水利水电工程导论

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1、水利水电工程导论6.1 概述第六章 水电站一、水电站发展概况早在3000多年前劳动人民就利用水力磨面、舂 米、提水灌溉。随着商业资本及小型手工业的发展， 水力逐渐用于打铁、锯木、造纸及纺织等工业方面。19世纪下半叶又相继发明了直流电机、交流同步 电机、变压器、输电线路。直到19世纪末，在筑坝技 术、结构理论与施工技术发展到一定水平以后，才出 现了近代的水电站。6.1 概述一、水电站发展概况到20世纪70年代达到顶峰时，全世界几乎每天都 有23座新建的水坝交付使用，水电站建设也同时达 到顶峰。根据有关组织的统计，至20世纪末，世界上 有24个国家的90%电力来自水电，有三分之一的国家 的水电比重

2、超过一半。水电事业的发展主要受自然条件、社会条件及技 术条件的制约。6.1 概述二、水力发电原理水流从高处向低处落下时具有很大的能量。从力 学知道，具有一定重量的物体自高处落下时作功，其 功的大小取决于物体的重量和它的下降高度。水能就 是天然河流中的水从高处向低处流动时所具有的能 量。同样，河段水能数值的大小，取决于水的下落高 度和水量的大小，也就是水头（工程上常称为“落差”） 和流量两个要素。6.1 概述二、水力发电原理在河流上取一个河 段12（如图61），若 在t时段内有水量WQ t 流过该河段时，则水量 流道11断面和22断面 之间的水能蕴藏量为：E=QHt=WH （6-1 ）其单位时间

3、内的功率： P=QH （62 ）6.1 概述图61 水能蕴藏计算图6.1 概述二、水力发电原理上式中：W为水体体积，为水的容重，Q为河 道流量，H为两过水断面之间的落差。该河段所具 有的的能量体现为位能。在自然状态下，河段中所蕴藏的能量（水能） ，一般消耗于冲刷河床与河水流动中的内部摩擦等 。要利用水能，就必须将天然河流中的落差集中起 来。若一次集中的落差太大，所需要建的大坝就越 高，水库可能淹没的面积越大，所以在河源至河口 之间的落差，在水能集中利用的过程中，通常通过 河段的梯级开发来实现，例如图6-2所示。6.1 概述二、水力发电原理6.1 概述二、水力发电原理 概括起来，水力发电的过程可

4、分为三阶段： 第一阶段：集中水能汇集水量，集中水头；第二阶段；传递水能把具有一定水头和流量的 水流输送到水轮发电机组；第三阶段：转化水能水能转化为机械能再转化 为电能，输配电能至用户。6.1 概述二、水力发电原理水力发电的过程如 图6-3水电站是一个生产 电能的工厂，水能是它 的“原料”，水轮发电机 组是它的主要生产机器 ，而电能则是它的“产 品”。供给的水能越多 ，发电能力就可能越大 。6.1 概述15:44 / 10三、水能开发方式 水能开发方式按调节流量的方式，可分为蓄水式和径 流式 蓄水式水电站用较高的拦河坝形成水库，在短距离内 抬高水头集中落差发电，适用于山区水流落差大能够 形成较大

5、水库的情况，如长江三峡水电站 径流式水电站没有水库，或水库库容相对很小，落差 较小，主要利用天然径流发电，适用于河道较平缓、 流量较大的情况，如长江葛洲坝水电站6.1 概述三、水能开发方式 水能开发方式按集中落差的方式，可分为坝式、引水 式和混合式。 坝式水电站是在河道上修筑大坝，截断水流，抬高水 位，在靠坝下游建造水电站厂房，甚至用厂房直接挡 水，如长江葛洲坝水电站。 引水式水电站一般仅修筑很低的坝，通过取水口将水 引取到较远的、能够集中落差的地方修建水电站厂房 ，引水道可以是无压的（如明渠）和有压的（如压力 钢管），为许多中小型水电站采用。6.1 概述 三、水能开发方式 混合式水电站同时采

6、用坝和有压引水道共同集 中落差形成水头，具有坝式和引水式开发的优 点。 此外，还有开发利用海洋潮汐水能的潮汐开发 方式（潮汐电站），以及将水能和电能相互转 化的抽水蓄能开发方式（抽水蓄能电站）。6.1 概述四、水电站在电力系统中的作用 电力系统，是指一定范围内的各用户（工业、农业、 市政用电等）与各电厂（各水电站、火电站、热电站 等）用输电线路联结成一个统一的整体，由各发电厂 统一地向各用户供电，称为电力系统。 水电站在电力系统中的作用与水电站本身调节性能、 水库综合利用程度、水电站开发方式、距离用电中心 远近等因素有关一般说来，因水电站具有单位kw投 资低、出力调整迅速、灵活等特性，除无调节

