水電站引水渠道的水力計(jì)算探討

王少勇

摘 要：水電站渠道可當(dāng)作引水渠，為無壓引水式水電站集中落差，形成水頭，并向機(jī)組輸水；也用作尾水渠，將發(fā)電用過的水排入下游河道。文章將從功用、要求和類型入手，對(duì)水電站引水渠道的水力計(jì)算特點(diǎn)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：引水渠道；自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道；恒定流

水電站渠道可當(dāng)作引水渠，為無壓引水式水電站集中落差，形成水頭，并向機(jī)組輸水；也用作尾水渠，將發(fā)電用過的水排入下游河道。由于尾水渠道通常很短，本文將主要討論引水渠道。

1 水電站引水渠道的功用及要求

1.1 足夠的輸水能力

渠道應(yīng)能隨時(shí)向機(jī)組輸送所需的流量，并有適應(yīng)流量變化的能力。

1.2 水質(zhì)符合要求

為防止有害的污物及泥沙經(jīng)渠首或由渠道沿線進(jìn)入渠道，在渠末水電站壓力管道進(jìn)口處還要再次采取攔污排冰、防沙等措施。

1.3 經(jīng)濟(jì)合理的構(gòu)造

結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理，便于施工運(yùn)行。

1.4 運(yùn)行安全可靠

渠道中既要防沖又要防淤，為此渠內(nèi)流速要小于不沖流速而大于不淤流速；渠道的滲漏要限制在一定范圍內(nèi)，過大的滲漏不僅造成水量損失，而且會(huì)危及渠道的安全；渠道中長(zhǎng)草會(huì)增大水頭損失，降低過水能力，在氣溫較高易于長(zhǎng)草的季節(jié)，維持渠中水深大于1.5m及流速大于0.6m/s可抑制水草生長(zhǎng)；在渠道中加設(shè)護(hù)面既可減小糙率，又可防沖、防滲、防草，還有利于維護(hù)邊坡穩(wěn)定，但造價(jià)較貴；嚴(yán)寒季節(jié)，水流中的冰凌會(huì)堵塞進(jìn)水口攔污柵，用暫時(shí)降低水電站出力，使渠中流速小于0.45～0.60m/s，以迅速形成冰蓋的方法可防止冰凌的生成，為了保護(hù)冰蓋，渠內(nèi)流速應(yīng)限制在1.25m/s以下，并防止過大的水位變動(dòng)。

2 引水渠道的類型

水電站渠道按其水力特性分為非自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道和自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道。

非自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道末端壓力前池處（或接近渠末處）設(shè)有泄水建筑物，如溢流堰或虹吸泄水道。當(dāng)渠中通過最大流量時(shí)，壓力前池水位低于堰頂；當(dāng)流量減小到一定程度時(shí)，水位超過堰頂，溢流堰開始溢流。當(dāng)水電站引用流量為零時(shí)，通過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證下游用水。若下游無用水要求，則當(dāng)水電站引用流量減小時(shí)要相應(yīng)關(guān)小渠道進(jìn)口的閘門以減少棄水。非自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道的堤頂高程為渠內(nèi)最高水位加上安全超高，堤頂與底坡大致平行。實(shí)際工程中大多數(shù)發(fā)電渠道都屬此類渠道。

自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道渠末不設(shè)溢流堰。當(dāng)水電站引用流量為零時(shí)，渠中水位是水平的，因而堤頂基本上是水平的，渠道斷面向下游逐漸加大。自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道只用于渠線很短的情況，進(jìn)口可只設(shè)檢修閘門。

3 渠道的水力計(jì)算特點(diǎn)

渠道水力計(jì)算的基本原理及方法已在水力學(xué)中講過，水力計(jì)算可分為恒定流計(jì)算及非恒定流計(jì)算兩種，它們是決定渠道尺寸及擬定水電站運(yùn)行方式的基礎(chǔ)。

