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进水口设计
一 进水口基本地质条件
电站进水枢纽位于两河汇口以前约200m的碧迹河河段上，坝址处河床较宽，显不规则的“V”字型，右岸为20~的岸坡，第四系残坡积层广泛分布；左岸为河床冲击的级阶地。
由于小河电站地质条件较好，属于比较坚固的岩层，但开挖隧道难并且布置拦污栅困难，固采用深水竖井式进水口。如下图所示；

竖井式深水进水口的特点：
（1） 拦污栅设于洞外，检修闸门和事故闸门装在竖井内，结构简单可靠；
（2） 喇叭口直接开凿在岸坡上，洞挖跨度大；
（3） 引用流量太大时候拦污栅布置困难；
① 小河电站进水口水文气象条件。进水口以上集雨面积为212k，河长26.8m，比降57.76‰.
② 运行水位、引用流量及水能
表2—1 电站设计洪水位
位置
标准
设计洪峰流量
设计洪水位Z（m）
进水口
设计（Ｐ＝５％）
校核（Ｐ＝１％）
３４９
４８８
９６７．５
９６７．７５

利用落差 m
101.3

设计水头 m
125

发电引用流量 5.26
引水流量 6

③ 引水道的直径、长度及控制方式、闸门寸尺与形式。

二 进水口轮廓尺寸设计
(一) 深式进水口轮廓尺寸的选定
深式进水口由进口段、闸门段和闸门后渐变段组成。其尺寸的确定与流水条件、水头损失和设备布置需要等因素有关。
（二） 进口段
小河电站采用压力墙式进水口的布置方式，其引流量为488 ，取水流量为6。为使水流平顺地进入引水道，减少水头损失，进水口流速不宜过大，将小河电站进水口的进口段设计为深式进水段椭圆曲线。如图2—4所示。目前广泛采用四分之一椭圆曲线，其长度一般控制在1.5米左右，此次考虑流速的的影响跟进水口的形式，取进口段的长度为2.0米。
根据国内外实践经验，喇叭口顶端的椭圆曲线方程为： 图2——1
式2——1
式中 a =1~1.5D 通常取1.1D
b=D~D 通常取1/3 D
D为压力管道的直径，一般按D = 2_____2
式中 K ——系数，一般在5~15之间，常取5.2；
——钢管的最大设计流量（
H——设计水头 （米）
K=5.2 =6 H =125m代入式2——2
可得： D = 1.3m
将D = 1.3代入式2——1 可知椭圆方程为
一般情况下，流速不应过大，进口面积一般
不小于下列公式的值：
A = 式 2——3
式中 ——压力管道断面面积（按渐变段尾端算）
引水道中心线与水平之间的夹角
C——收缩系数 ，一般C =0.6~0.7
= C = 0.6 =代入2——3可得：
A = 2.5 ，则进水口高程为1.9m。
进水口的长度没有一定的标准，以满足工程结构布置需要以及进水可能允许的尺寸与流水顺畅条件下为原则。一般控制在1.5米左右。此次小河电站进水口区1.5米。
(三) 闸门段
闸门段是引水道与进口段的链接段，其孔口常用矩形，其宽度一般等于或稍小于压力管道直径D，高度一般等于或稍大于压力管道直径D。闸门段的长度长取决于闸门的及启闭设备的需要，并考虑引水道检修通道的要求，取为0.5米。
(四) 渐变段
渐变段是闸门段（通常为矩形，此处设计也为矩形）到压力管道的过渡段，其断面面积与流速应逐渐变化，使水流不长生漩涡并尽可能的减少水头损失。由矩形变化到圆形过渡通常采用四角加圆角。如图2——2 所示。圆弧的中心位置与圆角半径r均按直线规律变化。.

