引水式水电站设计研究

□沈宽勇（毕节市勘测设计研究院）

随着社会经济的不断发展，人们对水资源利用途径越来越多，水电站的建设是对水资源合理有效且最佳利用方式，类型多且数量也不断增加，对促进地方经济发展起到非常重要作用。随着电站工程不断建设和发展，地形条件较好的地段基本被开发，剩下条件不好地段修建电站，造成电站单位千瓦投资增高，采取合理建设方式和工程措施，有效降低工程建设成本，达到充分利用水资源和实现水力发电的目的，引水式水电站就成为人们关心和重点考虑的电站建设方式。

1 引水枢纽坝址的选择及布置

1.1 水电站坝址的选择

在引水式水电站的设计过程中，相关设计人员要注重坝址的选择。在实际的操作过程中，相关工作人员要加强对相关河道的自然条件进行调查和分析，关注相关的地质问题，而且还要对工程投资以及综合管理进行分析。在引水设计方面，要选择河床比较稳定并且水量大的河段。此外，对于要求比较严格的水电站，相关工作人员要将相关的渠道设置在泉水溢出带的下游，这样就能够增大泉水从河床两侧的溢出量，可以在很大程度上提高水电站的发电量，使得水电站在冬季能够正常运行。值得注意的是，对于在春季和冬季上游冰量较多的河道，相关工作人员还要采取一定的除冰设计措施。要设置科学合理的水闸，使得冰块能够顺利通过。

在渠道型式的选择上，要注重选择合理的模式。一般来讲，当前使用较多的渠道，其正面一般用作排沙、泄洪以及排冰，而侧面则主要是拦河闸和拦河坝。在实际的河道考察和设计过程中，要密切注意水流方向以及水流条件，使得河道的轴线与排冰、泄洪能够在一条直线上，这样能够切实地保护相关河道不会受到较多破坏，实现耗水量少、流水效果好的目的。

1.2 枢纽布置

在引水式水电站的设计过程中，水电站枢纽的布置非常重要。在实际操作过程中，相关工作人员应根据工程开发的方式以及河流的流行特点，合理布置枢纽。当前比较常见的枢纽形式主要包括坝、闸混合式以及全闸布置两种形式。坝、闸混合式枢纽的优点是运行较为方便灵活，投资相对较少，而且具有较强的安全性能，在投入使用之后，其管理控制相对较为方便。而全闸式枢纽具有较好的排除推移能力，其泄流能力也较大，但是，其缺点也是非常明显的，主要表现在：运行不够灵活、管理难度相对较大，闸门的启用也比较频繁。

2 引水式水电站的引水渠道设计

2.1 引水渠的渠线选择

在引水式水电站的设计过程中，渠道的设计是重要的内容，其在该项工程中，渠的选择至关重要。一般来讲，为了利用太阳的辐射来提高水温，从而减少再生冰的产生，大都需要将渠线选择在河道的阳坡。渠道的设置要不占耕地或者是尽量少占耕地。为了形成集中落差，渠线要沿等高线布置，使得渠尾前池以下正好形成一个较好下跌的形势。在渠道的施工过程中，为了减少高填深挖的工作量，应该在实际的设计施工过程中，灵活使用暗渠、明渠以及倒虹吸等布置形式。在渠线的选择过程中，要注重转弯的选择。一般来讲，为了减少渠道的过流以及水流对于渠道造成的破坏，在寒冷地区其弯道半径要大于10倍的水面宽度；对于不需要进行衬砌的渠道来讲，其转弯半径只要大于水面宽度的5倍就能够达到设计标准；而对于需要衬砌的灌溉渠道，其弯矩只要大于水面宽度的2.5倍即可。

2.2 渠道断面的选择

渠道断面的选择非常重要，在实际操作过程中，要根据实际地形状况进行合理的设计。如果地面的坡度相对较大并且起伏比较频繁，则一般选择窄深式的断面，有些该种形式的断面可以添加一定的盖板，这样不仅能够减少砂石降落到渠道中而且能够在很大程度上防止坡面的滚石发生状况。这种渠道的优点比较多，比如:能够在冬季寒冷的条件下减少水热量的散失，从而使得冰盖能够处于稳定的状态。

