(一)有压进水口的类型及适用条件

目前,水电站常见的有压进水口有隧洞式进水口、墙式进水口、塔式进水口、坝式进水口等。

(1)隧洞式进水口　隧洞式进水口是在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井形成的,其井壁一般要进行衬砌,闸门则安装在竖井中,竖井的顶部布置有启闭机和操纵室,见图2-1,隧洞式进水口渐变段之后接隧洞洞身。这种布置的优点是结构比较简单,不受风浪和冰冻的影响,地震影响也较小,比较安全可靠。其缺点是竖井之前的隧洞段不便检修,另外,竖井开挖也比较困难。隧洞式进水口适用于工程地质条件较好、岩体比较完整、山坡坡度适宜且易于开挖平洞和竖井的情况。

(2)墙式进水口　墙式进水口的进口段、闸门段和闸门竖井均布置在山体之外,从而形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物,该墙式建筑物承受水压及山岩压力,因此要求有足够的稳定性和强度。墙式进水口适用于地质条件差、山坡较陡、不易开挖竖井的情况。

图2-1　隧洞式进水口

1—启闭机间;2—闸门井;3—伸缩缝

图2-2　坝式进水口

1—拦污栅;2—检修闸门槽;3—闸门检修室;4—工作闸门槽

(3)塔式进水口　塔式进水口的进口段、闸门段及其框架形成一个塔式结构,其耸立在水库之中,塔顶设有操纵平台和启闭机室,有工作桥与岸边或坝顶相连。塔式进水口可一边或四周进水,然后将水引入塔底的竖井中。塔式进水口塔身是直立的悬臂结构,风浪压力及地震力的影响较大,故需对其进行抗倾、抗滑稳定和结构应力计算,应确保其具有足够的强度和稳定性,同时也要求地基坚固。塔式进水口适用于当地材料坝枢纽,当进口处山岩较差而岸坡又比较平缓时也可采用这种形式。

(4)坝式进水口　见图2-2,坝式进水口通常依附在坝体的上游面上并与坝内压力管道连接,其进口段和闸门段常合二为一、布置紧凑。坝式进水口适用于混凝土重力坝的坝后式厂房、坝内式厂房和河床式厂房。

(二)有压进水口的位置、高程及轮廓尺寸设计

(1)有压进水口的位置设计　水电站有压进水口在枢纽中的位置设计应能尽量使水流平顺、对称,应不使水流发生回流和旋涡、不出现淤积、不聚集污物,应确保泄洪时仍能正常进水。有压进水口后接的压力隧洞应与洞线布置协调一致,应选择地形、地质及水流条件均较好的位置。

(2)有压进水口的高程设计有压进水口顶部高程应低于运行中可能出现的最低水位并应有一定的淹没深度(以进水口前不出现漏斗式吸气漩涡为原则)。漏斗漩涡会带人空气、吸入漂浮物、引起噪声和振动、减小过水能力、影响水电站的正常发电,人们根据一些已建工程的原型观测分析结果给出了不出现吸气漩涡的临界淹没深度经验估算公式,即

式中,H为闸门孔口净高,m;V为闸门断面水流速度,m/s;c为经验系数(c=0.55～0.73,对称进水时取小值,侧向进水时取大值);S为闸门顶低于最低水位的临界淹没深度,m。

在满足进水口前不出现漏斗式吸气漩涡及引水道内不产生负压的前提下,进水口的高程应尽可能抬高以改善结构的受力条件,降低闸门、启闭设备及引水道的造价(也便于进水口的维护和检修)。通常情况下,有压进水口底部高程应高于设计淤沙高程(如果这个要求无法满足则应在进水口附近设排沙孔以保证进水口不被淤沙堵塞),进水口的底部高程通常应在水库设计淤沙高程以上0.5～1.0m(若设有排沙设施,则可根据实际排沙情况确定)。

(3)有压进水口的轮廓尺寸设计见图2-3,进水口一般应由进口段、闸门段和渐变段组成。进水口的轮廓应使水流平顺、流速变化较小,应确保水流与四周侧壁之间无负压及涡流且进口流速不宜太大(一般应控制在1.5m/s左右)。

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图2-3　隧洞式进水口轮廓尺寸的拟定

①有压进水口进口段。有压进水口进口段的作用是连接拦污栅与闸门段,隧洞式进口段通常为平底,两侧收缩曲线为1/4圆弧或双曲线,上唇收缩曲线一般为1/4椭圆,其椭圆曲线方程为

式中,a为椭圆长半轴(对于顶板曲线来讲,其约等于闸门处的孔口高度H);b为椭圆短半轴(对于顶板曲线可用H/3)。进口段的长度没有一定标准,在满足工程结构布置与水流顺畅的条件下,应尽可能紧凑。

