淺談水電站的引水及平水建筑物

段超

摘 要：無論是有壓水電站的引水隧洞，還是無壓水電站的引水渠道，它們首先都是水電站的引水建筑物的組成部分，但在嚴格的理論分析中，也可以當成水電站的平水建筑物向其上游的延伸，文章將從此基礎上，進一步探討水電站的引水渠道和壓力前池。

關鍵詞：引水建筑物；平水建筑物；壓力前池

1 水電站引水建筑物與平水建筑物的統一性

對于有壓水電站，設計人員一般在電腦程序計算中，習慣于將有壓隧洞作為單獨的引水建筑物、調壓池作為單獨的平水建筑物分別進行計算，但嚴格的理論分析中，引水建筑物與平水建筑物并沒有嚴格的區分，有壓隧洞可以視作調壓池向上游的延伸，只是有壓隧洞的直徑遠小于調壓池的直徑，因而調壓能力比調壓池低，但對于調壓的效果并不能忽略。

同理對于無壓水電站，前池可以視作無壓渠道在末端的斷面放大，這個對于一般設計人員而言比較容易理解，那么反過來，無壓渠道也可以調節水流，即也可以視作是平水建筑物的壓力前池向上游的延伸，在此基礎上，文章將對渠道和壓力前池進行整體性探討。

2 渠道的斷面尺寸分析

渠道一般為梯形斷面，邊坡的坡度取決于地質條件及護面情況。在巖石中開鑿的渠道邊坡可近于垂直而成為矩形斷面。從水力條件出發，希望采用“水力最優斷面”，即給定過水斷面面積下濕周最小的斷面，水力學中已經證明，這時水力半徑R為水深之半。在實際應用中，常常因技術經濟原因，不得不放棄這種水力最優斷面。例如，邊坡平緩韻士質渠道按最優水力斷面求出的底寬常因不足以安排施工機械而必須加大；邊坡較陡的深挖方渠道則宜縮小底寬以減小渠道水位以上的“空”挖方。

決定渠道斷面尺寸時，先擬定幾個滿足防沖、防淤、紡草等技術條件的方案，經動能經濟比較，最終選出最優方案。動能經濟計算常采用“系統計算支出最小法”，其過程簡述如下。

首先假定某一方案的渠道斷面積，按均勻流通過設計流量Q的條件求出其底坡i，進而得出該方案渠道及有關建筑物的投資。受渠末溢流堰的限制，渠道運行過程中渠末水深偏離正常水深很小，可近似假定渠末水深等于正常水深，從而得出這一方案的水頭損失Δh=iL，L為渠道長度。這一方案的年電能損失為：

ΔE=9.81ηQΔhT

式中η—機組效率，可近似當作常數；T—水電站年利用小時。

這部分損耗了的電能必須由系統中的替代電站發出。替代電站一般為火電站，為了發出ΔE，必須增加裝機，多耗煤。增加裝機的投資等于年電能損失ΔE乘以火電站單位電能投資再乘以單位電能的煤耗支出；水、火電站的計算支出分別為

式中ρb—額定投費效益系數；Ph、Pt—水電站及火電站的年運行費率；Ph—水電站的計算支出系數，Ph=ρh+Ph；Pt—火電站的計算支出系數，Pt=（ρh+Pt）+Bc。

對斷面不同的每一方案計算相應的Ch，Ct及系統計算支出Cs=Ch+Ct，從而可繪出Ch～F，Ct～F及Cs～F的關系血線，如圖7-3所示。Cs曲線最低點所對應的F即為最經濟的斷面尺寸。由于Cs在最低點附近變化緩慢，通常將斷面F稍選小些，以減小工程量，而幾乎不影響動能經濟計算的成果。我國工程實踐表明，水電站渠道的經濟流速約為1.5～2.0m/s，粗略估算渠道斷面尺寸時可作參考。

3 壓力前池

3.1 壓力前池的作用

壓力前池是引水渠道和壓力管道（或稱壓力水管）之間的連接結構，它的作用包括：（1）加寬和加深渠道以滿足壓力管道進水口的布置要求。（2）向各壓力管道均勻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，當水電站負荷變化因而水輪機引用流量迅速改變時，壓力前池的容積可以起一定的調節作用，反射壓力水管中的水錘波，同時抑制渠道內水位的過大波動。因此，壓力前池是無壓引水系統中的平水建筑物。

