《水电站》7 水电站进水口建筑物

《水电站》2007年7月 第二篇引水建筑物调压室水击与调节保证计算水电站压力管道水电站引水道建筑物水电站进水口建筑物 第六章水电站进水口建筑物主要内容进水口的功用和要求进水口的防沙、防污和防冰有压进水口的类型及适用条件有压进水口的位置高程及尺寸有压进水口的主要设备无压进水口及沉沙池进水口运行中存在的问题 第一节进水口的功用和要求一、功用：是水电站水流的进口，按照发电要求将水引入水电站的引水道。 二、基本要求要有足够的进水能力。合理安排其位置和高程，水流平顺并有足够的断面尺寸。水质要符合要求。要设置拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备。水头损失小。位置合理，轮廓平顺、流速较小，尽可能减小水头损失。可控制流量。进水口须设置闸门。满足水工建筑物的一般要求。 三、分类(按水流条件分)无压：类似于水闸，水流为明流，引取表层水，适用于无压引水式电站。有压：进水口在最低水位以下，水流为有压流，以引深层水为主。适用于坝式、有压引水式、混合式水电站。 第二节进水口的防沙、防污和防冰一、防沙所需的泥沙资料：推移质和悬移质的含量，颗粒硬度，容重及其运动规律。防沙设计应恰当估计治理泥沙来源措施的实效，充分考虑上下游梯级电站的相互影响，以及统筹规划水库防淤和进水口防沙问题。防沙措施有：导(将泥沙导离进水口)、拦(将泥沙阻拦在进水口前缘)、排(将进水口前的泥沙排往下游)、沉(将越过进水口的泥沙沉淀在沉沙池内)和冲(将沉沙池内的泥沙冲往下游)。 开敞式和浅孔式进水口防沙问题比较突出，在选择枢纽位置、进行总体布置、设置泄洪建筑物和拟定水库运行方式时，都应把防沙问题放在重要地位予以考虑。深孔式进水口应根据水库地形、库区淤积形态和进水口底板高程等因素考虑排沙设施。如需设置排沙底孔时，其位置和高程的选定应使排沙漏斗足以控制进水口，以满足“门前清”的要求。枢纽排沙或冲沙是防沙的重要环节，所设排沙冲沙建筑物应具有足够的排沙和冲沙能力。多泥沙河流上的大型或重要工程最终选定的进水口防沙设施，应通过水工泥沙试验验证。 二、防污所需的资料：污物的来源、种类、数量和漂移规律。多污物河流上的进水口，不宜正对携带污物的主流，并采取导污、排污和拦污等措施，制定有效的清污方法。拦污栅和清污平台的布置应便于清污机操作和污物的清理及运输，并有足够的场地用以临时堆放污物。工程完建和水库蓄水之前必须按有关规定认真进行库区清理以免蓄水后污物涌向进水口。梯级电站排污应考虑对下游电站进水口的影响。多污物河流上进水口的拦污栅上应装置监测压差的仪器，以掌握污物堵塞情况便于及时清理。在拟定水库运行方式时应考虑防污要求。 三、防冰设计所需资料：冰期、流冰特征和流冰量、冰块大小和冰层厚度、类似条件下电站进水口的冬季运行资料。防止流冰对建筑物的破坏可采用下列措施：进水口布置应避开流冰的直接撞击；设置导冰和排冰设施；调整水库运行方式，限制流冰的产生。防止静冰压力的破坏可采用下列措施：调节水温，人工或机械破冰，使水面不结冰或使冰盖脱离进水口，以消除冰压力；利用隔板如泡沫板缓冲，以减小冰压力；加固建筑物结构使其足以抵抗冰压力。防止进水口及其设施的冻结可采用下列措施：调节水温，加热设备，建造暖房，设备如拦污栅没入不结冰的水下，定期启闭闸门。 第三节有压进水口的类型和适用条件隧洞式进水口墙式进水口塔式进水口坝式进水口 一、隧洞式进水口特征：在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井，井壁一般要进行衬砌，闸门安置在竖井中，竖井的顶部布置启闭机及操纵室，渐变段之后接隧洞洞身。