3.1 恒定流計(jì)算

對(duì)于給定的渠道斷面形狀、底坡及糙率，利用謝才公式可求出均勻流下正常水深與流量之間的關(guān)系曲線A。

根據(jù)給定的斷面，假定一系列臨界水深，可算得與其相對(duì)應(yīng)的流量，從而作出臨界水深與流量的關(guān)系曲線B。

對(duì)于給定的渠首設(shè)計(jì)水深（即水庫(kù)為設(shè)計(jì)低水位、閘門全開下的渠首水深），利用水力學(xué)中非均勻流水面曲線的計(jì)算方法可求出渠道通過不同流量時(shí)渠末的水深，從而繪出水位-流量關(guān)系曲線C。

根據(jù)渠末溢流堰的實(shí)際尺寸，按實(shí)用堰或?qū)掜斞吡鞴娇梢杂?jì)算出渠末水深（等于堰頂至渠底的高度加上堰上水頭），從而得到渠末水深與溢流流量的關(guān)系曲線D。

這幾根曲線的關(guān)系及意義如下：

曲線A與曲線C的交點(diǎn)表示渠內(nèi)渠首水深與渠末水深相等，發(fā)生均勻流。此時(shí)的流量相應(yīng)于渠道的設(shè)計(jì)流量。

若水電站引用流量大于設(shè)計(jì)流量，渠中出現(xiàn)降水曲線，且隨著流量的增加渠末水深迅速減小。則渠末水深的極限值即為臨界水深，即曲線B與曲線C的交點(diǎn)。此時(shí)的流量為給定渠首水深時(shí)渠道的極限過水能力。一般取水輪發(fā)電機(jī)組的最大引用設(shè)計(jì)流量為渠道的設(shè)計(jì)流量，而不是令渠道最大過水流量等于其設(shè)計(jì)流量，這是因?yàn)椋?/p>

（1）使渠道經(jīng)常處于壅水狀態(tài)工作，以增加發(fā)電水頭。

（2）避免因流量增加不多而水頭顯著減小的現(xiàn)象。

（3）使渠道的過水能力留有余地，以防止渠道淤積、長(zhǎng)草或?qū)嶋H糙率大于設(shè)計(jì)采用值時(shí)，水電站出力受阻（即發(fā)不出額定出力）。

水電站引用流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，渠中出現(xiàn)壅水曲線，渠末水位隨流量減小而上升。當(dāng)水電站引用流量等于最大流量時(shí)，即曲線C與堰頂高程線的交點(diǎn)處，渠末水深等于溢流水深，剛好不溢流，此時(shí)給出無棄水下的渠末最高水位。引用流量更小時(shí)，渠末水深大于溢流水深時(shí)則發(fā)生溢流。令通過水輪機(jī)的流量為Q1，溢流流量為Q2，通過渠道的流量為Q1+Q2，渠末水位可由上述曲線直接查出。當(dāng)水電站停止運(yùn)行時(shí)，通過渠道的流量全部由溢流堰溢走，相應(yīng)于曲線C與曲線D的交點(diǎn)，這就是溢流堰在恒定流情況下的最大溢流流量，相應(yīng)水位為恒定流下渠末最高水位。

當(dāng)水庫(kù)水位變動(dòng)或閘門開度不同，因而渠首水深在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，可取幾個(gè)典型的渠首水深值進(jìn)行非均勻流計(jì)算，得出相應(yīng)的水位-流量曲線，進(jìn)行綜合分析。

3.2 非恒定流計(jì)算

非恒定流計(jì)算的目的是研究水電站負(fù)荷變化因而引用流量改變引起的渠中水位和流速的變化過程，其計(jì)算內(nèi)容包括：

（1）水電站突然丟棄負(fù)荷后渠內(nèi)涌波，即求渠道沿線的最高水位，以決定堤頂高程。

（2）水電站突然增加負(fù)荷后渠內(nèi)涌波，求得最低水位，以決定渠末壓力管道進(jìn)口高程。

（3）水電站按日負(fù)荷圖工作時(shí)，渠道中水位及流速的變化過程，以研究水電站的工作情況。

非恒定流計(jì)算的基本原理為水力學(xué)中改進(jìn)的能量平衡原理，由于具體的計(jì)算比較復(fù)雜，實(shí)際工程中一般采用一維明渠非恒定流的特征線法計(jì)算，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。