3.2 壓力前池的組成

壓力前池由以下幾部分組成：

3.2.1 池身及擴散段。它們可以看作是渠道的擴大段。池身的寬度和深度取決于壓力水管進水口的要求。擴散段的兩側墻吸底坡擴散角不宜大于10°，以保證水流平順，水頭損失小，無脫流及漩渦。

3.2.2 壓力水管的進水口。

3.2.3 溢流建筑物。一般為沿池身一側布置的側堰，也可采用虹吸式泄水道。側堰簡單可靠，但前沿較長、水位變化較大；加設自動控制閘門能提高單寬流量，但必須穩妥可靠。虹吸泄水道泄流量大，但結構復雜，泄流量變化突然，可能引起水位振蕩，不能渲泄漂浮物，易封凍。泄水建筑物應能在上游最高水位下渲泄進入渠道的最大流量。

3.2.4 排污、排沙、排冰設備。污物及泥沙可由渠首進入渠道，也可能在渠道沿線進入，必須予以清除，以防進入壓力水管。在嚴寒地區還要設攔冰及排冰設備。

壓力前池一般都布置在靠近廠房的陡坡上，以縮短壓力水管的長度。建筑物和水的重量、水的推力、渠道和前池的滲漏都增加了山坡坍滑的可能性，設計中要特別注意其地基穩定問題。

3.3 壓力前池-日調節池的調節機理

擔任峰荷的水電站一日之內的引用流量在零與最大流量之間變化，而引水渠道的流量是按水輪發電機組的最大設計流量確定的，這意味著一天內的大部分時間，渠道的過水能力沒有得到充分利用。如渠道下游沿線有合適的地形建造日調節池，則情況可大為改善：日調節池與壓力前池之間的渠道仍按水輪發電機組的最大設計流量處理，但日調節池上游的渠道可按較小的流量進行設計，當日調節池足夠大時（該容量可按水電站的工作方式通過流量調節計算求得），設計流量接近于水電站的平均流量。運行過程中，水電站引用流量大于平均流量時，日調節池予以補水，水位下降；水電站引用流量小于平均流量時，多余的水注入日調節池，使水位回升，這樣，上游渠道可以終日維持在平均流量左右。當引水渠道較長、水電站負荷變幅較大時，增設日調節池有可能降低整個輸水系統的造價并改善其運行條件。顯然，日調節池越靠近壓力前池，其作用越大。

當河中含有泥沙時，日調節池很容易被淤積，所以在含沙量大的季節中，最好使水電站擔任基荷，而將日調節池進口封閉。

摘 要：無論是有壓水電站的引水隧洞，還是無壓水電站的引水渠道，它們首先都是水電站的引水建筑物的組成部分，但在嚴格的理論分析中，也可以當成水電站的平水建筑物向其上游的延伸，文章將從此基礎上，進一步探討水電站的引水渠道和壓力前池。

關鍵詞：引水建筑物；平水建筑物；壓力前池

1 水電站引水建筑物與平水建筑物的統一性

對于有壓水電站，設計人員一般在電腦程序計算中，習慣于將有壓隧洞作為單獨的引水建筑物、調壓池作為單獨的平水建筑物分別進行計算，但嚴格的理論分析中，引水建筑物與平水建筑物并沒有嚴格的區分，有壓隧洞可以視作調壓池向上游的延伸，只是有壓隧洞的直徑遠小于調壓池的直徑，因而調壓能力比調壓池低，但對于調壓的效果并不能忽略。

同理對于無壓水電站，前池可以視作無壓渠道在末端的斷面放大，這個對于一般設計人員而言比較容易理解，那么反過來，無壓渠道也可以調節水流，即也可以視作是平水建筑物的壓力前池向上游的延伸，在此基礎上，文章將對渠道和壓力前池進行整體性探討。