图2——3
渐变段的长度根据经验，一般为压力隧道直径的1.0~1.5倍，L=2米，收缩角一般不超过，以6~为宜，此次设计取渐变段收缩角为。
则 闸门高度h = 1.7米，满足闸门段高度设计要求（大于或稍大于压力管道的直径），则闸门段的断面面积1.7。
三 深式进水口的进口高程选择
进水口的进口高程是按水电站运行中可能出现的最低水位决定，应在引水道顶部以上有一定的淹没深度，以保证不进入空气和不产生漏斗状吸气漩涡。同时，进水口闸门底坎还应在淤沙高程以上。
（一） 深式进水口顶部高程设计
深式进水口的顶部高程应当充分考虑发电的效能、避免进水口出现漩涡与吸气漏斗以及避免出现管道负压。
1 小河电站的运行情况
小河电站建于1972年，装机2125KW，设计水头49.0m，电站机组老化，已不能正常运行。同时，由于多种原因加剧工程区水土流失，导致电站渠道滑坡严重，电站的保证出力已受到很大的影响，所以需要改建小河电站。进水口重新设计改进是改善与满足电站发电的基本保证。
2 进水口的水头损失计算
进水口范围内的水头损失包括：进口损失、拦污栅损失、进口段（进口段很长时）沿程损失、闸门段的损失以及渐变段损失。
① 进水口水头损失
2——4
式中 ——进口的平均流速（米/秒）
Q ——设计流量（）
A ——进口段的过水断面 （
—— 进口损失系数，根据进口形状而定，查表可得 .
Q =6 A= 2.5 g=9.8 /s 代入式2——4可得 ：

② 拦污栅水头损失
拦污栅水头损失包括栅条及构架所引起的水头损失，由以下经验公式求
( 式 2——5
式中 k——污物附着影响系数，人工清污时候k =1.5~2.0 ，机械清污时k=1.1~1.3。此次设计进水口面积不是很大，且过水断面简单，固采用人工清污。取k=1.8.
——与栅条有关的系数；
与栅柱形状有关的系数；查表可知 均为1.67；
栅条厚度与直径；（毫米）
b——栅条净距，取决于水轮机的型式与尺寸；轴流式水轮机b约为水轮机的直径的；
混流式水轮机b约为直径的1/30；
——栅柱间净距（厘米）；
——栅柱厚度）厘米）；

将数据全部代入式2——5可得：
0.165 m
③ 闸门段水头损失（闸门全开）
式 2——6
式中 阻力系数；因为此次设计安装的为平板闸门，查表可得。
代入数据可得：
= 0.11 m
④ 渐变段局部损失
= 式2——7
式中 ——损失系数 0.025/（8）；
—— 收缩前的流速（米/秒）；
——收缩后的流速 （米/秒）；
——收缩角
——进水口淹没水头，查水位与流量关系曲线可知967.50 – 965.00=2.5米；其他符号同前；
将数据代入2——7可得 ：
0.15 m
则 = + + =0.1 +0.165 + 0.11+ 0.15 = 0.525米
3 避免进水口出现漩涡和吸气漏斗
在一定的边界条件下，漩涡的形成与进水口的几何形状、流速和淹没深度有关。根据国内外学者的研究与工程实践，以闸门断面为计算断面（如图2-2）为避免出现漩涡与吸气漏斗，需要的淹没深度为：
h=cV 式 2——8
式中 h——进水口淹没深度，（m）；
v——闸孔断面流速，(m/s)；
a——闸孔高度，（m）；
c——与进水口几何形状有关的系数，进水口设计良好和对称则取值0.55；边界复杂和侧向水流取值0.73；
此次小河电站进水口属于设计良好且设计对称的，所以取值c为0.55，v取值2.7m/s，a为1.7m。 代入数据可得：

h= 1.95（m）

图2--4
4 避免管道出现负压
为改进结构受力条件，并有利于检修，进水口高程应尽量提高，但要保证有良好的水利条件，也既是除要避免出现漩涡与吸气漏斗为，尚应保证沿线不出现负压。对于避免出现负压一般可参照的规定。
进水闸门进口段的正常断面最高点B（图2—3所示）一般可根据最低工作水位的高程用下公式确定：
B点高程=最低工作水位高程（ 式2----9
或
B点高程最低工作水位高程 2--10
式中 ————冰层厚度 （米）取值为0
d————B点以上的水深余幅 （米）
V1————进水闸内流速，v1= (米/秒)
Q————计算最大引水流量 （ /秒）
————进水闸的过水断面 （
————进口水头损失系数，根据进水口与拦污栅形式而定，查表可知取值为0.25
跟 均按正常断面1-1确定。d值应不大于0.5~1.0米。次设计取d=0.3m，最低工作水头水位高程查水位流量表可的为967.50米。代入2——9可得：
B点高程 = 967.50 – 0.30 = 967.20m
因此，为避免管道出现负压，B点高程为967.20米，综合数据，闸门高h为1.6米。