如果渠道处于比较宽敞的地面上，而且具有较强冻胀性能的基面，地下水位较高，则一般选择宽浅式断面。在实际的设计过程中，如果在渠道的沿线有泉水，那么就将相应的泉水引入到水渠之中，可以在很大程度上提高渠道的水流量，使得结冰机率大大降低。

2.3 渠道纵坡的设计

在渠道设计过程中，纵坡的设计水平非常关键。渠道纵坡的设计对于水流速度具有决定性的作用。一般来讲，如果纵坡的设计较为平缓，则其很容易堆积淤泥，使得杂草等能够迅速地生长，从而影响渠道的输送水能力。而如果纵坡的设计很陡，则渠道在使用过程中，很容易受到较大冲击，很容易破坏。因此，相关设计人员要合理设计渠道的纵坡。在结冰盖的运行过程中，设计人员要根据水能的具体状况、地形条件以及工程造价的实际情况，对纵坡进行合理的设计。在输排冰运行的过程中，相关工作人员要将全段设计得比较陡些，使得输冰的流速达到相关的标准，而后段施工则需要在排冰闸前30m的缓流段进行，以此满足相关排冰速度的要求。

3 引水式水电站压力前池的设计

在渠道的设计过程中，相关工作人员要加大压力前池的设计力度，这对于提高渠道的整体质量具有重要的影响。

3.1 前池布置

在压力前池位置的选择过程中，为了提高水电站的实际运行效果，前池不要选择填方或者是地基不稳的部位，而应该尽量选择在天然地基比较好的地基上。这种设置能够在很大程度上避开顺坡的裂隙发育地段以及滑坡的出现。在前池的设计过程中，要对水文地质条件进行认真勘查，尽量减少甚至消除前池建设之后对于高边坡以及相关建筑物造成的负面影响。这样就能够避免滑坡以及沉陷情况的发生，确保下游的厂房以及前池的安全。

为保障渠道水流平稳地进入前池，应考虑尽量使前池进水室的中心线与引水渠道中心线平行或接近平行，使水流顺畅，减少水头损失；还能使其引导和控制水流向压力管道平稳过渡和均匀配水。前池与引水渠道末端的连接段，在平面上应两边对称，其扩展角一般限制在10°以内；底边纵坡适宜选用1∶3～1∶5的斜坡，与前室底板连接。前室宽度约为进水室宽度的1.5倍左右，前室长度可取前室宽度的2.5～3.1倍。引水渠道末端应尽量避免弯道，如难以避免时，则宜在弯道终点与前池入口间设直线调整段，或加设分流导向设施。前池中的水流流速要求一般≤0.8m/s，以便泥沙沉积下来，通过排沙孔排走，阻止冰块、冰凌进入压力水管。为提高前池的排冰效果，可在进水室前设一道挡冰板，挡冰板底部应伸入到前池冬季最低运行水位以下50cm，能够有效防止冰凌进入进水室。

3.2 前池水位

在中小型水电站前室正常水位的确定过程中，可以将引水渠道设计流量时的渠末水位作为其正常水位。而水电站在运行过程中，如果其突然甩开全部负荷，那么此时的最高涌波就作为前池的最高水位。而前池的最低水位指的是，在枯水期最小引水位发电流量时相对应的水位。在实际水位确定的过程中，相关工作人员要经过多次试验，并且按照严谨的操作步骤进行操作，以期获得最佳的水位数据，从而为引水式水电站的设计施工提供科学严谨的数据支撑。

4 水电站装机容量选择

4.1 无调节水电站最大工作容量的确定

在水电站装机容量确定的过程中，需要对无调节水电站最大工作容量进行确定，N水，工=N保、无=9.81ηQ设H设，其中：N水、工=保证出力（按历史设计保证率）;N保、无=9.81ηQ设H设；Q设—设计枯水日平均流量（m3/s）；H设—相应的日平均净水头。

4.2 日调节水电站最大工作容量的确定

当水电站担任日负荷图峰荷部分时，在作图日电能累积曲线上a点向左取ab，由b向下作垂线交日电能累积曲线于c点。由c作水平线与日负荷图相交，求出日电站的工作位置，如图1所示。其中，ab＝E保、日，bc＝N水、工。

图1 日调节水电站最大工作容量图

5 结语

随着经济社会的不断发展，水电站的建设量越来越多，随着电站不断开发，有利地形条件电站早被开发完，对于流量小、地形条件复杂地区，可采用引水式电站开发方式，具有投资小，施工简单，管理方便等优越性。