第二节 农村水电站水工建筑物

一、农村水电站水工建筑物分类

农村水电站水工建筑物根据在水电站中的作用、位置，可分为如图2-10所示的类别。

二、枢纽建筑物

（一）挡水建筑物

挡水建筑物是拦截水流、壅高水位、形成水库，以集中落差、调节流量的建筑物，如坝（重力坝、拱坝、土石坝、橡胶坝）、闸等。有些水工建筑物功能并不单一，难以严格区分。如各种溢流坝，既是挡水建筑物也是泄水建筑物。

按坝高分为高坝、中坝、低坝。

高坝（high dam），按现行规范高度为70m以上的坝。

中坝（medium dam），按现行规范高度为30～70m的坝。

低坝（low dam），按现行规范高度为30m以下的坝。

按筑坝材料分可分为浆砌石坝、混凝土坝、当地材料坝（土坝、堆石坝等）；按坝型可分为重力坝、拱坝、土石坝等。

1．重力坝（gravity dam）

重力坝主要依靠自身重量抵抗水的作用力等荷载以维持稳定的坝。筑坝材料为混凝土（常规混凝土、碾压混凝土、堆石混凝土）或浆砌石。重力坝按结构形式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝和预应力重力坝；按泄水条件可分为溢流坝和非溢流坝。坝体布置有廊道，坝顶结合闸门、启闭设备布置、操作检修、交通观测等要求设置有坝顶工作桥、交通桥等。

（1）廊道。坝内根据要求设置有廊道及竖井，廊道主要作用如下：

1）施工期进行帷幕灌浆。灌浆后，使非岩溶地区岩体相对隔水层的透水率q符合以下规范要求。坝高在100m以上，q=1～3Lu；坝高为50～100m, q=3～5Lu；坝高在50m以下，q≤5Lu。

2）排水。坝身设置排水管，渗水排至廊道。在廊道里还设置有坝基排水孔，集中与排除坝体和坝基的渗水，坝身渗透压力、降低坝基扬压力。

3）安全监测。廊道布置安全监测设施，监测坝体的工作状态。

4）其他。坝内通风和铺设风、水、电管路；坝内交通运输及其他要求。

（2）坝体分缝。分缝的主要作用是适应基础和温度变形，包括横缝、纵缝，横缝又可分为伸缩缝或沉陷缝。

（3）止水和排水。在重力坝横缝的上游面、溢流面、下游面最高尾水位以下及坝内廊道和孔洞穿过分缝处的四周等部位布置有止水设施。在上游面防渗层下游设置有铅直或近乎铅直的排水管系。排水管通至纵向排水廊道，其上部通至上层廊道或坝顶（或溢流面以下），以便于检修。

（4）消能。重力坝一般根据坝高及地质情况，可用挑流式消能、底流式消能、面流式及消力戽消能。

★影响重力坝抗滑稳定的因素

位于均匀岩基上的混凝土重力坝沿坝基面的失稳机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后形成滑动通道，导致大坝的整体失稳。

影响重力坝稳定的主要因素为：坝与地基或坝基内软弱夹层的抗剪强度指标（c、φ值）、坝基扬压力、坝体所受垂直和水平荷载（∑V、∑H）。特别是基础面的抗剪强度指标，由于变化范围较大，对重力坝的抗滑稳定性常起着至关重要的作用。造成重力坝抗滑稳定性不足的常见原因有以下几个方面，运行中应特别注意：

·坝基地质条件不良。在地质勘察工作中，忽略了坝基内摩擦系数极小的薄层黏土夹层或软弱结构，而在设计中采用了过高的抗剪强度指标。或者未发现造成深层抗滑稳定的缓倾角软弱结构面。坝基存在延伸到下游的缓倾角软弱结构面，当采用了挑流消能方式时，冲坑切断软弱结构面形成临空面，而影响稳定。施工时坝基开挖深度不够，将坝体置于强风化岩层上，未采取固结灌浆等措施，使坝与地基接触面之间的抗剪强度指标减小。

·应力水平不合理。使坝踵垂直应力出现拉应力，上游面底部形成裂缝，增大了扬压力，使坝体稳定性降低。防渗帷幕断裂漏水，或者由于管理不善而造成排水设备堵塞失效，这样均将增大坝基扬压力，降低坝体的抗滑稳定安全系数。

·管理运用不善，造成水库水位超过设计最高水位，甚至出现洪水漫坝情况，增大了坝体所受水平推力。此外，如果下游冲刷坑过分靠近坝体，也将减小坝体的抗滑稳定性。

2．拱坝

拱坝是指固结于基岩的空间壳体结构，结构上属于周边固定的高次超静定结构，在平面上呈拱向上游的拱形，其拱冠剖面是呈竖直或向上游凸出的曲线形，坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，并不全靠坝体自重来维持。区别与重力坝需设横缝，而拱坝坝身不设永久性伸缩缝，温度变化和基岩变形对拱坝应力影响显著。

拱坝的厚薄程度常用拱坝最大坝高处的坝底厚度T与坝高H之比来表征。T/H＜0.2的拱坝称为薄拱坝，T/H=0.2～0.35的拱坝称为中厚拱坝，T/H＞0.35的拱坝称为厚拱坝。

坝体结构既有拱作用又有梁作用，其所受水平荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。拱坝按坝面曲率分为单曲拱坝、双曲拱坝、变曲率拱坝。单曲拱坝指水平截面呈曲线形，竖向悬臂梁截面不弯曲的拱坝。双曲拱坝指水平截面和竖向截面均呈曲线形的拱坝。变曲率拱坝由抛物线、椭圆、双曲线、多心圆、对数螺旋线或其他变曲率的水平拱圈所组成。

区别于重力坝，拱坝一般是正常蓄水位+温降工况对应力起控制作用，用拱梁分载法计算时，坝体内的主压应力，1、2级拱坝的安全系数采用4.0,3级拱坝的安全系数采用3.5；对于非地震情况特殊荷载组合，1、2级拱坝的安全系数采用3.5,3级拱坝的安全系数采用3.0。对于基本荷载组合，拉应力不得大于1.2M Pa；对于非地震情况特殊荷载组合，拉应力不得大于1.5M Pa。用抗剪断公式计算拱座抗滑安全系数，3级坝基本组合为3.0，特殊组合为2.5，地震时为2.3。拱坝的泄洪消能方式一般有跌流式、鼻坎挑流式、坝身泄水孔、滑雪道式等。

拱坝示意图见图2-12。

3．水闸

进水闸（或称取水闸），既是挡水建筑物也是泄水建筑物。建在河道、水库或湖泊的岸边，用来引水灌溉、发电或其他进水需要和控制流量。因其通常建在渠首的首部，故又称渠首闸。水电站一般为闸坝结合。水闸一般由三部分组成，即闸室、上游连接段和下游连接段。

（1）上游连接段。处于水流行进区，其主要作用是引导水流平稳地进入闸室，保护上游河床及岸坡免于冲刷，并有防渗作用。一般包括上游防冲槽、铺盖、上游翼墙及两岸护坡等。

（2）闸室。闸室是水闸的主体，起着控制水流和连接两岸的作用，包括闸门、闸墩、底板、工作桥、交通桥等几部分。底板是闸室的基础，闸室的稳定主要由底板与地基问的摩擦力来维持，同时还起着防冲、防渗流破坏的作用。闸墩的作用是分隔闸孔，支承闸门。在闸墩上建有装置闸门启闭设备的工作桥和满足交通需要的交通桥。

（3）下游连接段。其主要作用是消能、防冲和安全排出经闸基及两岸的渗流，通常包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及两岸护坡等。闸下水流的衔接消能方式一般都采用底流式水跃消能。

