浅谈水电站的引水及平水建筑物

段超

摘 要：无论是有压水电站的引水隧洞，还是无压水电站的引水渠道，它们首先都是水电站的引水建筑物的组成部分，但在严格的理论分析中，也可以当成水电站的平水建筑物向其上游的延伸，文章将从此基础上，进一步探讨水电站的引水渠道和压力前池。

关键词：引水建筑物；平水建筑物；压力前池

1 水电站引水建筑物与平水建筑物的统一性

对于有压水电站，设计人员一般在电脑程序计算中，习惯于将有压隧洞作为单独的引水建筑物、调压池作为单独的平水建筑物分别进行计算，但严格的理论分析中，引水建筑物与平水建筑物并没有严格的区分，有压隧洞可以视作调压池向上游的延伸，只是有压隧洞的直径远小于调压池的直径，因而调压能力比调压池低，但对于调压的效果并不能忽略。

同理对于无压水电站，前池可以视作无压渠道在末端的断面放大，这个对于一般设计人员而言比较容易理解，那么反过来，无压渠道也可以调节水流，即也可以视作是平水建筑物的压力前池向上游的延伸，在此基础上，文章将对渠道和压力前池进行整体性探讨。

2 渠道的断面尺寸分析

渠道一般为梯形断面，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边坡可近于垂直而成为矩形断面。从水力条件出发，希望采用“水力最优断面”，即给定过水断面面积下湿周最小的断面，水力学中已经证明，这时水力半径R为水深之半。在实际应用中，常常因技术经济原因，不得不放弃这种水力最优断面。例如，边坡平缓韵士质渠道按最优水力断面求出的底宽常因不足以安排施工机械而必须加大；边坡较陡的深挖方渠道则宜缩小底宽以减小渠道水位以上的“空”挖方。

决定渠道断面尺寸时，先拟定几个满足防冲、防淤、纺草等技术条件的方案，经动能经济比较，最终选出最优方案。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。

首先假定某一方案的渠道断面积，按均匀流通过设计流量Q的条件求出其底坡i，进而得出该方案渠道及有关建筑物的投资。受渠末溢流堰的限制，渠道运行过程中渠末水深偏离正常水深很小，可近似假定渠末水深等于正常水深，从而得出这一方案的水头损失Δh=iL，L为渠道长度。这一方案的年电能损失为：

ΔE=9.81ηQΔhT

式中η—机组效率，可近似当作常数；T—水电站年利用小时。

这部分损耗了的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ΔE，必须增加装机，多耗煤。增加装机的投资等于年电能损失ΔE乘以火电站单位电能投资再乘以单位电能的煤耗支出；水、火电站的计算支出分别为

式中ρb—额定投费效益系数；Ph、Pt—水电站及火电站的年运行费率；Ph—水电站的计算支出系数，Ph=ρh+Ph；Pt—火电站的计算支出系数，Pt=（ρh+Pt）+Bc。

对断面不同的每一方案计算相应的Ch，Ct及系统计算支出Cs=Ch+Ct，从而可绘出Ch～F，Ct～F及Cs～F的关系血线，如图7-3所示。Cs曲线最低点所对应的F即为最经济的断面尺寸。由于Cs在最低点附近变化缓慢，通常将断面F稍选小些，以减小工程量，而几乎不影响动能经济计算的成果。我国工程实践表明，水电站渠道的经济流速约为1.5～2.0m/s，粗略估算渠道断面尺寸时可作参考。

3 压力前池

3.1 压力前池的作用

压力前池是引水渠道和压力管道（或称压力水管）之间的连接结构，它的作用包括：（1）加宽和加深渠道以满足压力管道进水口的布置要求。（2）向各压力管道均匀分配流量并加以必要的控制；（3）清除水中的污物、泥沙及浮冰；（4）渲泄多余水量。

