嚴(yán)寒地區(qū)引水式水電站設(shè)計和安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

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阿勒泰地區(qū)位于東經(jīng)85^o31'57“～91^o01'15”，北緯44^o59'35“～49^o10'45”，地處新疆維吾爾自治區(qū)最北部，氣候特點(diǎn)是春旱多風(fēng)，夏短不熱，秋高氣爽，冬季嚴(yán)寒而漫長，全年冬季長達(dá)5～6個月，極端最低氣溫達(dá)－51.5℃，最冷月平均氣溫達(dá)－18℃～21℃，河內(nèi)冰厚0.5～1.0m，凍土深1.2～1.5m.經(jīng)過40年的建設(shè)，阿勒泰地區(qū)已建成電站20余座，除可可托海電站、富蘊(yùn)縣一級電站等為壩后式電站外，其余多為明渠引水式電站?，F(xiàn)結(jié)合我區(qū)幾十年來積累的經(jīng)驗(yàn)，就引水式水電站的設(shè)計要求和運(yùn)行管理兩個方面作一初步總結(jié)。

　　1對引水式電站的設(shè)計要求

　　1.1引水樞紐的布置及形式的選擇

　　在地形條件允許時，應(yīng)考慮在電站上游建水庫，以便冬季蓄冰，蓄冰庫設(shè)計，不能僅以回水曲線形成的上游容積為界，應(yīng)考慮到冰凌堆積和冰蓋翹起后，來凌仍可向上游堆積一段距離，一般蓄冰靜庫容達(dá)到年輸冰量的1/3即可。對于沒有條件修建蓄冰庫的引水樞紐，需考慮泄洪、排砂、攔冰和排冰措施。進(jìn)水口應(yīng)放在設(shè)計水位以下5～6m，以防止進(jìn)水口控制設(shè)施的凍結(jié)。

　　引水樞紐宜選擇在河床較穩(wěn)定的平直段內(nèi)，以防閘前冰凌堵塞，攔河溢流壩或?qū)Я鞯绦柽m當(dāng)增加超高，應(yīng)大于河道冰厚，避免因閘前進(jìn)水受阻時壩頂溢流而造成“跑水”。

　　對于冬季流量較小的河道應(yīng)能使河水全部進(jìn)入引水渠，采用底欄柵式進(jìn)水閘較好，這樣能避免冰塊進(jìn)入渠內(nèi)。對于冬季河道流量較大的電站，采用新疆常用的彎道式渠首，排冰效果較好，耗水量也小。

　　1.2引水渠設(shè)計

　　1.2.1渠線選擇

　　為保證電站冬季順利排冰，引水渠應(yīng)盡量將渠線選擇在河谷的陽坡，利用冬季陽光的輻射來提高水溫，減少再生冰。渠線應(yīng)直、順，當(dāng)必須設(shè)置彎道時，其彎道半徑宜大于10倍設(shè)計水面寬度，以避免冰塊在彎道上堵塞；渠線宜布置在挖方段，不宜布置在填方段，避免冰蓋推力而引起渠堤滑坡、渠道決口。富蘊(yùn)縣二級電站引水渠道大多為填方，冬季運(yùn)行時曾發(fā)生多起渠道決口事件，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

　　1.2.2渠道斷面

　　為了防止冬季渠道水熱量的散失，形成穩(wěn)定的冰蓋，采用窄深式弧形渠底矩形或梯形斷面比較適宜，弧形渠底采用漿砌卵石結(jié)構(gòu)，邊坡采用混凝土結(jié)構(gòu)，這樣渠道抗凍性好，邊坡比較光滑，渠道掛冰現(xiàn)象少，對安全運(yùn)行有利。渠道超高大小，要充分考慮冬季渠底和渠岸自生冰凌對過水?dāng)嗝娴挠绊?，一般要求以大河的冰蓋厚度再加大30～60cm作為超高，這樣可以保證冰蓋形成以后，渠道仍有足夠的過水?dāng)嗝妗?/p>