4．水力自动翻板闸门

水力自控翻板闸门系利用水力和杠杆原理，使其绕水平轴转动，从而实现自动开启和关闭，具有自动启闭、结构简单、便于管理和造价低廉等优点，农村水电使用的翻板闸门高度一般为3～5m。由闸门、溢流坝及下游护坦三部分组成，闸门采用水力自控双铰翻板闸门，由预制钢筋混凝土面板、支腿、支墩及滚轮等构件组装而成，目前有的还装设有液压启闭设施。

一般当水位超过闸顶15～20cm时，闸门倾倒。翻板闸倾倒后闸门上下同时过水，面板上的溢流水舌与闸下孔流间形成空腔，空腔中的空气被水流带走形成不稳定的负压。闸门两侧边壁使过闸水流两侧形成漏斗，带入空气使空腔压力不稳。闸门刚开启时远驱水跃在闸门底部产生的负压，闸门开度小时形成的波状水跃，闸门全开时临界淹没水跃及风浪造成闸上游水位不稳定，以上因素影响闸门的运行稳定。运行中普遍存在着诸多如突然翻倒、频繁摆动和“拍打”等失稳现象，对闸门的正常运行非常有害，轻者能引起工程结构的整体振动，产生噪声，重者可导致闸门失稳破坏。

洪水期，河道中漂浮的树枝、杂草、垃圾较多，使翻板闸很容易被卡塞，造成漏水或严重影响自控翻板门的正常工作。多泥沙河流不宜使用，因泥沙淤积也容易造成闸门无法正常运行的情况。河流比降大、推移质多的河流也不宜使用，陕西某电站翻板闸钢筋混凝土面板，汛期被洪水挟带的漂石砸穿。图2-13所示为陕西省蓝田县蓝桥河水电站翻板闸。

5．橡胶坝

橡胶坝是横放在溢洪道或拦河闸底部的一整块橡皮胶囊，当胶囊中充水胀起时挡水，放空一部分或完全放空时塌坝泄水。适用于5m以下低水头且泥沙较少的河流上。橡胶坝的优点是封闭孔口面积大；施工安装方便，只要将完整的胶囊用紧固件固定在闸底板上即可。不需门槽、预埋件和启闭设备，相比于钢闸门投资少。缺点是橡胶容易老化损坏，不易控制和调节流量及水位，易被树枝等漂浮物刺破，在多沙河流上容易磨坏胶囊，且易受淤积影响，检修时需将水放到槛底以下。

6．土石坝

土石坝是以土料为主填筑的坝，筑坝材料取于当地，因此也称为当地材料坝。土石坝属于散粒体结构，整体稳定性相对较差，抗冲刷能力差，透水性高，抗剪强度低，压缩性大，受外界条件（地震、冻融等）影响大，坝顶不能过水，一般在坝体以外设置泄洪设施。土石坝坝体断面大，主要是渗透、坝坡稳定控制。土石坝按其防渗体位置不同分为以下类型：

（1）均质土坝。坝体断面不分防渗体和坝壳，坝体全部由渗透系数较小、性质基本一致的黏性土料筑成，保证坝体有足够的不透水性，整个坝体具有防渗作用。

（2）黏土心墙坝是在坝体中部用透水性小的黏性土料填筑防渗体，上下游坝壳为透水性较大的土料（如砂壤土、砂砾料等）。

（3）黏土斜墙坝是将黏性土防渗体填筑在坝体的迎水面，构成斜墙，斜墙后面的支撑体由透水性较大的土料（石渣料、砂砾料、风化料等）堆筑而成。

（4）非土质材料防渗体坝。防渗体由混凝土、沥青混凝土或土工膜组成，而其余部分由土石料构成的坝。防渗体在上游面的称为面板坝，在坝体中央的称为心墙坝。

（二）泄水建筑物

其作用是泄洪、排沙和向下游泄放水量，控制水位，防止洪水漫过坝顶，确保挡水建筑物安全运用，是枢纽建筑物“三大件”之一。泄放正常运用（设计）洪水时，要保证挡水建筑物及其他主要建筑物的绝对安全，当泄放非常运用（校核）洪水时，要保证挡水建筑物的安全。

泄水建筑物可分为坝身式、岸边式和隧洞式三类，一般包括溢洪道、溢流坝、泄洪洞、中（底）孔等。

溢洪道是设置在挡水建筑物本身或其附近河岸的泄洪设施。坝身式泄水建筑物按其进水口所处部位和水力学特性等因素，可分为表孔、中孔、深孔和底孔等型式。

表孔一般采用开敞式溢流坝段（自由溢流）或安装有露顶钢闸门的溢流坝；中孔一般为有胸墙的孔口；底孔是穿过坝身底部的孔口或管道，它的作用为检修、抢险等时放空水库，或排除水库中淤积的泥沙等。泄水孔按其运行方式可分为无压泄水孔和有压泄水孔。图2-14所示为陕西省紫阳县深阳水电站溢流表孔。

小知识：安装有闸门的表孔，当闸孔数小于8孔时，闸孔数一般均为奇数，便于对称开启，以使水流流态稳定。泄洪时一般应先小流量开启，待下游水位升高到一定深度后再大流量泄放，以利于减少对下游的冲刷。这种开启方式也有利于下游河道作业、活动的人员尽早撤离，起到示警流量的作用。也利于鱼类游到岸边流速较小区域躲避，关闸时应渐次关闭，防止突然全关而使鱼类搁浅。

1．有压泄水孔

工作门布置在出口的一般为有压泄水孔。运行中常用事故检修闸门作挡水之用，以免洞身长期承受较大的内水压力，并避免泥沙淤积在洞中。有压泄水孔洞内水流平稳，门后通气条件好，便于部分开启，管理方便。为保证洞内不出现负压，出口顶部压坡，出口断面面积一般收缩为进口面积的80%～90%。

2．无压泄水孔

工作闸门布置在进口的隧洞，一般为无压泄水孔，一般由有压段和无压段组成。这种布置的优点是工作闸门和检修闸门均在首部，运用管理方便。缺点是如体形设计不当或施工质量不良，在高速水流作用下容易产生空蚀破坏。运行中应避免有压流、无压流交替出现的现象。

无压孔在平面上一般呈直线布置，其出口一般高出下游水位，防止在孔内出现水跃。

为了保证洞内为稳定的无压流态，门后洞顶一般高出洞内水面一定高度，并在工作门后设通气孔，主要作用是排水补气、充水排气，孔口应高于水库校核洪水位，运行中不能堵塞。对属高速水流的无压泄水孔的通气孔，孔口风速可达30～40m/s，出口一般不能设在启闭机室内；否则应采取安全防护措施。

无压泄水孔水面以上必须留有一定的净空，若通气条件良好，在恒定流情况下，洞内水面线以上的空间不小于隧洞断面面积的25%，且高度不应小于400mm。

无压孔的工作闸门，可采用弧形闸门或平面闸门，事故检修闸门为平面闸门。弧形闸门的启闭机室一般设于坝内，对于中坝也可设于坝顶；平面闸门的启闭机室一般设于坝顶。也有将工作闸门布置在洞内某一适宜位置，此时门前为有压段，门后为无压段。但在隧洞的同一段内，应避免出现时而有压，时而无压的明满流交替流态，明满流交替容易引起震动和空蚀，使门槽及下游部分遭到破坏，同时对泄流能力也有不利影响。

注意：设计或运行不当，使无压流变成半有压或压力流，有可能给工程安全带来严重隐患。以下情况需引起重视：

1）未留通气孔或通气面积不够，洞内水流在高速流动过程中，由于掺气作用，使进口掺气水流的水面线升至洞顶形成半有压流或有压流。

2）无压洞出口下游水位超过设计高程，形成缓流或淹没出流，受下游水位的顶托而封闭洞口，形成间断性的半有压流。

3）设计选用的糙率和谢才系数与实际不完全吻合，洞内实际水深比计算值大，水面以上空间部分不够25%，发生水面碰顶现象，使洞壁受到间歇性动水压力作用而引起洞身的破坏。

