小型無壓引水式電站樞紐布置探討

王勛

摘? 要：小型無壓引水式電站主要建筑物包括首部樞紐、引水明渠（或無壓隧洞）、壓力前池、電站進(jìn)水口、引水鋼管、發(fā)電廠房等。樞紐布置時可結(jié)合前期水文規(guī)劃確定的水電站規(guī)模，并考慮地形地質(zhì)條件及各建筑物間的關(guān)系，通過簡化計算，先初步擬定建筑物位置、型式及尺寸，再依據(jù)規(guī)范進(jìn)一步核算各建筑物是否滿足要求，并進(jìn)行調(diào)整后最終確定樞紐布置。

關(guān)鍵詞：小型無壓引水式電站;樞紐布置;首部樞紐;引水發(fā)電系統(tǒng)

中圖分類號：TV74? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）29-0080-02

Abstract： The main buildings of small free flow diversion type power stations include the first hub， open diversion channel （or free flow tunnel）， pressure front pool， power station intake， water diversion steel pipe， power plant and so on. The layout of the hub can be combined with the scale of the hydropower station determined by the previous hydrological planning， and taking into account the topographical and geological conditions and the relationship between the buildings. Through simplified calculation， the location， type and size of the building can be preliminarily drawn up. Then according to the code， this paper further calculates whether the buildings meet the requirements and， after adjustment， determines the final layout of the hub.

Keywords： small free flow diversion type power station; hub layout; first hub; diversion power generation system

1 背景

無壓引水式水電站的主要建筑物包括首部樞紐、沉沙池、引水明渠（或無壓隧洞）、壓力前池、電站進(jìn)水口、引水鋼管、發(fā)電廠房等。各個建筑物間相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)行樞紐布置時，需要憑經(jīng)驗先擬定一個大概布置，然后按規(guī)范要求的計算公式來復(fù)核樞紐布置的合理性，反復(fù)驗算和修改布置才能確定各個建筑物最終的布置方案。

設(shè)計規(guī)范和相關(guān)書籍內(nèi)容多為各建筑物需要滿足的要求及建筑物結(jié)構(gòu)的計算。經(jīng)驗較少的設(shè)計人員若只看規(guī)范進(jìn)行布置，容易感到漫無頭緒、無從下手。本文介紹了如何從無到有正向布置小型無壓引水式電站樞紐建筑物。

2 基本布局

水電站引水系統(tǒng)采用有壓引水式還是無壓引水式，應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件，結(jié)合前期規(guī)劃踏勘成果確定。在引水道上下游的水位相差較小的丘陵地區(qū)，常采用無壓引水式水電站;在引水道上下游的水位相差較大，且地質(zhì)條件較好的高山峽谷地區(qū)，常建造有壓引水式水電站。本文僅介紹小型無壓引水式電站樞紐的布置方法。

小型無壓引水式電站樞紐包括首部樞紐和引水發(fā)電系統(tǒng)。引水系統(tǒng)基本布局為開敞式進(jìn)水口（攔污柵+工作閘門）+引水明渠+前池擴(kuò)散段+前池標(biāo)準(zhǔn)段（前池兼有沉沙功能）+電站進(jìn)水口+平行的壓力明鋼管（如果壓力管道太長可考慮設(shè)置一條主管+岔管）。

3 首部樞紐

為提供穩(wěn)定的發(fā)電用水，首部樞紐通常需布置為有壩型式。首部的位置應(yīng)根據(jù)河流落差、地形條件、地質(zhì)情況等因素綜合考慮，現(xiàn)場踏勘確定。如無蓄水、供水、防洪等要求，小型引水式電站的首部樞紐可采用混凝土壩、當(dāng)?shù)夭牧蠅位蛩l，壩高盡量小，型式應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選后確定。

