(1)水电站引水渠道设计的基本要求　水电站的引水渠道与一般灌溉和供水渠道不同。电网中一天负荷变化很大,水电站一般起调峰作用,其引用流量随负荷变化而变化,因此,通常将水电站的引水渠道称为动力渠道。水电站引水渠道应满足以下3方面基本要求,即输水能力足够,当电站负荷发生变化时,机组的引用流量也会随之变化。为使引水渠道能适应由于负荷变化而引起的流量变化要求,渠道必须有合理的纵坡和过水断面。一般可按水电站的最大引用流量Qmax设计。水质符合要求,即应防止有害污物和泥沙进入渠道,渠道进口、沿线及渠末都要采取拦污、防沙、排沙措施。运行安全可靠,即应尽可能减少输水过程中的水量和水头损失,故渠道要有防冲、防淤、防渗漏、防草、防凌等功能。渠道内水流速度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(过大的渗漏不仅会造成水量损失而且会危及渠道安全),渠道中长草会增大水头损失、降低过水能力(故在易长草季节应维持渠道中的水深大于1.5m及流速大于0.6m/s,这样可拟制水草的生长),渠道中加设护面既可减小糙率又可防渗、防冲、防草并有利于维护边坡稳定、保证电站出力(但工程造价会相应增加)。严寒季节水流中的冰凌会堵塞进水口的拦污栅,为防止冰凌的生成可暂时降低水电站出力,使渠道流速小于0.45～0.60m/s并迅速形成冰盖(为了保护冰盖,渠内流速应限制在1.25m/s以下并应防止过大的水位变动)。在进行水电站引水渠道线路选择时,主要应考虑沿线的地质和地形条件(一般应选择在岩体稳定性较好、渗透性和风化较弱的区域),下列5种情况下不宜选择无压引水渠道方案,这5种情况包括山坡不稳定、山坡过陡、渠道以上的山坡有不稳定山体(或常有石块滚落下来)、有可能发生雪崩部位、气候严寒且冰冻期较长(渠中水流有冰冻的可能),在遇到上述这些问题时可采用相应的工程措施(比如将渠道局部封闭等)。

(2)水电站引水动力渠道的类型　目前,水电站引水动力渠道大致有非自动调节渠道和自动调节渠道两类。

①非自动调节渠道。非自动调节渠道的渠顶大致平行渠底,渠道的深度沿途不变,在渠道末端的压力前池中设有泄水建筑物(溢流堰)。当水电站的引用流量等于渠道设计流量时,水流处于均匀流状态、水面线平行渠底、渠内为正常水深、压力前池水位低于堰顶,当电站引用流量小于渠道设计流量时水面线为雍水曲线、水位超过堰顶并开始溢流,当水电站引用流量为零时通过渠道的全部流量泄向下游。非自动调节渠道的优点是渠顶能随地形而变化,当渠道较长、底坡较陡时工程量比较小,溢流堰可限制渠末的水位以保证向下游供水。非自动调节渠道的缺点是若下游无用水要求而进口闸门又不能及时关闭时会造成大量无益弃水。

②自动调节渠道。自动调节渠道的渠道首部堤顶和尾部堤顶的高程基本相同并高出上游最高水位,渠道断面向下游逐渐加大,渠末不设泄水建筑物。当水电站的引用流量为零时,渠道内水位是水平的且渠道不会发生漫流和弃水现象,当水电站引用流量小于渠道设计流量时渠道内出现雍水曲线,当水电站引用流量大于渠道设计流量时渠道内为降水曲线。自动调节渠道在最高水位和最低水位之间有一定的容积,从而可在一定程度上起到自动调节的作用,为电站适应负荷变化创造了条件(但工程量较大)。

(3)渠道的断面尺寸　水电站引水渠道一般在山坡上采用挖方、回填或半挖半填的方式修建,其断面形状也多种多样(有梯形、矩形等,以梯形最为常见)。水电站引水渠道边坡坡度取决于地质条件及衬砌情况,在岩石中开凿出来的渠道边坡可近于垂直而成为矩形断面,在选择断面形式时应尽力满足水力最佳断面同时还要考虑施工、技术方面的要求,应确定合理实用的断面。确定水电站引水渠道断面尺寸时,首先应在满足防冲、防淤、防草等技术条件基础上拟定几个可能的方案,然后经过动能及经济比较选出最优方案(经过动能及经济计算后得到的渠道断面Fe称为经济断面)。我国的工程实践表明,渠道的经济流速Ve大致为1.5～2.0m/s,故可根据Fe=Qmax/ye,粗略估算渠道的基本参考尺寸。(www.daowen.com)

(4)渠道的水力计算　渠道水力计算的主要任务是根据设计流量选定断面尺寸、糙率、纵坡和水深。

①恒定流计算方法。恒定流计算方法先根据均匀流理论计算得出流量Q、过水断面F、水力半径R、底坡i、糙率n之间的关系(若i、F均已选定,则可求出渠道正常水深与流量之间的关系曲线hn-Q),再根据断面F假定一系列临界水深he据而可算得与其相对应的流量Q并做出he-Q关系曲线,然后根据非均匀流理论确定水面曲线。对于给定的渠首设计水深h1(即水库为设计低水位、闸门全开下的渠首水深),可利用水力学中非均匀流水面曲线的计算方法求出渠道通过不同流量日寸渠末水深h2并绘出h2-Q关系曲线,最后根据渠末溢流堰的实际尺寸按堰流公式得出渠末水深h2(等于堰顶至渠底的高度hW,加上堰上水头)与溢流流量QW的关系曲线hW-QW。hn-Q曲线与h2-Q曲线的交点N表示h1=h2、渠内发生均匀流,此时的流量相应于渠道的设计流量Qd。若水电站引用流量大于Qd则h2＜hn,渠中出现降水曲线且随着流量的增加h2迅速减小。h2的极限值是临界水深hc,即hc-Q与h2-Q曲线的交点C。此时的流量Qc为给定渠首水深h1下渠道的极限过水能力。Qd一般应采用水电站的最大引用流量Qmax,目的是使渠道经常处于雍水状态工作以增加发电水头;避免因流量增加不多而水头显著减小的现象;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Qmax(即Qd)时渠中出现雍水曲线,渠末水位随流量减小而上升,当水电站引用流量等于QA时(即h2-Q曲线与堰顶高程线的交点A处h2=hW,刚好不溢流),当水轮机流量Qt在0与QA之间时h2＞hW溢流堰发生溢流(溢流流量为QW,通过渠道的流量为Qt+QW),当水电站停止运行(Qt=0)时通过渠道的流量全部由溢流堰溢走(相应于h2-Q曲线与hW-QW曲线的交点B,这就是溢流堰在恒定流情况下的最大溢流流量QWmax,相应水位为恒定流下渠末最高水位)。当水库水位在一定范围内变化时,其渠首水深h1也要发生变化,故可取几个典型h1进行非均匀流计算得出相应的h2-Q曲线进行综合分析。

②非恒定流计算方法。非恒定流计算的目的是研究水电站负荷变化时渠道中水位和流速的变化过程,计算内容包括水电站突然丢弃负荷时渠道涌波的计算(求出渠道沿线的最高水位以确定堤顶高程);水电站突然增加负荷时渠道的涌波计算(求出最低水位以确定压力管道进口高程。在任何情况下,压力管道进口不得露出水面水电站按日负荷图工作时渠道中水位及流速变化过程(以研究水电站的工作情况)。