在任何工作水位下，進水口都能引進必須的流量。因此在樞紐布置中必須合理安排進水口的位置和高程；進水口要求水流平順並有足夠的斷面尺寸，一般按水電站的最大引用流量Qmax設計。
基本介紹
- 中文名：引水建築物
- 外文名：Diversion structures
- 作用：將水引入水電站的引水道
- 位置：引水系統的首部
- 類別：有壓進水口和無壓進水口
功用和要求,有壓進水口,無壓進水口,引水道,壓力前池,日調節池,
功用和要求
水電站進水口位於引水系統的首部。其功用是按照發電要求將水引入水電站的引水道。進水口應滿足下述基本要求：
(1) 要有足夠的進水能力
(2) 水質要符合要求
不允許有害泥沙和各種有害污物進入引水道和水輪機。因此進水口要設定攔污、防冰、攔沙、沉沙及沖沙等設備。
(3) 水頭損失要小
進水口位置要合理，進口輪廓平順，流速較小，儘可能減小水頭損失。
(4) 可控制流量
進水口須設定閘門，以便在事故時緊急關閉，截斷水流，避免事故擴大，也為引水系統的檢修創造條件。對於無壓引水式電站，引用流量的大小也由進口閘門控制。
(5) 滿足水工建築物的一般要求
進水口要有足夠的強度、剛度和穩定性，結構簡單，施工方便，造型美觀，便於運行、維護和檢修。
由於進水口後連線的引水方式、水流流態和所處位置的不同，進水口的型式也不相同。按水流條件分，水電站進水口分為有壓進水口和無壓進水口兩大類。
有壓進水口
有壓進水口的特徵是：進水口高程設在水庫最低死水位以下，以引進深層水為主，整個進水口處於有壓狀態，其後接有壓隧洞或壓力管道。適用於壩式、有壓引水式、混合式水電站。有壓進水口通常由進口段、閘門段及漸變段組成。
一、有壓進水口的類型及適用條件
1．隧洞式進水口
在隧洞進口附近的岩體中開挖豎井，井壁一般要進行襯砌，閘門安裝在豎井中，豎井的頂部布置啟閉機和操縱室。漸變段之後接隧洞洞身。這種布置的優點是結構比較簡單，不受風浪和冰凍的影響，地震影響也較小，比較安全可靠。缺點是豎井之前的隧洞段不便檢修，豎井開挖也較困難。適用於工程地質條件較好，岩體比較完整，山坡坡度適宜，易於開挖平洞和豎井的情況。
2．牆式進水口
進口段、閘門段和閘門豎井均布置在山體之外，形成一個緊靠在山岩上的單獨牆式建築物。牆式建築物承受水壓及山岩壓力，要求有足夠的穩定性和強度。適用於地質條件差，山坡較陡，不易開挖豎井的情況。
3．塔式進水口
進水口的進口段、閘門段及其框架形成一個塔式結構，聳立在水庫之中，塔頂設操縱平台和啟閉機室，用工作橋與岸邊或壩頂相連。塔式進水口可一邊或四周進水，然後將水引入塔底的豎井中。塔身是直立的懸臂結構，風浪壓力及地震力的影響較大，需對其進行抗傾、抗滑穩定和結構應力計算，必須有足夠的強度和穩定性，同時要求地基堅固。這種進水口適用於當地材料壩樞紐中，當進口處山岩較差，而岸坡又比較平緩時也可採用這種型式。
4．壩式進水口
進水口依附在壩體的上游面上，並與壩內壓力管道連線。進口段和閘門段常合二為一，布置緊湊。適用於混凝土重力壩的壩後式廠房、壩內式廠房和河床式廠房。
二、有壓進水口的位置、高程及輪廓尺寸
1．有壓進水口的位置
水電站有壓進水口在樞紐中的位置，應儘量使水流平順、對稱，不發生回流和旋渦，不出現淤積，不聚集污物，泄洪時仍能正常進水。進水口後接壓力隧洞，應與洞線布置協調一致，選擇地形、地質及水流條件均較好的位置。
2．有壓進水口的高程