　　1.2.3流速

　　渠道設(shè)計流速的大小，主要按渠道運(yùn)行方式而定。當(dāng)引水渠采用輸冰運(yùn)行時，渠道流速可在1.1～1.5m/s，不能大于1.5m/s.對于結(jié)冰蓋運(yùn)行的的電站，渠道流速一般在0.5～0.6m/s，既緩流運(yùn)行，又無冰塞現(xiàn)象。黑山頭水電站引水渠設(shè)計流速，當(dāng)初沒有考慮到冬季輸冰運(yùn)行要求，引水渠除部分渠段（矩形斷面）流速能達(dá)到1.1m/s外，其余渠段（梯形斷面）流速在0.5m/s以下，因此每年冬季冰塞或決口事件多發(fā)生在此渠段。

　　1.2.4糙率

　　當(dāng)冰蓋下滿流輸水時，綜合糙率按下式計算：

　　n=n1〔1+a（n₂/n₁）2/（1+a）〕1/2

　　a=x₂/x₁

　　式中n－冰蓋綜合糙率系數(shù)；

　　x₁－渠道濕周長度，m；

　　x₂－冰蓋濕周長度，m；

　　n₁－渠底及邊坡的糙率系數(shù)；

　　n₂－冰蓋下表面的糙率系數(shù)，可按下表選用。

冰蓋下表面糙率系數(shù)n₂
 

結(jié)冰期平均流速v（m/s）　 糙率系數(shù)n₂　 無冰凌，冰有裂縫　 有冰凌，冰有裂縫　 0.4<v≤0.6　 0.010～0.012　 0.012～0.014　 0.6<v≤0.7　 0.014～0.017　 0.017～0.020　

　　1.2.5縱坡

　　結(jié)冰蓋運(yùn)行時，縱坡設(shè)計要根據(jù)地形條件、水能設(shè)計和工程造價，綜合考慮選定，要以流速進(jìn)行控制。

　　輸排冰運(yùn)行時，縱坡采用前段陡些，以滿足輸冰流速要求，后段應(yīng)在排冰閘前取20～40m的緩流段，以滿足浮冰、排冰流速的要求

　　1.3前池

　　冬季安全運(yùn)行，前池容積應(yīng)適當(dāng)加大，容積應(yīng)計入冬季正常水位運(yùn)行時冰蓋所占有的容積，這樣一是可以避免漫頂失事，二是可以降低流速，使上游所進(jìn)冰凌均浮于水面之上，便于排除。前池一般需設(shè)置1～2條導(dǎo)凌筏，將渠道來冰導(dǎo)至排冰閘前集中排走，導(dǎo)凌筏與水流夾角不大于30^o為宜。前池以正面排冰，側(cè)面取水形式為佳，因?yàn)檫@種形式排冰和來水方向一致，可以充分利用水的表面流速，因而排冰耗水量小，排冰效果也好。排冰閘應(yīng)與引水渠中心線布置在一條直線上，這樣可使閘前水流平穩(wěn)，閘前無回流和旋渦。排冰閘閘前渠內(nèi)流速一般在0.7m/s左右，過閘流速一般要求大于1.5m/s，過閘排冰水深要大于最大冰塊厚度，閘孔寬度要大于最大冰塊寬度，出口應(yīng)與陡坡平順連接，陡坡寬度不小于排冰閘閘孔寬度。

　　從我區(qū)幾個水電站來看，前池閘室應(yīng)設(shè)在室內(nèi)，攔污柵的布置一般設(shè)在檢修閘門與工作閘門之間為好，且布置在前池閘房中，閘房用電熱或汽暖采暖，冬季室溫應(yīng)始終保持在0以上。為了使水道與前池閘房之間形成封閉，壓力前池上游承重梁的高度應(yīng)與前池正常水位相齊，目的在于水電站冬季運(yùn)行時，使冰蓋結(jié)在前池正常水位以上，此承重梁與冰蓋封凍在一起，從而使冷空氣進(jìn)入不到閘房中。