如采用混凝土壩，則主要考慮擋水和泄水要求，河中布置為溢流壩段，堰高可根據(jù)正常蓄水位確定;另外，對于多泥沙河流，在取水口一岸應(yīng)布置沖沙建筑物（如沖沙底孔、沖沙閘等）。

如采用當(dāng)?shù)夭牧蠅危捎趬紊頍o法布置泄洪設(shè)施，泄洪只能依靠岸邊溢洪道，泄洪設(shè)施布置需要的場地較大，因此當(dāng)?shù)夭牧蠅芜m合一岸地形較平緩易于布置溢洪道的區(qū)域。如果地形較陡，則需開挖高邊坡，工程量較大，相對不經(jīng)濟(jì)。對于多泥沙河流，在取水口一岸應(yīng)布置沖沙建筑物。

如采用水閘，則應(yīng)根據(jù)水文、泥沙條件考慮泄洪、沖沙要求，確定水閘規(guī)模。采用水閘庫區(qū)不易淤積，但機(jī)電設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)的造價相對較高。

4 引水系統(tǒng)

引水系統(tǒng)的布置是無壓引水式電站樞紐布置的核心，關(guān)鍵在于確定取水口的底板高程、明渠底坡、前池尺寸和底板高程、電站進(jìn)水口底板高程。通常應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件及現(xiàn)場踏勘確定取水口、壓力前池、發(fā)電廠房的大概位置，再根據(jù)以下分析確定具體布置。

4.1 取水口

取水口多采用有閘門控制型式，通常布置在攔河壩或閘的下游（彎道凹岸頂點(diǎn)以下一定距離），方便引取表層較清的水流。為改善水流條件，可使取水口處于斜向取水位置。閘底板為寬頂堰，高程結(jié)合首部水庫的正常蓄水位及經(jīng)濟(jì)條件分析確定，同時應(yīng)考慮泥沙問題，一般高出河底1～2m，閘底板以上水深=正常蓄水位-閘底板高程。含沙量高的河流，可考慮在進(jìn)水閘前設(shè)置攔沙坎。

進(jìn)水閘工作門前一般需設(shè)攔污柵，初步布置時考慮閘孔寬度和攔污柵寬度一致，為減小水頭損失，應(yīng)控制過柵流速約0.8m/s～1.2m/s，有效過流面積為攔污柵斷面總面積的75%左右。根據(jù)以上數(shù)據(jù)及設(shè)計引用流量，按“流量=流速×過流面積”的基本公式可確定攔污柵過流面積，進(jìn)而確定進(jìn)水閘凈寬。

4.2 明渠

取水口至壓力前池間即為引水明渠。首先觀察分析明渠段地形，大致取與地表平行的底坡（一般為1/1000～1/5000）作為明渠縱坡。明渠線路應(yīng)盡量平順并盡量與地形線平行，局部溝渠、山脊可采用渡槽、明洞、倒虹吸等方式通過。

明渠的斷面形式有矩形、梯形、復(fù)合形等。為減少渠道糙率和滲漏損失，常采用混凝土或漿砌石襯砌渠道，斷面形式一般采用矩形或梯形。根據(jù)地形條件，若橫斷面地形平緩則選擇寬淺的明渠，若橫斷面地形陡峭則選擇窄深的明渠。如采用梯形斷面，側(cè)面坡比根據(jù)地質(zhì)情況確定（具體可見《水工設(shè)計手冊（第9冊 灌排、供水）》）。根據(jù)初擬的渠底寬度、邊坡坡比、渠道水深計算出水力要素（過水?dāng)嗝婷娣e、濕周、水力半徑）：

4.3 壓力前池

壓力前池位置應(yīng)選擇在廠房后方的山頭，也就是山坡開始變陡的地方（根據(jù)地形地質(zhì)條件確定）。小型水電站基于經(jīng)濟(jì)性原因，可將沉沙池與壓力前池合并考慮。

