引水式水電站設(shè)計研究

□沈?qū)捰拢ó吂?jié)市勘測設(shè)計研究院）

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對水資源利用途徑越來越多，水電站的建設(shè)是對水資源合理有效且最佳利用方式，類型多且數(shù)量也不斷增加，對促進地方經(jīng)濟發(fā)展起到非常重要作用。隨著電站工程不斷建設(shè)和發(fā)展，地形條件較好的地段基本被開發(fā)，剩下條件不好地段修建電站，造成電站單位千瓦投資增高，采取合理建設(shè)方式和工程措施，有效降低工程建設(shè)成本，達到充分利用水資源和實現(xiàn)水力發(fā)電的目的，引水式水電站就成為人們關(guān)心和重點考慮的電站建設(shè)方式。

1 引水樞紐壩址的選擇及布置

1.1 水電站壩址的選擇

在引水式水電站的設(shè)計過程中，相關(guān)設(shè)計人員要注重壩址的選擇。在實際的操作過程中，相關(guān)工作人員要加強對相關(guān)河道的自然條件進行調(diào)查和分析，關(guān)注相關(guān)的地質(zhì)問題，而且還要對工程投資以及綜合管理進行分析。在引水設(shè)計方面，要選擇河床比較穩(wěn)定并且水量大的河段。此外，對于要求比較嚴格的水電站，相關(guān)工作人員要將相關(guān)的渠道設(shè)置在泉水溢出帶的下游，這樣就能夠增大泉水從河床兩側(cè)的溢出量，可以在很大程度上提高水電站的發(fā)電量，使得水電站在冬季能夠正常運行。值得注意的是，對于在春季和冬季上游冰量較多的河道，相關(guān)工作人員還要采取一定的除冰設(shè)計措施。要設(shè)置科學(xué)合理的水閘，使得冰塊能夠順利通過。

在渠道型式的選擇上，要注重選擇合理的模式。一般來講，當(dāng)前使用較多的渠道，其正面一般用作排沙、泄洪以及排冰，而側(cè)面則主要是攔河閘和攔河壩。在實際的河道考察和設(shè)計過程中，要密切注意水流方向以及水流條件，使得河道的軸線與排冰、泄洪能夠在一條直線上，這樣能夠切實地保護相關(guān)河道不會受到較多破壞，實現(xiàn)耗水量少、流水效果好的目的。

1.2 樞紐布置

在引水式水電站的設(shè)計過程中，水電站樞紐的布置非常重要。在實際操作過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)根據(jù)工程開發(fā)的方式以及河流的流行特點，合理布置樞紐。當(dāng)前比較常見的樞紐形式主要包括壩、閘混合式以及全閘布置兩種形式。壩、閘混合式樞紐的優(yōu)點是運行較為方便靈活，投資相對較少，而且具有較強的安全性能，在投入使用之后，其管理控制相對較為方便。而全閘式樞紐具有較好的排除推移能力，其泄流能力也較大，但是，其缺點也是非常明顯的，主要表現(xiàn)在：運行不夠靈活、管理難度相對較大，閘門的啟用也比較頻繁。

2 引水式水電站的引水渠道設(shè)計

2.1 引水渠的渠線選擇

在引水式水電站的設(shè)計過程中，渠道的設(shè)計是重要的內(nèi)容，其在該項工程中，渠的選擇至關(guān)重要。一般來講，為了利用太陽的輻射來提高水溫，從而減少再生冰的產(chǎn)生，大都需要將渠線選擇在河道的陽坡。渠道的設(shè)置要不占耕地或者是盡量少占耕地。為了形成集中落差，渠線要沿等高線布置，使得渠尾前池以下正好形成一個較好下跌的形勢。在渠道的施工過程中，為了減少高填深挖的工作量，應(yīng)該在實際的設(shè)計施工過程中，靈活使用暗渠、明渠以及倒虹吸等布置形式。在渠線的選擇過程中，要注重轉(zhuǎn)彎的選擇。一般來講，為了減少渠道的過流以及水流對于渠道造成的破壞，在寒冷地區(qū)其彎道半徑要大于10倍的水面寬度；對于不需要進行襯砌的渠道來講，其轉(zhuǎn)彎半徑只要大于水面寬度的5倍就能夠達到設(shè)計標準；而對于需要襯砌的灌溉渠道，其彎矩只要大于水面寬度的2.5倍即可。

2.2 渠道斷面的選擇

渠道斷面的選擇非常重要，在實際操作過程中，要根據(jù)實際地形狀況進行合理的設(shè)計。如果地面的坡度相對較大并且起伏比較頻繁，則一般選擇窄深式的斷面，有些該種形式的斷面可以添加一定的蓋板，這樣不僅能夠減少砂石降落到渠道中而且能夠在很大程度上防止坡面的滾石發(fā)生狀況。這種渠道的優(yōu)點比較多，比如:能夠在冬季寒冷的條件下減少水熱量的散失，從而使得冰蓋能夠處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

如果渠道處于比較寬敞的地面上，而且具有較強凍脹性能的基面，地下水位較高，則一般選擇寬淺式斷面。在實際的設(shè)計過程中，如果在渠道的沿線有泉水，那么就將相應(yīng)的泉水引入到水渠之中，可以在很大程度上提高渠道的水流量，使得結(jié)冰機率大大降低。

