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摘要：荆竹电站为茅草坝水利水电工程梯级电站中的一座引水式水电站，引水系统是本工程设计的重点。本文对荆竹电站引水系统各建筑物，包括进水口、引水隧洞、调压井、压力钢管的工程设计进行了详细介绍。
关键词：荆竹水电站 引水系统 工程设计
1 工程概况
荆竹水电站是茅草坝水利水电工程的一个梯级电站。
茅草坝水利水电工程位于重庆市奉节县长江南岸九盘河流域兴隆镇境内，工程的主要任务是发电调峰，兼有向工程沿线提供工农业和城镇发展用水等综合利用功能。茅草坝水利水电工程由茅草坝水库、荆竹电站、西槽水库、灯盏窝电站、小寨电站和向茅草坝水库提供补充水量的断头河水源引水工程组成，梯级电站共利用水头1426m，总装机容量85.5MW，多年平均发电量29160万kW.h，年供水量294万m3。
荆竹电站位于奉节县兴隆镇荆竹乡乡政府旁，距奉节县城72km，距小寨天坑水平距离2.6km。荆竹电站由茅草坝水库引水发电，引水线路总长8900m（其中引水隧洞长5340m，引水钢管长3560m，引水隧洞及引水钢管直径分别为2.0m和1.4m），引水流量6.42m3/s，利用水头608m，装机2台，总装机容量30MW。荆竹电站尾水注入西槽水库。
工程为Ⅲ等工程、中型规模，主要建筑物等级为3级，次要建筑物等级为4级。防洪标准为，设计洪水洪水重现期为五十年(P=2%)，校核洪水洪水重现期为二百年(P=0.5%)。
荆竹电站引水隧洞进口位于茅草壩水库右岸沙湾处，距主坝直线距离约230m。荆竹电站引水隧洞洞径2m，洞长5340m，隧洞末端设调压井，调压井后接长3560m、直径1.4m的压力钢管，与机组相接。其中，钢管穿越菜子岩山包段采用洞内明管。
荆竹电站为引水式水电站，引水系统是本工程设计的重点。为此，本文对荆竹电站引水系统设计进行详细介绍。
2 引水系统各建筑物的设计
荆竹电站发电引水隧洞进口位于茅草坝主坝上游右岸沙湾处，距主坝约230m。洞线直穿四方石山脊至大坡设施工出渣支洞，再折向西北至下道槽附近布置调压井，其后紧接电站压力钢管。电站引水系统设计引用流量6.42m3/s。
2.1 进水口
水电站进水口可分为有压进水口及无压进水口，为保证在任何工作水位下，进水口都能按照负荷要求引进所需的流量，荆竹电站进水口采用有压进水口，其后接有压隧洞。而有压进水口又包括洞式进水口、墙式进水口、塔式进水口、坝式进水口。由于本工程隧洞进口岩性主要为灰岩，覆盖层较薄，地质条件较好，扩大断面和开挖闸门竖井均不会引起塌方，故荆竹电站进水口采用洞式进水口。而且由于充分利用了岩石的作用，钢筋混凝土工程量减少，是一种既经济又安全的结构形式。
进水口布置时考虑了以下几点：
（1）进水口布置在可研方案上，根据引水隧洞地质条件及进水口布置条件，进一步结合地形、地质、防沙等条件，进行局部的进水口及洞线优化。
（2）原则上应选择地质条件较好处作为隧洞进口，并应便于进水口布置，要求进口流向尽量与河道流向一致，使进水流态较平稳，以防水流边界急剧变化偏折，在进水口前形成回流或旋涡。
进口高程确定：
（1）进水口高程的设置应满足在最低水位（死水位1717m）下的运行要求。有压进水口应满足最小淹没深度（按戈登公式计算得1.25m）的要求，以不产生漏斗状吸气漩涡，且能保证引水管道顶部压力不小于2m为原则，但也不宜过深，以免增加金属结构和土建工程的造价。
（2）进水口底坎高程应在预计的河流泥沙、水库淤积高程（1710m）以上。
因此，进水口底板高程确定为1711.0m。
进水口由喇叭段、闸门井和渐变段组成。