适用：工程地质条件较好，岩体比较完整，山坡坡度适宜，易于开挖平洞和竖井的情况 二、墙式进水口特征：进口段、闸门段和闸门竖井均布置在山体之外，形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物，承受水压及山岩压力。要有足够的稳定性和强度。适用：地质条件差，山坡较陡，不易挖井的情况。 大盈江进水口 三、塔式进水口特征：进口段、闸门段及其一部框架形成一个塔式结构，耸立在水库中，塔顶设操纵平台和启闭机室，用工作桥与岸边或坝顶相连。塔式进水口可一边或四周进水。适用：当地材料坝、进口处山岩较差、岸坡又比较平缓 四、坝式进水口特征：进水口依附在坝体的上游面上，并与坝内压力管道连接。进口段和闸门段常合二为一，布置紧凑。适用：混凝土重力坝的坝后式厂房、坝内式厂房和河床式厂房。 进水口完整分类说明：此分类表中的名称与教材中不完全一致。 第四节有压进水口的位置、高程及尺寸一、位置原则：水流平顺、对称，不发生回流和漩涡，不出现淤积，不聚集污物，泄洪时仍能正常进水。进水口后接压力隧洞，应与洞线布置协调一致，要选择地形、地质及水流条件均较好的位置。 二、高程顶部高程：进水口顶部高程应低于最低死水位，并有一定的埋深：底部高程：进水口的底部高程通常在水库设计淤沙高程以上0.5~1.0m，当设有冲沙设备时，应根据排沙情况而定。 三、轮廓尺寸组成：一般由进口段、闸门段、渐变段组成。进水口的轮廓应使水流平顺，流速变化均匀，水流与四周侧壁之间无负压及涡流。应根据运行水头和设计流量，考虑孔口流速、闸门尺寸系列和启闭机容量选定，进水口孔口尺寸。进口流速不宜太大，一般控制在1.5m/s左右。有压引水道的进水口，其孔口面积一般不宜小于后接引水道的面积。 1、进口段作用是连接拦污栅与闸门段。隧洞进口段为平底，两侧收缩曲线为四分之一圆弧或双曲线，上唇收缩曲线一般为四分之一椭圆。进口段长度没有一定标准，在满足工程结构布置与水流顺畅的条件下，尽可能紧凑。 2、闸门段闸门段是进口段和渐变段的连接段，闸门及启闭设备在此段布置。闸门段一般为矩形，事故闸门净过水面积为(1.1~1.25)洞面积；检修闸门孔口与此相等或稍大。门宽B等于洞径D，门高略大于洞径D。 3、渐变段矩形闸门段到圆形隧洞的过渡段。通常采用圆角过渡，圆角半径r可按直线规律变为隧洞半径R；渐变段的长度：一般为隧洞直径的1.5~2.0倍；侧面收缩角为6˚~8°为宜，一般不超过10°。 第五节有压进水口的主要设备一、拦污设备(trashrack或trashscreen)作用：防止有害污物、漂浮物等进入进水口，影响过水能力。布置：平面倾斜：倾角一般为60-70˚。过水断面大，易于清污，适用于洞式、岸墙式。平面直立：适用塔式、坝式。多边形：适用坝式水口。 拦污栅图片 拦污栅图片 移动式清淤机拦污栅清污机回转式清淤机VR6型拦污栅清污机 清污机 结构支承结构：一般金属框架或钢筋混凝土结构；栅片结构：由若干栅片组成，栅片放在支承结构的栅槽中。尺寸为4.5×2.5m(高×宽)清污及防冻定期清污（人工、机械）注：拦污栅框架顶部应高出需要清污时的相应水库水位 设计(1)过栅流速：v≯1m/s(2)栅条间距b：根据水轮机的型式确定。HL：b=D1/30ZL:b=D1/20CJ:b=d/5(3)拦污栅与进水口之间的距离不小于D（洞径或管道直径）(4)设计荷载：按4~5m水头的水压力设计。超过4~5m时，自动停机。 二、闸门及启闭设备工作闸门(事故闸门)(emergencygate)作用：紧急情况下切断水流，以防事故扩大。