2.3 渠道縱坡的設(shè)計

在渠道設(shè)計過程中，縱坡的設(shè)計水平非常關(guān)鍵。渠道縱坡的設(shè)計對于水流速度具有決定性的作用。一般來講，如果縱坡的設(shè)計較為平緩，則其很容易堆積淤泥，使得雜草等能夠迅速地生長，從而影響渠道的輸送水能力。而如果縱坡的設(shè)計很陡，則渠道在使用過程中，很容易受到較大沖擊，很容易破壞。因此，相關(guān)設(shè)計人員要合理設(shè)計渠道的縱坡。在結(jié)冰蓋的運行過程中，設(shè)計人員要根據(jù)水能的具體狀況、地形條件以及工程造價的實際情況，對縱坡進行合理的設(shè)計。在輸排冰運行的過程中，相關(guān)工作人員要將全段設(shè)計得比較陡些，使得輸冰的流速達到相關(guān)的標準，而后段施工則需要在排冰閘前30m的緩流段進行，以此滿足相關(guān)排冰速度的要求。

3 引水式水電站壓力前池的設(shè)計

在渠道的設(shè)計過程中，相關(guān)工作人員要加大壓力前池的設(shè)計力度，這對于提高渠道的整體質(zhì)量具有重要的影響。

3.1 前池布置

在壓力前池位置的選擇過程中，為了提高水電站的實際運行效果，前池不要選擇填方或者是地基不穩(wěn)的部位，而應(yīng)該盡量選擇在天然地基比較好的地基上。這種設(shè)置能夠在很大程度上避開順坡的裂隙發(fā)育地段以及滑坡的出現(xiàn)。在前池的設(shè)計過程中，要對水文地質(zhì)條件進行認真勘查，盡量減少甚至消除前池建設(shè)之后對于高邊坡以及相關(guān)建筑物造成的負面影響。這樣就能夠避免滑坡以及沉陷情況的發(fā)生，確保下游的廠房以及前池的安全。

為保障渠道水流平穩(wěn)地進入前池，應(yīng)考慮盡量使前池進水室的中心線與引水渠道中心線平行或接近平行，使水流順暢，減少水頭損失；還能使其引導(dǎo)和控制水流向壓力管道平穩(wěn)過渡和均勻配水。前池與引水渠道末端的連接段，在平面上應(yīng)兩邊對稱，其擴展角一般限制在10°以內(nèi)；底邊縱坡適宜選用1∶3～1∶5的斜坡，與前室底板連接。前室寬度約為進水室寬度的1.5倍左右，前室長度可取前室寬度的2.5～3.1倍。引水渠道末端應(yīng)盡量避免彎道，如難以避免時，則宜在彎道終點與前池入口間設(shè)直線調(diào)整段，或加設(shè)分流導(dǎo)向設(shè)施。前池中的水流流速要求一般≤0.8m/s，以便泥沙沉積下來，通過排沙孔排走，阻止冰塊、冰凌進入壓力水管。為提高前池的排冰效果，可在進水室前設(shè)一道擋冰板，擋冰板底部應(yīng)伸入到前池冬季最低運行水位以下50cm，能夠有效防止冰凌進入進水室。

3.2 前池水位

在中小型水電站前室正常水位的確定過程中，可以將引水渠道設(shè)計流量時的渠末水位作為其正常水位。而水電站在運行過程中，如果其突然甩開全部負荷，那么此時的最高涌波就作為前池的最高水位。而前池的最低水位指的是，在枯水期最小引水位發(fā)電流量時相對應(yīng)的水位。在實際水位確定的過程中，相關(guān)工作人員要經(jīng)過多次試驗，并且按照嚴謹?shù)牟僮鞑襟E進行操作，以期獲得最佳的水位數(shù)據(jù)，從而為引水式水電站的設(shè)計施工提供科學(xué)嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)支撐。

4 水電站裝機容量選擇

4.1 無調(diào)節(jié)水電站最大工作容量的確定

在水電站裝機容量確定的過程中，需要對無調(diào)節(jié)水電站最大工作容量進行確定，N水，工=N保、無=9.81ηQ設(shè)H設(shè)，其中：N水、工=保證出力（按歷史設(shè)計保證率）;N保、無=9.81ηQ設(shè)H設(shè)；Q設(shè)—設(shè)計枯水日平均流量（m3/s）；H設(shè)—相應(yīng)的日平均凈水頭。

4.2 日調(diào)節(jié)水電站最大工作容量的確定

當(dāng)水電站擔(dān)任日負荷圖峰荷部分時，在作圖日電能累積曲線上a點向左取ab，由b向下作垂線交日電能累積曲線于c點。由c作水平線與日負荷圖相交，求出日電站的工作位置，如圖1所示。其中，ab＝E保、日，bc＝N水、工。

圖1 日調(diào)節(jié)水電站最大工作容量圖

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，水電站的建設(shè)量越來越多，隨著電站不斷開發(fā)，有利地形條件電站早被開發(fā)完，對于流量小、地形條件復(fù)雜地區(qū)，可采用引水式電站開發(fā)方式，具有投資小，施工簡單，管理方便等優(yōu)越性。