摘 要：隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國的電力事業(yè)也得到了很大的發(fā)展。水電站在電力行業(yè)中占有很大的比重，其設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量對(duì)于電力企業(yè)的生產(chǎn)具有重要的影響。引水式水電站是較簡(jiǎn)單的一種引水發(fā)電站類型，工程涉及戰(zhàn)線長(zhǎng)、范圍廣、考慮因素多。文章主要討論引水式水電站設(shè)計(jì)對(duì)壩址、廠址、引水線路的選擇及壓力前池設(shè)計(jì)和電站裝機(jī)容量的確定等，供引水式水電站設(shè)計(jì)者參考。
關(guān)鍵詞：引水式水電站；壩址；廠址；引水渠道；壓力前池
中圖分類號(hào)：TM622文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
一、引水式水電站壩址的選擇及布置
1.1 水電站壩址的選擇
在引水式水電站的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要注重壩址的選擇。在實(shí)際的操作過程中，相關(guān)工作人員要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)河道的自然條件進(jìn)行調(diào)查和分析，關(guān)注相關(guān)的地質(zhì)問題，而且還要對(duì)工程投資以及綜合管理進(jìn)行分析。在引水設(shè)計(jì)方面，要選擇河床比較穩(wěn)定并且水量大的河段。此外，對(duì)于要求比較嚴(yán)格的水電站，相關(guān)工作人員要將相關(guān)的渠道設(shè)置在河水溢出帶的下游，這樣就能夠增大河水從河床兩側(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(yùn)行。值得注意的是，對(duì)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(jì)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(shí)際的河道考察和設(shè)計(jì)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(shí)地保護(hù)相關(guān)河道不會(huì)受到較多破壞，實(shí)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(jì)過程中，水電站樞紐的布置非常重要。在實(shí)際操作過程中，應(yīng)根據(jù)工程開發(fā)的方式以及河流的水流特點(diǎn)，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(diǎn)是運(yùn)行較為方便靈活，投資相對(duì)較少，而且具有較強(qiáng)的安全性能，在投入使用之后，其管理控制相對(duì)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(diǎn)也是非常明顯的，主要表現(xiàn)在：運(yùn)行不夠靈活、管理難度相對(duì)較大，閘門的啟用也比較頻繁。
2 引水式水電站的引水線路設(shè)計(jì)
2.1 引水渠道的軸線選擇
在引水式水電站中，渠道是電站的一個(gè)重要建筑物擔(dān)負(fù)著引水和形成水電站水頭的雙重任務(wù)。
一般對(duì)于引水渠道來講，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。為了形成較大的集中落差，渠道應(yīng)盡量選在較高的地方，渠線大致沿等高線繞山而行，使得渠尾前池以下正好形成一個(gè)較好下跌的地形。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(shí)際的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)于不需要進(jìn)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(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；而對(duì)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
渠道的設(shè)計(jì)主要根據(jù)流量大小和地形、地質(zhì)等條件，選定渠道的縱坡、邊坡、流速、渠深和渠底寬度，以及斷面其它部分的尺寸。如果地面的坡度相對(duì)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(diǎn)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)。
2.3 渠道縱坡的設(shè)計(jì)
。渠道縱坡的設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)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(zhǎng)，從而影響渠道的輸送水能力。而如果縱坡的設(shè)計(jì)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(jì)人員要合理設(shè)計(jì)渠道的縱坡。在結(jié)冰蓋的運(yùn)行過程中，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)水能的具體狀況、地形條件以及工程造價(jià)的實(shí)際情況，對(duì)縱坡進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。在輸排冰運(yùn)行的過程中，相關(guān)工作人員要將全段設(shè)計(jì)得比較陡些，使得輸冰的流速達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，而后段施工則需要在排冰閘前 30m 的緩流段進(jìn)行，以此滿足相關(guān)排冰速度的要求。
三、引水式水電站壓力前池的設(shè)計(jì)
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(shí)際運(yùn)行效果，前池不要選擇放置在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基礎(chǔ)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(jì)過程中，要對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行認(rèn)真勘查，盡量減少甚至消除前池建設(shè)之后對(duì)于高邊坡以及相關(guān)建筑物造成的負(fù)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(jìn)入前池，應(yīng)考慮盡量使前池進(jìn)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(duì)稱，其擴(kuò)展角一般限制在 10°至15之間；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(jìn)水室寬度的 1.5倍左右，前室長(zhǎng)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(shí)，則宜在彎道終點(diǎn)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。為便于沉積泥沙和污物，前室末端底板高程應(yīng)比進(jìn)水室底板低0.5至1.0m。前池中的水流流速要求一般≤0.8 m/s，以便泥沙沉積下來，通過排沙孔排走，阻止冰塊、冰凌進(jìn)入壓力水管。為提高前池的排冰效果，可在進(jìn)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(yùn)行水位以下 50 cm，能夠有效防止冰凌進(jìn)入進(jìn)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(jì)流量時(shí)的渠末水位作為其正常水位。而水電站在運(yùn)行過程中，如果其突然甩開全部負(fù)荷，那么此時(shí)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(shí)相對(duì)應(yīng)的水位。在實(shí)際水位確定的過程中，相關(guān)工作人員要經(jīng)過多次試驗(yàn)，并且按照嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮鞑襟E進(jìn)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(jì)施工提供科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)支撐。
四、水電站裝機(jī)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(jī)容量確定的過程中，需要對(duì)無調(diào)節(jié)水電站最大工作容量進(jìn)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(jì)保證率）;N保、無=9.81ηQ設(shè)H設(shè)；Q設(shè)―設(shè)計(jì)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(fù)荷圖峰荷部分時(shí)，在作圖日電能累積曲線上 a 點(diǎn)向左取 ab，由 b 向下作垂線交日電能累積曲線于 c點(diǎn)。由 c 作水平線與日負(fù)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。
結(jié)語
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(duì)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(jiǎn)單，管理方便等優(yōu)越性。
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