第十二章水电站渠道及隧洞

第十二章水电站渠道及隧洞第一节渠道一、渠道的功用、要求及类型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，将发电用过的水排人下游河道。尾水渠道通常很短，以下主要讨论引水渠道。对水电站引水渠道的基本要求包括：（1）、有足够的输水能力。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。（2）、水质符合要求。要防止有害的污物及泥沙经渠首或由渠道沿线进人渠道，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。（3）、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。（4）、结构经济合理，便于施工运行。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（见图7-1)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。图12-1非自动调节渠道示意图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。二、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。（一）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，如图7-2中的曲线①。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～关系曲线，即曲线②。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～关系曲线，即曲线③。根据渠末溢流堰的实际尺寸，按堰流公式可以得出渠末水深（等于堰顶至渠底的高度，加上堰上水头）与溢流流量的关系曲线～，即曲线④。图12-2渠末水深与流量关系这几根曲线的关系及意义如下：曲线①与曲线③的交点N表示=，渠内发生均匀流。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，，渠中出现降水曲线，且随着流量的增加迅速减小。的极限值是临界水深，即曲线②与曲线③的交点C。此时的流量为给定渠首水深下渠道的极限过水能力。一般取水电站的最大引用流量为渠道的设计流量（而不是令等于），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(即）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时，即曲线③与堰顶高程线的交点A处，=，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，，发生溢流。令通过水轮机的流量为，溢流流量为，通过渠道的流量为+，渠末水位可由图中查出。当水电站停止运行（=0)时，通过渠道的流量全部由溢流堰溢走，相应于曲线落③与曲线④的交点B，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。曲线③交点B以左部分无意义。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，可取几个典型值进行非均匀流计算，得出相应的～曲线，进行综合分析。（二）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已在水力学中讲过，工程实际中已普遍采用一维明渠非恒定流的特征线法利用计算机进行分析，具体计算可参见有关书籍。三、渠道的断面尺寸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，边坡平缓的土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、防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。如某一方案渠道断面为F㎡，按均匀流通过设计流量的条件求出其底坡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，L为渠道长度。这一方案的年电能损失为式中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，为发出△E，必须增加装机，多耗煤。增加装机的投资Kt=△E*ke。，其中ke为火电站单位电能投资；煤耗支出为△E*Bc,其中Bc为单位电能的煤耗支出[元／(kW*h)]。则水电站的计算支出为火电站的计算支出为式中—额定投资效益系数；,—水电站及火电站的年运行费率；—水电站的计算支出系数，；—火电站的计算支出系数，。图12-3各横断面方案的动能经济比较对断面不同的每一方案计算相应的，及系统计算支出,从而可绘,及的关系曲线，如图7-3所示。C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.Om/s,粗略估算渠道断面尺寸时可作参考。