2 渠道的斷面尺寸分析

渠道一般為梯形斷面，邊坡的坡度取決于地質條件及護面情況。在巖石中開鑿的渠道邊坡可近于垂直而成為矩形斷面。從水力條件出發，希望采用“水力最優斷面”，即給定過水斷面面積下濕周最小的斷面，水力學中已經證明，這時水力半徑R為水深之半。在實際應用中，常常因技術經濟原因，不得不放棄這種水力最優斷面。例如，邊坡平緩韻士質渠道按最優水力斷面求出的底寬常因不足以安排施工機械而必須加大；邊坡較陡的深挖方渠道則宜縮小底寬以減小渠道水位以上的“空”挖方。

決定渠道斷面尺寸時，先擬定幾個滿足防沖、防淤、紡草等技術條件的方案，經動能經濟比較，最終選出最優方案。動能經濟計算常采用“系統計算支出最小法”，其過程簡述如下。

首先假定某一方案的渠道斷面積，按均勻流通過設計流量Q的條件求出其底坡i，進而得出該方案渠道及有關建筑物的投資。受渠末溢流堰的限制，渠道運行過程中渠末水深偏離正常水深很小，可近似假定渠末水深等于正常水深，從而得出這一方案的水頭損失Δh=iL，L為渠道長度。這一方案的年電能損失為：

ΔE=9.81ηQΔhT

式中η—機組效率，可近似當作常數；T—水電站年利用小時。

這部分損耗了的電能必須由系統中的替代電站發出。替代電站一般為火電站，為了發出ΔE，必須增加裝機，多耗煤。增加裝機的投資等于年電能損失ΔE乘以火電站單位電能投資再乘以單位電能的煤耗支出；水、火電站的計算支出分別為

式中ρb—額定投費效益系數；Ph、Pt—水電站及火電站的年運行費率；Ph—水電站的計算支出系數，Ph=ρh+Ph；Pt—火電站的計算支出系數，Pt=（ρh+Pt）+Bc。

對斷面不同的每一方案計算相應的Ch，Ct及系統計算支出Cs=Ch+Ct，從而可繪出Ch～F，Ct～F及Cs～F的關系血線，如圖7-3所示。Cs曲線最低點所對應的F即為最經濟的斷面尺寸。由于Cs在最低點附近變化緩慢，通常將斷面F稍選小些，以減小工程量，而幾乎不影響動能經濟計算的成果。我國工程實踐表明，水電站渠道的經濟流速約為1.5～2.0m/s，粗略估算渠道斷面尺寸時可作參考。

3 壓力前池

3.1 壓力前池的作用

壓力前池是引水渠道和壓力管道（或稱壓力水管）之間的連接結構，它的作用包括：（1）加寬和加深渠道以滿足壓力管道進水口的布置要求。（2）向各壓力管道均勻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，當水電站負荷變化因而水輪機引用流量迅速改變時，壓力前池的容積可以起一定的調節作用，反射壓力水管中的水錘波，同時抑制渠道內水位的過大波動。因此，壓力前池是無壓引水系統中的平水建筑物。

3.2 壓力前池的組成

壓力前池由以下幾部分組成：

3.2.1 池身及擴散段。它們可以看作是渠道的擴大段。池身的寬度和深度取決于壓力水管進水口的要求。擴散段的兩側墻吸底坡擴散角不宜大于10°，以保證水流平順，水頭損失小，無脫流及漩渦。

3.2.2 壓力水管的進水口。

3.2.3 溢流建筑物。一般為沿池身一側布置的側堰，也可采用虹吸式泄水道。側堰簡單可靠，但前沿較長、水位變化較大；加設自動控制閘門能提高單寬流量，但必須穩妥可靠。虹吸泄水道泄流量大，但結構復雜，泄流量變化突然，可能引起水位振蕩，不能渲泄漂浮物，易封凍。泄水建筑物應能在上游最高水位下渲泄進入渠道的最大流量。

3.2.4 排污、排沙、排冰設備。污物及泥沙可由渠首進入渠道，也可能在渠道沿線進入，必須予以清除，以防進入壓力水管。在嚴寒地區還要設攔冰及排冰設備。

壓力前池一般都布置在靠近廠房的陡坡上，以縮短壓力水管的長度。建筑物和水的重量、水的推力、渠道和前池的滲漏都增加了山坡坍滑的可能性，設計中要特別注意其地基穩定問題。

