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水电站组成简介水电站，是指将水能转变为电能的相关设备、建筑物及其附属设施的综合体。其工作原理为：利用水工建筑物，将某一段河道的水流天然落差集中起来，形成压力水头，将这种带有水头的水流引入水轮机，推动其桨叶转动，进而带动发电机转动，将水能转换为电能。根据水电站集中水头的方式，可以将水电站分为如下三类：1)坝式水电站：主要通过拦河坝截断天然河流集中水头，如三峡水电站；2)引水发电式水电站：主要通过引水隧洞或压力钢管等引水建筑集中水头；3)混合式水电站：通过拦河坝和引水建筑共同集中水头，如华泰承保的柬埔寨额勒赛河下游水电站。引水式水电站示意图（引自百度图片）混合式水电站示意图（引自百度图片）根据水电站是否能够储存多余电能，将水电站分为普通水电站和抽水蓄能式水电站。普通水电站在电网调度的功率小于装机功率时，需要停机或部分弃荷运行；而抽水蓄能水电站可在电网负荷低时利用多余发电能力将下池的水输送到上池，在电网负荷高时从上池放水发电，具备储存电能的能力。频繁的机组启停及发电功率调整会缩短发电机组寿命，抽水蓄能电站具备调峰调谷、调压调相的作用，有利于电网内其他发电厂的稳定运行，增加机组设备运行寿命。天荒坪抽水蓄能电站示意图（引自百度图片）组成水电站的建筑物按照其功能大致可以划分为：挡水建筑物、引水建筑物、泄水建筑物、取水建筑物、整治建筑物、专门建筑物六大类。当这些建筑物综合起来除了满足发电目标，还需要实现如防洪、灌溉、通航、环境治理等任务时，就被称为水利枢纽，在没有歧义的情况下，下面介绍中会提及一些水利枢纽中的建筑物。1、挡水建筑物挡水建筑物是指用于拦挡河水，集中水头的建筑物，包括拦河坝、上下游围堰（在施工过程中存在）、堤防等。水电站中最主要的挡水建筑物是拦河大坝，大坝常按照建筑材料和构造形式来进行分类。大坝按照其主要建筑材料可以分为混凝土坝、土石坝、橡胶坝、土坝、浆砌石坝、木结构坝、钢结构坝等。其中，混凝土坝、土石坝常用于大型的水利工程，如三峡水利枢纽使用混凝土坝，小浪底水电站使用土石坝；其他材料的拦河坝在大型水电站中使用较少。大坝建成之后面临坝前水的推力（最主要的作用力）、波浪压力、上游浮冰及浮木冲击、坝下及坝前水的渗透压力等不利于大坝稳定的荷载作用，而主要通过坝体自身重力、大坝基础的摩擦力、两岸岩体的支撑力等来维持坝体稳定。大坝按照其构造特点可以分为重力坝、拱坝、面板堆石坝、支墩坝等。重力坝是依靠自身重力提供抗滑力，以平衡上游水推力，维持大坝稳定的水坝，这种坝在其他条件相同的情况下体积较其他坝更大。拱坝主要通过拱形的曲面设计，把上游的水推力传递给坝基和两岸坝肩，布置拱坝对两岸坝肩的岩体承载力和稳定性要求较高。面板堆石坝是主要由上游侧的面板（其作用主要是防渗以及将坝前荷载均匀传递给大坝主体）、面板后面的堆石主体（通过堆积压实的碎石提供稳定性）和防渗连接结构组成的大坝。支墩坝是由一系列倾斜的面板和支承面板的支墩组成的坝，包含如下三种类型：由拱形面板和支墩组成的支墩坝，称为连拱坝；由平板面板和支墩组成的支墩坝，称为平板支墩坝；面板由支墩上游部分扩宽形成（称为“头部“）的支墩坝，称为大头坝。三峡混凝土重力坝（引自百度图片）澜沧江小湾混凝土拱坝（引自百度图片）柬埔寨某混凝土面板堆石坝（本人2015年拍摄）某连拱支墩坝（引自百度图片）某大头支墩坝（引自百度图片）2、泄水建筑物水电站的泄水建筑物是指将超过电站运用能力的水排泄到下游河床或其他泄洪区的建筑物，主要包括溢洪道、泄洪洞、泄洪坝段、泄洪副坝等。泄水建筑物主要是为了调节坝前水位，应对洪水威胁。溢洪道，是在大坝附近专门修建一条泄水通道，将达到一定水位的洪水排泄出去，以避免坝前水位过高。