竖井式进水口 在水工隧洞进口附近的岩体中开凿竖井,在井的底部设闸门以控制水流的取水建筑物(图1)。竖井式进水口包括进水喇叭口、竖井、闸门室及渐变段、通气孔、平压管。井的顶部设闸门启闭机室。进水口顶板高程应在水库最低运行水位以下,并有一定的淹没水深,以防产生漏斗状漩涡带入空气,引起结构振动。进口段的上唇与两侧边墙常采用收缩的椭圆曲线形,以减少局部水头损失(图2)。
根据需要,可在进口设置拦污栅,在进口洞脸铺设启吊拦污栅的轨道。闸门孔口处洞身断面多为矩形。为与门后断面形状、尺寸不同的洞身连接,需设渐变段,以改善水流条件,减少水头损失,防止空蚀破坏。
竖井的横断面多为矩形,也可采用圆形,通常需衬砌。作用在衬砌上的荷载主要有内水压力、外水压力、侧向山岩压力、温度荷载、地震荷载等。常取井内无水检修时为设计控制条件。竖井的结构计算可根据受力情况和地质条件沿不同高程截取断面,按单位高度的封闭式框架进行分析。
竖井式进水口属深式进水口,需在闸门后设置通气孔,在工作闸门与检修闸门之间设置平压管。这种进水口构造简单,不受风浪、冰冻的影响,抗震及稳定性好;但竖井前进水段不便检修。
塔式进水口 在水工隧洞或坝下埋管的首部修建竖立于水库中的塔形结构,内设闸门以控制水流的取水建筑物。塔式进水口属深式进水口,包括进水喇叭口、进水塔、闸门室、通气孔、平压管及门后渐变段。闸门置于塔的底部,塔顶设操作平台和闸门启闭机室。
进水塔常用钢筋混凝土结构,其形式有封闭式进水塔和框架式进水塔两种(图1和图2)。封闭式塔身横断面可以是矩形的、圆形的或多边形的。进水口可分别设在不同高程,在不同库水位时引取表层温度较高的清水。框架式塔身结构轻便,但只有一个进水口,取水时闸门槽顶孔进水,流态不好,容易引起空蚀、振动,且只能在低水位时进行维修。封闭式塔身是直立的悬臂结构,受水、风、浪、冰及地震等荷载的作用,塔身需进行抗倾、抗滑计算;沿不同高程截取单位高度的横断面按封闭框架计算水平应力;还应把塔身视为整体悬臂结构,计算铅直应力。框架式塔身则属于立体框架结构,设计时也可根据情况简化为平面框架计算应力。
根据需要在进口设置拦污栅及其起吊、清污设备。闸门孔口处多为矩形断面。为与门后断面形状、尺寸不同的洞身连接,需设渐变段。在闸门后需设通气孔补气,在检修闸门和工作闸门之间设平压管,或在检修闸门上设平压阀。
塔式进水口对地形、地质条件无特殊要求,只要求塔基有足够的承载能力。常在较缓的岸坡或挡水坝上游坝脚处独立建塔,并利用交通桥与库岸或大坝连接。这种进水口适应性强,应用广泛,但受风、浪、冰冻及地震的影响较大。
岸塔式进水口 在水工隧洞首部,依傍岸坡设置塔架、安装闸门,用以控制水流的取水建筑物。岸塔式进水口包括进水喇叭口、岸塔、闸门和闸门启闭机室、通气孔、平压管,以及门后的渐变段。
岸塔式进水口属深式进水口,闸门置于塔的底部,塔顶设闸门启闭机室,一般不需或只需很短的联系岸边的交通桥。进水塔架用钢筋混凝土结构,分封闭式与框架式2种(图1和图2)。封闭式塔架可在不同高程设进水口,可随水位升降引取水库表层温度较高的清水。框架式塔架结构轻便,但只有一个进水口,取水时门槽顶孔进水,流态不好,易引起结构空蚀和振动。
进水喇叭口顶部高程要在库水位变化范围以下,并有一定的淹没深度,以防进流时将空气卷入,引起振动。闸门距进口较近,进口上唇短,可采用圆弧曲线连接。根据需要可在进口前端设置拦污栅,并沿塔架设清污机运行及起吊拦污栅的轨道。连通检修闸门前后设置由阀门控制的平压管,并在检修闸门后设通气孔。当向二道闸门之间充水时,可由通气孔排气。闸门处的断面多为矩形,而洞身断面则多为非矩形,为了使二者平顺地连接,应设渐变段,以减少水头损失,防止空蚀破坏。
这种进水口施工、安装及维修都较方便,自身稳定性好,对岸坡也有一定的支撑作用,在岸坡较陡、岩石坚固的地区得到广泛地应用。但当岩体顺坡节理、裂隙发育,对塔架的整体稳定和应力、变形都不利时,不宜采用。因闸门倾斜,对操作带来不便。