运用要求：动水中快速(1~2min)关闭，静水中开启。布置方式：一般为平板门。一口、一门、一机(固定卷扬启闭机)，以便随时操作。 检修闸门(bulkheadgate)：作用：设在工作闸门上游侧，检修事故闸门和及其门槽时用以堵水。运用要求：静水中启闭。布置方式：平板闸门，几个进水口共用一套检修闸门，启闭可用移动式或临时启闭设备，平时检修闸门存放在储门室内。 三、通气孔及充水阀通气孔(airhole)位置：有压进水口的事故闸门之后作用：引水道充水时用以排气，事故闸门紧急关闭放空引水道时，用以补气以防出现有害真空。面积=最大进气流量/允许进气流速Va露天式管道进水口，Va一般取30~50m/s，坝内管道和隧洞：Va取70~80m/s。规范：通气孔面积可取管道面积的5%左右。 充水阀(fillingvalve)作用：开启闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以便在静水中开启闸门，从而减小启门力。尺寸：根据充水容积、下游漏水量及要求的充水时间来确定。位置：设置在坝内廊道。坝式进口设旁通管，管的上游通至上游坝面，下游至事故闸门之后，旁通管穿过坝体廊道，并在廊道内设充水阀。设置在平板门上。 第六节无压进水口及沉沙池一、无压进水口 特征、适用条件、作用特征：无压进水口内水流为明流，以引表层水为主。进水口后一般接无压引水道。适用：适用于无压引水式电站。作用：控制水量与水质，并保证使发电所需水量以尽可能小的水头损失进入渠道。 位置宜选在“稳定河段”上，并靠近主槽布置，不应布置在河床过宽、主流分散的河段上。若以防沙为主，其位置宜选在弯曲河段的凹岸，最有利的位置为弯道顶点的下游附近，若以防污或防冰为主宜，选在直河段。不应在含有大量推移质的支流或山沟的汇口附近设置进水口。应避开容易聚积污物的回流区，并应避免流冰或漂木的直接撞击。 拦污设施一般均设拦污栅或浮排以拦截漂浮物。防污要求见第二节。拦沙、沉沙、冲沙设施无压进水口的防沙问题比较突出，在选择枢纽位置、进行总体布置、设置泄洪建筑物和拟定水库运行方式时，都应把防沙问题放在重要地位予以考虑。 二、沉沙池(Sandbasin) 沉沙池布置 沉沙池布置 2、沉沙池的类型按用途可以分为水利工程沉沙池和水电工程沉沙池；按运行方式可分为水力冲洗式和非冲洗式沉沙池。水力冲洗式沉沙池。水电站的沉沙池多采用连续冲洗式，水利工程沉沙池多采用定期冲洗式。连续冲洗式：将沉降下来的泥沙连续不断地排入下游河道。可布置为单室式或多室式。其构造比较复杂，但运行简单可靠，可连续供水。一般用来处理粗粒径泥沙。定期冲洗式：当淤积到一定厚度时，需要停止引水，排除泥沙，不能连续供水。非冲洗式沉沙池。多在水利工程中应用。 3、连续冲洗式沉沙池的布置组成：引渠、上游连接段、工作段、下游连接段、旁侧溢流堰、排沙廊道系统。 引渠。要满足设计流量范围内不同设计含沙量的正常输水要求，防止小流量引水时出现严重淤积。沿引渠可设置冲沙、泄水设施。其深度和宽度均小于沉沙池工作段的尺寸。上游连接段。使水流均匀扩散，平稳地进入池室工作段，并最大限度地减少泥沙在连接段沉降。设置有进水闸、配水、整流、拦污等设施。为了使水流均匀地扩散，其平面布置常采用对称扩散型式，单侧扩散角不易大于8~12˚。如果采用非对称扩散，两侧扩散角之和宜小于16~24˚。为了防止淤堵，该段应设置冲沙廊道。 工作段。其主要作用是沉降泥沙，并由池底主廊道、支廊道连续冲洗。工作段的结构。冲沙系统由若干条支廊道和主廊道组成。支廊道顺水流方向布置于池底的进沙孔下，并分别汇入主廊道。