老园水库溢洪道（引自百度图片）泄洪洞，是在坝内预留或在岸内开挖用于排泄洪水的隧洞。美国蒙蒂赛罗水坝泄洪洞（引自百度图片）大岗山水电站坝身泄洪洞（引自百度图片）泄洪坝段，是专门设置的排泄洪水的坝段，当坝前水位超过泄洪坝段时，水将漫坝而过，排到下游。泄洪副坝，是一种非常规的泄水建筑物，几乎很难用到。少量水电站的布置包含主坝和副坝，当遇到不超过设计标准的洪水时，可通过正常泄水建筑排水，而当遇到超过设计标准洪水，正常的泄水建筑物无法提供足够的泄水能力，以致不及时泄洪可能影响到整个水电站及下游安全时，通过炸毁副坝泄洪，减少损失，是一种舍车保帅的做法。溢洪道和泄洪洞前可根据需要配置控制闸门，需要时可打开闸门进行泄洪。3、输水建筑物水电站的输水建筑物是指将水流进行输运的建筑物，主要包括引水渠道、引水涵洞、引水隧洞、引水压力钢管，前两种为无压引水道，后两种为有压引水道。1)引水渠道是横断面不封闭的渠道，水流在其内进行无压流动；2)引水涵洞是断面封闭的孔洞，但水流并不充满整个断面，并在其中进行无压流动；3)引水隧洞是断面封闭的孔洞，水流充满整个断面，并在其内进行有压流动，整个断面均承受水的压力；4)压力钢管是断面封闭的金属管道，水流充满整个断面，并在其内进行有压流动。水电站可能包括的一种或多种输水建筑物，当同时包含无压引水道和有压引水道时，需要在两者之间布置连接建筑物。压力前池就是从无压引水道过渡到有压引水道的建筑物，由池身及渐变（宽）段、压力管道进水口及设备、拦污设备和泄水建筑组成，用于稳定水流、调节流量、拦阻污物、宣泄多余水量。当水电站经常不能保证满负荷运行时，可以在前池旁设置调节池，在多水期将水导入调节池储存，在少水期又将调节池的水导入压力前池后引入水轮机发电。4、取水建筑物水电站的取水建筑物是指从河流中取水进入引水渠道、水工隧洞、压力钢管等输水设施的建筑物，又可称为进口建筑物，根据取水建筑物后面水流是否为有压流动，可以将取水建筑物分为无压取水建筑物和有压取水建筑物两种。1)无压取水建筑物无压取水建筑的进水口应尽量布置在流速较快、含沙量较少的河床凹岸。在进水口前还应设置拦污栅，用于拦阻漂浮物。并在河床上设置一定高度的水下低坎（拦沙坎），用于拦挡沿着河床移动的泥沙。拦沙坎旁设置冲沙闸，打开时可以将拦沙坎前的泥沙从冲沙闸后的渠道（冲沙槽）冲出，避免沙量集聚过多。在拦沙坎后设置坡度较小的沉沙池，使水流速度降低，水中的悬移质泥沙沉积到池底，沉积的泥沙需要使用机械清沙或动水冲沙的方式及时清除。2)有压取水建筑物有压取水建筑的进水口按照其布置的位置可以分为：a)竖井式进水口：进口在河岸内，闸门布置于河岸内的竖井中，适于岩体坚硬完好，对外交通便利的岸坡，结构简单，运行可靠；b)岸塔式进水口：进水口设置在进水塔内，进水塔与河岸相连，闸门竖直布置在进水塔内，整体稳定性较好，但一般明挖量大，结构复杂；c)岸坡式进水口：进水口布置在河岸上，闸门倾斜布置在岸坡上；d)塔式进水口：进水口布置在河床上修建的进水塔内，与河岸不相连，如美国胡佛水电站采用塔式进水口取水；e)坝式进水口：进水口布置在大坝上。有压进水口前也会设置拦污排、拦污栅、清污机等设施，以拦阻漂浮物、悬移质泥沙等，以保证水质。3)水工闸门水电站的闸门是用于切断和连通水流的建筑设施，一般布置在进水口后。闸门根据表面的形状可以分为弧形闸门、平板闸门、人字形闸门等；根据闸门的运行功能可以工作闸门、检修闸门、事故闸门。工作闸门用于正常工况下切断和连通水流，以达到调节发电功率的作用，多为平板闸门，在动水中开启、关闭；检修闸门用于检修发生事故的闸门及其门槽，一般为平板门，中小型电站可为叠梁，在静水中开启、关闭，可几个进水口合用一套检修门和启闭设备；事故闸门，用于发生事故时快速切断水流，也可用于检修期间封堵水流，多为平板门，动水中关闭，静水中开启，每一进水口前需配置一套事故闸门和固定式启闭机。