②有压进水口闸门段。有压进水口闸门段是进口段和渐变段的连接段,闸门及启闭设备布置在此段。闸门段一般为矩形,事故闸门净过水面积通常为隧洞面积的1.1～1.25倍(检修闸门的孔口可与此相等或稍大),其门宽B应等于洞径D、门高应略大于洞径D。闸门段的体型主要取决于所采用的闸门、门槽形式及结构条件,其长度应满足闸门及启闭设备布置需要并应顾及引水道检修通道的要求。

③有压进水口渐变段。有压进水口渐变段是矩形闸门段到圆形隧洞的过渡段,通常采用圆角过渡,其圆角半径r可按直线规律变为隧洞半径R。渐变段的长度一般为隧洞直径的1.5～2.0倍,侧面收缩角宜为6°～8°(一般不得超过10°)。

④坝式进水口。为适应坝体的结构要求,坝式进水口的长度要缩短,故进口段与闸门段常合二为一。坝式进水口一般做成矩形喇叭口状,水头较高时喇叭开口较小(以减小闸门尺寸及孔口对坝体结构的影响),水头较低时孔口开口大(以降低水头损失)。喇叭口的形状一般可由试验确定(以不出现负压、漩涡且水头损失最小为原则)。坝式进水口的渐变段长度一般取引水道直径的1.0～1.5倍。坝式进水口的中心线既可以是水平的,也可以是倾斜的(具体视与压力管道连接的条件而定)。

(三)有压进水口的主要设备

有压进水口的主要设备包括拦污设备、闸门及其启闭设备、通气孔及充水阀等。

(1)拦污设备　有压进水口拦污设备的功用是防止漂木、树枝、树叶、杂草、垃圾、浮冰等漂浮物随水流进入进水口,同时也不让这些漂浮物堵塞进水口,以确保机组正常运行。目前常用的主要拦污设备为进口处的拦污栅。

①拦污栅的布置及支承结构。拦污栅的立面布置可以是倾斜的也可以是竖直的,洞式和墙式进水口的拦污栅常布置成倾斜的(倾角为60°～70°。这种布置的优点是过水断面大、易于清污),塔式进水口的拦污栅也可以布置成倾斜或竖直的(具体如何布置取决于进水口的结构形状),坝式进水口的拦污栅一般布置成竖直的。拦污栅的平面形状可以是平面的或多边形的(前者便于清污,后者可增大过水面),洞式和墙式进水口一般采用平面拦污栅,塔式和坝式进水口则两种均可采用,拦污栅平面布置结构简单,便于机械清污。拦污栅通常由钢筋混凝土框架结构支承,拦污栅框架一般由墩(柱)及横梁组成,墩(柱)侧面应留槽(拦污栅片插在槽内,上、下两端分别支承在两根横梁上,承受水压时相当于简支梁),横梁的间距一般应不大于4m(间距过大会加大栅片的横断面,过小会减小净过水断面增加水头损失),拦污栅框架顶部应高出需要清污时的相应水库水位。

②拦污栅栅片。拦污栅通常由若干块栅片组成,每块栅片的宽度一般应不超过2.5m,高度应不超过4m,栅片像闸门一样插在支承结构的栅槽中(必要时可一片片提起检修)。拦污栅的矩形边框通常由角钢或槽钢焊成,纵向的栅条则常由扁钢制成,上、下两端焊在边框上。拦污栅沿栅条的长度方向等距设置了几道带有槽口的横隔板(栅条背水的一边嵌入该槽口并加焊,这样不仅固定了位置也增加了其侧向稳定性),栅片顶部设有吊环。

③拦污栅设计。拦污栅设计工作包括过栅流速、栅条的厚度与宽度及栅条净距等。所谓过栅流速,是指扣除墩(柱)、横梁及栅条等各种阻水断面后按净面积计算出的流速,拦污栅总面积小则过栅流速大、水头损失大、漂浮物对拦污栅的撞击力大、清污也困难,拦污栅总面积大则会增加造价甚至会造成布置困难,因此为便于清污,过栅流速应以不超过1.0m/s为宜。当河流污物很少(或加设了粗栅、拦污浮排后使拦污栅前污物很少)而水电站引用流量又较大时过栅流速可适当加大。拦污栅的栅条厚度及宽度应通过强度计算确定,常规尺寸为厚8～12mm、宽100～200mm。拦污栅的栅条净距b大则拦污效果差、水头损失小;相反若b小则拦污效果好、水头损失大。因此,拦污栅的净距应保证通过拦污栅的污物不会卡在水轮机过流部件中。通常情况下,混流式水轮机取b=D1/30、轴流式水轮机取D1/20、冲击式水轮机取b=d/5,其中D1为转轮标称直径,d为喷嘴直径。拦污栅最大净距不宜超过20cm,最小净距不宜小于5cm。拦污栅与进水口间的距离应不小于D(洞径或管道直径)以保证水流平顺。拦污栅的总高度决定于库水位及清污要求,对于不要求经常清污的大型水库,拦污栅框架的顶部高程可做在汛前水位以上(以便每年能有机会清理和维修拦污栅)。对漂浮物多、需要经常清污的电站则拦污栅的顶部高程应高于清污的最高水位。拦污栅及支承结构的设计荷载主要有水压力、清污机压力、清污机自重、漂浮物(浮木及浮冰等)的冲击力、拦污栅及支承结构的自重等。拦污栅设计中的水压力是指拦污栅可能堵塞情况下,栅前、栅后的压力差(一般可取4～5m均匀水压力进行设计)。拦污栅栅片上、下两端支承在横梁上,栅条相当于简支梁,故设计荷载确定后就可求出其所需的截面尺寸。栅片的荷载传给上、下两根横梁,横梁受均布力,横梁、柱墩应按框架结构进行设计。