图 2—5
（二）进水口的底板高程设计
进水口底板高程的设计需要考虑泥沙淤积，即淤沙水位根据水电站进水口设计规范要求：深水式进水口底板高程应满足防沙要求，高出孔口前缘水库冲淤平衡高程，或设置在沉沙高程以上。修建水库后，库区水流速度明显减慢，水流挟带的泥沙下沉，所以需预留一定的淤沙库容，以拦蓄泥沙，保证水库的正常工作。淤沙水位与河谷间容积称为淤沙库容。
小河电站有输沙观测资料，可以采用以下计算公式：
( 式 2——11
式中 ——多年平均悬移质含沙量（公斤/），根据实测资料确定；
——多年平均水量（/年）；
m ——淤积于水库的悬移质占全部悬移质的百分比。它与库区的特性有关，浅、小水库采用较小值，一般为40左右，深、大水库可以采用100；
——泥沙干容重，一般采用1200~1600（公斤/）
T ——水库淤积年限，中小水库采用10~50年；
——推移质输沙量对悬移质输沙量的比值，一般情况下平原地区河流采用0.01~0.05，丘陵地区采用0.05~0.15，山区地区采用0.15~0.30；
——多年平均库边崩塌量（/年）；
表2——2 小河电站的泥沙成果 （单位同上）
集雨面积F (K)

多年平均悬移质输沙量
多年平均水量
多年平均崩塌量
泥沙干容重
水库淤积年限
推移质输沙量与悬移质输沙量的比值

212
292
1.47亿
2
13.4
50
0.2

代入数据可得： =75万。
查水库库容曲线可得高程为964.0米设计淤沙容积高度为1米，为防止沙进入进水口，进口底板程应当在泥沙淤积高程以上，此次设计取为0.5米，固死水位的高程为。
（三） 进水口底部高程设计
进水口底部高程设计时要充分考虑水压力的作用与进水口的稳定性，避免出现进水口产生过大的沉降与位移，在一般情况下，进水口底部高程一般低于河谷，这样可以加强底板与基础的抗滑稳定性。根据工程实践，并且查《水工设计手册》，此次设计进水口底部高程设计为963.0米，查表，满足要求。
三 拦污栅的设计
（一）拦污栅的布置原则
拦污栅的功能是防止污物进入进水口（压力管道与水轮机）。其主要布置原则是：
（1） 设置主副两道活动式拦污栅，以便提栅清污；
（2） 适当的增加栅条间距以减少污堵数量，但加大后的栅条间距以不能影响水轮机安全工作为限度；
（3） 应加强拦污结构，防止严重堵污引起拦污栅过渡变形而破坏；
（二）拦污栅的布置与设计
拦污栅的布置主要决定于进水口的形式与电站引用流量的大小，当地的气候条件、水库水位变化范围、拦污栅阻挡污物的最小尺寸。
拦污栅包括栅框与栅条两部分（如图2——6）一般的进水口拦污栅用圆铁，圆铁直径一般为8~10毫米，栅条净距一般为水轮机的1/30，拦污栅框是崁在进水室的栅槽里，为了便于清除杂草、树枝，一般放置与水平面成。此次设计业使用圆铁，直径为8毫米，栅条净距取0.3米，角度为7的倾角。拦污栅的外形尺寸按一下公式计算：
拦污栅宽 = 进水口室宽 + 0.2（米） 式 2——11

拦污栅高 = 1.02倍进水室高 （米） 式2——12
进水口拦污栅宽 = 1.3 + 0.2 = 1.5（米）
进水口拦污栅高 =1.021.9 =1.94（米）
为了减少水头损失有必要限制流速。在运行期间，防止污物堵住栅面，造成结构超载，一般深式进水口在清污期间要限制流速，限制在1~1.2米/秒的范围内。
图 2——6

（二） 拦污栅的清污与检测
深式进水口拦污栅的清污问题是拦污栅设计中的重要部分，进水口前应设排漂与拦漂设施，在漂浮物较多的河流上，可采用可循环的活动拦污栅，还可以在远离进水口的外围，增设木排等措施，将漂浮物引向溢流坝泄至下游。
另外，为了保证拦污结构的安全和正常工作，及时观测污物堵塞的程度，应在栅前栅后埋设差压力继电器，以观测栅前栅后的水位差或压力差。发现拦污栅堵塞时就及时的清除，以防止污物堵塞栅面，造成过大的压差压坏拦污栅的事故。