有壓進水口頂部高程應低於運行中可能出現的最低水位，並有一定的淹沒深度，以進水口前不出現漏斗式吸氣漩渦為原則。漏斗旋渦會帶入空氣，吸入漂浮物，引起噪音和振動，減小過水能力，影響水電站的正常發電。一些已建工程的原型觀測分析表明，不出現吸氣旋渦的臨界淹沒深度可按下面經驗公式估算
(1-1)
式中 H —— 閘門孔口淨高(m)；
V —— 閘門斷面水流速度(m/s)；
c —— 經驗係數，c= 0.55~0.73，對稱進水時取小值，側向進水時取大值；
—— 閘門頂低於最低水位的臨界淹沒深度(m)。
在滿足進水口前不出現漏斗式吸氣漩渦及引水道內不產生負壓的前提下，進水口的高程應儘可能抬高，以改善結構的受力條件，降低閘門、啟閉設備及引水道的造價，也便於進水口的維護和檢修。
有壓進水口底部高程應高於設計淤沙高程。如果這個要求無法滿足，則應在進水口附近設排沙孔，以保證進水口不被淤沙堵塞。進水口的底部高程通常在水庫設計淤沙高程以上0.5~1.0m，當設有排沙設施時，應根據排沙情況而定。
3．有壓進水口的輪廓尺寸
進水口一般由進口段、閘門段和漸變段組成。進水口的輪廓應使流平順，流速變化較小，水流與四周側壁之間無負壓及渦流。進口流速不宜太大，一般控制在1.5m/s左右。
(1) 進口段。其作用是連線攔污柵與閘門段。隧洞進口段為平底，兩側收縮曲線為四分之一圓弧或雙曲線，上唇收縮曲線一般為四分之一橢圓，橢圓曲線方程為：
(1-2)
式中 a —— 橢圓長半軸，對於頂板曲線約等於閘門處的孔口高度H；
b —— 橢圓短半軸，對於頂板曲線，可用 H/3。
進口段的長度沒有一定標準，在滿足工程結構布置與水流順暢的條件下，儘可能緊湊。
(2) 閘門段。閘門段是進口段和漸變段的連線段，閘門及啟閉設備布置在此段。閘門段一般為矩形，事故閘門淨過水麵積為
(1.1~1.25)×隧洞面積，檢修閘門孔口與此相等或稍大。門寬B等於洞徑D，門高略大於洞徑D。
閘門段的體型主要取決於所採用的閘門、門槽型式及結構條件，其長度應滿足閘門及啟閉設備布置需要，並考慮引水道檢修通道的要求。
(3) 漸變段。漸變段是矩形閘門段到圓形隧洞的過渡段。通常採用圓角過渡，圓角半徑r可按直線規律變為隧洞半徑R。漸變段的長度一般為隧洞直徑的1.5~2.0倍，側面收縮角為6˚~8°為宜，一般不超過10°。
(4)▲ 壩式進水口。為了適應壩體的結構要求，壩式進水口的長度要縮短，進口段與閘門段常合二為一。
▲ 壩式進水口做成矩形喇叭口狀，水頭較高時，喇叭開口較小，以減小閘門尺寸及孔口對壩體結構的影響；水頭較低時，孔口開口大，以降低水頭損失。喇叭口的形狀一般由試驗確定，以不出現負壓、旋渦且水頭損失最小為原則。
▲ 壩式進水口的漸變段長度一般取引水道直徑的1.0~1.5倍。
進水口的中心線可以是水平的，也可以是傾斜的，視與壓力管道連線的條件而定。
三、有壓進水口的主要設備
有壓進水口主要設定攔污設備、閘門及其啟閉設備、通氣孔及充水閥等。
(一) 攔污設備
攔污設備的功用是防止漂木、 樹枝樹葉、雜草、垃圾、浮冰等漂浮物隨水流進入進水口，同時不讓這些漂浮物堵塞進水口，以免影響機組正常運行。主要攔污設備為進口處的攔污柵。
1 攔污柵的布置及支承結構
(1) 攔污柵的立面布置
攔污柵的立面布置可以是傾斜或垂直的。洞式和牆式進水口的攔污柵常布置成傾斜的，傾角為60°~70°左右。這種布置的優點是過水斷面大，易於清污。 塔式進水口的攔污柵可以布置為傾斜或垂直的，取決於進水口的結構形狀。壩式進水口的攔污柵一般布置成垂直的。