此外，当水电站负荷变化因而水轮机引用流量迅速改变时，压力前池的容积可以起一定的调节作用，反射压力水管中的水锤波，同时抑制渠道内水位的过大波动。因此，压力前池是无压引水系统中的平水建筑物。

3.2 压力前池的组成

压力前池由以下几部分组成：

3.2.1 池身及扩散段。它们可以看作是渠道的扩大段。池身的宽度和深度取决于压力水管进水口的要求。扩散段的两侧墙吸底坡扩散角不宜大于10°，以保证水流平顺，水头损失小，无脱流及漩涡。

3.2.2 压力水管的进水口。

3.2.3 溢流建筑物。一般为沿池身一侧布置的侧堰，也可采用虹吸式泄水道。侧堰简单可靠，但前沿较长、水位变化较大；加设自动控制闸门能提高单宽流量，但必须稳妥可靠。虹吸泄水道泄流量大，但结构复杂，泄流量变化突然，可能引起水位振荡，不能渲泄漂浮物，易封冻。泄水建筑物应能在上游最高水位下渲泄进入渠道的最大流量。

3.2.4 排污、排沙、排冰设备。污物及泥沙可由渠首进入渠道，也可能在渠道沿线进入，必须予以清除，以防进入压力水管。在严寒地区还要设拦冰及排冰设备。

压力前池一般都布置在靠近厂房的陡坡上，以缩短压力水管的长度。建筑物和水的重量、水的推力、渠道和前池的渗漏都增加了山坡坍滑的可能性，设计中要特别注意其地基稳定问题。

3.3 压力前池-日调节池的调节机理

担任峰荷的水电站一日之内的引用流量在零与最大流量之间变化，而引水渠道的流量是按水轮发电机组的最大设计流量确定的，这意味着一天内的大部分时间，渠道的过水能力没有得到充分利用。如渠道下游沿线有合适的地形建造日调节池，则情况可大为改善：日调节池与压力前池之间的渠道仍按水轮发电机组的最大设计流量处理，但日调节池上游的渠道可按较小的流量进行设计，当日调节池足够大时（该容量可按水电站的工作方式通过流量调节计算求得），设计流量接近于水电站的平均流量。运行过程中，水电站引用流量大于平均流量时，日调节池予以补水，水位下降；水电站引用流量小于平均流量时，多余的水注入日调节池，使水位回升，这样，上游渠道可以终日维持在平均流量左右。当引水渠道较长、水电站负荷变幅较大时，增设日调节池有可能降低整个输水系统的造价并改善其运行条件。显然，日调节池越靠近压力前池，其作用越大。

当河中含有泥沙时，日调节池很容易被淤积，所以在含沙量大的季节中，最好使水电站担任基荷，而将日调节池进口封闭。

摘 要：无论是有压水电站的引水隧洞，还是无压水电站的引水渠道，它们首先都是水电站的引水建筑物的组成部分，但在严格的理论分析中，也可以当成水电站的平水建筑物向其上游的延伸，文章将从此基础上，进一步探讨水电站的引水渠道和压力前池。

关键词：引水建筑物；平水建筑物；压力前池

1 水电站引水建筑物与平水建筑物的统一性

对于有压水电站，设计人员一般在电脑程序计算中，习惯于将有压隧洞作为单独的引水建筑物、调压池作为单独的平水建筑物分别进行计算，但严格的理论分析中，引水建筑物与平水建筑物并没有严格的区分，有压隧洞可以视作调压池向上游的延伸，只是有压隧洞的直径远小于调压池的直径，因而调压能力比调压池低，但对于调压的效果并不能忽略。

同理对于无压水电站，前池可以视作无压渠道在末端的断面放大，这个对于一般设计人员而言比较容易理解，那么反过来，无压渠道也可以调节水流，即也可以视作是平水建筑物的压力前池向上游的延伸，在此基础上，文章将对渠道和压力前池进行整体性探讨。