取水段布置：指竖井段前至拦污栅段，为一方形水工隧洞，长度为18m，断面尺寸为4×4m。进水喇叭口体型，主要根据进水口布置方式以及引用流量而决定，为减少水头损失又便于施工，顶部和两侧采用圆弧曲线，底部为平底坡。进口段的边界曲线，采用四分之一圆弧曲线，曲率半径取工作闸门孔口高度和孔宽的一半，即R=1m。进口段的顶板曲线采用四分之一椭圆曲线，曲线方程为： 。
闸门段布置：共布置一扇事故门和一扇检修门，事故门和检修门之间距离为2.6m，闸门井竖井采用全衬砌。事故门、检修门孔口尺寸均为2m×2m（宽×高）。闸门井底板高程为1711m，顶板高程按坝高加一定超高取1741.5m。闸门后设通气孔，通气孔布置为圆形，直径为0.6m，距工作闸门中心2.0m。通气孔上部孔口开至启闭室楼板底，气流射向水库，下部孔口通至闸室顶板底部。
渐变段布置：渐变段将矩形断面(闸门段)变到圆形断面(引水道)，采用在四角加圆角过渡，长度取4m，收缩角取8。
2.1 引水隧洞
荆竹电站引水流量6.42m3/s，发电引水隧洞为有压圆形隧洞，引水隧洞总长5340m。
按下式：
计算得D＝1.67m。并考虑施工中允许的最小开挖断面，确定洞径为2.0m。隧洞一般埋深150～300m，纵坡2‰，隧洞采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度按洞径的 拟定，取0.3m。
为了加快隧洞施工，缩短施工工期，在引水隧洞K2+709处设一施工支洞，支洞长约450m，洞径2m。
2.2 调压井
根据《水电站调压室设计规范》（DL/T5058－1996）中的有关规定，按公式：
判别是否需要设置上游调压室。
计算得荆竹电站压力水道中水流惯性时间常数为5.13s，大于Tw的允许值3s。
另外，根据水锤计算结果，在机组关闭时间为35s时，电站低水位的计算中系统最小压力在原调压井位置处为-35.72m，综合上述计算结果，故需设置调压井。
调压井布置在下道槽附近。虽然本电站水头较高，但水轮机为冲击式机组，按托马公式计算所得调压井所需稳定断面也较小，考虑施工、结构形式、投资及运行条件，综合比较采用简单圆筒式调压井，调压井直径取为6m。
采用数值法对各种工况进行计算，计算得上游水位为茅草坝水库正常蓄水位1738m、两台机全部甩负荷时，调压井最高涌浪水位为1748.18m；上游水位为茅草坝水库死水位1717m，由一台机增至两台时，调压井最低涌浪水位为1704.82m。调压井底板高程确定为1700.32m，顶板高程为1749.50m。调压井设一道快速闸门，闸门尺寸2.0 m×2.0 m（宽×高），采用固定卷扬启闭机启闭。闸门后设通气孔，通气孔布置为圆形，直径为0.6m。
2.4 压力钢管
根据公式： 对压力钢管的经济直径进行选择。
考虑水头损失、可利用水头、投资等因素，对不同的钢管直径进行计算比较，并经水机调保计算，确定压力钢管直径为1.4m。考虑最大水头，经计算，管壁厚度为8～30mm。
调压井后接压力钢管，管线在平面上呈直线布置，至冯家湾后穿越菜子岩段山体，最后接入荆竹电站主厂房，压力钢管总长3560m。
压力钢管穿越菜子岩段山体处采用洞内明管，长650m，钢管内径1.4m，隧洞为城门洞型，考虑钢管的维护、检修及支墩布置，隧洞宽3.5m，高3m。由于本电站水头较高，为避免钢管破裂，事故水流直接冲击厂房，压力钢管采用从侧面进水的方式。
压力钢管沿线基岩岩性主要为薄层灰岩、中厚层灰岩和白云质灰岩，压力钢管镇墩及支墩均坐落在中厚层灰岩上。为消除温度应力和适应不均匀沉陷，在靠近每一镇墩下游处设置伸缩节。为保证钢管的施工及运行人员的维护要求，钢管底部距钢管槽地表0.6m。在管道左侧布置排水沟，右侧布置检修便道。
3 结束语
荆竹水电站引水系统是在工期紧、任务重的条件下完成的。在各相关单位的支持配合下，设计人员树立质量第一的指导思想，坚持对设计产品精益求精，高质量快速度地完成了设计任务。实践证明，荆竹水电站引水系统的设计是成功的。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开