4）无压洞超标准运用成有压或半有压，使洞内产生明满流交替的半有压状态，洞内发出“咕隆隆”的阵发性响声，使洞身遭受破坏。有些有压涵洞由于操作的错误也会产生很大的水锤压力而破坏洞身。

2013年2月15日，山西曲亭水库发生坝体坍塌事故，事故直接原因是水库左岸灌溉洞进口下游约35m处浆砌石洞身破坏，在库水渗透压力作用下，库水击穿洞身上部覆土，涌入洞内形成压力流，超出灌溉洞无压运行条件，使下游洞段从出口处开始塌陷，进而逐渐向上游发展，坝体随洞身段塌陷而坍塌。（水利部办公厅关于2013年水利安全生产事故情况的通报）

（三）消能建筑物

水电站筑坝抬高水位后，洪水时泄洪功率可达水电站装机容量的几十倍，若不妥善消能，将对河床造成严重冲刷，危及建筑物安全。消能防冲设施如消力池、水垫塘、二道坝等就是用以消耗下泄水流能量，减轻下游河床冲刷的设施。应能在宣泄设计洪水及其以下各级洪水流量时，具有良好的消能效果，对超过消能防冲设计标准的洪水，允许消能防冲建筑物出现不危及挡水建筑物安全、不影响枢纽长期运行并易于修复的局部损坏；设计中允许消能建筑物的设计标准可以低于主体工程，但必须是在不危及主体建筑物安全，且易于修复的前提下，在软基上一般不宜低于主体工程。目前常用的消能形式有底流式消能、挑流式消能、面流式消能和消力戽消能等。

1．挑流消能

挑流消能是利用泄水建筑物鼻坎将下泄的高速水流抛射向空中，远离坝趾，使水流扩散，并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫中。挑流消能又可分为不对冲挑流和对冲挑流。水流在同空气摩擦的过程中消耗能量的20%左右，进入下游水垫后，通过形成强烈的旋滚进一步消能。大部分能量消耗在水滚的摩擦中，随着冲坑逐渐形成和加深，水垫越来越厚，冲坑也逐渐趋于稳定。挑流消能一般适用于基岩比较坚固的高坝或中坝，低坝需经论证才能选用。当采用挑流消能时，挑流水舌应不影响岸坡稳定及其他建筑物的安全和运行。挑流冲坑最低点距坝趾的距离不得小于2.5倍坑深。泄洪时，应先小流量开启，待下游水位升高，水垫达到一定深度后开启大流量下泄，可以减轻冲刷。图2-15所示为挑流消能示意图。

鼻坎挑流式。为了使泄水跌落点远离坝趾，常在溢流堰顶曲线的末端以反弧段连接挑流鼻坎，挑流鼻坎多采用连续式结构，为了减轻落点单宽流量，也有采用差动式鼻坎。

跌流消能设计。对于基岩良好，泄洪量不大，比较薄的双曲拱坝或小型拱坝，常采用坝顶自由跌流的方式，溢流头部通常采用非真空的标准堰型。挑流消能时当坝顶水头较低时，也有可能转变为跌流。

滑雪道式。滑雪道式泄洪是拱坝特有的一种泄洪方式。

2．底流消能

中、低坝或基岩较软弱的河道一般采用底流消能。通过在坝趾下游设消力池、消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水跃内部的漩滚、摩擦、掺气和撞击消耗能量。

注意：对于在设计及校核洪水情况下，上下游水位差不大的工程，常遇洪水及正常蓄水位情况下小流量泄洪时上下游水位差更大，对下游冲刷更严重，很多工程护坦设计不是设计、校核工况控制，而是常遇洪水及正常蓄水位情况下小流量泄洪控制。因此更应注意常遇洪水及正常蓄水位情况下小流量泄洪时消能安全，闸门可对称小流量开启，待下游水位达到一定深度再大流量下泄。图2-16所示为底流消能示意图。

3．面流消能

面流式消能是利用鼻坎将主流挑至水面，通过在主流下面形成旋滚来消能。适用于下游水位稳定、尾水较深、水位变幅不大、河床和两岸在一定范围内有较高抗冲能力顺直河道上水头较小的中、低坝。水滚流速较低，而且系沿河床流向坝趾，河床一般不需加固，但需注意防范水滚裹挟石块，磨蚀坝脚基础。面流式消能虽不需护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，使下游在很长距离内（有的可绵延数里）水流不够平稳，可能影响电站的运行和下游航运，且易冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。图2-17所示为面流式消能示意图。

4．消力戽消能

适用于尾水较深（大于跃后水深），且下游河床和两岸有一定抗冲能力的河道。消力戽的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面，戽内的旋滚可以消耗大量能量，因高速水股在表面，也减轻了对河床的冲刷。消力戽适用于尾水较深（通常大于跃后水深）、变幅较小、无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲能力的情况。高速主流在表面，不需设长护坦，但水面波动较大，其缺点与面流式消能相同。

小知识：泄洪消能建筑物的空蚀及雾化

（1）空蚀。空蚀是指流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的建筑物、金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。常发生在如转轮叶片叶端的高速减压区，在此形成空穴，空穴在高压区被压破并产生冲击压力，破坏金属表面上的保护膜，而使腐蚀速度加快。气蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点，然后逐渐扩大成孔洞。

泄水和消能建筑物的下列部位或区域发生空蚀破坏的可能性大，运行中应特别重视：①进出口、闸门槽、弯曲段以及水流边界突变处；②反弧段及其附近；③异形鼻坎、分流墩；④消力池中的趾墩、消力墩；⑤溢流面上和泄水孔内流速大于20m/s的区域；⑥溢流面施工不规则部位、残存的钢筋头等位置。

（2）雾化。雾化时水雾高度可达正常蓄水位，影响长度可达1km，水雾强度可达暴雨级别。对拱坝挑流、跌流消能，特别是高拱坝空中对冲消能的泄洪雾化对枢纽建筑物、下游两岸山体、电气设备、输电线路、交通道路和各种洞口等均有不利影响，干旱地区雾化还会造成滑坡等地质问题，必要时应采取相应的防护措施。多泥沙河流泄洪还会产生泥雾，常造成厂区升压变电站污闪。

（四）水工金属结构

1．闸门作用及按功能分类

闸门按功能可分为工作门、检修门、事故门（快速门）。

如果按闸门关闭时门顶与水面的相对位置，可分为露顶式闸门（门顶露出水面，无顶止水）和潜孔式闸门（门顶淹没水中，有顶止水）。

按闸门门叶的外观形状，可分为平面闸门、弧形闸门、人字闸门、拱形闸门、球形闸门和圆筒闸门等，水电站进水口一般多采用平板闸门。对于翻板闸门可借助水力自动启闭，称为水力自动闸门。

按闸门安装位置不同，可分为泄洪闸门、尾水闸门、冲砂闸门等。

按制造闸门门叶的材料，可分为钢闸门、铸造闸门、木闸门、钢筋混凝土闸门和组合材料闸门。

（1）工作闸门。承担主要工作，并能在动水中启闭的闸门。排沙孔的工作闸门一般设置在进口段，采用上游面板和上游止水的结构形式，防止泥沙在梁格内淤积。

（2）事故闸门。能在动水中截断水流以便处理或遏制水道下游所发生事故的闸门。在泄水孔工作闸门的上游侧应设置事故闸门，对高水头长泄水孔的闸门，有的还在事故闸门前设置检修闸门。当事故门或快速门设置于调压井内并经常停放于孔口上方时，要考虑涌浪对闸门停放和下降的不利影响。

