严寒地区引水式水电站设计和安全运行经验

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阿勒泰地区位于东经85^o31'57“～91^o01'15”，北纬44^o59'35“～49^o10'45”，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
 

结冰期平均流速v（m/s）　 糙率系数n₂　 无冰凌，冰有裂缝　 有冰凌，冰有裂缝　 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30^o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。

　　2对引水式电站运行管理上的要求

　　2.1流冰期应注意的问题

　　阿勒泰地区一般每年10月下旬至11月中旬为流冰期，大河引进的冰凌加上渠道的再生冰，极易发生堵塞。流冰期要特别加强巡渠和各站点的值班监视工作，及时清除闸前和渠边挂凌和冰塞，以保持水流稳定，畅通无阻。若在此期间又遇上大雪，应特别注意。其它还应注意：

　　a.使进水流量保持稳定，可适当加大，但不宜减少；

　　b.要充分发挥排冰闸的作用，排除冰凌冰块；

　　c.若遇堵塞，应自下游向上游进行排除，可用一小瓶内盛100g左右的炸药，点着投入冰塞处进行爆破，效果很好。

　　2.2引水渠道结冰盖运行

　　渠道在每年11月下旬，随着气温逐渐降低，特别是遇上寒流，气温骤降，渠道浮冰连在一起形成冰盖，冰盖一般呈拱形，即冰盖表面为水平，岸边较厚，形成以渠边为拱座的拱形体，岸边冰厚达30cm以上，渠中心较薄。为了保持冰盖的稳定，必须保持高水位运行，有时宁可少发电保持水位不下降。同时还要在各电站准备好水电阻，调节保持发电机的出力稳定，以防外网突然甩负荷，使渠道水位上升，当渠道中心冰盖厚度达到20cm左右时，即可在冰盖上每隔100～150m打一直径为30cm的冰洞，这样当渠中水位变化时，冰洞可起调压作用，当水位降落时，冰洞进气消除负压，避免垮冰；当水位升高时，水就从冰洞溢出来，漫流在冰盖上的水，遇冷空气又结成冰，可以使冰盖加厚，一般后半夜负荷较轻，这时候可减少泄水道的排水，有控制地增高渠道水位，使水流不断从冰洞溢出来，结成70～80cm的理想冰盖，进入冰盖运行期。

　　春季化冰期一般在4月初到4月下旬，这期间主要是防止冰盖下塌结成冰坝而堵塞渠道。这就要求加强渠道巡视，疏通退水渠和尾水渠，打掉泄水道上的冰盖，从下游往上游排冰，如遇堵塞处或发现有冰盖下塌，尽量用人工疏通，打碎的冰块不宜太大，防止因疏冰而造成新的堵塞；或采用人工定位爆破，将冰块炸碎，再用人工进行疏通。

　　3结语

　　我区冬季严寒，负温历时长，冰害严重，但只要根据气象、水温、冰情、工程条件等，制定符合实际情况的电站设计和运行管理制度，妥善解决冰冻问题，严寒地区水电站的冬季运行是完全有保障的。