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第二章 水电站引水道建筑物
第一节 引水道
引水道的功用是集中落差，形成水头，将水流输送到水电站厂房，然后将发电后的水流(称为尾水)排到原河道。引水道分为无压引水道和有压引水道两类。
无压引水道的特点是具有自由水面，引水道承受的水压不大，适用于无压引水式水电站，河道或水库的水位变化不大。在结构型式上，无压引水道最常用的是渠道和无压隧洞。渠道常沿山坡等高线布置，受地形及地质条件制约，其长度和开挖工程量较大，且运行期要经常维护、修理，但由于在地表面施工，因而比较方便，中小型电站常采用渠道引水。某些特殊情况下，如崎岖的山坡等，可能无法沿着不规则的等高线布置引水道，则对较深的峡谷可采用渡槽越过，对较浅的峡谷用倒虹吸穿越，对山岭用无压隧洞穿过。
有压引水道的特点是引水道内为压力流，承受的水压力较大，适用于有压引水式水电站，河道或水库水位变幅较大。 有压隧洞是最常用的结构型式，它可以利用岩体承受内水压力和防止渗漏。在很特殊的情况下，有压引水道可采用压力管道。
一、引水渠道
(一) 水电站引水渠道的要求
水电站的引水渠道与一般灌溉和供水渠道不同。电网中一天负荷变化很大，水电站一般起调峰作用，引用流量随负荷变化而变化，通常将水电站的引水渠道称为动力渠道。水电站引水渠道应满足以下基本要求：
(1) 有足够的输水能力。当电站负荷发生变化时，机组的引用流量也随之变化。为使引水渠道能适应由于负荷变化而引起的流量变化要求，渠道必须有合理的纵坡和过水断面。一般按水电站的最大引用流量Qmax设计。
(2) 水质要符合要求。防止有害污物和泥沙进入渠道，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。应尽可能减少输水过程中的水量和水头损失，因此渠道要有防冲、防淤、防渗漏、防草、防凌等功能。
渠道内水流速度要小于不冲流速而大于不淤流速。渠道的渗漏要限制在一定范围内，过大的渗漏不仅造成水量损失，而且会危及渠道安全。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。渠道中加设护面既可减小糙率，又可防渗、防冲、防草、有利于维护边坡稳定，保证电站出力，但工程造价增加。在严寒季节，水流中的冰凌会堵塞进水口的拦污栅。为了防止冰凌的生成，可暂时降低水电站出力，使渠道流速小于0.45m/s~0.60m/s，并迅速形成冰盖。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。
在进行线路选择时主要考虑沿线的地质和地形条件。一般应选择在岩体稳定性较好、渗透性和风化较弱的区域。在下列情况下不宜选择无压引水渠道方案：
(1) 山坡不稳定时；
(2) 山坡过陡；
(3) 渠道以上的山坡有不稳定的山体，或常有石块滚落下来；
(4) 有可能发生雪崩的部位；
(5) 气候严寒，冰冻期较长，渠中水流有冰冻的可能。
在遇到这些问题时，可采用相应的工程措施，如将渠道局部封闭等。
(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泄水建筑物(溢流堰)。
当水电站的引用流量等于渠道设计流量时，水流处于均匀流状态，水面线平行渠底，渠内为正常水深，压力前池水位低于堰顶；当电站引用流量小于渠道设计流量时，水面线为雍水曲线，水位超过堰顶，开始溢流；当水电站引用流量为零时，通过渠道的全部流量泄向下游。
这种渠道的优点是：渠顶能随地形而变化，当渠道较长，底坡较陡时，工程量比较小。溢流堰可限制渠末的水位,保证向下游供水。其缺点是若下游无用水要求而进口闸门又不能及时关闭时，则造成大量无益弃水。
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。当水电站的引用流量为零时，渠道内水位是水平的，渠道不会发生漫流和弃水现象；当水电站引用流量小于渠道设计流量时，渠道内出现雍水曲线；当水电站引用流量大于渠道设计流量时，渠道内为降水曲线。
这种渠道在最高水位和最低之间有一定的容积，从而在一定程度上起到了自动调节的作用，为电站适应负荷变化创造了条件，但工程量较大。
(三) 渠道的断面尺寸
引水渠道一般在山坡上采用挖方、回填或半挖半填的方式修建，其断面形状也多种多样，如梯形、矩形等，以梯形最为常见。边坡坡度取决于地质条件及衬砌的情况。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。