引水式电站除在压力管道进口处设置快速闸门外，有的还在长引水道进口处设置事故闸门；河床式水电站的进水口，如机组、有可靠防飞逸装置，只需设置事故闸门和检修闸门。

快速闸门。当发生输水钢管破裂或机组飞逸情况时，为了避免事故扩大，能在动水状态下快速关闭的事故闸门称为快速闸门。快速闸门的关闭时间，应满足防止机组飞逸和对压力钢管的保护要求，一般为2min，其下降速度在接近底槛时，不宜大于5m/min。快速闸门的启闭设备应有就地和远方两套操作系统，并配有可靠的电源和准确的闸门开度指示控制器。

当电站机组或压力钢管要求闸门作事故保护时，坝后式电站的进水口设置快速闸门和检修闸门。

（3）检修闸门。供检修水工建筑物或工作闸门及其门槽时临时挡水用的闸门。工作方式为静水启闭。溢洪道工作闸门的上游侧一般设置检修闸门，对于重要工程，必要时也可设置事故闸门。当水库水位每年有足够的连续时间低于闸门底槛并能满足检修要求时，可不设检修闸门。

溢洪道上的闸门除带有胸墙的闸室的溢洪道采用门顶位于水下的潜孔闸门以外，大部分都是露顶式闸门。目前我国溢洪道上闸门常用的类型是平板闸门和弧形闸门。

农村水电站水工建筑物不同部位金属结构特性见表2-5。

2．常用闸门简介

（1）平板闸门。平板闸门是闸、溢洪道上最常用的一种闸门形式。根据闸门门叶（活动部分）和门槽（固定部分）间的摩擦性质，可分为滑动平板闸门和滚动平板闸门两种。因系垂直提升和需有门槽，故需要较高较厚的闸墩。门槽影响水流，特别当水头较高时，门槽处易产生回旋、负压、脉动和气蚀等现象，容易损坏门叶、门槽、底板和墩墙。滑动摩擦阻力较大，要求的启闭力也较大。不适合有局部开启要求的孔口。

1）滑动平板闸门。滑动平板闸门的门叶直接与门槽接触，启闭时要克服两者接触面上的滑动摩擦阻力。门叶材料有钢、钢木、木与铸铁、钢筋混凝土和钢丝网水泥等几种，常用的摩擦面材料有金属、胶木滑道、釉面瓷砖、水磨石和磨光混凝土等。多用于40m以下的中、低水头，门跨一般在10m以内。

2）滚动平板闸门。在门叶和门槽之间安装有滚轮，变滑动摩擦为滚动摩擦，摩擦阻力大大减小，相应启闭力也大大减小。采用最多的是将滚轮固定在门叶上的定轮式滚动闸门，门叶多用钢或钢筋混凝土做成。滚动平板闸门可在任何水头（包括40m以上的高水头）下正常运用。

（2）弧形闸门。弧形闸门适用于各种水头和各种大小的孔口，特别适合有局部开启要求的孔口。溢洪道上多为露顶式，隧洞及有压引水式电站进水口上则常为潜孔式。弧形闸门的优点是可封闭相当大面积的孔口，由于呈弧形提升和不需门槽，故闸墩高度及厚度均比平板闸门小，且门槽处无影响水流的问题；受力条件好，启闭力比同尺寸的平板门为小；门叶与门框之间只有边导板，不需平板门那样的主轨、反轨、侧轨等，金属预埋件相对较少。弧形门有一个很长的支臂，故在平面上所占位置较大。潜孔弧形门还需一个相当规模的门室，故闸墩长度比平板门为大。不能像平板门那样方便地提出门槽，故平日检修较困难。一般弧形门采用双吊点起吊（有的需三吊点），吊点处钢丝绳提升速度要求严格同步。一般希望每扇门配置固定启闭机启闭（有时可两门共用一台启闭门），一般不采用移动式启闭机。

3．常用启闭机类型

启闭机的类型有固定式启闭机（卷扬式启闭机、液压启闭机、螺杆式启闭机等）和移动式启闭机（门式启闭机、台式启闭机和桥式启闭机等）。为防止汛期万一电源发生故障，泄洪闸门应采用双回路电源供电，并配备可靠备用电源、动力（柴油发电机等）。

（1）卷扬式启闭机。当孔口尺寸较大，门重及启闭力也较大时采用卷扬式启闭机。钢丝绳牵引的卷扬式启闭机可通过改变滑轮组组数及绕绳方法来适应不同的门重和不同的启闭力，故应用较为广泛。卷扬式启闭机的启闭力可自0.1～500t或更大一些，提升速度可以为0.01～2.5m/min或更快一些，可用电动也可采用人力驱动，最适用于提升露顶式弧形门、高水头的平板滑（滚）动门等。卷扬式启闭机的纲丝绳只能承受拉力，故不能用于要求施加闭门力才能落闸的深孔闸门。目前不少管理单位普遍感到钢丝绳水下部分很易锈蚀，结果整根钢丝绳不得不提前报废，而水上部分钢丝绳又因满涂防锈润滑油脂而极易沾灰，特别是滑轮部分污脏尤甚。为了减轻养护修理工作量和延长使用寿命，有些单位采用分节拉杆来代替一部分钢丝绳并用护罩保护滑轮。

（2）液压式启闭机。用活塞杆与闸门连接，以液体压力作动力推动活塞使闸门升降的启闭机。液体一般用矿物油，故常称油压启闭机。高压油通过管道由油泵输送。液压启闭机机体结构简单，占地面积小，传动平稳，控制方便，制造精度高，广泛用于启闭各类形式的闸门。液压启闭机的主要部件有活塞杆、液压缸、供排油管路系统及油泵电动机组等。

（3）螺杆式启闭机。螺杆式启闭机构造简单、经久耐用、价格低廉，适用于小孔口、低水头的溢洪道或输水洞工程上。螺杆式启闭机工作时承受拉力（落门时），螺杆本身除应具有足够的强度和刚度外，较长的螺杆应设导向轴承缩短无支长度，以防扭曲变形。

（4）门式启闭机及台车式启闭机（移动式启闭机）。沿专门铺设的轨道移动，并能逐次升降数个排或列布置的闸门的机械设备。移动式启闭机类型繁多，可分为台车移动式启闭机与门形移动式启闭机（亦称门式启闭机、门式起重机）。前者主提升机构设置在底部装有行走车轮的平面构架式台车上；后者的启闭机主提升机构设置在装有行走车轮的门形构架上。单向移动式启闭机的主提升机构直接紧固在台车或门形构架的上平面上；双向移动式启闭机的主提升机构设置在台车或门形构架上平面的小车上，小车沿轨道行走的方向与台车或门形构架的移动方向成垂直。通常也称双向移动式的台车或门形构架为大车架。台车式移动启闭机通常行走在闸门门槽顶部平面或平面以上的混凝土排架上，门式移动启闭机仅行走在闸门门槽顶部平面上。门式启闭机门架腿上有时也设回转式悬臂吊钩，以便起吊其他设备，从而构成多用途门形移动式启闭机。

三、引水式水电站建筑物

引水建筑物是引水式或混合式水电站中用来集中落差（对混合式水电站而言，则只是集中总落差）形成水头和输送流量到水轮机的工程设施，包括引水道建筑物（渠道、隧洞）、前池或调压室、水电站压力管道（调压室、压力管道、厂房等又称水电站建筑物）。有时水轮机管道也被称为引水建筑物，但严格说来，由于它主要是输送流量的，所以与同时具有集中落差和输送流量双重作用的引水建筑物并不完全相同。根据引水道不同，引水式水电站分为无压引水和有压引水水电站，区别在于无压为开敞式进水口，引水道为无压，末端设前池；有压引水水电站为深式引水口，引水道为有压，末端接调压井。

（一）无压引水式水电站

特点是引水建筑物——渠道或隧洞是无压的。主要建筑物按水流方向依次为：低坝→开敞式进水口→沉沙池（有时有）→引水渠（无压隧洞）→日调节池（有时有）→压力前池→压力管道→厂房→尾水渠。