关键词：荆竹水电站 引水系统 工程设计
1 工程概况
荆竹水电站是茅草坝水利水电工程的一个梯级电站。
茅草坝水利水电工程位于重庆市奉节县长江南岸九盘河流域兴隆镇境内，工程的主要任务是发电调峰，兼有向工程沿线提供工农业和城镇发展用水等综合利用功能。茅草坝水利水电工程由茅草坝水库、荆竹电站、西槽水库、灯盏窝电站、小寨电站和向茅草坝水库提供补充水量的断头河水源引水工程组成，梯级电站共利用水头1426m，总装机容量85.5MW，多年平均发电量29160万kW.h，年供水量294万m3。
荆竹电站位于奉节县兴隆镇荆竹乡乡政府旁，距奉节县城72km，距小寨天坑水平距离2.6km。荆竹电站由茅草坝水库引水发电，引水线路总长8900m（其中引水隧洞长5340m，引水钢管长3560m，引水隧洞及引水钢管直径分别为2.0m和1.4m），引水流量6.42m3/s，利用水头608m，装机2台，总装机容量30MW。荆竹电站尾水注入西槽水库。
工程为Ⅲ等工程、中型规模，主要建筑物等级为3级，次要建筑物等级为4级。防洪标准为，设计洪水洪水重现期为五十年(P=2%)，校核洪水洪水重现期为二百年(P=0.5%)。
荆竹电站引水隧洞进口位于茅草壩水库右岸沙湾处，距主坝直线距离约230m。荆竹电站引水隧洞洞径2m，洞长5340m，隧洞末端设调压井，调压井后接长3560m、直径1.4m的压力钢管，与机组相接。其中，钢管穿越菜子岩山包段采用洞内明管。
荆竹电站为引水式水电站，引水系统是本工程设计的重点。为此，本文对荆竹电站引水系统设计进行详细介绍。
2 引水系统各建筑物的设计
荆竹电站发电引水隧洞进口位于茅草坝主坝上游右岸沙湾处，距主坝约230m。洞线直穿四方石山脊至大坡设施工出渣支洞，再折向西北至下道槽附近布置调压井，其后紧接电站压力钢管。电站引水系统设计引用流量6.42m3/s。
2.1 进水口
水电站进水口可分为有压进水口及无压进水口，为保证在任何工作水位下，进水口都能按照负荷要求引进所需的流量，荆竹电站进水口采用有压进水口，其后接有压隧洞。而有压进水口又包括洞式进水口、墙式进水口、塔式进水口、坝式进水口。由于本工程隧洞进口岩性主要为灰岩，覆盖层较薄，地质条件较好，扩大断面和开挖闸门竖井均不会引起塌方，故荆竹电站进水口采用洞式进水口。而且由于充分利用了岩石的作用，钢筋混凝土工程量减少，是一种既经济又安全的结构形式。
进水口布置时考虑了以下几点：
（1）进水口布置在可研方案上，根据引水隧洞地质条件及进水口布置条件，进一步结合地形、地质、防沙等条件，进行局部的进水口及洞线优化。
（2）原则上应选择地质条件较好处作为隧洞进口，并应便于进水口布置，要求进口流向尽量与河道流向一致，使进水流态较平稳，以防水流边界急剧变化偏折，在进水口前形成回流或旋涡。
进口高程确定：
（1）进水口高程的设置应满足在最低水位（死水位1717m）下的运行要求。有压进水口应满足最小淹没深度（按戈登公式计算得1.25m）的要求，以不产生漏斗状吸气漩涡，且能保证引水管道顶部压力不小于2m为原则，但也不宜过深，以免增加金属结构和土建工程的造价。
（2）进水口底坎高程应在预计的河流泥沙、水库淤积高程（1710m）以上。
因此，进水口底板高程确定为1711.0m。
进水口由喇叭段、闸门井和渐变段组成。
取水段布置：指竖井段前至拦污栅段，为一方形水工隧洞，长度为18m，断面尺寸为4×4m。进水喇叭口体型，主要根据进水口布置方式以及引用流量而决定，为减少水头损失又便于施工，顶部和两侧采用圆弧曲线，底部为平底坡。进口段的边界曲线，采用四分之一圆弧曲线，曲率半径取工作闸门孔口高度和孔宽的一半，即R=1m。进口段的顶板曲线采用四分之一椭圆曲线，曲线方程为： 。
