水电站引水渠道的水力计算探讨

王少勇

摘 要：水电站渠道可当作引水渠，为无压引水式水电站集中落差，形成水头，并向机组输水；也用作尾水渠，将发电用过的水排入下游河道。文章将从功用、要求和类型入手，对水电站引水渠道的水力计算特点进行探讨。

关键词：引水渠道；自动调节渠道；恒定流

水电站渠道可当作引水渠，为无压引水式水电站集中落差，形成水头，并向机组输水；也用作尾水渠，将发电用过的水排入下游河道。由于尾水渠道通常很短，本文将主要讨论引水渠道。

1 水电站引水渠道的功用及要求

1.1 足够的输水能力

渠道应能随时向机组输送所需的流量，并有适应流量变化的能力。

1.2 水质符合要求

为防止有害的污物及泥沙经渠首或由渠道沿线进入渠道，在渠末水电站压力管道进口处还要再次采取拦污排冰、防沙等措施。

1.3 经济合理的构造

结构经济合理，便于施工运行。

1.4 运行安全可靠

渠道中既要防冲又要防淤，为此渠内流速要小于不冲流速而大于不淤流速；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；渠道中长草会增大水头损失，降低过水能力，在气温较高易于长草的季节，维持渠中水深大于1.5m及流速大于0.6m/s可抑制水草生长；在渠道中加设护面既可减小糙率，又可防冲、防渗、防草，还有利于维护边坡稳定，但造价较贵；严寒季节，水流中的冰凌会堵塞进水口拦污栅，用暂时降低水电站出力，使渠中流速小于0.45～0.60m/s，以迅速形成冰盖的方法可防止冰凌的生成，为了保护冰盖，渠内流速应限制在1.25m/s以下，并防止过大的水位变动。

2 引水渠道的类型

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。

非自动调节渠道末端压力前池处（或接近渠末处）设有泄水建筑物，如溢流堰或虹吸泄水道。当渠中通过最大流量时，压力前池水位低于堰顶；当流量减小到一定程度时，水位超过堰顶，溢流堰开始溢流。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。溢流堰的作用是限制渠末水位以及保证下游用水。若下游无用水要求，则当水电站引用流量减小时要相应关小渠道进口的闸门以减少弃水。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。实际工程中大多数发电渠道都属此类渠道。

自动调节渠道渠末不设溢流堰。当水电站引用流量为零时，渠中水位是水平的，因而堤顶基本上是水平的，渠道断面向下游逐渐加大。自动调节渠道只用于渠线很短的情况，进口可只设检修闸门。

3 渠道的水力计算特点

渠道水力计算的基本原理及方法已在水力学中讲过，水力计算可分为恒定流计算及非恒定流计算两种，它们是决定渠道尺寸及拟定水电站运行方式的基础。

3.1 恒定流计算

对于给定的渠道断面形状、底坡及糙率，利用谢才公式可求出均匀流下正常水深与流量之间的关系曲线A。

根据给定的断面，假定一系列临界水深，可算得与其相对应的流量，从而作出临界水深与流量的关系曲线B。

对于给定的渠首设计水深（即水库为设计低水位、闸门全开下的渠首水深），利用水力学中非均匀流水面曲线的计算方法可求出渠道通过不同流量时渠末的水深，从而绘出水位-流量关系曲线C。

根据渠末溢流堰的实际尺寸，按实用堰或宽顶堰流公式可以计算出渠末水深（等于堰顶至渠底的高度加上堰上水头），从而得到渠末水深与溢流流量的关系曲线D。

这几根曲线的关系及意义如下：

曲线A与曲线C的交点表示渠内渠首水深与渠末水深相等，发生均匀流。此时的流量相应于渠道的设计流量。

若水电站引用流量大于设计流量，渠中出现降水曲线，且随着流量的增加渠末水深迅速减小。则渠末水深的极限值即为临界水深，即曲线B与曲线C的交点。此时的流量为给定渠首水深时渠道的极限过水能力。一般取水轮发电机组的最大引用设计流量为渠道的设计流量，而不是令渠道最大过水流量等于其设计流量，这是因为：

（1）使渠道经常处于壅水状态工作，以增加发电水头。

（2）避免因流量增加不多而水头显著减小的现象。

（3）使渠道的过水能力留有余地，以防止渠道淤积、长草或实际糙率大于设计采用值时，水电站出力受阻（即发不出额定出力）。

水电站引用流量小于设计流量时，渠中出现壅水曲线，渠末水位随流量减小而上升。当水电站引用流量等于最大流量时，即曲线C与堰顶高程线的交点处，渠末水深等于溢流水深，刚好不溢流，此时给出无弃水下的渠末最高水位。引用流量更小时，渠末水深大于溢流水深时则发生溢流。令通过水轮机的流量为Q1，溢流流量为Q2，通过渠道的流量为Q1+Q2，渠末水位可由上述曲线直接查出。当水电站停止运行时，通过渠道的流量全部由溢流堰溢走，相应于曲线C与曲线D的交点，这就是溢流堰在恒定流情况下的最大溢流流量，相应水位为恒定流下渠末最高水位。

当水库水位变动或闸门开度不同，因而渠首水深在一定范围内变化时，可取几个典型的渠首水深值进行非均匀流计算，得出相应的水位-流量曲线，进行综合分析。

3.2 非恒定流计算

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，其计算内容包括：

（1）水电站突然丢弃负荷后渠内涌波，即求渠道沿线的最高水位，以决定堤顶高程。

（2）水电站突然增加负荷后渠内涌波，求得最低水位，以决定渠末压力管道进口高程。

（3）水电站按日负荷图工作时，渠道中水位及流速的变化过程，以研究水电站的工作情况。

非恒定流计算的基本原理为水力学中改进的能量平衡原理，由于具体的计算比较复杂，实际工程中一般采用一维明渠非恒定流的特征线法计算，利用计算机进行分析。