7、水电站 外，一般均可起调频、调峰作用。6.2 水电站的类型按集中落差的方式，可分为坝式、引水式和混合式， 此外，还有潮汐开发方式和抽水蓄能开发方式。坝式开发方式有坝后式、河床式、旁引式等。引水式分为无压引水式和有压引水式。从建筑物的组成和形式来说，旁引式、混合式和有压 引水式是基本相同的，作为水电站基本布置形式可以 统称为有压引水式。6.2 水电站的类型一、坝后式水电站坝后式水电站的特点是水电站主厂房布置在大坝 后（下游）（图64），坝与厂房一般用沉陷缝分开， 建有相对较高的拦河坝形成水库，利用大坝集中落差 形成库容，并进行水量调节。图64 典型坝后式水电站示意图 1-水轮机；2-导流墙；3-

8、阀门；4-厂 房；5-闸门；6-大坝；7-溢流坝；8- 拦污栅；9-压力管道坝后式水电站由于筑坝 壅水，会造成上游一定的淹 没损失，允许淹没到一定高 程而不致造成太大损失。一 般修建在河流的中、上游。6.2 水电站的类型二、河床式水电站河床式水电站多修建在河流水面较宽且河道比降 较小的中、下游河段上（图65），如葛洲坝水电站 。这种水电站其厂房尺寸和重量均较大，可以直接承 受水压力，作为挡水建筑物的一部分与闸坝并肩位于 河床中。实践经验表明其适用水头范围对大中型水电 站可达2535米，对小型水电站一般在810米以下。河床式水电站没有专门的引水管道，水流直接由 厂房上游侧的进水口进入水轮机。6.

9、2 水电站的类型二、河床式水电站图65 典型河床式水电站示意图 1-桥式吊车；2-主厂房；3-发电机；4-水轮机；5- 蜗壳；6-尾水管；7-水电站厂房；8-导流墙；9-闸 门；10-工作桥；11-溢流坝；12-拦河坝；13-闸墩6.2 水电站的类型三、无压引水式水电站无压引水式水电站的主要特点是具有较长的 无压引水道。它多修建在河道比降较陡或有较大 河湾的河段上，利用比降较缓的引水道来集中落 差，如图66所示。这种水电站建筑物一般由首部枢纽、引水建 筑物和厂区枢纽三部分组成。 1）首部枢纽首部枢纽包括拦河闸坝、冲沙闸、进水口、 沉沙池等。拦河闸坝一般较低，进水口多采用进 水闸形式，冲沙闸建在

10、进水闸上游附近以保证有 害泥沙不致进入引水道。6.2 水电站的类型 三、无压引水式水电站 2）引水建筑物引水建筑物主要为明渠或无压隧洞，其前端直接 与首部枢纽的进水口相接，其尾部与压力前池相连。 3）厂区枢纽厂区枢纽主要包括压力前池、泄水道、压力管道 、电站厂房、尾水渠及变电配电建筑物等。压力前池的作用主要是将引来的水通过压力管道 分配给水轮机，另外，它还有清除污物、宣泄多余水 量与平衡渠末水位等作用。6.2 水电站的类型三、无压引水式水电站图66 无压引水式水电站示意图 1-坝；2-溢流坝；3-进水闸；4-引水渠；5-压力前池；6-调节池；7-压力水管； 8-厂房；9-泄水道；10-开关站；

11、11-尾水渠无压引水式水电站的优点是淹没损失小，工程简 易，造价较低。但因库容很小，河流水量利用率低， 其综合利用效益很小。6.2 水电站的类型四、有压引水式水电站有压引水式水电站的主要特点 是有较长的有压引水道（如有压隧 洞或压力管道），图67为有压引 水式水电站建筑物组成和布置示意 图。若水电站厂房为地下厂房时， 一般均为有压引水式水电站，如广 州抽水蓄能电站、泰安抽水蓄能电 站等。 五、混合式水电站具有坝式和引水式两方面的特 点6.2 水电站的类型 五、混合式水电站适用于自然河流的上游具有 优良的坝址适宜建造水库，而紧 接水库以下的河段坡度突然变陡 ，或是有较大的河湾。如图6-8 所示