2 渠道的断面尺寸分析

渠道一般为梯形断面，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边坡可近于垂直而成为矩形断面。从水力条件出发，希望采用“水力最优断面”，即给定过水断面面积下湿周最小的断面，水力学中已经证明，这时水力半径R为水深之半。在实际应用中，常常因技术经济原因，不得不放弃这种水力最优断面。例如，边坡平缓韵士质渠道按最优水力断面求出的底宽常因不足以安排施工机械而必须加大；边坡较陡的深挖方渠道则宜缩小底宽以减小渠道水位以上的“空”挖方。

决定渠道断面尺寸时，先拟定几个满足防冲、防淤、纺草等技术条件的方案，经动能经济比较，最终选出最优方案。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。

首先假定某一方案的渠道断面积，按均匀流通过设计流量Q的条件求出其底坡i，进而得出该方案渠道及有关建筑物的投资。受渠末溢流堰的限制，渠道运行过程中渠末水深偏离正常水深很小，可近似假定渠末水深等于正常水深，从而得出这一方案的水头损失Δh=iL，L为渠道长度。这一方案的年电能损失为：

ΔE=9.81ηQΔhT

式中η—机组效率，可近似当作常数；T—水电站年利用小时。

这部分损耗了的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ΔE，必须增加装机，多耗煤。增加装机的投资等于年电能损失ΔE乘以火电站单位电能投资再乘以单位电能的煤耗支出；水、火电站的计算支出分别为

式中ρb—额定投费效益系数；Ph、Pt—水电站及火电站的年运行费率；Ph—水电站的计算支出系数，Ph=ρh+Ph；Pt—火电站的计算支出系数，Pt=（ρh+Pt）+Bc。

对断面不同的每一方案计算相应的Ch，Ct及系统计算支出Cs=Ch+Ct，从而可绘出Ch～F，Ct～F及Cs～F的关系血线，如图7-3所示。Cs曲线最低点所对应的F即为最经济的断面尺寸。由于Cs在最低点附近变化缓慢，通常将断面F稍选小些，以减小工程量，而几乎不影响动能经济计算的成果。我国工程实践表明，水电站渠道的经济流速约为1.5～2.0m/s，粗略估算渠道断面尺寸时可作参考。

3 压力前池

3.1 压力前池的作用

压力前池是引水渠道和压力管道（或称压力水管）之间的连接结构，它的作用包括：（1）加宽和加深渠道以满足压力管道进水口的布置要求。（2）向各压力管道均匀分配流量并加以必要的控制；（3）清除水中的污物、泥沙及浮冰；（4）渲泄多余水量。

此外，当水电站负荷变化因而水轮机引用流量迅速改变时，压力前池的容积可以起一定的调节作用，反射压力水管中的水锤波，同时抑制渠道内水位的过大波动。因此，压力前池是无压引水系统中的平水建筑物。

3.2 压力前池的组成

压力前池由以下几部分组成：

3.2.1 池身及扩散段。它们可以看作是渠道的扩大段。池身的宽度和深度取决于压力水管进水口的要求。扩散段的两侧墙吸底坡扩散角不宜大于10°，以保证水流平顺，水头损失小，无脱流及漩涡。

3.2.2 压力水管的进水口。

3.2.3 溢流建筑物。一般为沿池身一侧布置的侧堰，也可采用虹吸式泄水道。侧堰简单可靠，但前沿较长、水位变化较大；加设自动控制闸门能提高单宽流量，但必须稳妥可靠。虹吸泄水道泄流量大，但结构复杂，泄流量变化突然，可能引起水位振荡，不能渲泄漂浮物，易封冻。泄水建筑物应能在上游最高水位下渲泄进入渠道的最大流量。

3.2.4 排污、排沙、排冰设备。污物及泥沙可由渠首进入渠道，也可能在渠道沿线进入，必须予以清除，以防进入压力水管。在严寒地区还要设拦冰及排冰设备。

压力前池一般都布置在靠近厂房的陡坡上，以缩短压力水管的长度。建筑物和水的重量、水的推力、渠道和前池的渗漏都增加了山坡坍滑的可能性，设计中要特别注意其地基稳定问题。