3.3 壓力前池-日調節池的調節機理

擔任峰荷的水電站一日之內的引用流量在零與最大流量之間變化，而引水渠道的流量是按水輪發電機組的最大設計流量確定的，這意味著一天內的大部分時間，渠道的過水能力沒有得到充分利用。如渠道下游沿線有合適的地形建造日調節池，則情況可大為改善：日調節池與壓力前池之間的渠道仍按水輪發電機組的最大設計流量處理，但日調節池上游的渠道可按較小的流量進行設計，當日調節池足夠大時（該容量可按水電站的工作方式通過流量調節計算求得），設計流量接近于水電站的平均流量。運行過程中，水電站引用流量大于平均流量時，日調節池予以補水，水位下降；水電站引用流量小于平均流量時，多余的水注入日調節池，使水位回升，這樣，上游渠道可以終日維持在平均流量左右。當引水渠道較長、水電站負荷變幅較大時，增設日調節池有可能降低整個輸水系統的造價并改善其運行條件。顯然，日調節池越靠近壓力前池，其作用越大。

當河中含有泥沙時，日調節池很容易被淤積，所以在含沙量大的季節中，最好使水電站擔任基荷，而將日調節池進口封閉。

摘 要：無論是有壓水電站的引水隧洞，還是無壓水電站的引水渠道，它們首先都是水電站的引水建筑物的組成部分，但在嚴格的理論分析中，也可以當成水電站的平水建筑物向其上游的延伸，文章將從此基礎上，進一步探討水電站的引水渠道和壓力前池。

關鍵詞：引水建筑物；平水建筑物；壓力前池

1 水電站引水建筑物與平水建筑物的統一性

對于有壓水電站，設計人員一般在電腦程序計算中，習慣于將有壓隧洞作為單獨的引水建筑物、調壓池作為單獨的平水建筑物分別進行計算，但嚴格的理論分析中，引水建筑物與平水建筑物并沒有嚴格的區分，有壓隧洞可以視作調壓池向上游的延伸，只是有壓隧洞的直徑遠小于調壓池的直徑，因而調壓能力比調壓池低，但對于調壓的效果并不能忽略。

同理對于無壓水電站，前池可以視作無壓渠道在末端的斷面放大，這個對于一般設計人員而言比較容易理解，那么反過來，無壓渠道也可以調節水流，即也可以視作是平水建筑物的壓力前池向上游的延伸，在此基礎上，文章將對渠道和壓力前池進行整體性探討。

2 渠道的斷面尺寸分析

渠道一般為梯形斷面，邊坡的坡度取決于地質條件及護面情況。在巖石中開鑿的渠道邊坡可近于垂直而成為矩形斷面。從水力條件出發，希望采用“水力最優斷面”，即給定過水斷面面積下濕周最小的斷面，水力學中已經證明，這時水力半徑R為水深之半。在實際應用中，常常因技術經濟原因，不得不放棄這種水力最優斷面。例如，邊坡平緩韻士質渠道按最優水力斷面求出的底寬常因不足以安排施工機械而必須加大；邊坡較陡的深挖方渠道則宜縮小底寬以減小渠道水位以上的“空”挖方。

決定渠道斷面尺寸時，先擬定幾個滿足防沖、防淤、紡草等技術條件的方案，經動能經濟比較，最終選出最優方案。動能經濟計算常采用“系統計算支出最小法”，其過程簡述如下。

首先假定某一方案的渠道斷面積，按均勻流通過設計流量Q的條件求出其底坡i，進而得出該方案渠道及有關建筑物的投資。受渠末溢流堰的限制，渠道運行過程中渠末水深偏離正常水深很小，可近似假定渠末水深等于正常水深，從而得出這一方案的水頭損失Δh=iL，L為渠道長度。這一方案的年電能損失為：