12、六、潮汐式水电站利用海洋涨、落潮所形成的 水位差来引海水发电，称为潮汐 发电。有单库单向、单库双向和 双库等开发方式。图69为常见 的单库双向式潮汐水电站示意图 。6.2 水电站的类型六、潮汐式水电站世界海洋潮汐能蕴藏量约为 27亿kW，是一种值得开发的能源 。一般海洋潮差较稳定，且不存 在丰、枯水年的差别，因此潮汐 能的年发电量稳定。但潮汐发电 由于技术原因和开发成本较高， 所以发展缓慢。 七、抽水蓄能电站抽水蓄能电站是以水体为储 能介质，利用电力系统低负荷时 其他电站多生产的电能，通过水 泵将下水库的水抽蓄到上水库，6.2 水电站的类型七、抽水蓄能电站 待到电力系统高峰负荷时，将这 部分存

13、蓄的水通过水轮机放到下 水库，发出电能以满足电力系统 负荷需要。图67是抽水蓄能电 站示意图。我国水力资源比较丰 富，但分布很不均匀，同时工业 发展东西区域不均，故电力系统 需要调峰填谷。为此，我国的抽 水蓄能电站发展前途巨大。6.3 水电站引水系统引水系统：主要是指将水电站的发电用水从水库引 向厂房机组的一系列工程结构。 主要有四部分：进水口（取水结构）、渠道或隧洞 （输水结构）、压力前池或调压室（平水结构）、 压力钢管将水输入水电站厂房。由于水电站类型的不同，引水系统的具体组成略有 不同。以下将以引水式水电站为主，介绍引水系统各部分 的特点。6.3 水电站引水系统一、进水口进水口是引水建筑

14、物必不可少的一项重要建筑 物，位于输水系统首部，其功用是按电力系统负荷 要求引进发电用水。 水电站的进水口分为有压和无压两种。 有压进水口的特征是进水口后接有压隧洞或管道， 进水口深埋在水库水面之下，以引进深层水为主。 无压进水口的特征是进水口后一般接无压引水建筑 物，以引取表层水为主。6.3 水电站引水系统一、进水口 1、无压进水口也称为开敞式进水口，一 般适用于无压引水式电站 ，分为有坝进水口和无坝 进水口两种。由于无坝进 水口只能引用河道流量的 一部分，不能充分利用河 流资源，故较少采用。有 坝无压进水口的组成建筑 物一般有拦河低坝（或闸 ）、进水闸、冲沙闸及沉 沙池等，如图611所示。

15、6.3 水电站引水系统一、进水口 1、无压进水口无压进水口多为低坝引水。考虑到洪水期的大流量、水流挟带大量泥沙以及各种漂浮物等因素，其进水口位置应选择在比较稳定的河段，并布置在河道的凹岸。当无合适稳定河段可以利用时，可采用工程措施造成人工弯道。2、有压进水口有压进水口通常在一定的压力水头下工作，可6.3 水电站引水系统一、进水口 2、有压进水口单独设置，也可和挡水建筑物结合在一起，适用于从 水位变幅较大的水库中取水。有压进水口设计时应满 足水量、水质、水头损失小、可节制流量及水工建筑 物的一般要求。进水口的高程应低于水电站运行中可 能出现的最低水位（死水位），且引水道顶部应有一 定的淹没深度，

16、以保证不产生漏斗状的吸气漩涡。同 时，进水口的底缘（底坎）应高于泥沙淤积高程1.0m 以上。有压进水口的类型主要取决于水电站的开发方式 、坝型、地形地质等因素，一般有隧洞式、压力墙式 、塔式和坝式四种。6.3 水电站引水系统 一、进水口 2、有压进水口 1）隧洞式进水口 隧洞式进水口的进口段、闸门段和渐变段三部 分系从山体中开挖而成。进水口闸门安置在山岩开挖 出的竖井（闸门井）中，因此又称为竖井式进水口。 该类型进水口适用于水库岸边地质条件较好、开挖竖 井和进口断面均不致引起塌方的情况。由于比较充分 地利用了岩石的作用，隧洞式进水口的钢筋混凝土工 程量较少。如图6-12 2）压力墙式进水口 当隧洞进口处的地质条件较差或地形陡峻，不宜 扩大断面和开挖竖井时，可采用压力墙式进水口。6.3 水电站引水系统一、进水口 2、有压进水口 2）压力墙式进水口 该情况下，可将进门段与闸门段均布置在山体之外。 如图6-1