斜坡式进水口 设置在引水隧洞或坝下埋管首部,闸门及其轨道直接斜卧在经平整开挖和衬砌的岩坡或坝坡上的取水建筑物。当地形、地质条件适宜,采用斜坡式进水口,只需稍加平整、开挖、衬护,工程量小,施工方便,造价低廉。当岸坡(或坝坡)过缓,闸门尺寸较大时,可将进口向上翘起,正对斜坡,用竖曲线与高程较低的洞身衔接(图1)。
竖曲线半径与洞内流速、进出口高差等有关,不宜过小,转角不宜过大,一般通过水工模型试验确定。进口的喇叭口可做成轴对称钟形进水曲线,使水流对称,均匀地紧贴进口洞壁。当洞身断面为圆形时,还可免去门后的渐变段。进口高程尽量抬高,以减轻闸门及其启闭设备的荷载。进口上唇应低于水库最低水位,并有一定余幅。需采取工程措施,避免闸门轨道发生沉降,以免影响闸门正常工作。
为使检修闸门能于静水中开启,在检修闸门与工作闸门之间设置有阀门控制的平压管,检修闸门后设通气孔,用以在闸门开启时补气,在两道闸门间充水时排气。
当斜坡过缓,闸门面积增大,且闸门难于靠自重下降时,需采取措施强迫关闭。此外,岸坡岩体下滑、沉降,将严重影响闸门的启闭及运行的可靠性,故这种形式多用于仅设在要求较低的检修闸门的进口。
图2是坝下埋管的斜坡式进水口剖面。进水管口垂直坝面,管下设消能室,其后接坝下涵管。进水管管口上沿坡面设平面或转动圆盘等形式的斜拉闸门,通过拉压杆由设在坝顶或岸坡平台上的启闭机操纵。为防止闭门时拉压杆产生纵向弯曲,沿拉压杆每隔1~2m设一支柱和防弯环。这种进水口构造简单,施工方便,造价低廉,但闸门不能提出水面,检修困难,多用于小型工程。
拦污栅 设在引水建筑物进口,用以拦阻水流挟带的草、木等杂物,保证水工建筑物及水轮发电机或水泵安全运行的结构物。有的泄水隧洞也在进口处设置拦污栅,以保证洞身及下游建筑物的安全。
拦污栅应有效地拦截水流中污物;尽量减少水头损失;便于清污,且清污与引水两不误。确定过栅流速的大小是直接影响清污的难易、水头损失大小以及决定拦污栅结构强度的重要因素。为减小水头损失,需将设置拦污栅的喇叭口在平面和立面上扩大,以加大过水断面,降低过栅流速。
深水进水口的拦污栅,根据地形条件及水利枢纽布置,可将拦污栅设在坝前远离岸坡的进口前端,另建拦污栅塔及交通桥与岸坡连接,使拦污栅与进口闸门之间形成一净水区;也可将拦污栅靠近闸门,直接建于坝体或岸坡上,可在坝顶、竖井或塔架上操作,布置紧凑,操作方便,得到较广泛采用(见图)。
根据需要,每个栅孔可设置两道栅槽。第一道栅槽安置拦污栅。清理此栅时,可在第二道栅槽中装入临时闸门或备用拦污栅。
坝式进水口拦污栅通常支承在钢筋混凝土框架上,框架坐落在坝面进水口前沿的牛腿上。框架由直立墩柱、横梁、平台板组成。拦污栅框架一般布置在工作闸门前沿,承受水流冲击、压差及污物堆积等荷载。此框架在水库中一般不便维修,必要时,只能放空水库进行检修。
过栅的水头损失还与栅条断面形状、尺寸、间距等因素有关。
为保证引水系统正常运行,除用清污机不断清污外,在严寒地区还须采取压缩空气法、电热法等防冰冻措施。
拦污排 浮设在进水口前一定水域的前沿,用以拦截水流中漂浮物的排架式拦污设备。在漂浮杂物较多的河道上,如仅设拦污栅,会使栅前的污物大量堆积,清理不及时,将堵塞栅孔,影响引水。在拦污栅前设拦污排,两者结合使用,效果较好。
拦污排由一系列金属杆连成排架,竖立于水面,金属杆的尺寸及间距视漂浮物的类型、体积及数量而定。在水位变化较大的水库中,拦污排常做成链条式柔性排架,借助浮筒浮在水面。在水位变化小的取水枢纽中,可使用固定式的拦污排。拦污排可布置在远离进水口开阔水面的前沿,过水面积大,因而水头损失较小,一般可忽略不计。
清污机 清除堵塞在拦污栅上污物的机械设备。为防止污物堵塞拦污栅片,影响水电站或泵站的正常运行,在污物较多的河道上,必须配置运用灵活、性能可靠的清污机,以保证在不停机、不放空水库的情况下,进行清污。
应用较多的清污机形式有:抓斗式、耙斗式、铲耙式、压耙式、回转式等。常用的抓斗(或耙斗)式清污机由刚性门架、行走台车、抓斗(或耙斗)、导向架及其启闭机构组成,另设操作室、机房、排污系统等。
清污机在动水条件下工作,必须考虑清污机的体形对水流的影响,使清污机对水头损失的影响最小。
清污机要求刚度大,稳定性好,运行灵活,并有一定的重量,能靠自重沉到拦污栅底部。