1．进水口（开敞式）

无压进水口内水流为无压的明流，以引表层水为主。进水口后一般接无压引水道，适用于无压引水式电站。图2-18所示为无压进水口示意图。

进水口有以下设施、设备：

（1）拦污设备（trash rack或trash screen）。有拦污栅、拦污排等，作用是防止有害污物、漂浮物等堵塞进水口和进入引水系统，而影响过水能力，河流中下游的电站尤其要重视。竖井式进水口拦污栅一般平面倾斜布置（倾角一般为60°～70°），过水断面大，易于清污。塔式、坝式进水口一般平面直立布置，还有采用多边形布置。支承结构为一般金属框架或钢筋混凝土结构。拦污栅一般设计水头4m，过栅流速一般按0.8～1.2m3/s控制，人工清污或低水头电站一般按小值控制。因拦污栅在正常清洁状态时，其前、后的水位差只有2～4cm。若拦污栅堵塞，将增大水头损失，影响过流能力，降低机组出力，压差过大会造成栅条变形或被压断。多污物河流上进水口的拦污栅上应装设压差监测设备，以掌握污物堵塞情况，便于及时清理。冲击式、斜击式水轮机禁止取出拦污栅运行。

（2）检修闸门（bulkhead gate）。设在工作闸门上游侧，检修时用以挡水，运行方式为静水中启闭。一般采用平板闸门或叠梁检修门，单孔单洞时几个进水口可共用一套检修闸门，启闭可用移动式或临时启闭设备，平时检修闸门存放在门库内。

（3）工作闸门（事故闸门emergency gate）。作用是在紧急情况下切断水流，以防事故扩大。运行方式为动水中快速（1～2min）关闭，静水中开启。一般为平板门，一口、一门、一机（固定卷扬启闭机），以便随时操作。进水闸门开启之前，必须经充水管将整个压力管路充满水，在静水条件下开启。如果在不充满水条件下强行开启进水闸门，一方面水压作用使得闸门启门力过大，可能引起启闭设备损坏；另一方面蜂拥而入的水流将压力管路中来不及排出的空气挤压到下降段内，当压力大到一定值时可能发生爆管的恶性事故。同时，由于破坏了水流的连续性，使机组无法稳定运行。

（4）通气孔（air hole）。位于有压进水口的事故闸门之后，作用是引水道充水时用以排气，事故闸门紧急关闭放空引水道时，用以补气以防出现有害真空。通气孔面积一般为管道面积的5%左右。通气孔一般与检修进人孔合二为一。

（5）充水阀（filling valve）。作用是开启闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以便在静水中开启闸门，从而减小启门力。

小知识：进水口泥沙

在多泥沙河流上，都不同程度地存在着泥沙（sediment）问题。如果进水口位置选择不当，没有防沙设施或防沙措施不力，可能造成进水口泥沙淤积，还会造成厂房管路堵塞，近而会造成厂房内的水力量测系统失灵，冷却器失效，影响机组的正常运行。大量泥沙过机，将严重磨损水轮机，使机组效率降低2%～5%，检修周期缩短，检修时间加长，检修费用加大。常用导（将泥沙导离进水口）、拦（将泥沙阻拦在进水口前缘）、排（将进水口前的泥沙排往下游）、沉（将越过进水口的泥沙沉淀在沉沙池内）和冲（将沉沙池内的泥沙冲往下游）等方式防止进水口被淤积，减少过机泥沙含量运行中，要按照设计的泥沙分界流量、排沙运行水位等进行控制运用，确保进水口“门前清”的要求。定期清理沉沙池、拦石坑等，减少过机泥沙。

2．渠道或无压隧洞

水电站无压引水道一般包括引水渠道（自动调节、非自动调节）或无压引水隧洞及压力前池。具有自由水面，引水道承受的内水压力不大。前接无压引水口，中间为渠道（channel）或无压隧洞（free flow tunnel），末端接前池。

（1）渠道。一般按水电站的最大引用流量Qmax设计，有足够的输水能力。渠道进口、沿线及渠道末端设有拦污、防沙、排沙措施。渠道内水流速度v淤＜v设＜v冲；断面形状有长方形、梯形及U形，一般进行衬砌以减小糙率、防渗、防冲、维护边坡稳定。类型包括非自动调节渠道和自动调节渠道。

1）非自动调节渠道。当水电站切除部分或全部负荷时，渠道内的水位仅能升高至引水渠或前池溢流堰顶限制高程的引水渠道。渠顶大致平行渠底，渠道的深度沿途不变，在渠道末端的压力前池中设有溢流堰。溢流堰的作用是限制渠末水位，保证向下游供水。适用于引水道较长、对下游有供水要求的水电站。

当水电站引用流量Q=Qmax时，压力前池水位低于堰顶；Q＜Qmax时，水位超过堰顶，开始溢流；Q=0时，通过渠道的全部流量泄向下游。图2-19所示为非自动调节渠道示意图。

2）自动调节渠道。当水电站切除部分或全部负荷时，渠道内的水位能自动升高到与水库水位齐平而不发生弃水的渠道称为自动调节渠道。首部和尾部堤顶的高程基本相同，并高出上游最高水位，渠道断面向下游逐渐加大，渠末不设泄水建筑物。适用于渠道不长、底坡较缓、上游水位变化不大的情况。水电站引用流量Q=0时，渠道水位是水平的，渠道不会发生漫流和弃水现象；Q＜Qmax时为壅水曲线；Q=Qmax为降水曲线。图2-20所示为自动调节渠道示意图。

（2）无压引水隧洞。无压隧洞工作条件与渠道相似，地质条件良好时一般采用城门洞形，洞顶和两侧围岩不稳时一般采用马蹄形，洞顶岩石很不稳定时采用高拱形。水面以上必须保证不低于断面面积15%的自由空间，且水面距洞顶不低于40cm。

3．压力前池

压力前池设置在引水渠道或无压隧洞的末端，是水电站引水建筑物与压力管道的连接建筑物。作用是平稳水压、平衡水量，宣泄多余水量，拦阻污物和泥沙，给各压力管道均匀分配流量，同时把无压水变为压力水。前池由前室、进水室及其设备、泄水建筑物、放水和冲砂设备、拦冰和排冰设备等组成。

（1）前室（池身及扩散段）。其作用是将渠道断面扩大并过渡到进水室所需的宽度和深度，减缓流速，便于沉沙，并形成一定容积。前室末端底板高程应比进水室底板高程低0.5～1.0m，形成拦沙槛。

（2）进水室及其设备。通常指压力管道进水口部分，常采用压力墙式进水口。进水口处设拦污栅、通气孔、闸门及控制设备，其布置与有压进水口相似。

（3）泄水建筑物。宣泄多余水量，防止前池水位漫过堤顶，并保证向下游供水。泄水建筑物一般包括溢流堰、陡槽和消能设施。溢流堰应紧靠前池布置，形式为正堰或侧堰，水位超过堰顶时自动溢流。陡槽应落实防冲及防护措施。

（4）放水和冲砂设备。在前池的最低处设置冲砂孔，并在其末端设有控制闸门，以便定期将从引水渠道带入的泥沙排至下游。一般布置在前室的一侧或在进水室底板下设冲砂廊道，孔口面积一般不小于1m2。

（5）拦冰和排冰设备。北方严寒地区设置排冰道，底板在前池正常水位以下，并用叠梁门进行控制。

（6）日调节池。当引水渠道较长，且水电站担任峰荷时，常设日调节池。日调节池与压力前池之间的渠道按最大引用流量Qmax设计。日调节池应尽量靠近压力前池。压力前池示意图见图2-21。