(2) 攔污柵的平面布置
攔污柵的平面形狀可以是平面的或多邊形的。前者便於清污，後者可增大過水麵。洞式和牆式進水口一般採用平面攔污柵。塔式和壩式進水口兩種均可採用，平面布置，結構簡單，便於機械清污。
(3) 支承結構
攔污柵通常由鋼筋混凝土框架結構支承，攔污柵框架由墩(柱)及橫樑組成，墩(柱)側面留槽，攔污柵片插在槽內，上、下兩端分別支承在兩根橫樑上，承受水壓時相當於簡支梁。橫樑的間距一般不大於4m，間距過大會加大柵片的橫斷面，過小會減小淨過水斷面，增加水頭損失。攔污柵框架頂部應高出需要清污時的相應水庫水位。
2 攔污柵柵片
攔污柵由若干塊柵片組成，每塊柵片的寬度一般不超過2.5m，高度不超過4m，柵片像閘門一樣插在支承結構的柵槽中，必要時可一片片提起檢修。其矩形框線由角鋼或槽鋼焊成，縱向的柵條常用扁鋼製成，上下兩端焊在框線上。沿柵條的長度方向，等距設定幾道帶有槽口的橫隔板，柵條背水的一邊嵌入該槽口並加焊，不僅固定了位置，也增加了側向穩定性。柵片頂部設有吊環。
3 攔污柵設計
(1) 過柵流速
過柵流速是指扣除墩(柱)、橫樑及柵條等各種阻水斷面後按淨面積計算出的流速。攔污柵總面積小則過柵流速大，水頭損失大，漂浮物對攔污柵的撞擊力大，清污亦困難；攔污柵面積大，則會增加造價，甚至布置困難。為便於清污，過柵流速以不超過1.0m/s為宜。當河流污物很少或加設了粗柵、攔污浮排後，攔污柵前污物很少，而水電站引用流量較大時，過柵流速可適當加大。
(2) 柵條的厚度及寬度及柵條淨距
柵條的厚度及寬度由強度計算決定。通常厚8~12mm，寬100~200mm。柵條的淨距b大，攔污效果差，水頭損失小；相反b小，攔污效果好，水頭損失大。因此其淨距應保證通過攔污柵的污物不會卡在水輪機過流部件中。對於混流式水輪機可取b=D1/30，軸流式水輪機可取b=D1/20，對衝擊式水輪機可取b=d/5，其中D1為轉輪標稱直徑，d為噴嘴直徑。但最大淨距不宜超過 20cm，最小淨距不宜小於5cm。
(3) 攔污柵與進水口之間的距離不小於D(洞徑或管道直徑)以保證水流平順。
(4) 攔污柵的總高度決定於庫水位及清污要求。對於不要求經常清污的大型水庫，攔污柵框架的頂部高程可做在汛前水位以上，以便每年能有機會清理和維修攔污柵。
對漂浮物多，需要經常清污的電站，則攔污柵的頂部高程應高於清污的最高水位。
(5) 攔污柵結構設計。
攔污柵及支承結構的設計荷載有：水壓力，清污機壓力，清污機自重，漂浮物(浮木及浮冰等)的衝擊力，攔污柵及支承結構的自重等。攔污柵設計的水壓力指的是攔污柵可能堵塞情況下柵前柵後壓力差，一般可取4~5m均勻水壓力進行設計。
攔污柵柵片上下兩端支承在橫樑上，柵條相當於簡支梁，設計荷載確定後就可求出所需的截面尺寸。柵片的荷載傳給上下兩根橫樑，橫樑受均布力，橫樑、柱墩按框架結構設計。
4．攔污柵的清污及防凍
攔污柵被污物堵塞水頭損失明顯增大，因此攔污柵必須及時清污，以免造成額外的水頭損失。堵塞不嚴重時清污方便，堵塞過多則過柵流速大，水頭損失加大，污物被水壓力緊壓在柵條上，清污困難，有時會造成被迫停機或壓壞攔污柵的事故。
清污方式有人工污和機械清污兩種。人工清污是用齒耙扒掉攔污柵上的污物，一般用於小型水電站的淺水、傾斜攔污柵。大中型水電站常用清污機。