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。
工程实践表明，渠道的经济流速Ve大致为1.5～2.0m/s，则Fe=Qmax/Ve,粗略估算渠道尺寸时可做为参考。
(四) 渠道的水力计算特点
渠道的水力计算主要任务是根据设计流量，选定断面尺寸、糙率、纵坡和水深。
1． 恒定流计算
(1) 根据均匀流计算出流量Q、过水断面F、水力半径R、底坡 i、糙率n之间的关系。当 i 、F均已选定，可求出渠道正常水深与流量之间的关系曲线hn~Q。
(2) 根据断面F，假定一系列临界水深hc，可算得与其相对应的流量Q，从而作出hc～Q关系曲线，即曲线②。
(3) 非均匀流计算的目的是决定水面曲线。对于给定的渠首设计水深h1(即水库为设计低水位、闸门全开下的渠首水深)，利用水力学中非均匀流水面曲线的计算方法可求出渠道通过不同流量时渠末水深h2，绘出h2~Q关系曲线，即曲线③。
(4) 根据渠末溢流堰的实际尺寸，按堰流公式可以得出渠末水深h2(等于堰顶至渠底的高度hW，加上堰上水头)与溢流流量QW的关系曲线 hW ～ QW即曲线④。
这几条曲线的关系及意义如下：
曲线①与曲线③的交点N表示h1= h2，渠内发生均匀流。此时的流量相应于渠道的设计流量Qd。
若水电站引用流量大于Qd，h2＜ hn，渠中出现降水曲线，且随着流量的增加h2迅速减小。h2的极限值是临界水深hc，即曲线②与曲线③的交点C。此时的流量Qc为给定渠首水深h1下渠道的极限过水能力。Qd一般采用水电站的最大引用流量Qmax，这是因为：
(l) 使渠道经常处于雍水状态工作，以增加发电水头；
(2) 避免因流量增加不多而水头显著减小的现象；
(3) 使渠道的过水能力留有余地，以防止渠道淤积、长草或实际糙率大于设计采用值时，水电站出力受阻(即发不出额定出力)。
水电站引用流量小于Qmax(即Qd)时，渠中出现雍水曲线，渠末水位随流量减小而上升。当水电站引用流量等于QA时，即曲线③与堰顶高程线的交点A处，h2 = hW，刚好不溢流。当水轮机流量Qt在0与QA之间时，h2 > hW ，溢流堰发生溢流，溢流流量为QW，通过渠道的流量为Qt＋QW。当水电站停止运行(Qt = 0)时，通过渠道的流量全部由溢流堰溢走，相应于曲线③与曲线④的交点B，这就是溢流堰在恒定流情况下的最大溢流流量QWmax，相应水位为恒定流下渠末最高水位。
当水库水位在一定范围内变化时，渠首水深h1也要发生变化，可取几个典型h1进行非均匀流计算，得出相应的h2~Q曲线，进行综合分析。
2．非恒定流计算
非恒定流计算的目的是研究水电站负荷变化时渠道中水位和流速的变化过程。计算内容包括：
(1) 水电站突然丢弃负荷时渠道涌波的计算，求出渠道沿线的最高水位，用以确定堤顶高程；
(2) 水电站突然增加负荷时渠道的涌波计算，求得最低水位，以确定压力管道进口高程；在任何情况下，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。
二、引水隧洞
发电隧洞水电站最常见的输水建筑物之一。从功用上来分，发电隧洞分为引水隧洞和尾水隧洞；根据隧洞的工作条件，又可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。
(一) 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。
在满足水电站枢总体布置的前提下，隧洞线路布置的总原则是：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，洞身的埋藏深度应满足洞顶以上围岩重量大于洞内静水压力的要求；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。当洞线与岩层、构造断裂面及主要较弱带相交时，其夹角应尽量靠近90°。在整体块状结构的岩体中，其夹角不宜小于30度。在层状岩体中，特别是层间结合疏松的高倾角薄岩层，其夹角不宜小于45度。隧洞的进出口在开挖时易于坍方，在运用中也容易受地震破坏，所以应选择覆盖或风化层浅、岩石比较坚固完整的地段，以避免施工和运用中发生塌方、堵塞洞口的事故。如果无法避开，可以通过结构设计和施工措施加以改善。
(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度，以使水流平顺，减小水头损失。
(二) 隧洞水力计算
