壓，以便在靜水中開啟閘門，從而減小啟門力。位置：旁通管上平板閘門上第三節(jié)無壓進水口及沉沙池一、無壓進水口明流，引表層水。后接無壓引水道。一、位置凹岸？凸岸？支流交匯口？靠近主槽？遠離主槽？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)施無壓進水口的防沙問題比較突出二、沉沙池(Sandbasin)沉沙池布置2、沉沙池的類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?。其構(gòu)造比較復(fù)雜，但運行簡單可靠，可連續(xù)供水。一般用來處理粗粒徑泥沙。定期沖洗式：當淤積到一定厚度時，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。要滿足設(shè)計流量范圍內(nèi)不同設(shè)計含沙量的正常輸水要求，防止小流量引水時出現(xiàn)嚴重淤積。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。使水流均勻擴散，平穩(wěn)地進入池室工作段，并最大限度地減少泥沙在連接段沉降。設(shè)置有進水閘、配水、整流、攔污等設(shè)施。

為了使水流均勻地擴散，其平面布置常采用對稱擴散型式，單側(cè)擴散角不易大于8~12?。如果采用非對稱擴散，兩側(cè)擴散角之和宜小于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。支廊道順水流方向布置于池底的進沙孔下，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)溢流堰作用是在進水口閘門操作不當或機組丟棄負荷時，宣泄進入沉沙池超過設(shè)計流量的水量，或防止沉沙池出現(xiàn)雍水情況。可設(shè)置在沉沙池工作段、引渠或輸水道的適當部位。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。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)。沖沙廊道的進水最好設(shè)計成斜向的，以便造成橫向環(huán)流，提高輸沙能力。當采用正面進水時，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)污物問題

泥沙問題

氣錘問題

漩渦問題

冰凍問題

第四節(jié)進水口運行中存在的問題1、污物問題污物(impurity，trash)帶來的問題主要是堵塞攔污柵，這是我國水電站進水口運行中最為普遍的問題。約有半數(shù)以上的進水口曾發(fā)生不程度的攔污柵堵塞。輕者，堵塞會加大攔污柵的水頭損失，減少進水口的引進流量，嚴重者會造成柵條變形或被壓斷，攔污柵最大壓差高達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。進水口迎水流布置，無任何額外防護設(shè)施。1964年汛期，洪峰大、污物多，停機清污十分頻繁，3~5天就要清污一次。8月12日，污物來勢兇猛，來不及清理，先是堵塞攔污柵，接著泥沙受阻淤積，致使柵體壓差達到近7米，最終將攔污柵壓垮，被迫停機600多小時，折合損失240萬元。1966年~1967年兩年內(nèi)因停機清污所造成的損失達到1569萬元。黃壇口水電站由于地形條件不好，在進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，攔污柵壓差達到5.4米，最終導(dǎo)致攔污柵壓壞脫落，被迫停機。電站進水口堵塞和攔污柵被壓垮的原因：進水口位置選擇不當，有的頂沖主流，有的位于聚集污物的回流區(qū)，同時缺乏攔導(dǎo)污物的設(shè)施。對河流漂浮物的漂移規(guī)律、種類、及其數(shù)量等特征調(diào)查研究不夠，防污設(shè)計一般化，缺乏專門的防污設(shè)施。缺乏與污物種類和來量相適應(yīng)的清污設(shè)備。多數(shù)攔污柵沒有裝置監(jiān)測壓差的設(shè)施，沒有建立正常的清污制度，貽誤了時機。早期設(shè)計的攔污柵，對污物堵塞情況認識不足，壓差荷載假定偏小，柵條強度不夠。2、泥沙問題從已建水電站的運行情況來看，不論是低壩還是高壩進水口，凡是沒有防沙設(shè)施或防沙措施不力的，都不同程度地存在著泥沙(sediment)問題，如進水口淤積、過水部件磨損、廠房管路堵塞等。即使是深孔式進水口，如果不采取有力的防沙措施，致使淤積高程高于進水孔底板高程的情況也很常見。隨著淤積的發(fā)展，進入水輪機的泥沙逐漸增多，水輪機的磨損也日益加重。此外，廠房的管路堵塞還會造成廠房內(nèi)的水力量測系統(tǒng)失靈，冷卻器失效，影響機組的正常運行。鹽鍋峽水電站裝機8臺，為低壩式水電站。該電站在運行二三年后，淤積累計總量達到1.54億m3，占總庫容的71%，壩前淤積到進水口底板高程。在其設(shè)計中過高地估計了上游的水土保持效益，對庫區(qū)的淤積形態(tài)估計不足，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機，水輪機嚴重磨損，使機組效率降低2~5%，同時也降低了機械強度。因此檢修次數(shù)增加、檢修時間加長，檢修費用加大。以4#機組為例，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，總庫容為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，但在實際運行中，排沙設(shè)施只能拉走部分進水口前的泥沙，1號和2號進水的泥沙無法解決，因此水輪機磨損嚴重。1985年以前，機組大修間隔時間為2.56年，平均大修一次為66天。1985年以后，機組大修間隔時間為1.96年，平均大修一次所需時間增加到103天。由于頻繁檢修，水輪機葉片不能恢復(fù)原狀，使機組效率下降。原因分析：過高估計水土保持效益，以為泥沙將逐漸減少，設(shè)計中沒有采取防沙措施,對泥沙問題估計不足。在防沙規(guī)劃思想上，寄希望于上游高壩大庫的建設(shè)，希望能攔截部分泥沙。但實際上即使上游有高壩大庫，攔沙總有一定年限，遲早還是要排沙。河流泥沙帳沒有算清。對泥沙來量和庫區(qū)淤積形態(tài)估計不足，致使防沙設(shè)施不完全，進水口高程欠妥。進水口位置選擇不當，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，致使進水口前泥沙淤積3~4米。三、氣錘問題氣錘(airdrophammer，jackhammer)，又稱氣浪，是壓力水道中劇烈波動的壓縮氣體由進水口通道沖出而發(fā)出的噴水現(xiàn)象，噴出的水柱高達10多米，破壞力極大，影響電站的運行。在被調(diào)查的51座電站中，有21座電站不同程度地發(fā)生過氣錘噴水，有的接連發(fā)生。獅子灘水電站在低水位運行時，隧洞內(nèi)一聲雷鳴般的巨響，水從進水口的進人孔噴出，水柱高達10米以上，將進水口附近的鐵蓋板沖走。鹽水溝水電站，運行中閘門提得過快，洞內(nèi)水流從進水口的通氣管噴出，射向閘門室，門窗被沖壞，門槽上鋼梁被掀起。石泉水電站先后三次發(fā)生氣錘噴水，嚴重的一次，噴水射到下游110kV開關(guān)站，引起雙母線接地，造成重大的停電事故。發(fā)生氣錘的原因：