首先觀察壓力前池周邊是否有方便溢水的天然山溝，如果有則考慮做成側(cè)向溢水，沒有或距離太遠(yuǎn)則可設(shè)計成不溢水的。壓力前池包括擴(kuò)散段和標(biāo)準(zhǔn)段，擴(kuò)散段底坡可采用1：5～1：6，平面上的擴(kuò)散角不大于12°?？上劝疵髑讓挼?倍左右確定擴(kuò)散段的長度，擴(kuò)散段末端的底寬可取整數(shù)，滿足擴(kuò)散角要求即可。

然后確定壓力前池的容積和底板高程。容積確定是比較復(fù)雜的，初步布置時可根據(jù)經(jīng)驗，按150s調(diào)節(jié)時間考慮，容積=150s×引用流量。擴(kuò)散段末端的底寬即為前池標(biāo)準(zhǔn)段的底寬，再按8倍底寬左右確定前池長度。前池的底高程按擴(kuò)散段底坡確定。

對沉沙池與壓力前池合并考慮的情況，應(yīng)按沉沙要求復(fù)核前池尺寸，并在前池底部設(shè)置沖沙廊道或沖沙孔。沖沙廊道或沖沙孔應(yīng)直接引至河道或引至前池附近山溝，最終進(jìn)入河道。

4.4 壓力鋼管的管徑

依據(jù)規(guī)范，壓力鋼管管內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速可采用3m/s～6m/s。可先按6m/s流速和設(shè)計引用流量反算管道直徑，并取整數(shù)，再驗算一下流速是否符合要求。如設(shè)置岔管，應(yīng)分別計算主管和支管的管徑及流速。

4.5 電站進(jìn)水口

電站進(jìn)水口為有壓進(jìn)水口，位于壓力前池之后、壓力鋼管之前。按進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范中戈登公式計算進(jìn)水口的最小淹沒深度：

式中，S-淹沒深度，m;C-系數(shù)，對稱進(jìn)水口取0.55;d-進(jìn)水口閘門高度;V-進(jìn)水口閘門斷面流速，m/s。

進(jìn)水口底板高程=壓力前池最低水位-S-d，可取整（取值應(yīng)小于計算值）。底板高程應(yīng)高于壓力前池底高程2m左右。如不能滿足要求，應(yīng)調(diào)整前池及進(jìn)水口底板高程。

計算時，壓力前池水位要用最低涌波水位，按規(guī)范計算較復(fù)雜，可先按下列方法估算：最低涌波水位=前池正常蓄水位-機(jī)組突然開啟發(fā)電時前池水位下降高度（下降高度估算：按閥門開啟時間8～15s及設(shè)計引用流量，計算會從前池引走多少水量，前池尺寸已擬定，即可算出水位會降低多少，此為偏極端安全的估算法）。

5 發(fā)電廠房

廠房的位置應(yīng)考慮發(fā)電水頭及地形地質(zhì)條件等因素，應(yīng)盡可能縮短壓力鋼管長度。廠房的尺寸，可按水機(jī)、電氣專業(yè)布置初步擬定。

6 結(jié)束語

通過以上步驟即可確定引水發(fā)電系統(tǒng)初步布置，并可根據(jù)各建筑物的關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。擬定建筑物布置及結(jié)構(gòu)尺寸后應(yīng)按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行校核計算（應(yīng)計算引水系統(tǒng)各段水頭損失、考慮明渠及前池型式為自動調(diào)節(jié)或非自動調(diào)節(jié)及側(cè)堰設(shè)置、壓力前池的最高涌波水位及最低涌波水位等），并根據(jù)計算進(jìn)行局部調(diào)整，最終確定樞紐布置。

確定樞紐布置后，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范對各建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定計算，并進(jìn)一步細(xì)化建筑物結(jié)構(gòu)形式（如首部樞紐壩體斷面、消能工形式、渠道及前池襯砌厚度、閘底板厚度、閘墩尺寸等）。

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