有压隧洞的水力计算包括恒定流及非恒定流两种。
(1) 恒定流计算。目的是研究隧洞断面、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。目的是求出隧洞沿线各点的最大、最小内水压力值，首先求出调压室内的最高及最低水位，水库水位与调压室内的最高水位的连线即为隧洞的最大内水压力坡降线，据此确定隧洞衬砌的设计水头, 水库的低水位与调压室最低水位的连线即为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。当隧洞末端无调压室时，其非恒定流计算即为水击计算。
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。
(三) 隧洞的断面尺寸
　常见的隧洞断面型式有圆形、城门洞形、马蹄形及高拱形四类。有压隧洞常采用圆形断面。对于无压隧洞，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。
发电隧洞的断面尺寸应根据动能经济计算来选定，对不太重要的工程，常采用经济流速控制。根据经验，有压隧洞的经济流速Ve一般在4m/s左右，求出Qmax/Ve值，即可求得经济断面。
第二节 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。当机组负荷发生变化时，引用流量的改变使渠道中的水位产生波动，由于前池有较大的容积，就可减少渠道水位波动的振幅，稳定了发电水头；另外前池还可起到暂时补充不足水量和容纳多余水量的作用，适应水轮机流量的改变。
(2) 均匀分配流量。从渠道中引来的水经过压力前池能够均匀地分配给各压力管道，管道进口设有控制闸门。
(3) 渲泄多余水量。当电站停机时，向下游供水。
(4) 拦阻污物和泥沙。前池设有拦污栅、拦沙、排沙及防凌等设施，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)。前室是渠末和压力管道进水室间的连接段，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。指压力管道进水口部分，通常采用压力墙式进水口。进口处设闸门及其控制设备、拦污栅、通气孔等设施。
(3) 溢水建筑物。当水电站以较小的流量工作或停机时，多余的水量由溢水建筑物泄走，防止前池水位漫过堤顶，并保证向下游供水。溢水建筑物一般包括溢流堰、陡槽和消能设施。溢流堰应紧靠前池布置，其型式可分为正堰和侧堰两种，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
压力前池的布置与引水道线路、压力管道、电站厂房及本身的溢水建筑物等有密切联系。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) 前池的整体布置应使水流平顺、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。运行方面应力求清污、维护、管理方便，同时应使泄水与厂房尾水不发生干扰。
(3) 前池应建在天然地基的挖方中，不应设置在填方或不稳定地基上，以防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。
四、压力前池的尺寸拟定
(一) 前池中特征水位
1．正常水位▽正常。
▽正常可近似采用当引水渠道为设计流量时的渠末正常水位▽渠末正常，即
▽正常=▽渠末正常 (2-1)
2．前池最高水位▽最高
对于自动调节渠道一般认为与渠道设计流量最高水位高程齐平或按水电站丢弃全部负荷时产生的最大涌波高程考虑；对非自动调节渠道为溢流堰顶加堰上最高溢流水深h堰，由于堰顶高程通常按前池的正常水位加上3~5cm计及； 所以
▽最高＝▽正常＋h堰＋(0.03~0.05)(m) (2-2)
溢流堰下泄流量，常取水电站的最大引用流量。
3．前池中的最低水位▽最低
▽最低应根据下面两种情况确定：
(1) 枯水期渠道来水量为电站最小引用流量时，渠末水位为前池最低水位，即
▽最低＝▽渠末底＋h渠末 (2-3)
式中的▽渠末底为渠末底部高程，h渠末为最小引用流量时渠末水深。
(2) 发生在水轮机突然增加负荷，池中水位突然最大下降的前池水位。此时应根据运行可能出现的最不利情况进行计算，例如其他机组满发而最后一台机组突然带上满负荷，若非恒定流的落波计算值为波，而增加负荷前，前池中的水位为▽起始，则前池中的最低水位即为：