沉沙池工作段内可根据池室布置，设置多个冲沙系统。廊道系统中的泥沙，利用工作段的水头冲洗。可以分成多段分别沉降和冲洗。 下游连接段主要作用是使出池水流能顺畅地进入下游输水道。由于下游输水道断面小，下游连接段宜采用逐渐收缩的渐变断面。收缩角一般按水流收缩角确定。连续冲洗式沉沙池的冲沙廊道一旦堵塞，可使用下游连接段内的事故冲沙闸冲洗。因此，在该段内应设置事故冲沙闸作为备用冲沙设施。 旁侧溢流堰作用是在进水口闸门操作不当或机组丢弃负荷时，宣泄进入沉沙池超过设计流量的水量，或防止沉沙池出现雍水情况。可设置在沉沙池工作段、引渠或输水道的适当部位。堰顶宽度及高程应根据宣泄流量按堰流公式确定，但堰顶宜略高于正常水位，一般高于正常水位5cm以上。 冲沙廊道其顶部为带孔的水平盖板或底栅，将池室内水流(流速小)与冲沙廊道内的水流(流速大)分开。冲沙廊道内的流量是逐渐增加的，其横断面应相应增大，使冲沙廊道的流速大致为常数。冲沙廊道的进水最好设计成斜向的，以便造成横向环流，提高输沙能力。当采用正面进水时，可在冲沙廊道的侧墙及底部设置斜向的条齿，可大大增加输沙能力。 1-带孔盖板；2-廊道冲沙廊道结构 污物问题泥沙问题气锤问题漩涡问题冰冻问题第七节进水口运行中存在的问题 1、污物问题污物(impurity，trash)带来的问题主要是堵塞拦污栅，这是我国水电站进水口运行中最为普遍的问题。约有半数以上的进水口曾发生不程度的拦污栅堵塞。轻者，堵塞会加大拦污栅的水头损失，减少进水口的引进流量，严重者会造成栅条变形或被压断，拦污栅最大压差高达11~12米。 盐锅峡水电站：汛期有大量杂物被带到坝前，年总量在3000m3以上。进水口迎水流布置，无任何额外防护设施。1964年汛期，洪峰大、污物多，停机清污十分频繁，3~5天就要清污一次。8月12日，污物来势凶猛，来不及清理，先是堵塞拦污栅，接着泥沙受阻淤积，致使栅体压差达到近7米，最终将拦污栅压垮，被迫停机600多小时，折合损失240万元。1966年~1967年两年内因停机清污所造成的损失达到1569万元。黄坛口水电站由于地形条件不好，在进水口前形成大面积回流区，并出现漏斗漩涡。洪水季节有大量污物堆积，厚度近1米，漂浮物一旦被吸入漩涡，就会被附着在拦污栅上。1961年由于拦污栅堵塞使电站出力降低4000kW，拦污栅压差达到5.4米，最终导致拦污栅压坏脱落，被迫停机。 电站进水口堵塞和拦污栅被压垮的原因：进水口位置选择不当，有的顶冲主流，有的位于聚集污物的回流区，同时缺乏拦导污物的设施。对河流漂浮物的漂移规律、种类、及其数量等特征调查研究不够，防污设计一般化，缺乏专门的防污设施。缺乏与污物种类和来量相适应的清污设备。多数拦污栅没有装置监测压差的设施，没有建立正常的清污制度，贻误了时机。早期设计的拦污栅，对污物堵塞情况认识不足，压差荷载假定偏小，栅条强度不够。 2、泥沙问题从已建水电站的运行情况来看，不论是低坝还是高坝进水口，凡是没有防沙设施或防沙措施不力的，都不同程度地存在着泥沙(sediment)问题，如进水口淤积、过水部件磨损、厂房管路堵塞等。即使是深孔式进水口，如果不采取有力的防沙措施，致使淤积高程高于进水孔底板高程的情况也很常见。随着淤积的发展，进入水轮机的泥沙逐渐增多，水轮机的磨损也日益加重。此外，厂房的管路堵塞还会造成厂房内的水力量测系统失灵，冷却器失效，影响机组的正常运行。 盐锅峡水电站装机8台，为低坝式水电站。该电站在运行二三年后，淤积累计总量达到1.54亿m3，占总库容的71%，坝前淤积到进水口底板高程。