4．压力管道

压力管道是从水库、前池或调压室将水在有压的状态下引入水轮机的输水管道。它集中了水电站全部和大部分水头，其特点是坡度陡，承受较大的内水压力、水锤动水压力，在不稳定的水流下工作，如发生事故，严重的将使整个厂房遭受破坏。因此，应认真加强观测、维护和检修等工作，以保证压力钢管的安全运用。

压力管道的主要荷载是内水压力，管道内径D（m）和水压H（m）及其乘积HD值是标志压力管道规模及其技术难度的重要特征值，HD值也与该管道所提供的装机容量N（kW）直接有关。

（1）压力管道型式。其分为明管、地下埋管、坝内埋管、坝后背管。坝式水电站一般采用坝内埋管或坝后背管，引水式、混合式电站多采用明管（回填管）或地下埋管。

明钢管一般在首部（前池、调压井）设事故闸门，考虑事故排水及检修，底部高出地表0.6m以上。管道顶部在最大压力线以下2m，两侧应设纵向排水沟，并与横向排水沟相连，沿管线应设维修巡查人行步道。目前很多电站，无排水沟及检修步道。压力管道材料一般有焊接钢管，低水头电站有时可采用钢筋混凝土管，目前还有采用高分子材料的。图2-22所示为陕西省城固县白果树水电站压力明管。

（2）压力管道引进厂房的方式。

1）正向引进。多用于低水头电站。水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。但钢管发生事故时将直接危及厂房安全。

2）纵向引进。多用于高、中水头电站，可避免管道失事时水流直冲厂房。

3）斜向引进。适用于分组供水和联合供水。

（3）供水方式。其分单元供水、联合供水、分组供水。

1）单元供水。一管一机，不设下阀门。具有结构简单（无岔管）、工作可靠、灵活性好、易于制作的优点；缺点是造价高。

2）联合供水。一根主管向多台机组供水。设下阀门。优点是造价低，缺点是结构复杂（有岔管）、灵活性差。适用于机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管。

3）分组供水。设多根主管，每根主管向数台机组供水，设下阀门。适用于压力水管较长、机组台数多、单机流量较小的情况。

采用联合供水或分组供水时，需要设置分岔管，岔管位于厂房上游侧。纵向引进和斜向引进的厂房常采用卜形布置，正向引进的厂房一般用对称Y形、三岔形布置。供水方式示意图见图2-23。

（4）布置方式。管身在两镇墩间连续，不设伸缩节的为连续式布置，温度应力大，一般较少采用。两镇墩之间设置伸缩节（在上镇墩的下游侧），为分段式布置，温度应力小。

镇墩作用是固定钢管，承受因水管改变方向而产生的侧向不平衡力，一般布置在管道转弯处，直线段不超过150m，管道在此处不应产生任何位移。一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。形式有封闭式、开敞式等形式，封闭式应用广泛，结构简单，固定效果好。开敞式易于检修，但受力不均匀，较少采用。

支墩承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，温度变化时允许管道在轴向自由移动（温度变化时）。布置间距L=6～12m, D特别大时，L取3m。管道和支墩接触类型有滑动式、滚动式、摆动式。

（5）压力管道上的闸门、阀门和附件。①闸门。在前池、调压室、水库等位置的压力管道进口设事故门（快速闸门）。前池必须保证压力管道进水口满足规范要求的淹没深度，且最低不能小于1m; ②阀门。对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进口前应设快速阀门（事故阀），其形式有蝴蝶阀、球阀等，小型水电站有时也用平板阀。工作方式是动水中关闭，在静水中开启；

蝴蝶阀（butterfly valve）优点是启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价低。缺点是开启状态时阀体对水流有扰动，水头损失较大；

球阀由球形外壳、可旋转的圆筒形阀体及附件构成。优点是开启状态时没有水头损失，止水严密，能承受高压。缺点是结构复杂，尺寸和重量大，造价高。适用于高水头电站；③伸缩节（expansion joint）。作用是适应温度变形及少量的不均匀沉陷，常设在上镇墩的下游侧。伸缩节的形式较多，常见的有套筒式、波纹密封套筒式、压盖式限拉伸缩节及波纹管伸缩节等几种形式；④通气阀。作用是当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气。位置在主阀之后；⑤进人孔。作用是检修钢管，位置在钢管上方，直径50cm左右，间距100m左右；⑥旁通阀及排水设备。旁通阀设在水轮机进水阀门处，作用是给阀门前后平压，以减小启闭力。排水管设置在管道的最低点，作用是在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水，高水头压力钢管排水口应设置消能设施。

（6）压力钢管的安全监测及检测。1、2级压力钢管；管径D≥4m，或作用水头H≥100m，或H D≥400m2的3级压力钢管；采用新结构、新材料、新工艺、新设计理论和方法的压力钢管均应进行安全监测。

钢管在投入运行5～10年内，应进行首次安全检测，以后每隔10～15年进行一次中期检测。运行期满40年，应进行折旧期满安全检测，并确定钢管是否可以继续运行和必须采取的加固措施。

5．水电站厂房

水电站厂房按其布置形式，可分为地面式、地下式和其他形式厂房。地面式分为河床式厂房、坝后式、坝内式、岸边式，坝后式又分为坝后式明厂房、溢流式厂房、挑越式厂房。引水式水电站多为岸边式厂房。有的岸边式厂房存在高边坡问题，厂房位置一般宜避开冲沟和崩塌体；否则应对可能发生的大的山洪淤积、泥石流和崩塌体等采取相应可靠的防御措施。陕西省紫阳县红椿水电站厂房附近存在一个小冲沟，但未采取防护措施。汛期洪水将冲沟上游修建道路时弃渣冲入厂房，导致机组被掩埋，损失巨大。图2-24所示为卧式机组厂房，图2-25所示为立式机组厂房。

农村水电站采用地下厂房的较少。为减少对河道侵占和植被的破坏，陕西省周至县木匠河水电站（装机7500kW）采用了地下厂房。图2-26所示为陕西省周至县木匠河水电站地下厂房。

注意：地下厂房发电机层至少应有两个以上通往屋外地面的安全出口，并至少应有一个直通屋外地面，出口高程应在校核洪水位以上。地面厂房的发电机层，安全出口也不应少于两个，且必须有一个直通屋外地面。

厂房内还安装有起重设备。最常见的起重设备是桥式起重机（桥吊）。桥吊由横跨厂房的桥吊大梁及其上部的小车组成，桥吊大梁可在吊车梁顶上沿主厂房纵向行驶，桥吊大梁上的小车可沿该大梁在厂房横向移动。桥式起重机有单小车和双小车两种。

单小车设有主钩和副钩，当起重量不大时一般采用一台双钩桥吊。

双小车是在桥吊大梁上设有两台可以单独或联合运行的小车，每台小车只有一个起重吊钩，起重量大于75t时可采用双小车桥吊。

6．主变压器场及变电站

主变压器及开关站位置一般是结合安装检修、运输、消防通道、进线、防火防爆等要求综合确定。

主变压器底部一般设有排油、集油坑，坑内铺卵石，并铺有通向远处的排油管。

厂区外的屋外配电装置场地四周应设置2200～2500mm高的实体围墙；厂区内的屋外配电装置周围应设置围栏，高度应不小于1500mm。

屋外主变压器场与厂房、宿办楼等厂区建筑物的距离必须符合《水利水电工程设计防火规范》（SL 329—2005）。主副厂房、安装间、中控室、继电保护室、母线室、母线廊道等火灾危险性类别为丁级，耐火等级二级，当变压器总油量为5～10t时，防火间距不小于12m，当油量为10～50t时，防火间距不小于15m。