3.3 压力前池-日调节池的调节机理

担任峰荷的水电站一日之内的引用流量在零与最大流量之间变化，而引水渠道的流量是按水轮发电机组的最大设计流量确定的，这意味着一天内的大部分时间，渠道的过水能力没有得到充分利用。如渠道下游沿线有合适的地形建造日调节池，则情况可大为改善：日调节池与压力前池之间的渠道仍按水轮发电机组的最大设计流量处理，但日调节池上游的渠道可按较小的流量进行设计，当日调节池足够大时（该容量可按水电站的工作方式通过流量调节计算求得），设计流量接近于水电站的平均流量。运行过程中，水电站引用流量大于平均流量时，日调节池予以补水，水位下降；水电站引用流量小于平均流量时，多余的水注入日调节池，使水位回升，这样，上游渠道可以终日维持在平均流量左右。当引水渠道较长、水电站负荷变幅较大时，增设日调节池有可能降低整个输水系统的造价并改善其运行条件。显然，日调节池越靠近压力前池，其作用越大。

当河中含有泥沙时，日调节池很容易被淤积，所以在含沙量大的季节中，最好使水电站担任基荷，而将日调节池进口封闭。

摘 要：无论是有压水电站的引水隧洞，还是无压水电站的引水渠道，它们首先都是水电站的引水建筑物的组成部分，但在严格的理论分析中，也可以当成水电站的平水建筑物向其上游的延伸，文章将从此基础上，进一步探讨水电站的引水渠道和压力前池。

关键词：引水建筑物；平水建筑物；压力前池

1 水电站引水建筑物与平水建筑物的统一性

对于有压水电站，设计人员一般在电脑程序计算中，习惯于将有压隧洞作为单独的引水建筑物、调压池作为单独的平水建筑物分别进行计算，但严格的理论分析中，引水建筑物与平水建筑物并没有严格的区分，有压隧洞可以视作调压池向上游的延伸，只是有压隧洞的直径远小于调压池的直径，因而调压能力比调压池低，但对于调压的效果并不能忽略。

同理对于无压水电站，前池可以视作无压渠道在末端的断面放大，这个对于一般设计人员而言比较容易理解，那么反过来，无压渠道也可以调节水流，即也可以视作是平水建筑物的压力前池向上游的延伸，在此基础上，文章将对渠道和压力前池进行整体性探讨。

2 渠道的断面尺寸分析

渠道一般为梯形断面，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边坡可近于垂直而成为矩形断面。从水力条件出发，希望采用“水力最优断面”，即给定过水断面面积下湿周最小的断面，水力学中已经证明，这时水力半径R为水深之半。在实际应用中，常常因技术经济原因，不得不放弃这种水力最优断面。例如，边坡平缓韵士质渠道按最优水力断面求出的底宽常因不足以安排施工机械而必须加大；边坡较陡的深挖方渠道则宜缩小底宽以减小渠道水位以上的“空”挖方。

决定渠道断面尺寸时，先拟定几个满足防冲、防淤、纺草等技术条件的方案，经动能经济比较，最终选出最优方案。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。

首先假定某一方案的渠道断面积，按均匀流通过设计流量Q的条件求出其底坡i，进而得出该方案渠道及有关建筑物的投资。受渠末溢流堰的限制，渠道运行过程中渠末水深偏离正常水深很小，可近似假定渠末水深等于正常水深，从而得出这一方案的水头损失Δh=iL，L为渠道长度。这一方案的年电能损失为：

ΔE=9.81ηQΔhT

式中η—机组效率，可近似当作常数；T—水电站年利用小时。

这部分损耗了的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ΔE，必须增加装机，多耗煤。增加装机的投资等于年电能损失ΔE乘以火电站单位电能投资再乘以单位电能的煤耗支出；水、火电站的计算支出分别为

