严寒地区引水式水电站设计和安全运行经验(1)

摘要：根据新疆阿勒泰地区的气象、冰情等特征，结合当地的实际情况，对引水式水电站设计、冬季安全运行进行了分析、经验总结。

关键词：严寒地区 水电站 设计 安全运行

阿勒泰地区位于东经85º31'57”～91º01'15”，北纬44º59'35”～49º10'45”，地处新疆维吾尔自治区最北部，气候特点是春旱多风，夏短不热，秋高气爽，冬季严寒而漫长，全年冬季长达5～6个月，极端最低气温达－51.5℃，最冷月平均气温达－18℃～21℃，河内冰厚0.5～1.0m,冻土深1.2～1.5m。经过40年的建设，阿勒泰地区已建成电站20余座，除可可托海电站、富蕴县一级电站等为坝后式电站外，其余多为明渠引水式电站。现结合我区几十年来积累的经验，就引水式水电站的设计要求和运行管理两个方面作一初步总结。

1 对引水式电站的设计要求

1．1 引水枢纽的布置及形式的选择

在地形条件允许时，应考虑在电站上游建水库，以便冬季蓄冰，蓄冰库设计，不能仅以回水曲线形成的上游容积为界，应考虑到冰凌堆积和冰盖翘起后，来凌仍可向上游堆积一段距离,一般蓄冰静库容达到年输冰量的1/3即可。对于没有条件修建蓄冰库的引水枢纽，需考虑泄洪、排砂、拦冰和排冰措施。进水口应放在设计水位以下5～6m，以防止进水口控制设施的冻结。

引水枢纽宜选择在河床较稳定的平直段内，以防闸前冰凌堵塞，拦河溢流坝或导流堤需适当增加超高，应大于河道冰厚，避免因闸前进水受阻时坝顶溢流而造成“跑水”。

对于冬季流量较小的河道应能使河水全部进入引水渠，采用底栏栅式进水闸较好，这样能避免冰块进入渠内。对于冬季河道流量较大的电站，采用新疆常用的弯道式渠首，排冰效果较好，耗水量也小。

1．2  引水渠设计

1．2．1  渠线选择

为保证电站冬季顺利排冰，引水渠应尽量将渠线选择在河谷的阳坡，利用冬季阳光的辐射来提高水温，减少再生冰。渠线应直、顺，当必须设置弯道时，其弯道半径宜大于10倍设计水面宽度，以避免冰块在弯道上堵塞；渠线宜布置在挖方段，不宜布置在填方段，避免冰盖推力而引起渠堤滑坡、渠道决口。富蕴县二级电站引水渠道大多为填方，冬季运行时曾发生多起渠道决口事件，严重影响安全生产。

1．2．2  渠道断面

为了防止冬季渠道水热量的散失，形成稳定的冰盖，采用窄深式弧形渠底矩形或梯形断面比较适宜，弧形渠底采用浆砌卵石结构，边坡采用混凝土结构，这样渠道抗冻性好，边坡比较光滑，渠道挂冰现象少，对安全运行有利。渠道超高大小，要充分考虑冬季渠底和渠岸自生冰凌对过水断面的影响，一般要求以大河的冰盖厚度再加大30～60cm作为超高，这样可以保证冰盖形成以后，渠道仍有足够的过水断面。

1．2．3  流速

渠道设计流速的大小，主要按渠道运行方式而定。当引水渠采用输冰运行时，渠道流速可在1.1～1.5m/s,不能大于1.5m/s。对于结冰盖运行的的电站，渠道流速一般在0.5～0.6m/s,既缓流运行，又无冰塞现象。黑山头水电站引水渠设计流速，当初没有考虑到冬季输冰运行要求，引水渠除部分渠段（矩形断面）流速能达到1.1m/s外，其余渠段（梯形断面）流速在0.5m/s以下，因此每年冬季冰塞或决口事件多发生在此渠段。

1.2.4  糙率

当冰盖下满流输水时，综合糙率按下式计算：

n=n₁〔1+a(n₂/n₁)²/(1+a)〕^1/2

a=x₂/x₁

式中  n－冰盖综合糙率系数；

x₁－渠道湿周长度，m；

x₂－冰盖湿周长度,m；

n₁－渠底及边坡的糙率系数；

n₂－冰盖下表面的糙率系数，可按下表选用。

冰盖下表面糙率系数n₂

1.2.5  纵坡

结冰盖运行时，纵坡设计要根据地形条件、水能设计和工程造价，综合考虑选定，要以流速进行控制。

输排冰运行时，纵坡采用前段陡些，以满足输冰流速要求，后段应在排冰闸前取20～40m的缓流段，以满足浮冰、排冰流速的要求

1.3  前池

冬季安全运行，前池容积应适当加大，容积应计入冬季正常水位运行时冰盖所占有的容积，这样一是可以避免漫顶失事，二是可以降低流速，使上游所进冰凌均浮于水面之上，便于排除。前池一般需设置1～2条导凌筏，将渠道来冰导至排冰闸前集中排走，导凌筏与水流夹角不大于30º为宜。前池以正面排冰，侧面取水形式为佳，因为这种形式排冰和来水方向一致，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。排冰闸应与引水渠中心线布置在一条直线上，这样可使闸前水流平稳，闸前无回流和旋涡。排冰闸闸前渠内流速一般在0.7m/s左右，过闸流速一般要求大于1.5m/s，过闸排冰水深要大于最大冰块厚度，闸孔宽度要大于最大冰块宽度，出口应与陡坡平顺连接，陡坡宽度不小于排冰闸闸孔宽度。

从我区几个水电站来看，前池闸室应设在室内，拦污栅的布置一般设在检修闸门与工作闸门之间为好，且布置在前池闸房中，闸房用电热或汽暖采暖，冬季室温应始终保持在0以上。为了使水道与前池闸房之间形成封闭，压力前池上游承重梁的高度应与前池正常水位相齐，目的在于水电站冬季运行时，使冰盖结在前池正常水位以上，此承重梁与冰盖封冻在一起，从而使冷空气进入不到闸房中。

1.4  压力管道和尾水室

对于压力管道防冻，一般采用深埋式（大于冻土深）或加盖暖棚的办法进行压力管防冻。北屯一、二、三级电站利用利用下半夜甩负荷时的余电对压力管进行电力加热，有效地防止了冰冻问题。

尾水室以淹没式为优，非淹没式圆锥钢尾水管，管内极易冰冻，对正常运行不利。

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