某电站进水口（引自百度图片）5、整治建筑物水电站的整治建筑物是指对水电站上下游河岸、边坡、地基等进行治理，以保证建筑安全的建筑物。主要包括丁坝、顺坝、水垫塘、导流堤、预应力锚索、帷幕灌浆等。丁坝是是与河岸正交或斜交伸入河道中的河道整治建筑物，呈“T”字形，由坝头、坝身组成，主要用于引导水流、控制河岸冲刷，维持河岸稳定性。顺坝又称导流坝，常布置于凹岸，与水流方向平行或呈锐角，使河流的主流线偏离受冲刷的凹岸，是防止河流侧向侵蚀及河道局部冲刷的一种整治建筑物。水垫塘是在水电站厂房下游布置的用于保护坝基和两岸的整治建筑物。其修建方式为开挖下游河床，浇筑一层混凝土或铺一层浆砌石保护河床，并在水垫塘之后建二道坝形成一定深度的水垫，使挑落水流不淘刷坝址和两岸。导流堤是用以平顺引导水流或约束水流的建筑物，常用土石料或砌石等筑成。锚索常用于预应力钢索打入岸边岩层中，增加岩石边坡稳定性。当坝基岩体整体性不好的时候，可通过向岩体中注入水泥浆等封堵空隙，形成帷幕，减少渗漏，增加坝基整体性和稳定性。根据水电站建筑的具体项目情况，还需要因地制宜采用其他特殊整治建筑设施，需要具体设计。6、专门建筑物水电站的专门建筑物是指为了实现特定的功能而设置的建筑物，主要包括为发电而布置的电站厂房、为稳定水流控制水击而布置的调压室、为通航而布置的船闸及升船机、为输电而布置的变压站等。水电站厂房是用于布置水轮机、发电机、控制室等发电设施的专门建筑物。根据水电站厂房的布置位置，可以将厂房分为如下几类：1)河岸式（地面式）厂房：厂房布置于河岸，全部位于地面以上；2)半地下式厂房：厂房布置于河岸，部分位于地上、部分位于地下；3)地下式厂房：厂房布置于河岸，全部位于地面以下；4)河床式厂房：厂房布置于河床之上；5)坝内式厂房：厂房布置于拦河坝内；6)混合式厂房：同时包含多种布置方式的厂房。美国胡佛大坝厂房示意图（引自百度图片）伊泰普水电站坝后厂房（引自百度图片）在引水发电式水电站中，为了经济和安全考虑，常采用有压隧洞引水，且隧洞可能长达几公里甚至超过10km（大量占用工程投资），在水电站运行过程中，若因需要关闭发电厂房前的工作阀门，水流由于惯性会继续往下流动，水不断压缩产生巨大的压力，当下游侧水压力超过上游来水压力时，水流又会反向上游流动，如此反复，形成巨大压力作用于工作闸门和隧洞，这种现象称为水击。水击过程中产生巨大压力作用于阀门和隧洞周围岩体，会危及阀门、隧洞及下游厂房安全。调压室就是布置在引水隧道上的一个用于释放当阀门关闭时产生的水压力的巨大空室。当关闭阀门时，水压达到一定程度时即可冲开调压室的阀门进入调压室内，释放水流压力，从而将闸门和隧洞承受的水压力控制可接受的范围内，避免水击造成的危害。调压室原理示意图（引自百度图片）船闸是水位可调节的过水通道，最简单的一级船闸包含一个闸室和上、下游闸门，通过启闭上下游闸门调整闸室水位达到通航目的。下游来船时，首先打开下游闸门，船驶入闸室（此时水位与下游持平）；然后关闭下游闸门，打开上游闸门使得水流进入闸室抬升水位至与上游水位齐平；最后打开上游闸门，船驶入上游。上游来船时则反序操作即可。抬升水位很高时，可以设置多级船闸，逐步调整水位。三峡水利枢纽五级船闸（引自百度图片）升船机则是用配备了上下闸门的、可上下移动的水箱代替了闸室，下游来船时，打开下游闸门，船驶入升船机水箱；然后关闭闸门，升船机动力设备将水箱（装着水和船）提升至上游水位高程；最后打开上游闸门，船驶出水箱，到达上游。上游来船时，反向操作即可。与船闸相比，升船机的过船时间少很多。