水电站教程课件 第七章 水电站渠道、压力前池及隧洞

第七章水电站渠道、压力前池及隧洞学习提示内容：介绍渠道，压力前池及日调节池，隧洞。

重点：引水渠道的功用、要求及类型，断面设计；压力前池及日调节池的作用、组成及布置原则；隧洞特点、洞线布置原则，断面型式及设计和衬砌的类型。

要求：掌握引水渠道、压力前池和隧洞的设计布置和基本要求。

第一节渠道一、渠道的功用、要求及类型1．功用水电站的输水渠道也称为动力渠道，它短则几百米，长则几公里甚至几十公里。

输水渠道既可以作为水电站的引水渠道，为无压引水式水电站集中落差，形成水头；也可作为尾水渠道，将发电用过的水排往下游河道。

引水渠道往往较长，尾水渠道通常很短。

以下主要讨论引水渠道。

2．基本要求（1）要有足够的输水能力。

保证在各级运行水位下随时向电站机组输送所需的工作流量，并有适应流量变化的能力。

（2）渠道流速要满足不冲不淤流速要求。

渠道在设计流量下的平均流速，应小于渠道的允许不冲流速，同时大于泥沙不淤流速或不长草流速。

（3）水头损失要小。

在保证渠道流速大于不淤流速前提下，应选用较缓的底部纵坡，以减小渠道落差，争取获得最大发电水头。

同时控制过流表面不平整度，以减小水头损失。

（4）水质符合要求。

除在进水口处采取措施防止有害粒径的泥沙及污物进入渠道外，还要在压力前池处再次采取防沙、防污和防冰措施，以防止有害粒径的泥沙及污物进入压力管道。

（5）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，而且会危及渠道的安全。

（6）渠顶要有一定的安全超高。

渠顶高程应按渠道通过水电站的最大引水发电流量时，突然丢弃全部负荷产生的最大涌波高度，再加安全超高来确定。

（7）对傍山开挖的渠道所形成的高边坡，其稳定坡度应根据地质条件、边坡高度和施工条件等，进行工程类比和稳定分析确定。

（8）工程造价经济合理。

在满足不冲不淤、不长草条件下，应通过技术经济方案比较选定渠道的纵坡及横断面尺寸。

3．类型水电站渠道按其水力特性分为非自动调节渠道和自动调节渠道。

（1）非自动调节渠道。

非自动调节渠道末端压力前池处设有泄水建筑物，一般为溢流侧堰，也可采用虹吸式泄水道。

泄水建筑物的作用是限制渠末水位以及保证下游用水。

当水电站引用流量等于设计流量（即水电站的最大引水发电流量）时，渠道水流呈均匀流状态,压力前池水位低于堰顶，侧堰不溢流；当电站引用流量小于设计流量时，水位壅高,一旦水位高于堰顶，侧堰开始溢流；当水电站引用流量为零时，通过渠道的全部流量由溢流堰溢走。