攔污柵吊起清污方法可用於污物不多的河流，結合攔污柵檢修進行，也用於污物(尤其是漂浮的樹枝)較多、水下清污困難的情況。這種情況下可設兩道攔污柵，一道吊出清污時，另一道可以攔污，以保證水電站正常運行。
在嚴寒地區要防止攔污柵封凍。如冬季仍能保證全部柵條完全處於水下，則水面形成冰蓋後，下層水溫高於0°C，柵面不會結冰。如柵條露出水面，則要設法防止柵面結冰。一種方法是在柵面上通過 50 V以下電流，形成迴路，使柵條發熱。另一種方法是將壓縮空氣用管道通到攔污柵上游面的底部，從均勻布置的噴嘴中噴出，形成自下向上的夾氣水流，將下層溫水帶至柵面，並增加水流紊動，防止柵面結冰。
(二) 閘門及啟閉設備
為了控制水流，進水口必須設定閘門。閘門可分為事故閘門和檢修閘門。
事故閘門的作用主要是當機組或引水道發生事故時，迅速切斷水流，以防事故擴大。事故閘門通常懸掛於孔口上方，事故時要求在動水中快速關閉(1~2min)。閘門要求在靜水中開啟，即先用充水閥向門後充水，待閘門前後水壓基本平衡後再開啟閘門。由於引水道末端閥門會漏水，特別是水輪機導葉漏水量較大，所以事故閘門應能在3~5m水壓下開啟。事故閘門一般為平板門。啟閉設備採用固定式卷揚啟閉機或油壓啟閉機，每個閘門配置一套，以便隨時操作閘門。閘門操作應儘可能自動化，並能吊出檢修。
檢修閘門設在事故閘門上游側，當檢修事故閘門及其門槽時用以堵水。檢修閘門一般採用平板閘門，中小型電站也可以採用迭梁門。要求在靜水中啟閉，可以幾個進水口共用一套檢修閘門，可用移動式或臨時啟閉設備啟閉，平時檢修閘門存放在儲門室內。
(三) 通氣孔及充水閥
1．通氣孔
通氣孔設在有壓進水口的事故閘門之後，其作用是當引水道充水時用以排氣，當事故閘門緊急關閉放空引水道時，用以補氣以防出現有害真空。若閘門為前止水布置，可利用事故閘門豎井兼作通氣孔；若閘門為後止水，則必須設專門的通氣孔。通氣孔內設爬梯，兼作進人孔。
通氣孔的面積取決於事故閘門關閉時的進氣量，進氣量的大小一般取引水道的最大引用流量，進氣量除以允許進氣流速即得通氣孔的面積。即
(1-3)
式中 Qa ——空氣進氣量，採用引水道的最大引水流量，m3/s；
Va ——允許進氣流速m/s。
允許進氣流速與引水道的形式有關，對於露天式管道進水口，一般取進氣流速為30~50m/s，壩內管道和隧洞取70~80m/s。
根據工程實踐經驗，為了簡便起見，建議發電引水道工作閘門或事故閘門後的通氣孔面積可取管道面積的5%左右。
通氣孔頂端應高出上游最高水位，以防水流溢出。
2．充水閥
充水閥的作用是開啟閘門前向引水道充水，平衡閘門前後水壓，以便在靜水中開啟閘門，從而減小閘門啟閉力。充水閥的尺寸可根據充水容積、下游漏水量及要求的充水時間來確定。壩式進口設旁通管，管的上游通至上游壩面，下游至事故閘門之後，旁通管穿過壩體廊道，並在廊道內設充水閥。
另一種方法是將充水閥設定在平板門上，利用閘門拉桿啟閉。閘門關閉時，在拉桿及充水閥重量的共同作用下，充水閥關閉；開啟閘門前，先
將拉桿吊起20cm左右，這時充水閥開啟(閘門門體未提起)，開始向引水道充水，充水完畢，再提起閘門。
無壓進水口
一、無壓進水口
無壓進水口內水流為明流，以引表層水為主，進水口後一般接無壓引水道。無壓進水口適用於無壓引水式電站，起著控制水量與水質的作用，並保證使發電所需水量以儘可能小的水頭損失進入渠道。
(1) 進水口位置