式中ρb—额定投费效益系数；Ph、Pt—水电站及火电站的年运行费率；Ph—水电站的计算支出系数，Ph=ρh+Ph；Pt—火电站的计算支出系数，Pt=（ρh+Pt）+Bc。

对断面不同的每一方案计算相应的Ch，Ct及系统计算支出Cs=Ch+Ct，从而可绘出Ch～F，Ct～F及Cs～F的关系血线，如图7-3所示。Cs曲线最低点所对应的F即为最经济的断面尺寸。由于Cs在最低点附近变化缓慢，通常将断面F稍选小些，以减小工程量，而几乎不影响动能经济计算的成果。我国工程实践表明，水电站渠道的经济流速约为1.5～2.0m/s，粗略估算渠道断面尺寸时可作参考。

3 压力前池

3.1 压力前池的作用

压力前池是引水渠道和压力管道（或称压力水管）之间的连接结构，它的作用包括：（1）加宽和加深渠道以满足压力管道进水口的布置要求。（2）向各压力管道均匀分配流量并加以必要的控制；（3）清除水中的污物、泥沙及浮冰；（4）渲泄多余水量。

此外，当水电站负荷变化因而水轮机引用流量迅速改变时，压力前池的容积可以起一定的调节作用，反射压力水管中的水锤波，同时抑制渠道内水位的过大波动。因此，压力前池是无压引水系统中的平水建筑物。

3.2 压力前池的组成

压力前池由以下几部分组成：

3.2.1 池身及扩散段。它们可以看作是渠道的扩大段。池身的宽度和深度取决于压力水管进水口的要求。扩散段的两侧墙吸底坡扩散角不宜大于10°，以保证水流平顺，水头损失小，无脱流及漩涡。

3.2.2 压力水管的进水口。

3.2.3 溢流建筑物。一般为沿池身一侧布置的侧堰，也可采用虹吸式泄水道。侧堰简单可靠，但前沿较长、水位变化较大；加设自动控制闸门能提高单宽流量，但必须稳妥可靠。虹吸泄水道泄流量大，但结构复杂，泄流量变化突然，可能引起水位振荡，不能渲泄漂浮物，易封冻。泄水建筑物应能在上游最高水位下渲泄进入渠道的最大流量。

3.2.4 排污、排沙、排冰设备。污物及泥沙可由渠首进入渠道，也可能在渠道沿线进入，必须予以清除，以防进入压力水管。在严寒地区还要设拦冰及排冰设备。

压力前池一般都布置在靠近厂房的陡坡上，以缩短压力水管的长度。建筑物和水的重量、水的推力、渠道和前池的渗漏都增加了山坡坍滑的可能性，设计中要特别注意其地基稳定问题。

3.3 压力前池-日调节池的调节机理

担任峰荷的水电站一日之内的引用流量在零与最大流量之间变化，而引水渠道的流量是按水轮发电机组的最大设计流量确定的，这意味着一天内的大部分时间，渠道的过水能力没有得到充分利用。如渠道下游沿线有合适的地形建造日调节池，则情况可大为改善：日调节池与压力前池之间的渠道仍按水轮发电机组的最大设计流量处理，但日调节池上游的渠道可按较小的流量进行设计，当日调节池足够大时（该容量可按水电站的工作方式通过流量调节计算求得），设计流量接近于水电站的平均流量。运行过程中，水电站引用流量大于平均流量时，日调节池予以补水，水位下降；水电站引用流量小于平均流量时，多余的水注入日调节池，使水位回升，这样，上游渠道可以终日维持在平均流量左右。当引水渠道较长、水电站负荷变幅较大时，增设日调节池有可能降低整个输水系统的造价并改善其运行条件。显然，日调节池越靠近压力前池，其作用越大。

当河中含有泥沙时，日调节池很容易被淤积，所以在含沙量大的季节中，最好使水电站担任基荷，而将日调节池进口封闭。