④拦污栅的清污及防冻设计。拦污栅被污物堵塞后水头损失会明显增大,因此拦污栅必须及时清污(以免造成额外的水头损失)。拦污栅堵塞不严重时清污方便,堵塞过多则过栅流速大、水头损失加大并会出现污物被水压力紧压在栅条上的情况(导致清污困难,有时甚至会造成被迫停机或发生压坏拦污栅的事故)。拦污栅的清污方式有人工污和机械清污两种。人工清污是用齿耙扒掉拦污栅上的污物(一般用于小型水电站的浅水、倾斜拦污栅),大中型水电站常用清污机。拦污栅吊起清污方法可用于污物不多的河流并结合拦污栅检修工作同时进行,拦污栅吊起清污方法有时也用于污物(尤其是漂浮的树枝)较多、水下清污困难的情况(这种情况下可设两道拦污栅,一道吊出清污时,另一道可以拦污,以保证水电站正常运行)。在严寒地区要防止拦污栅封冻,如冬季仍能保证全部栅条完全处于水下,则水面形成冰盖后,下层水温高于0℃,栅面不会结冰。如栅条露出水面则要设法防止栅面结冰(一种方法是在栅面上通过50V以下电流形成回路使栅条发热。另一种方法是将压缩空气用管道通到拦污栅上游面的底部后边通过均匀布置的喷嘴中喷出,形成自下向上的夹气水流,将下层温水带至栅面并增加水流紊动、防止栅面结冰)。

(2)闸门及启闭设备设计　为控制水流,进水口必须设置闸门(闸门可分为事故闸门和检修闸门)。事故闸门的作用主要是当机组或引水道发生事故时,迅速切断水流(以防事故扩大),事故闸门通常悬挂于孔口上方,事故时要求在动水中可快速关闭(1～2min),闸门要求在静水中开启(即先用充水阀向门后充水,待闸门前后水压基本平衡后再开启闸门。由于引水道末端阀门会漏水,特别是水轮机导叶漏水量较大,所以事故闸门应能在3～5m水压下开启),事故闸门一般为平板门,其启闭设备可采用固定式卷扬启闭机或油压启闭机(应每个闸门配置一套以便随时操作闸门。闸门操作应尽可能自动化并能吊出检修)。检修闸门通常设在事故闸门上游侧,作用是在进行事故闸门及其门槽检修时用以堵水,检修闸门一般采用平板闸门(中小型电站也可以采用叠梁门),检修闸门要求在静水中启闭并可以几个进水口共用一套检修闸门(可用移动式或临时启闭设备启闭),平时检修闸门应存放在贮门室内。

(3)通气孔　通气孔通常设在有压进水口的事故闸门之后,其作用是当引水道充水时用以排气,当事故闸门紧急关闭放空引水道时用以补气以防出现有害真空。若闸门为前止水布置则可利用事故闸门竖井兼作通气孔,若闸门为后止水则必须设专门的通气孔。通气孔内应设爬梯(兼作进人孔)。通气孔的面积取决于事故闸门关闭时的进气量,进气量的大小一般取引水道的最大引用流量,进气量除以允许进气流速即得通气孔的面积。即

式中,Qa为空气进气量(即采用引水道的最大引水流量),m3/s;Va为允许进气流速,m/s。允许进气流速与引水道的形式有关,露天式管道进水口进气流速一般可取30～50m/s,坝内管道和隧洞可取70～80m/s。根据工程实践经验,为简便起见,发电引水道工作闸门或事故闸门后的通气孔面积可取管道面积的5%左右,通气孔顶端应高出上游最高水位(以防水流溢出)。

(4)充水阀　充水阀的作用是开启闸门前向引水道充水以平衡闸门前后水压(以便利在静水中开启闸门,从而减小闸门启闭力),充水阀的尺寸可根据充水容积、下游漏水量及要求的充水时间确定,坝式进水口应设旁通管(管的上游通至上游坝面,下游通到事故闸门之后,旁通管应穿过坝体廊道并在廊道内设充水阀)。另一种方法是将充水阀设置在平板门上并利用闸门拉杆启闭。闸门关闭时,在拉杆及充水阀重量的共同作用下充水阀关闭;开启闸门前,先将拉杆吊起20cm左右,这时充水阀开启(闸门门体未提起)并开始向引水道充水,充水完毕再提起闸门。