正確地選擇進水口的位置可以使水流平順，減少水頭損失，同時還可以減輕泥沙和冰凌的危害。無壓進水口上游無大水庫，河中流速較大(尤其是洪水期)，泥沙、污物等可順流而下直抵進水口前。平面上的回流作用常使漂浮物堆積於凸岸，剖面上的環流作用則將底層泥沙帶向凸岸，而使上層清水流向凹岸。因此，進水口應布置在河流彎曲段凹岸。
(2) 攔污設施
進水口一般均設攔污柵或浮排以攔截漂浮物。當樹枝、草根等污物較多時，常設粗、細兩道攔污柵，當河中漂木較多時，可設胸牆攔阻漂木。
（3）攔沙、沉沙、沖沙設施。
進水口應能防止有害泥沙進入引水道，以免淤積引水道，降低過流能力，以及磨損水輪機轉輪和過流部件。進水口前常設攔沙坎，截住沿河底滾動的推移質泥沙，並通過沖沙底孔或廊道排至下游。
二、沉沙池 對於多泥沙河流，為避免大顆粒泥沙進入水輪機，通常在無壓進水口後修建沉沙池。沉沙地的基本原理是加大過水斷面並通過分流牆或格柵形成均勻的低速區，減小水流挾沙能力，使有害泥沙沉積在池內，而讓清水進入引水道。沉沙池內水流平均流速一般為0.25 m/s～0.70m/s，視有害泥沙粒徑而定。沉沙池要有足夠的長度。
沉沙池內沉積的泥沙要及時排除。可採用沖沙廊道沖沙，沖沙方式分連續沖沙、定期沖沙及機械排沙三種。
定期沖沙的沉沙池，當泥沙淤積到一定深度時，關閉池後進入引水渠的閘門，打開沖沙道的閘門，降低池中水位，向原河道中沖沙。為了不影響發電，可將沉沙池作成數個並列的沉沙道，定期輪換沖沙。機械排沙是用挖泥船等排除沉積的泥沙。
引水道
一、功用：集中落差，形成水頭，輸送水流進入機組、排走發電用水(尾水渠)。
類型: 無壓引水道：渠道、無壓隧洞。具有自由水面，引水道承受的水壓力不大。適用於無壓引水電站。
有壓引水道：有壓隧洞。洞中水流為壓力流，隧洞承受內水壓力很大。適用有壓引水電站。
二、水電站引水渠道
水電站的引水渠道稱為動力渠道（為適應負荷變化，Q、H在變化——非恆定流）
（一) 基本要求
1．有一定的輸水能力。滿足水電站的引用流量，適用電站流量的變化，一般按水電站的Qmax設計。
2．水質要符合要求。渠道進口、沿線及渠末都要採取攔污、防沙、排沙措施。
3．運行安全可靠。
(1) 防沖、防淤：渠道內水流速度要小於不沖流速而大於不淤流速，即：V淤〈V設〈V沖；
(2) 對渠道加設護面，減小糙率、防滲、防沖、防草、維護邊坡穩定，保證電站出力；
(3) 防草：渠道中長草會增大水頭損失，降低過水能力，在易長草季節，維持渠道中的水深大於1.5m及流速大於0.6m/s可擬制水草的生長；
(4) 防凌：在嚴寒季節，水流中的冰凌會堵塞進水口的攔污柵，用暫時降低水電站出力，使渠道流速小於0.45m/s~0.6m/s，以迅速形成冰蓋的方法可防止冰凌的生成，為了保護冰蓋，渠內流速應限制在1.25m/s以下，並防止過大的水位變動。
4．結構經濟合理，便於施工及運行。
（二) 動力渠道的類型
1．非自動調節渠道
渠頂大致平行渠底，渠道的深度沿途不變，在渠道末端的壓力前池中設溢流堰。
適用：引水道較長，對下游有供水要求。
溢流堰的作用：限制渠末的水位；保證向下游供水。
當水電站引用流量Q =Qmax，壓力前池水位低於堰頂；Q〈 Qmax，水位超過堰頂，開始溢流；Q =0時，通過渠道的全部流量泄向下游。
2．自動調節渠道
渠道首部堤頂和尾部堤頂的高程基本相同，並高出上游最高水位，渠道斷面向下游逐漸加大，渠末不設泄水建築物。
適用：渠道不長，底坡較緩 ，上游水位變化不大的情況。