当厂房外墙与变压器距离不满足防火间距时，厂房外墙应采用防火墙，且该墙与变压器外缘距离应不小于0.8m。厂房外墙距油浸变压器5m以内时，在变压器总高度加3m的水平线以下及两侧外缘各加3m的范围内，不应开设门窗和孔洞，在其范围以外的防火墙的门和固定式窗，其耐火极限不应小于0.9h。当发电机母线穿越防火墙时，母线周围空隙应用非燃烧材料封堵。

油量为2500kg以上的油浸变压器之间，35kV及以下时防火间距不小于5m,110kV时防火间距不小于8m。当不满足要求时，应设置防火隔墙或防火隔墙顶部加设防火水幕。隔墙高度不应低于变压器油枕顶端高程，长度不应小于变压器储油坑两端各加0.5m。当防火隔墙顶部加设防火水幕时，其高度应比变压器顶盖高出0.5m。

（二）有压引水式水电站建筑物

特点是引水建筑物——隧洞（pressure tunnel）是有压的。主要建筑物按水流方向依次有坝→深式进水口→有压隧洞→调压井→压力管道→厂房→尾水渠。

有压引水道：洞中水流为压力流，隧洞承受较大内水压力。前接压力引水口，中间为有压隧洞，末端接调压井。满足调节保证计算的，也可不设调压井。一些冲击式机组采取延长喷嘴关闭时间，配合折向器使用，经论证也可不设调压井。

1．进水口

有压进水口一般由进口段、闸门段、渐变段组成，进水口充满水流，没有自由水面，后接压力隧洞。运行中必须按设计的方式运行，保证要求的淹没深度，防止空气进入。进水口最小淹没深度按下式计算，即

S=CVD1/2

式中 S——进水口淹没深度，m；

V——进水口闸孔断面流速，m/s，等于引水流量/断面面积；

D——闸孔高度，m；

C——与进水口几何形状有关的系统，取0.55～0.73。

有压进水口按照进水口位置和引水道布置又分为坝式、河床式、竖井式、岸塔式、岸坡式、塔式等6种，这里重点介绍以下几种：

（1）坝式进水口。进水口依附在坝体的上游面上，并与坝内压力管道连接。进口段和闸门段常合二为一，布置紧凑。混凝土重力坝的坝后式厂房、坝内式厂房常采用此种布置。部分混合式电站也采用了坝式进水口，在进水口后直接接明钢管，然后再进压力隧洞，如陕西省城固县马家沟水电站、洋县卡房水电站均采用这种形式，有效减少了投资，且利于运行管理。

（2）河床式进水口。适用于河床式水电站。

（3）竖井式进水口。拦污栅设于洞外，事故门或事故门设于竖井内。竖井式进水口见图2-27。

（4）岸坡式进水口。进口段、闸门段和闸门竖井均布置在山体之外，形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物，承受水压及山岩压力。

（5）岸塔式进水口。进口段、闸门段和闸门竖井均布置在山体之外，形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物，承受水压及山岩压力。

（6）塔式进水口。进口段、闸门段及其一部框架形成一个塔式结构，耸立在水库中，塔顶设操纵平台和启闭机室，用工作桥与岸边或坝顶相连。塔式进水口可一边或四周进水，见图2-28。

小知识：气锤（air drop hammer, jack hammer）

又称气浪，是压力水道中剧烈波动的压缩气体由进水口通道冲出而发出的喷水现象，喷出的水柱高逾10m，破坏力极大，影响电站的运行。造成原因是压力水道中混入空气。而空气的混入，一是因为进水口低水位运行，淹没深度不够，空气随水流进入管道；二是因为管道充水过快，管内的空气来不及排出。由于空气被不稳定的水流囊括，压缩到一定程度，高压气囊便从进水口的各种通道喷射而出。气锤的防止，要保证足够的淹没深度，进流要具有良好的流态，应提出进水口闸门的运行方式和管道充水要求，供运行单位制定严格的操作程序。

2．有压引水隧洞

有压隧洞承受较大的内水压力，要求有一定厚度的围岩和足够强度的衬砌。有压隧洞一般多采用圆形断面，隧洞沿线最小内水压力线，洞顶各点高程应在最低压坡线之下，并有1.5～2.0m水头的压力余幅，保证洞内不出现负压。有压隧洞运行条件复杂，内水外渗，排水失效，外水压力加大等均将恶化工程地质和水文地质条件，影响围岩的稳定性。压力水外渗还可能引起山体滑坡。运行中要避免出现无压/有压交替的工作状态。

3．调压室

（1）调节保证计算。

正常运行时，水轮机的转动力矩与发电机的阻力矩相平衡，当负荷发生变化时失去平衡，引起机组转速变化，调速器为了保持机组转速恒定，必须相应地改变水轮机的流量，或者由于开机、事故停机，由于阀门的突然关闭或开启，当水体在压力管道中流动时，由于阀门的突然关闭或开启，从而在过水系统中引起非恒定流现象。由于水体的运动惯性，非恒定流现象又引起了流速的急剧变化，流速的急剧变化近而使水电站有压过水系统（压力隧洞、蜗壳、尾水管等）中水体的压强急剧变化，且反复交替升降，此压强变化按一定的速度以压力波的形式从水轮机的节流机构（导叶或针阀）向上游传播，这种现象称为水锤或水击（water hammer）。阀门关闭时间小于水锤波沿管长往返传播一次的时间（称为相）的水锤，称为直接水锤（direct water hammer）；阀门关闭时间大于水锤波沿管长往返传播一次的时间（称为相）的水锤，称为间接水锤（indirect water hammer）。

当丢弃负荷时，水轮机的转动力矩超过发电机阻力矩使机组转速升高，调速器关闭水轮机导叶（或针阀），引起水流压强升高，为正水锤；当水电站增加负荷时，水轮机的能量不足，机组转速下降，调速器开启水流压强下降，此时为负水锤。

水锤现象发生时，引起压力升高的数值，可能达到正常压力的几十倍甚至几百倍，使管壁材料及管道上的设备受到很大的压力，产生严重的变形以至破坏。压力的反复变化会使管壁及设备受到反复的冲击，发出强烈的振动和噪声，犹如管道受到锤击的声音，“水锤”之名由此而得。这种反复的冲击还会使金属表面损坏，打击出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏管道及设备。所以，水锤对安全运行是非常有害的，特别是在大流量、高流速的长管中更为严重。防止或减轻水锤危害的措施有：尽量缩短管道长度；增加阀门启闭的时间；增大管道直径，使管中流速降低，从而使水锤产生时相应的水锤压力数值减小；在管道上装设安全阀等。

改变导叶开度的速度越快，水轮机流量的变化越大，将导叶调整到与变化后的负荷相适应的历时越短，开度调整过程中的不平衡能量越小，引起的机组转速变化越小，但改变导叶开度的速度越快，压强变化越大，水锤压力越大；导叶开度变化越慢，将导叶调整到与变化后的负荷相适应的历时越长，开度调整过程中的不平衡能量越大，引起的机组转速变化越大，但改变导叶开度的速度越慢，压强变化越小，水锤压力越小。

加大转速变化会增加机组造价和影响供电质量，在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水锤压力，满足机组调节保证计算的要求，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。调压室将有压引水系统分成两段，上游段为低压管道，下游段为高压管道。

（2）调压室工作原理。调压室的作用是缩短压力管道长度，反射水锤波，减小了水锤压力（压力管道及厂房过水部分），基本上避免了（或减小）压力管道传来的水锤波进入上游段压力引水道，改善了机组在负荷变化时的运行条件。

调压室要具有较大的容积和自由水面，它将电站因负荷变化而引起的有压系统非恒定流分为性质不同而又互相联系的两部分，即压力管道的水锤和“水库—引水道—调压室”的水流波动。

当丢弃全负荷时，Q变为0，压力管道中发生正水锤，隧洞中水流继续流入调压室，调压室水位升高；流速逐渐降低到为0，此时水位最高；反向流动，水位下降，水位与水库持平，水流惯性使得继续流向水库，直到V=0，再次向下游流动，循环往复。调压室工作原理见图2-29。

