水電站引水渠道的水力計算探討

王少勇

摘 要：水電站渠道可當作引水渠，為無壓引水式水電站集中落差，形成水頭，并向機組輸水；也用作尾水渠，將發(fā)電用過的水排入下游河道。文章將從功用、要求和類型入手，對水電站引水渠道的水力計算特點進行探討。

關鍵詞：引水渠道；自動調(diào)節(jié)渠道；恒定流

水電站渠道可當作引水渠，為無壓引水式水電站集中落差，形成水頭，并向機組輸水；也用作尾水渠，將發(fā)電用過的水排入下游河道。由于尾水渠道通常很短，本文將主要討論引水渠道。

1 水電站引水渠道的功用及要求

1.1 足夠的輸水能力

渠道應能隨時向機組輸送所需的流量，并有適應流量變化的能力。

1.2 水質(zhì)符合要求

為防止有害的污物及泥沙經(jīng)渠首或由渠道沿線進入渠道，在渠末水電站壓力管道進口處還要再次采取攔污排冰、防沙等措施。

1.3 經(jīng)濟合理的構(gòu)造

結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理，便于施工運行。

1.4 運行安全可靠

渠道中既要防沖又要防淤，為此渠內(nèi)流速要小于不沖流速而大于不淤流速；渠道的滲漏要限制在一定范圍內(nèi)，過大的滲漏不僅造成水量損失，而且會危及渠道的安全；渠道中長草會增大水頭損失，降低過水能力，在氣溫較高易于長草的季節(jié)，維持渠中水深大于1.5m及流速大于0.6m/s可抑制水草生長；在渠道中加設護面既可減小糙率，又可防沖、防滲、防草，還有利于維護邊坡穩(wěn)定，但造價較貴；嚴寒季節(jié)，水流中的冰凌會堵塞進水口攔污柵，用暫時降低水電站出力，使渠中流速小于0.45～0.60m/s，以迅速形成冰蓋的方法可防止冰凌的生成，為了保護冰蓋，渠內(nèi)流速應限制在1.25m/s以下，并防止過大的水位變動。

2 引水渠道的類型

水電站渠道按其水力特性分為非自動調(diào)節(jié)渠道和自動調(diào)節(jié)渠道。

非自動調(diào)節(jié)渠道末端壓力前池處（或接近渠末處）設有泄水建筑物，如溢流堰或虹吸泄水道。當渠中通過最大流量時，壓力前池水位低于堰頂；當流量減小到一定程度時，水位超過堰頂，溢流堰開始溢流。當水電站引用流量為零時，通過渠道的全部流量由溢流堰溢走。溢流堰的作用是限制渠末水位以及保證下游用水。若下游無用水要求，則當水電站引用流量減小時要相應關小渠道進口的閘門以減少棄水。非自動調(diào)節(jié)渠道的堤頂高程為渠內(nèi)最高水位加上安全超高，堤頂與底坡大致平行。實際工程中大多數(shù)發(fā)電渠道都屬此類渠道。

自動調(diào)節(jié)渠道渠末不設溢流堰。當水電站引用流量為零時，渠中水位是水平的，因而堤頂基本上是水平的，渠道斷面向下游逐漸加大。自動調(diào)節(jié)渠道只用于渠線很短的情況，進口可只設檢修閘門。

3 渠道的水力計算特點

渠道水力計算的基本原理及方法已在水力學中講過，水力計算可分為恒定流計算及非恒定流計算兩種，它們是決定渠道尺寸及擬定水電站運行方式的基礎。

3.1 恒定流計算

對于給定的渠道斷面形狀、底坡及糙率，利用謝才公式可求出均勻流下正常水深與流量之間的關系曲線A。

根據(jù)給定的斷面，假定一系列臨界水深，可算得與其相對應的流量，從而作出臨界水深與流量的關系曲線B。

對于給定的渠首設計水深（即水庫為設計低水位、閘門全開下的渠首水深），利用水力學中非均勻流水面曲線的計算方法可求出渠道通過不同流量時渠末的水深，從而繪出水位-流量關系曲線C。

根據(jù)渠末溢流堰的實際尺寸，按實用堰或?qū)掜斞吡鞴娇梢杂嬎愠銮┧睿ǖ扔谘唔斨燎椎母叨燃由涎呱纤^），從而得到渠末水深與溢流流量的關系曲線D。

這幾根曲線的關系及意義如下：

曲線A與曲線C的交點表示渠內(nèi)渠首水深與渠末水深相等，發(fā)生均勻流。此時的流量相應于渠道的設計流量。

若水電站引用流量大于設計流量，渠中出現(xiàn)降水曲線，且隨著流量的增加渠末水深迅速減小。則渠末水深的極限值即為臨界水深，即曲線B與曲線C的交點。此時的流量為給定渠首水深時渠道的極限過水能力。一般取水輪發(fā)電機組的最大引用設計流量為渠道的設計流量，而不是令渠道最大過水流量等于其設計流量，這是因為：

（1）使渠道經(jīng)常處于壅水狀態(tài)工作，以增加發(fā)電水頭。

（2）避免因流量增加不多而水頭顯著減小的現(xiàn)象。

（3）使渠道的過水能力留有余地，以防止渠道淤積、長草或?qū)嶋H糙率大于設計采用值時，水電站出力受阻（即發(fā)不出額定出力）。

水電站引用流量小于設計流量時，渠中出現(xiàn)壅水曲線，渠末水位隨流量減小而上升。當水電站引用流量等于最大流量時，即曲線C與堰頂高程線的交點處，渠末水深等于溢流水深，剛好不溢流，此時給出無棄水下的渠末最高水位。引用流量更小時，渠末水深大于溢流水深時則發(fā)生溢流。令通過水輪機的流量為Q1，溢流流量為Q2，通過渠道的流量為Q1+Q2，渠末水位可由上述曲線直接查出。當水電站停止運行時，通過渠道的流量全部由溢流堰溢走，相應于曲線C與曲線D的交點，這就是溢流堰在恒定流情況下的最大溢流流量，相應水位為恒定流下渠末最高水位。

當水庫水位變動或閘門開度不同，因而渠首水深在一定范圍內(nèi)變化時，可取幾個典型的渠首水深值進行非均勻流計算，得出相應的水位-流量曲線，進行綜合分析。

3.2 非恒定流計算

非恒定流計算的目的是研究水電站負荷變化因而引用流量改變引起的渠中水位和流速的變化過程，其計算內(nèi)容包括：

（1）水電站突然丟棄負荷后渠內(nèi)涌波，即求渠道沿線的最高水位，以決定堤頂高程。

（2）水電站突然增加負荷后渠內(nèi)涌波，求得最低水位，以決定渠末壓力管道進口高程。

（3）水電站按日負荷圖工作時，渠道中水位及流速的變化過程，以研究水電站的工作情況。

非恒定流計算的基本原理為水力學中改進的能量平衡原理，由于具體的計算比較復雜，實際工程中一般采用一維明渠非恒定流的特征線法計算，利用計算機進行分析。