ΔE=9.81ηQΔhT

式中η—機組效率，可近似當作常數；T—水電站年利用小時。

這部分損耗了的電能必須由系統中的替代電站發出。替代電站一般為火電站，為了發出ΔE，必須增加裝機，多耗煤。增加裝機的投資等于年電能損失ΔE乘以火電站單位電能投資再乘以單位電能的煤耗支出；水、火電站的計算支出分別為

式中ρb—額定投費效益系數；Ph、Pt—水電站及火電站的年運行費率；Ph—水電站的計算支出系數，Ph=ρh+Ph；Pt—火電站的計算支出系數，Pt=（ρh+Pt）+Bc。

對斷面不同的每一方案計算相應的Ch，Ct及系統計算支出Cs=Ch+Ct，從而可繪出Ch～F，Ct～F及Cs～F的關系血線，如圖7-3所示。Cs曲線最低點所對應的F即為最經濟的斷面尺寸。由于Cs在最低點附近變化緩慢，通常將斷面F稍選小些，以減小工程量，而幾乎不影響動能經濟計算的成果。我國工程實踐表明，水電站渠道的經濟流速約為1.5～2.0m/s，粗略估算渠道斷面尺寸時可作參考。

3 壓力前池

3.1 壓力前池的作用

壓力前池是引水渠道和壓力管道（或稱壓力水管）之間的連接結構，它的作用包括：（1）加寬和加深渠道以滿足壓力管道進水口的布置要求。（2）向各壓力管道均勻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，當水電站負荷變化因而水輪機引用流量迅速改變時，壓力前池的容積可以起一定的調節作用，反射壓力水管中的水錘波，同時抑制渠道內水位的過大波動。因此，壓力前池是無壓引水系統中的平水建筑物。

3.2 壓力前池的組成

壓力前池由以下幾部分組成：

3.2.1 池身及擴散段。它們可以看作是渠道的擴大段。池身的寬度和深度取決于壓力水管進水口的要求。擴散段的兩側墻吸底坡擴散角不宜大于10°，以保證水流平順，水頭損失小，無脫流及漩渦。

3.2.2 壓力水管的進水口。

3.2.3 溢流建筑物。一般為沿池身一側布置的側堰，也可采用虹吸式泄水道。側堰簡單可靠，但前沿較長、水位變化較大；加設自動控制閘門能提高單寬流量，但必須穩妥可靠。虹吸泄水道泄流量大，但結構復雜，泄流量變化突然，可能引起水位振蕩，不能渲泄漂浮物，易封凍。泄水建筑物應能在上游最高水位下渲泄進入渠道的最大流量。

3.2.4 排污、排沙、排冰設備。污物及泥沙可由渠首進入渠道，也可能在渠道沿線進入，必須予以清除，以防進入壓力水管。在嚴寒地區還要設攔冰及排冰設備。

壓力前池一般都布置在靠近廠房的陡坡上，以縮短壓力水管的長度。建筑物和水的重量、水的推力、渠道和前池的滲漏都增加了山坡坍滑的可能性，設計中要特別注意其地基穩定問題。

3.3 壓力前池-日調節池的調節機理

擔任峰荷的水電站一日之內的引用流量在零與最大流量之間變化，而引水渠道的流量是按水輪發電機組的最大設計流量確定的，這意味著一天內的大部分時間，渠道的過水能力沒有得到充分利用。如渠道下游沿線有合適的地形建造日調節池，則情況可大為改善：日調節池與壓力前池之間的渠道仍按水輪發電機組的最大設計流量處理，但日調節池上游的渠道可按較小的流量進行設計，當日調節池足夠大時（該容量可按水電站的工作方式通過流量調節計算求得），設計流量接近于水電站的平均流量。運行過程中，水電站引用流量大于平均流量時，日調節池予以補水，水位下降；水電站引用流量小于平均流量時，多余的水注入日調節池，使水位回升，這樣，上游渠道可以終日維持在平均流量左右。當引水渠道較長、水電站負荷變幅較大時，增設日調節池有可能降低整個輸水系統的造價并改善其運行條件。顯然，日調節池越靠近壓力前池，其作用越大。

當河中含有泥沙時，日調節池很容易被淤積，所以在含沙量大的季節中，最好使水電站擔任基荷，而將日調節池進口封閉。