　　1.4壓力管道和尾水室

　　對于壓力管道防凍，一般采用深埋式（大于凍土深）或加蓋暖棚的辦法進(jìn)行壓力管防凍。北屯一、二、三級電站利用利用下半夜甩負(fù)荷時的余電對壓力管進(jìn)行電力加熱，有效地防止了冰凍問題。

　　尾水室以淹沒式為優(yōu)，非淹沒式圓錐鋼尾水管，管內(nèi)極易冰凍，對正常運(yùn)行不利。

　　2對引水式電站運(yùn)行管理上的要求

　　2.1流冰期應(yīng)注意的問題

　　阿勒泰地區(qū)一般每年10月下旬至11月中旬為流冰期，大河引進(jìn)的冰凌加上渠道的再生冰，極易發(fā)生堵塞。流冰期要特別加強(qiáng)巡渠和各站點(diǎn)的值班監(jiān)視工作，及時清除閘前和渠邊掛凌和冰塞，以保持水流穩(wěn)定，暢通無阻。若在此期間又遇上大雪，應(yīng)特別注意。其它還應(yīng)注意：

　　a.使進(jìn)水流量保持穩(wěn)定，可適當(dāng)加大，但不宜減少；

　　b.要充分發(fā)揮排冰閘的作用，排除冰凌冰塊；

　　c.若遇堵塞，應(yīng)自下游向上游進(jìn)行排除，可用一小瓶內(nèi)盛100g左右的炸藥，點(diǎn)著投入冰塞處進(jìn)行爆破，效果很好。

　　2.2引水渠道結(jié)冰蓋運(yùn)行

　　渠道在每年11月下旬，隨著氣溫逐漸降低，特別是遇上寒流，氣溫驟降，渠道浮冰連在一起形成冰蓋，冰蓋一般呈拱形，即冰蓋表面為水平，岸邊較厚，形成以渠邊為拱座的拱形體，岸邊冰厚達(dá)30cm以上，渠中心較薄。為了保持冰蓋的穩(wěn)定，必須保持高水位運(yùn)行，有時寧可少發(fā)電保持水位不下降。同時還要在各電站準(zhǔn)備好水電阻，調(diào)節(jié)保持發(fā)電機(jī)的出力穩(wěn)定，以防外網(wǎng)突然甩負(fù)荷，使渠道水位上升，當(dāng)渠道中心冰蓋厚度達(dá)到20cm左右時，即可在冰蓋上每隔100～150m打一直徑為30cm的冰洞，這樣當(dāng)渠中水位變化時，冰洞可起調(diào)壓作用，當(dāng)水位降落時，冰洞進(jìn)氣消除負(fù)壓，避免垮冰；當(dāng)水位升高時，水就從冰洞溢出來，漫流在冰蓋上的水，遇冷空氣又結(jié)成冰，可以使冰蓋加厚，一般后半夜負(fù)荷較輕，這時候可減少泄水道的排水，有控制地增高渠道水位，使水流不斷從冰洞溢出來，結(jié)成70～80cm的理想冰蓋，進(jìn)入冰蓋運(yùn)行期。

　　春季化冰期一般在4月初到4月下旬，這期間主要是防止冰蓋下塌結(jié)成冰壩而堵塞渠道。這就要求加強(qiáng)渠道巡視，疏通退水渠和尾水渠，打掉泄水道上的冰蓋，從下游往上游排冰，如遇堵塞處或發(fā)現(xiàn)有冰蓋下塌，盡量用人工疏通，打碎的冰塊不宜太大，防止因疏冰而造成新的堵塞；或采用人工定位爆破，將冰塊炸碎，再用人工進(jìn)行疏通。

　　3結(jié)語

　　我區(qū)冬季嚴(yán)寒，負(fù)溫歷時長，冰害嚴(yán)重，但只要根據(jù)氣象、水溫、冰情、工程條件等，制定符合實(shí)際情況的電站設(shè)計和運(yùn)行管理制度，妥善解決冰凍問題，嚴(yán)寒地區(qū)水電站的冬季運(yùn)行是完全有保障的。