水電站引用流量Q = 0時，渠道水位是水平的，渠道不會發生漫流和棄水現象；
Q〈 Qmax雍水曲線。Q =Qmax為降水曲線。
壓力前池
壓力前池設定在引水渠道或無壓隧洞的末端，是水電站無壓引水建築物與壓力管道的連線建築物。
一、壓力前池的作用
(1) 平穩水壓、平衡水量
減少渠道水位波動的振幅，穩定了發電水頭；暫時補充不足水量和容納多餘水量，適應水輪機流量的改變。
(2) 均勻分配流量。均勻地分配流量給壓力管道，管道進口設有控制閘門。
(3) 宣洩多餘水量。另外當電站停機時，給下游供水。
(4) 攔阻污物和泥沙。前池設有攔污柵、攔沙、排沙及防凌設施，防止渠道中漂浮物、冰凌、有害泥沙進入壓力管道，保證水輪機正常運行。
二、壓力前池的組成建築物
(1) 前室(池身及擴散段)
由擴散段和池身組成。擴散段保證水流平順地進入前池，減少水頭損失。池身的寬度和深度受高壓管道進口的數量和尺寸控制，以滿足進水室的要求。
(2) 進水室及其設備。壓力管道進水口部分，進口處設閘門及控制設備、攔污柵、通氣孔等設施。
(3) 泄水建築物
溢水建築物一般包括溢流堰、陡槽和消能設施。堰頂一般不設閘門，水位超過堰頂，前池內的水就自動溢流。 (4) 放水和沖沙設備 從引水渠道帶來的泥沙將沉積在前室底部，因此在前室的最低處應設沖沙道，並在其末端設有控制閘門，以便定期將泥沙排至下游。沖沙道 可布置在前室的一側或在進水室底板下作成廊道。沖沙孔的尺寸一般不小於1m，廊道的高度不小於0.6m，沖沙流速通常為2~3m/s。沖沙孔有時兼做前池的放水孔，當前池檢修時用來放空存水。
(5) 攔冰和排冰設備
排冰道只有在北方嚴寒地區才設定，排冰道的底板應在前池正常水位以下，並用疊梁門進行控制。
三、壓力前池的布置
壓力前池在布置與引水道線路、壓力管道、電站廠房及本身泄水建築物等布置有密切聯繫。因此應根據地形、地質和運行條件，結合整個引水系統及廠房布置進行全面和綜合的考慮。
(1) 前池整體布置時，應使水流平順，水頭損失最少，以提高水電站的出力和電能
布置能使渠道中心線與前池中心線平行或接近平行。前室斷面逐漸擴大，平面擴散角β不宜大於10。前池底部坡降的擴散角也不大於10。
(2) 前池應儘可能靠近廠房，以縮短壓力管道的長度
前池中水流應均勻地向各條壓力管道供水，使水流平順，無漩渦發生。運行上應使清污、維護、管理方便，同時應使泄水與廠房尾水不發生干擾。
(2) 前池應建在天然地基的挖方中
建在填方或不穩定地基上，會由於山體滑坡和不均勻沉陷導致前池及廠房建築物的破壞。
註：選擇壓力前池的位置應特別注意地基穩定與滲漏條件。
日調節池
當引水渠道較長，且水電站擔任峰荷時，常設日調節池。
擔任峰荷的水電站一日之內的引用流量在0與Qmax之間變化，而渠道是按Qmax設計的，因此一天內的大部分時間中，渠道的過水能力得不到充分利用。另外，由於引用流量的變化，在渠道中引起水位波動。為了進行日調節，可在渠道下游合適的地方修建日調節池。它可以用人工開挖，也可用築堤圍建方法建成。
日調節池與壓力前池之間的渠道按Qmax設計。而日調節池上游一段渠道按日平均流量設計，這樣渠道斷面可以減小。當水電站引用流量大於日平均流量時，不足水量可從日調節池中獲取，日調節池中水位隨之下降；當水電站引用流量小於日平均流量時，日調節池儲蓄部分水量，池中水位回，這樣可減少前池水位的劇烈波動。因此日調節池在一定條件下，可降低渠道的投資和改善水電站的運行條件。