（3）调压室类型。上游调压室（引水调压室），位于厂房上游引水道上。适用于厂房上游有压引水道较长的电站，应用最广泛。

下游调压室（尾水调压室），位于厂房下游尾水洞上。适用尾水隧洞较长，需设置尾水调压室以减小水击压力，特别是防止丢弃负荷时产生过大的负水击，尾水调压室应尽可能靠近厂房。

上游双调压室系统。适用于上游引水道较长的情况，靠近厂房的调压室对反射水击波起主导作用，称为主调压室；另一调压室帮助衰减引水系统的波动，称为辅助调压室。水位波动的衰减由两个调压室共同保证，增加一个调压室可以减小另一个调压室的断面。

调压室的基本类型有简单圆筒式调压室、阻抗式调压室、双室式调压室、溢流式调压室、差动式调压室及气垫式调压室等。农村水电站常用简单圆筒式调压室、阻抗式调压室和溢流式调压室。

简单圆筒式调压室，自上而下断面尺寸形状不变，结构简单，反射水锤波效果好。但水位波动振幅较大，衰减较慢，因而调压室的容积较大。在正常运行时，引水系统与调压室连接处水力损失较大。

阻抗式调压室，将圆筒式调压室底部改为阻抗孔口，这种孔口或隔板相当于局部阻力，即为阻抗式调压室。可以有效减小水位波动振幅，加快衰减速度，因而所需调压室的体积小于圆筒式。正常运行时水头损失小。由于阻抗的存在，水锤波不能完全反射，压力引水道中可能受到水击的影响。

（4）调压室参数。①最高涌波水位（最高涌浪）。调压室内水位波动上升到的最高水位。一般水库为正常蓄水位时，共用同一调压室的全部机组满载丢弃全负荷的工况下调压井的水位；②最低涌波水位（最低涌浪）。调压室内水位波动下降到的最低水位。一般水库为死水位时，共用同一调压室的全部n台机组由n-1台增至n台或全部机组由2/3负荷突增至满载的工况发生时调压井的水位。调压为最低水位时，应保证2m正压，防止空气进入压力管道。

对于负水锤，压力管道任何一点均不应出现负压，并要有一定压力余幅，尾水管进口允许最大真空度为8m水柱。

小知识：中低水头水电站，最大水锤压强通常出现在调节过程终了，水轮机导叶可采取先快后慢的调节规律（两段关闭），以提高开始阶段的水锤压强，降低终了阶段的水锤压强。对于高水头电站，最大水锤压强出现在调节的开始阶段，可以采取相反的调节规律。

4．压力管道

压力引水式、混合式水电站压力管道多采用地下埋管。地下埋管是指埋入岩体中、管壁与围岩之间用水泥砂浆或混凝土填充的压力管道。一般有斜井、竖井、平洞。竖井常用于首部式开发的地下电站。斜井适用于地面和地下厂房，平洞作为过渡段使用。地下埋管可以充分利用岩体抗力，一旦失事，影响要比明钢管小，但地下埋管应特别重视外水压力变化造成钢管失稳的问题。调压井及埋管示意图见图2-30。

四、坝式水电站建筑物

在河道上拦河筑坝抬高上游水位，形成水头的水能开发方式，称为坝式开发，采用坝式开发的水电站称为坝式水电站。坝式开发可形成一定的调蓄能力，水能利用程度较引水式充分。坝式水电站又分为河床式水电站与坝后式水电站。农村水电站大多采用坝后式明厂房布置。

（一）坝后式水电站

1．坝后式水电站的布置模式

坝后式水电站一般布置紧凑。河道主流位置布置泄洪建筑物，厂房坝段布置坝式进水口，压力钢管穿过坝体，厂房直接布置在挡水坝段后面。厂房在结构上一般与大坝不发生联系，之间用永久的沉陷缝分开，厂房不起挡水作用。也有厂坝接缝采用灌浆处理，厂房与坝体联合受力。主变压器、开关站、副厂房等一般布置在厂坝之间的空间或尾水平台上。

2．进水口

坝后式水电站采用坝式进水口。进水口由进口段、闸门段、渐变段、通气孔、进人孔等部分组成。为减少泄洪对进水口的影响，一般在进水口靠近泄洪闸一侧设有导流墙。有的还在靠近进水口设有冲沙闸、冲砂孔。

为减少水头损失，进水口流速一般控制在1.5m/s以内。通气孔一般与闸门检修竖井、进人孔共用。

拦污栅装在上游坝面的支撑结构上，检修闸门、事故闸门均安装在坝体内。检修闸门一般采用平面滑动闸门，静水启闭。当机组台数较多时，可以多孔共用。坝后式水电站一般一机一管，在机组前不设主阀，依靠事故门或快速门作为事故保护。快速闸门的关闭时间，应满足防止机组飞逸和对压力钢管保护的要求，一般为2min，其下降速度在接近底槛时，不宜大于5m/min。快速闸门的启闭设备，应有就地操作和远方操作两套系统，并应配有可靠的电源和准确的闸门开度指示控制器。

3．压力管道布置方式

（1）坝后背管。压力管道从进水口高程水平穿过坝体，再沿下游坝面向下“背管”布置。

（2）坝内埋管。压力管道斜向或垂直布置于坝体内。压力管道贴坝体上游面，垂直下延到机组高程后，再水平穿过坝体布置。图2-31所示为坝式进水口及坝内埋管。

4．厂房及尾水

厂房布置在坝后，尾水渠与泄洪坝段之间一般用导墙隔开，防止下泄水流回流干扰尾水，影响正常发电。有的水电站泄洪冲坑冲积物堆积在尾水渠出口，抬高了尾水位，降低了出力。

（二）河床式水电站

河床式水电站大多建造在河流中下游河道底坡平缓的河段上，一般适用于低水头、大流量的水电站。河床式厂房的特点是厂房与坝一样起到挡水作用。水电站建筑物集中布置在电站坝段，进水口后的引水道很短，紧接着厂房。河床式水电站结构见图2-32。

可采用轴流式机组（定桨、转桨、调桨）或贯流式机组（灯泡贯流式、轴伸贯流式、竖井贯流式等），流道较短，水头损失小。贯流式机组综合效率高，而且水电站的厂房结构也比其他类型的厂房结构简单。贯流式机组在额定流量20%～30%时仍可正常发电，对保证下游河道生态流量有利。

灯泡贯流式机组安装高程一般较低，流道进口一般在河床平均高程以下，并低于其他泄水建筑物底槛高程。为了防止河床推移质泥沙进入流道磨损转轮，机组进水口前一般设有拦沙坎，拦沙坎高度一般比进水渠底高2～3m。

河床式电站同时必须重视防污问题，尤其是河道下游。河床式水电站属低水头电站，污物堵塞进水口将显著加大水头损失，对电站出力影响明显。可采用多边形进水口，设置两道拦污栅，配置自动清污机，或在进水口前设置拦污排。拦污排形式多样，可以采用锚缆固定拦污排，也可以采用两端可以随水位升降的活动系缆装置固定浮排。浮排轴线与坝轴线交角不可过小，以大于65°为宜，可以利用泄洪闸水流将污物排往下游。浮排材料可用竹、木、钢铁桶、钢筋混凝土浮箱等。

五、混合式水电站

由坝和引水道两种建筑物共同形成发电水头的水电站，发电水头一部分靠拦河坝壅高水位取得，另一部分靠引水道集中落差取得。混合式水电站可以充分利用河流有利的天然条件，在坡降平缓河段上筑坝形成水库，以利径流调节，在其下游坡降很陡或落差集中的河段采用引水方式得到大的水头。这种水电站通常兼有坝式水电站和引水式水电站的优点和工程特点，这里不再赘述。