在其设计中过高地估计了上游的水土保持效益，对库区的淤积形态估计不足，并寄希望于上游的刘家峡水电站先建并拦截泥沙，因此造成了大量泥沙过机，水轮机严重磨损，使机组效率降低2~5%，同时也降低了机械强度。因此检修次数增加、检修时间加长，检修费用加大。以4#机组为例，平均两年大修一次，平均每次大修工期为56天。 刘家峡水电站位于盐锅峡水电站的上游，具有高坝大库，总库容为57亿m3。由于其上游含沙量很大的支流河的汇入，使泥沙不久即推移到坝前。设计中虽然吸取了盐锅峡的教训，左右岸均设置了排沙设施，但在实际运行中，排沙设施只能拉走部分进水口前的泥沙，1号和2号进水的泥沙无法解决，因此水轮机磨损严重。1985年以前，机组大修间隔时间为2.56年，平均大修一次为66天。1985年以后，机组大修间隔时间为1.96年，平均大修一次所需时间增加到103天。由于频繁检修，水轮机叶片不能恢复原状，使机组效率下降。 原因分析：过高估计水土保持效益，以为泥沙将逐渐减少，设计中没有采取防沙措施,对泥沙问题估计不足。在防沙规划思想上，寄希望于上游高坝大库的建设，希望能拦截部分泥沙。但实际上即使上游有高坝大库，拦沙总有一定年限，迟早还是要排沙。河流泥沙帐没有算清。对泥沙来量和库区淤积形态估计不足，致使防沙设施不完全，进水口高程欠妥。进水口位置选择不当，容易造成泥沙聚集。如澄碧河水电站建在山沟出口处，又未采取防沙措施，致使进水口前泥沙淤积3~4米。 三、气锤问题气锤(airdrophammer，jackhammer)，又称气浪，是压力水道中剧烈波动的压缩气体由进水口通道冲出而发出的喷水现象，喷出的水柱高达10多米，破坏力极大，影响电站的运行。在被调查的51座电站中，有21座电站不同程度地发生过气锤喷水，有的接连发生。 狮子滩水电站在低水位运行时，隧洞内一声雷鸣般的巨响，水从进水口的进人孔喷出，水柱高达10米以上，将进水口附近的铁盖板冲走。盐水沟水电站，运行中闸门提得过快，洞内水流从进水口的通气管喷出，射向闸门室，门窗被冲坏，门槽上钢梁被掀起。石泉水电站先后三次发生气锤喷水，严重的一次，喷水射到下游110kV开关站，引起双母线接地，造成重大的停电事故。 发生气锤的原因：压力水道中混入空气。而空气的混入一是因为进水口低水位运行，淹没深度不够，空气随水流进入管道；二是因为管道充水过快，管内的空气来不及排出。由于空气被不稳定的水流囊括，压缩到一定程度，高压气囊便从进水口的各种通道喷射而出。气锤的防止：保证足够的淹没深度，进流要具有良好的流态，应提出进水口闸门的运行方式和管道充水要求，供运行单位制定严格的操作程序。 在被调查的48座水电站中，有33座电站进水口、前缘水域不同程度地发生过漩涡(whirl，vortex)。多数为表面漩涡，强度不大，直观上没有对电站运行造成影响。当漩涡发展成贯通式的漏斗漩涡时，卷入漩涡的污物便沿漏斗而下，附着在拦污栅上，造成拦污栅的堵塞。黄坛口水电站的拦污栅堵塞就是因为出现漏斗漩涡带来的污物造成的。古田三级水电站，漏斗漩涡带来的污物首先压跨拦污栅，继而污物卡在水轮机内，将导叶折断。4、漩涡问题 漏斗漩涡的产生原因：进水口地形边界条件差，来流方向与进水口轴线夹角不合理，进水口淹没深度不够，进水口流速和尺寸不合理等。前两个因素是至关重要的因素，在设计中应给与足够的重视。 五、冰冻问题冰冻(freezing，frost)问题对寒冷地区的水电站进水口中，威胁最大的是开敞式进水口。目前掌握的资料不全。 思考题简述有压进水口的主要型式、各种型式布置特点及适用条件，并说明其位置、高程、轮廓尺寸是如何确定的?拦污栅的工作要求?拦污栅的布置设计如何进行?沉沙池的工作特点和设计要求?无压进水口的运行特点？其位置如何选择？ 谢谢!