非自动调节渠道的堤顶高程为渠内最高水位加上安全超高，堤顶与底坡大致平行。

非自动调节渠道应在进水口设置工作闸门和检修闸门。

非自动调节渠道的特点是：渠道长，堤顶与底坡近似平行，有泄水建筑物，产生弃水，通过控制进水口工作闸门调节引用流量。

（2）自动调节渠道。

自动调节渠道渠末不设泄水建筑物，渠道断面向下游逐渐加宽加深，堤顶基本上是水平的。

当水电站引用流量等于设计流量时，渠道水流呈均匀流状态；当电站引用流量小于设计流量时，水位壅高；当电站引用流量为零时，渠中水位是水平的。

自动调节渠道只用于渠线很短的情况，进口可只设事故检修闸门。

自动调节渠道的特点是：渠道短，堤顶水平，无侧堰，不弃水，断面向下游逐渐增大，渠道内水位最高升到与上游库水位齐平。

引水渠道类型的选择，应结合地形、地质、施工、运行以及工程总体布置等条件，通过技术经济比较确定。

非自动调节渠道多用于山区引水式水电站。

符合下列条件可选择自动调节渠道：（1）渠道进水口水位变幅不大，渠道长度较短，渠底纵坡较缓，渠道大都处于挖方内。

（2）无修建泄水建筑物的条件。

（3）运行要求利用渠道存储一部分水量作为水电站的调节容量。

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发电效益。

当引水渠道长，采用自动调节渠道又不经济时，可采用自动与非自动相结合的调节渠道，这种情况下引水渠道上段可按非自动调节渠道设计，而泄水建筑物下游的那一段按自动调节渠道设计，这种布置在有日调节池的引水渠道中常能见到。

二、渠道线路的选择（1）应避开不良地质地段，且不宜在冻胀性、湿陷性、膨胀性、分散性、松散坡积物以及可溶盐土壤上布置渠线。

若无法避免时，则应采取相应的工程措施。

（2）尽量少占或不占耕地，避免穿过集中居民点、高压线塔、重点保护文物、重要通讯线路、油气地下管网、河流以及重要的公路、铁路等。

若必须穿越通讯线路、地下管网、河流、公路、铁路等时应尽量正交。

（3）山区渠道宜沿等高线布置。

当渠道较长时，可根据地形地质条件，采用明渠与明流无压隧洞或暗渠、渡槽、倒虹吸相结合的布置，以缩短线路长度，并可以避开不良地质地段或避免深挖高填。

（4）引水渠道的弯曲半径，衬砌渠道宜不小于渠道水面宽度的2.5倍，不衬砌土渠宜不小于水面宽度的5倍。

图7-1非自动调节渠道示意图 图7-2自动调节渠道示意图三、渠道纵坡及横断面设计在渠线选定后应进行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，以及周围环境、施工条件、运行管理等，通过不同方案的动能经济计算和相应的水力计算，择优选用。

渠道的断面型式常为梯形或矩形断面。

梯形断面边坡的坡度取决于地质条件及护面情况，在岩石中开凿的渠道断面常为矩形或接近于矩形断面。

对于地面坡降陡且起伏大、地下水位低的山丘地区，可采用窄深断面；对于地势平坦、地下水位高、基土冻胀性较强，以及有综合利用要求的渠道，可采用宽浅断面。

动能经济计算常采用“系统计算支出最小法”，其过程简述如下：（1）初拟几个横断面尺寸方案。

（2）对每一个方案，根据引水渠道的设计流量s Q 按均匀流条件求出渠道纵坡i 。

（3）计算出该方案渠道及有关建筑物的投资h K 。

（4）设渠末水深等于正常水深，求出这一方案的水头损失iL h =∆，其中L 为渠道长度。

（5）根据水头损失，计算该方案的年电能损失981.u s E Q hT η∆=∆（7-1）式中：u η为水轮发电机组效率，可近似当作常数；T 为水电站年利用小时。

这部分损失的年电能必须由系统中的替代电站发出。

替代电站一般为火电站，为了发出这部分年电能损失E ∆，必须增加火电装机，多耗煤。

增加火电装机的投资为e Ek ∆，其中e k 为火电站单位电能投资；煤耗支出为c EB ∆，其中c B 为单位电能的煤耗支出[元/(kW ．h)]。

水电站的计算支出h C 、火电站的计算支出t C ，以及系统计算支出s C 分别为h h b h K p C )(+=ρ （7-2）c e t b t EB Ek p C ∆+∆+=)(ρ （7-3）t h s C C C +=（7-4） 式中：b ρ为额定投资效益系数；h p 、t p 分别为水电站及火电站的年运行费率。

（6）对每一个方案，计算相应的水电站的计算支出h C 、火电站的计算支出t C 和系统计算支出t h s C C C +=，绘制出h C ～F ，t C ～F 及s C ～F 的关系曲线，其中F 为渠道横断面面积，如图7-3所示。