闸门段布置：共布置一扇事故门和一扇检修门，事故门和检修门之间距离为2.6m，闸门井竖井采用全衬砌。事故门、检修门孔口尺寸均为2m×2m（宽×高）。闸门井底板高程为1711m，顶板高程按坝高加一定超高取1741.5m。闸门后设通气孔，通气孔布置为圆形，直径为0.6m，距工作闸门中心2.0m。通气孔上部孔口开至启闭室楼板底，气流射向水库，下部孔口通至闸室顶板底部。
渐变段布置：渐变段将矩形断面(闸门段)变到圆形断面(引水道)，采用在四角加圆角过渡，长度取4m，收缩角取8。
2.1 引水隧洞
荆竹电站引水流量6.42m3/s，发电引水隧洞为有压圆形隧洞，引水隧洞总长5340m。
按下式：
计算得D＝1.67m。并考虑施工中允许的最小开挖断面，确定洞径为2.0m。隧洞一般埋深150～300m，纵坡2‰，隧洞采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度按洞径的 拟定，取0.3m。
为了加快隧洞施工，缩短施工工期，在引水隧洞K2+709处设一施工支洞，支洞长约450m，洞径2m。
2.2 调压井
根据《水电站调压室设计规范》（DL/T5058－1996）中的有关规定，按公式：
判别是否需要设置上游调压室。
计算得荆竹电站压力水道中水流惯性时间常数为5.13s，大于Tw的允许值3s。
另外，根据水锤计算结果，在机组关闭时间为35s时，电站低水位的计算中系统最小压力在原调压井位置处为-35.72m，综合上述计算结果，故需设置调压井。
调压井布置在下道槽附近。虽然本电站水头较高，但水轮机为冲击式机组，按托马公式计算所得调压井所需稳定断面也较小，考虑施工、结构形式、投资及运行条件，综合比较采用简单圆筒式调压井，调压井直径取为6m。
采用数值法对各种工况进行计算，计算得上游水位为茅草坝水库正常蓄水位1738m、两台机全部甩负荷时，调压井最高涌浪水位为1748.18m；上游水位为茅草坝水库死水位1717m，由一台机增至两台时，调压井最低涌浪水位为1704.82m。调压井底板高程确定为1700.32m，顶板高程为1749.50m。调压井设一道快速闸门，闸门尺寸2.0 m×2.0 m（宽×高），采用固定卷扬启闭机启闭。闸门后设通气孔，通气孔布置为圆形，直径为0.6m。
2.4 压力钢管
根据公式： 对压力钢管的经济直径进行选择。
考虑水头损失、可利用水头、投资等因素，对不同的钢管直径进行计算比较，并经水机调保计算，确定压力钢管直径为1.4m。考虑最大水头，经计算，管壁厚度为8～30mm。
调压井后接压力钢管，管线在平面上呈直线布置，至冯家湾后穿越菜子岩段山体，最后接入荆竹电站主厂房，压力钢管总长3560m。
压力钢管穿越菜子岩段山体处采用洞内明管，长650m，钢管内径1.4m，隧洞为城门洞型，考虑钢管的维护、检修及支墩布置，隧洞宽3.5m，高3m。由于本电站水头较高，为避免钢管破裂，事故水流直接冲击厂房，压力钢管采用从侧面进水的方式。
压力钢管沿线基岩岩性主要为薄层灰岩、中厚层灰岩和白云质灰岩，压力钢管镇墩及支墩均坐落在中厚层灰岩上。为消除温度应力和适应不均匀沉陷，在靠近每一镇墩下游处设置伸缩节。为保证钢管的施工及运行人员的维护要求，钢管底部距钢管槽地表0.6m。在管道左侧布置排水沟，右侧布置检修便道。
3 结束语
荆竹水电站引水系统是在工期紧、任务重的条件下完成的。在各相关单位的支持配合下，设计人员树立质量第一的指导思想，坚持对设计产品精益求精，高质量快速度地完成了设计任务。实践证明，荆竹水电站引水系统的设计是成功的。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开