▽最低=▽起始-波 (2-4)
落波的波高一般可按以下近似公式计算
(2-5)
(2-6)
式中 c —— 落波沿渠道的传播速度，m/s；
A ——流量变化前渠道过水断面的面积，m2；
波——落波高，m；
V0——流量变化前渠道中的流速，m/s；
——由于负荷增加，相应增加的流量，m3/s；
B1 ——落波高度一半处渠道过水断面的水面宽度 ，m；
g ——重力加速度，9.81m2/s。
若B代表流量变化前的过水断面宽度 ，a坡代表渠道的边坡系数,则
B1=B-a坡·波 (2-7)
由上述几个公式可以看出 ，落波波的计算是一个试算过程，先假定一个波，由式(2-6)和式(2-7)求出B1和c，再求出，若计算值和波相一致，即为所求的波，否则再重新计算。
4. 进水室中的正常水位▽进 。
▽进为前室正常水位减去局部水头损失：
▽进=▽前正常-(△h进+△h门槽+△h栏)
=▽前正常-△h (2-8)
式中的▽h进，▽h门槽，▽h栏分别为水流经进水室、闸门槽及拦污栅时的水头损失。
5. 进水室的最低水位▽进最低
▽进最低即压力水管进口处的最低水位：
▽进最低=▽最低-△h (2-9)
(二) 前池尺寸拟定
1．前室边墙高程▽墙顶。
对自动调节渠道，前池边墙的高程与进水口顶部的高程相同，对非自动调节渠道，池身边墙的高程▽墙顶，应保证水流不漫顶并有适当的安全超高。
▽墙顶=▽最高+ (2-10)
的值一般可取0.5m，前池面积较小时，可取略小于0.5m的数值。
2．宽度B
B与进水室前沿的总宽度BK相等。
3．前室入口部分的深度h
h为渠道末端底部至边墙顶部的高度。
4．前室末端的深度H为：
H=Hk+h拦沙 (2-11)
h拦沙为拦沙坝的高度，取(0.5~1.0)m。
5．前室的长度L
为了保证渠道在平面上和前室最大宽度相连接，在深度上和池身最大深度相连接，前室长L应为：
L=(3~5)(H-h)+(0.5~1.0) (m) (2-12)
6．进水室的宽度
一个进水室的宽度bk约为压力水管直径D的1.5~1.8倍，则进水室前沿的总宽度：
Bk=nbk+(n-1)d (2-13)
式中 n——压力水管数目；
bx——单个进水室的宽度；
d——中间隔墩厚度，浆砌块石隔墩取0.8~1.0m，混凝土隔墩取0.5~0.6m。
7．进水室的进口水深hk
hk应使进口流速不超过拦污栅的允许过栅流速V，故；
hk≥ (2-14)
式中 qmax——每个进水室的最大流量；
V——进口拦污栅允许过栅的流速。
当采用人工清污机时，栅前流速一般不超过0.8~1.0m/s。
8．进水室底板高程▽进底
根据hk，▽进底＝▽进最底－hk，同时▽进底还应满足不让空气带入压力水管的条件，即要求：
▽进底＝▽进最低－Ｓ－ (2-15)
式中 S——等于(2~3)；
Vmax——压力水管通过最大引用流量时的流速，m/s;
D——压力水管直径，m;
α——压力水管中心线与水平面的交角。
9．进水管长度Ｌ进
进水室长度Ｌ进主要决定于拦污栅、工作闸门、通气孔、工作桥启闭机等设备的布置。小型电站一般为(3~5)m。
10．前池瞬时容积的校核
前池调节的作用是当发电流量在产生变化的瞬间，为保证供水的连续性，而不致于中断，要求前池瞬时的容积为：
V池瞬=B´L´△h´ (m3) (2-16)
式中 B´——渠道宽度，m;
L´——渠道总长，m;
△h'——渠道增加的水深，△h´= h2-h1;
h2、h1——渠道中流量发生变化后与变化前的水深，可由曼宁公式计算。
当求出V池瞬后，再推求前池面积，设前池面积为A(m2)，且最低水位以上的可调水深为t(m)，则
V池瞬=A·t 或 A= (8-17)
式中t一般可取(1~3)m，根据地形、水头等情况而定，在最低水位以下容积起调节作用，只要满足进水条件即可。
(三) 溢流堰的尺寸确定
溢流堰的位置由厂房枢纽整体布置决定，溢流堰的断面形状一般作成流线型。当前池最高水位决定后，即可根据堰流公式求出所需溢流堰的长度，即
(2-18)
式中 M——溢流堰流量系数；
h堰——堰上水深，一般可取(0.4~0.5)m。有时可能先决定L再求h堰，从而确定前室的最高水位。
四、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2。
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，池中水位回升，这样可减少前池水位的剧烈波动。因此在一定条件下设置日调节池，可降低渠道的投资和改善水电站的运行条件。