（7）找出s C ～F 曲线最低点所对应的F '，即为最经济的横断面尺寸。

由于s C 在最低点附近变化缓慢，通常将横断面F 选稍小些，可减小工程量，而几乎不影响动能经济计算的成果。

对于中、小型水电站，或在粗略估算渠道横断面尺寸时，也可按经济流速确定，不必进行上述复杂的动能经济计算。

我国工程实践表明，水电站渠道的经济流速v 约为 1.5～2.0m/s ，则渠道横断面面积为/s F Q =v 。

根据我国工程调查资料，引水渠道纵坡，对于中低水头大流量引水渠道、自动调节渠道、清水渠道，多采用1/2000～1/12000较缓纵坡；对高水头电站的引水渠道、傍山渠道、多泥沙渠道等，多采用1/500～1/2000的较陡纵坡。

当渠线较长且受地形、地质条件影响，需分图7-3各方案动能经济计算示意图段变坡时，坡度宜沿程增大。

四、渠道水力计算在确定渠道的纵坡及横断面后，还要进行渠道的水力计算，以校核渠道尺寸和拟定水电站运行方式。

水力计算方法可分为恒定流计算和非恒定流计算两种。

(一)恒定流计算恒定流水力计算使用《水力学》中的曼宁公式或能量方程进行，计算出渠道恒定流沿程水面线，并按下述步骤绘制出渠道末段水深与流量之间的关系曲线，以确定渠道运行工况。

（1）用曼宁公式iR AC Q 计算均匀流条件下的正常水深0h 与相应流量Q 之间的关系曲线，如图7-4中的曲线①。

（2）利用试算法计算临界水深c h 与相应流量Q 之间的关系曲线，如图7-4中的曲线②。

（3）用能量方程逐段试算，求出渠末水深m h 与相应流量Q 之间的关系曲线，如图7-4中的曲线③。

（4）用堰流公式计算渠末不同水深m h 与溢流流量w Q 之间的关系曲线，如图7-4中的曲线④。

图7-4中几根曲线的关系及意义如下：（1）在曲线①与曲线③的交点A ，表示渠末水深m h 等于正常水深0h ，渠道内发生均匀流，相应的流量为渠道的设计流量s Q 。

（2）当水电站引用流量大于设计流量s Q 时，渠中出现降水曲线，它的极限值是临界水深c h ，即曲线②与曲线③的交点B ，相应的流量c Q 为渠道的极限过水能力。

（3）当水电站引用流量小于设计流量s Q 时，渠中出现壅水曲线。

在壅水状态下工作，可以增加发电水头，还可以避免因流量增加不多而水头显著减小的现象。

（4）当曲线③与堰顶高程线相交时,即C 点，溢流堰刚好不溢流，此时给出无弃水状态下的渠末最高水位。

（5）当水电站引用流量继续减小时，溢流堰开始溢流。

此时溢流量为w Q ，通过水轮机的流量为t Q 。

当水电站停止发电时，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D ，这就是溢流堰在恒定流下的最大溢流流量max w Q ,相应水位为溢流状态下的渠末最高水位。

(二)非恒定流计算图7-4渠末水深与流量之间的关系曲线非恒定流计算的目的是研究水电站负荷变化因而引用流量改变引起的渠中水位和流速的变化过程。

1．计算内容（1）水电站突然丢弃负荷后渠内涌波，即计算渠道沿线的最高水位，以确定堤顶高程。

（2）水电站突然增加负荷后渠内涌波，即计算最低水位，以确定渠末压力管道进口高程。

（3）水电站按日负荷图工作时，计算波动过程，即渠道中水位及流速的变化过程，以研究水电站的工作状况。

2．计算方法使用明渠一维非恒定流的基本方程——圣维南（Saint-Venant ）方程组进行计算。

（1）基本方程：连续方程 0=∂∂+∂∂x Q t A （7-5）运动方程 R C i x h x t g 212v v v v -=∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂ （7-6） 式中：A 为过水断面面积；Q 为流量；t 为时间；x 为距离； g 为重力加速度；v 为断面平均流速；h 为渠道水深；i 为渠道纵坡；C 为谢才系数；R 为水力半径。